Устройство для измерения деформаций массива горных пород

 

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее измерительный цилиндрический конденсатор, подвижная обкладка которого соединена штоком с массивом горных пород, и колебательный контур автогенератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем уменьшения влияния долговременной нестабильности частоты автогенератора , оно снабжено компенсирующим конденсатором, коммутатором и блоком измерения разности двух последовательных .во времени.частот, причем ксммутируемые входы коммутатора со-единены соответственно с обкладками измерительного и компенсирупщего конденсаторов, а выход коммута (Л тора подключен к автогенератору, выход которого соединен с блоком измерения разности двух последовательных во времени частот.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PEQlVS J1HH (!9) (!1) (я)4 E 21 С 39 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОР@НОМУ СОИДОТОР.ЬСТВУ

Фиг. t (21) 3691762/22-03 (22) 12.01.84 (46) 30.08.85. Бюл. В 32 (72) М.М.Манукян (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт (53) 622;23.05(088.8) (56) Манукян М.М. и др. Аппаратура для исследования напряженного состояния целиков и расслоений в кровле. — В сб.: Измерения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, 1972, с. 283-288.

Авторское свидетельство СССР

В 620600, кл. Е 21 С 39/00, 1975. (54)(57) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее измерительный ципиндрический конденсатор, подвижная обкладка которого соединена штоком с массивом горных пород, и колебательный контур автогенератора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем уменьшения влияния долговременной нестабильности частоты автогенератора, оно снабжено компенсирующим конденсатором, коммутатором и блоком измерения разности двух последовательных во времени. частот, причем коммутируемые входы коммутатора соединены соответственно с обкладками измерительного и компенсирующего конденсаторов, а выход коммутатора подключен к автогенератору, выход -которого соединен с блоком измерения разности двух последовательных во времени частот.

1176075 2 компенсирующего конденсатора 1 к потенциальной точке контура автогенератора 4. При этом подключении частота генерации автогенератора 4 определяется величиной емкости компенсирующего.конденсатора 1 и равна 11 .

В момент t, когда колебания автогенератора 3 переходят в установившийся режим, с блока 8 управления на

10 суммирующий управляющий вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает стробирующий . импульс U +длительностью t „, который переводит реверсивный счетчик 6 д в режим суммирования импульсов и включает формирователь 5 импульсов.

К моменту окончания стробирующего импульса Б ф(момент Сз) в реверсивном счетчике 6 накапливается коли20 чество импульсов, равное отношению

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для измерения деформаций, и может быть использовано для конт" роля напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем уменьшения погрешности от долговременной нестабильности частоты автогенератора.

На фиг,1 показана функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 — временные диаграммы работы . устройстват, на фиг.3 — вариант конструктивного выполнения измерительного и компенсирующего цилиндрических конденсаторов.

Рассмотрим вариант реализации устройства с построенным на основе реверсивного счетчика блоком вычисления разности двух последовательных во времени частот (фиг,1).

Компенсирующий t и измерительный

2 конденсаторы подключены к коммутируемым входам коммутатора 3. Вы- 25 ход коммутатора 3 подключен к потенциальной точке колебательного контура автогенератора 4. Выход автогенератора 4 соединен с входом формирователя 5 импульсов. Выход форми- 30 рователя 5 импульсов соединен с вхо- дом реверсивного счетчика 6, к которому подключен цифровой индикатор 7.

В случае использования устройства в составе радиодатчиков сигналы с выхода реверсивного счетчика 6 подаются на управление модулятором передатчика (не показан), а цифровой индикатор 7 может отсутствовать. Работой. всего устройства управляет щ . блок 8 управления, Формирователь 5 импульсов, реверсивный счетчик 6, цифровой индикатор 7 и блок 8 управления представляют собой блок 9 вычисления разности двух последовательных во времени частот. !

Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг.2).

В момент времени ti с блока 8 управления на коммутатор 3 приходит Ю импульс длительностью t< С +t (t>„) 1ст и м я т время установления, которое включает в себя время переключения коммутатора и время установления колебаний автогенератора, t„ „- время изме- 55 рения частоты автогенератора). Под действием импульса Ui коммутатор 3 подключает потенциальную обкладку где Т1 и 1 — период и частота автогенератора 4, определяемые компенсирующей емкостью 1.

По окончании импульса Ui, (момент

t ) коммутатор 3 отключает компен1 сирующий конденеатор 1 от контура автогенератора 4 и подключает измерительный конденсатор 2. По прошествии времени t, в момент t ст с блока 8 управлейия на вычитающий управляющий вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает второй стробирующий импульс

U длительностью t .., который перевоФ1Щ дит реверсивный счетчик 6 в режим вычитания импульсов и включает формирователь 5 импульсов. К моменту окончания второго стробирующего импульса 11- (момент t<) в реверсивном счетчике 6 остается

Ne N1 Nz= изм Ит г) (2) где 2. — частота автогенератора, определяемая величинои емкости измерительного конденсатора 2, Таким образом, в реверсивном счетчике 6 остается число импульсов

Ng> пропорциональное времени измереНИЯ и м „т И РаЗНОСтИ ДВУХ ЧаетОт f.1, и 2 °

1760? 5 4

Гайка 19 служит для фиксации штока непотенциальной обкладки 15 в таком положении, когда емко" òü С компенсирующего конденсатора 1 равна постоянной составляющей С емкости измерительного конденсатора 2.

Емкость С< компенсирующего конденсатора 1 измеряется между зажимами

18 и 20, а емкость С + S у измерительного конденсатора 2 измеряется между зажимами 14 и 20. Зажим 20 электрически связан с корпусом 12 устройства, т.е. с "землей".

При подключении конденсаторов 1 и 2 в измерительную схему зажимы 14 и 18 подключаются к коммутируемым выходам коммутатора 3. При этом генерация частот 1, и 1 автогенератором 4 происходит практически при одних.и тех же значениях параметров ,контура, крутизны активного элемен;та и других элементов схемй автогенератора.

Поэтому разница между частотами

25 4,-1= д1 пропорциональна изменениям величины измерительной емкости 2, равным S. у, т.е. измеряемому параметру — перемещению у, и практически не зависит

30 от долговременной нестабильности частоты автогеиератора 4, поскольку все накапливаемые уходы частоты входят в равной степени как в частоту, 1 так и в частоту 12 и при определении разности 61 вычитаются.

Это справедливо в том случае, если время измерения t и время устанче новления t достаточно малы, т.е. усг если за время между измерением час40 тот 1 и 1. не накагливается заметных уходов частоты, автогенератора

4 в результате изменения внешних ус ,повий и напряжения источника питания

la не успевают постареть элементы

45 схемы автогенератора 4. Поэтому сумма t1 т+tи, допжна быть как можно

;меньше. Однако учет технической шири, ны спектральной линии генератора позволяет ограничить величину t величиной

Б и М r»t,Ð з 1

По окончании второго стробируюшего импульса U в момент t (когда с цикл измерения закончен) блок 8 управления подает импульс Б„„ на схему 7 цифровой индикации. По окончании импульса индикации цикл измерений может быть повторен многократно.

Емкость контура автогенератора при измерении частоты 1 можно представить в виде

С, =С. + С, ) (3)

I 1 где С вЂ” начальная емкость контура, включающая в себя подстро4 ечные и паразитные емкости, С, — емкость компенсирующего конденсатора t, а при измерении частоты f в виде (С = Со+ С + ) (4) где С вЂ” постоянная составляющая емкости измерительного конденсатора 2, 6 — крутизна преобразования перемещения в емкость измерительным конденсатором 2, — измеряемое перемещение.

Если С1=С и компенсирующий конденсатор 1 аналогичен. измерительному конденсатору 2 (как показано, например, на фиг.3), то изменение емкостей С, и С, связанное с изменением внешних условий и старением, приблизительно одинаково. Это позволяет записать

С1,=СО и С1 =Со+5 1, (5) где С =С +С,=С +С

Измерительный конденсатор 2 (фиг.3) состоит из подвижной обкладки со штоком 10, которая через направляющую втулку 11 электрически связана с корпусом 12 и выполняет роль непотенциального электрода измерительного конденсатора 2, и неподвижной обкладки 13, которая имеет вывод на зажим 14 и выполняет роль потенциальной обкладки. Подвижная обкладка со штоком 10 имеет скользящую посадку в направляющей втулке 11.

Компенсирующий конденсатор I конструктивно выполнен аналогично измерительному и состоит из непотенциальной обкладки 15, которая за счет резьбового соединения со втулкой 16 имеет возможность перемещаться относительно потенциальной обкладки 17, имгюией вывод на зажим 18. (6)

55 где hF — техническая ширина спектральной линии автогенератора.

1176075

30 «1 где о усо

У

ИЗЙ

aN

Согласно экспериментальным данным величина

a F = (l o - lo ) f p ) где f — начальная частота автогео нератора 4, соответствующая емкости С (5 = f,) . (1 равно 10 -10 Гц; с учетом этоо о о

2 го t „равно 10 — 10 с) .

Величина t даже при использова- 10

11сТ нии самых медленных коммутаторов (например, реле с магнитоуправляемыми контактами) много меньше Сд„.

Поэтому в дальнейшем при определеХ нии времени измерения частот и р 15 учитывается только время С„ „.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в данном устройстве в результате резкого уменьшения влияния долго- 20 временной нестабильности частоты автогенератора удается уменьшить погрешность измерения перемещ1ений не менее чем в 20 раз. Текущая относительная погрешность измерения У

25 предлагаемым устройством выражается следующим образом

2Со

Y =14tztl а У .ю

4я,"К "а ю начальная частота автогенератора 4, соответствующая емкости контура С„, относительная нестабильность емкости С„(У 10 -10 ); относительная нестабильность крутизны преобразования Б (У = 10 -10 ); относительная нестабильность длительности стробимпульса

-Ф, к (У 10 ) долговременная относительная нестабильность частоты автогенератора (У 10 ); абсолютная погрешность показаний реверсивного счетчика 6, обусловленная колебаниями начальной емкости измерительного преобразова-7 теля (для частоты 5 а10 Гц М ° 1 Г1 абсолютная погрешность по55 казаний реверсивного счетчика, вызванная уходами частоты автогенератора, обусловливающими техничес- . кую ширину линии автог1-н ратора (для 5 1О Гц и

t,„=0,1 c 5,--10), " — абсолютная погрешность пока3 заний реверсивного счетчика, вызванная погрешностью еди- ( ницы счета (для 1 10 Гц и ям-оъ1 с. АМа-.а =10) °

B выражении (7) первый член под корнем выражает величину мультипликативной составляющей погрешности

У а второй член — величину адцим тинной составляющей погрешности У> .

Количественная оценка по формуле (7) дает для приведенных значений этих погрешностей

У„ (1-3)" 10, Уд (1-1, S) 10

В известном устройстве величина мультипликативной составляющей погрешности измерения УА, не очень отQP личается от величины У данного устройства, однако величина аддитивной составляющей У значительно пр с - 7 больше. Действительно, при к =11 Гц ширина рабочей полосы частот известного устройства, с1 10 Гц. С учетом

5 того, что У 10

Xk 4 io О

-!О (p т. ! т.е. в устройстве-прототипе величина аддитивной составляющей погрешности

У „ ввиду сильного влияния долговрепр менной нестабильности У почти на о два порядка больше, чем в предлагаемом.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на доступных и дешевых полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах. В частности, в качестве автогенератора может быть использована схема генератора Клаппа на биполярном кремневом транзисторе или схема автогенератора, ° построенного на аналоге ф. -диода с использованием полевых транзисторов.

Коммутатор может быть выполнен на кремневых диодах либо на реле с магнитоуправляемыми контактами типа

РЭС-64 или РЭВ-20.

Блок управления 8, реализующий алгоритм, представленный на временной диаграмме (фиг.2), может быть выполнен на базовых элементах И-HE

ИЛИ-НЕ и триггерах типа D, входящих в состав интегральных микросхем серий 155 или 561. Формирователь им7 1 пульсов 5 также .реализуется на базовых элементах этой серии, реверсивUg

Рипа

70 11

1б 15

9 иг. 3

Составитель Г. Алексеева

Техред А.Бабинец КоРРектоР И. "1рдвфй

Редактор Л.Веселовская

Заказ 5324/36 Тираж 482

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

- по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4

2

176075 8 ный счетчик 6 и индикатор 7 — на специализированных схемах этих серий.