The coreless inductive sensor for strain measurement of rock samples in a pressure cell - some advantages and disadvantages in relation to the electrical resistance strain gauges

• Autorzy: Nurkowski J.

Warianty tytułu

PL

Bezrdzeniowy indukcyjny sensor do pomiaru odkształceń próbek skalnych w komorze ciśnieniowej - zalety i wady względem tensometrów rezystancyjnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a sensor for measuring strains ranging from below 0.1 % to over 50%, which is considered as the one-ply coreless inductor. This sensor is used mainly for measuring the compressibility of rock sampies in a triaxial cell under hydrostatic pressure up to 1 GPa, in the case when it is difficult or impossible to use a resistance strain gauge. Moreover, the paper describes the electronic system working with the sensor and discusses the influence of temperature and high pressure on the sensor properties. To conclude, some problems referring to the application of the referential resistance strain gauge in a pressure cell are discussed.

PL

W artykule przedstawiono indukcyjny bezrdzeniowy czujnik do pomiaru odkształceń materiału a zwłaszcza próbek skał w komorze ciśnieniowej wypełnionej nieprzewodzącą cieczą sprężaną do setek MPa. Omówiono jego konstrukcję, sposób stosowania i przykładowe wyniki pomiarów. Na zakończenie poruszono pewne problemy związane z zastosowaniem tensometrów rezystancyjnych (zwanych dalej krótko tensometrami) do takich pomiarów i skonfrontowano obie metody ze sobą. Pomiar deformacji próbek skał w trójosiowym stanie naprężenia oparty na zastosowaniu tensometrów przyklejonych wprost na próbkę wiąże się z pewnymi problemami kiedy skała jest spękana, porowata, nasycona wodą lub odkształcenia przekraczają kilka procent, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne wgniata ścieżkę rezystancyjną w szczeliny, podczas gdy obecność wody może być przyczyną zwarcia. Pewne problemy związane z tensometrami były opisane przez Attingera i Koppela (1983), Hoque'a i in. (1997), Lintona i in. (1988) i Wawersika (1975). Inna metoda oparta na tensometrach przyklejonych na sprężystą taśmę, która jest zamocowana wahliwie do próbki na zaczepach (LDT) jest zalecana do stosowania w stałym ciśnieniu hydrostatycznym (Hoque i in., 1997; Besuene i Desrues, 2001). Ponadto dystans pomiędzy próbką skały a ścianą komory ciśnieniowej może być zbyt mały do zainstalowania takiego przetwornika. Opracowano zatem nową metodę opartą na wykorzystaniu jednowarstwowej, bezrdzeniowej cewki indukcyjnej. Tak wykonany czujnik jest instalowany na próbce badanego materiału; jej odkształcenie powoduje zmianę długości cewki a zatem jej indukcyjności (rys. I). Indukcyjność czujnika razem z pojemnością tworzy elektryczny obwód rezonansowy tranzystorowego oscylatora LC (rys. 2). Zmiana częstotliwości oscylacji jest źródłem informacji o odkształceniu badanego materiału (zmiany indukcyjności są zbyt małe do ich bezpośrednich pomiarów z wystarczającą rozdzielczością). Taki sposób pomiaru jest prosty i niezawodny. Głównym problemem było zredukowanie wpływu temperatury i ciśnienia na czujnik. Dzięki specyficznym właściwościom wysokorezystywnego drutu stalowego użytego do wykonania czujnika jest możliwe ograniczenie wpływu temperatury na częstotliwość, co umożliwiło pomiar odkształceń od O, I % do ponad 50%. Opracowano dwie odmiany czujnika: liniową - montowaną do zaczepów lub pierścieni na próbce - do pomiaru małych odkształceń np. ściśliwości i drugą - toroidalną do pomiaru odkształceń obwodowych np. w teście trójosiowego ściskania próbki walcowej. Czujnik ma małą średnicę zwojów (kilka milimetrów), więc zajmuje niewiele przestrzeni w komorze ciśnieniowej. Brak bezpośredniego kontaktu z badanym obiektem (z wyjątkiem punktów mocowania) w przypadku czujnika liniowego umożliwia osiągnięcie rozdzielczości 0,001 % (kilka mikrometrów). Te właściwości czynią prezentowane czujniki konkurencyjnymi w porównaniu do tensometrów rezystancyjnych. Są one używane do pomiaru odkształceń próbek skał umieszczonych w komorze ciśnieniowej pod ciśnieniem nieprzewodzącej cieczy aż do l GPa. Dokładność pomiaru takim czujnikiem jest limitowana głównie przez niestabilność: 1. indukcyjności i rezystancji czujnika wywołanej zmianami ciśnienia i temperatury w komorze. 2. pasożytniczych pojemności i indukcyjności przewodów łączących czujnik z generatorem - składają się na to przewody wewnątrz i na zewnątrz komory oraz przepusty elektryczne w ścianie komory, na które wpływa zmienna temperatura i ciśnienie. 3. pojemności układu elektronicznego generatora zależnych od temperatury otoczenia i napięcia zasilania. Jakkolwiek można eksperymentalnie określić wpływ ciśnienia i temperatury na charakterystykę czujnika i korygować matematycznie uzyskane wyniki, to korekcja ta jest ograniczona przez dokładność określania charakterystyk korekcyjnych, różnicę bezwładności cieplnej czujnika odkształcenia i temperatury oraz mnogość czynników zakłócających. Lepszym sposobem zwiększenia dokładności pomiaru odkształceń jest użycie czujnika odniesienia. Czujnik ten ma postać identyczną jak czujnik pomiarowy (długość, średnica, liczba zwojów, rezystancja) z tym, że jest zamocowany na próbce materiału o znanej ściśliwości, np. na stalowym wsporniku. Umieszcza się go w komorze ciśnieniowej razem z czujnikiem pomiarowym. Podłączając do oscylatora na zmianę raz jeden raz drugi czujnik za pomocą przełącznika (najlepiej tranzystorowego) otrzymamy względny pomiar odkształcenia badanego materiału ze znacznie zredukowanymi błędami spowodowanymi ciśnieniem i temperaturą. Rysunek 4 przedstawia schematycznie zasadę działania oraz czynniki zakłócające pomiar, natomiast na rysunku 5 pokazano fotografię czujnika odniesienia zamocowanego do stalowego wspornika. Rysunki 6, 7 i 8 przedstawiają rezultaty pomiaru ściśliwości aluminium, soli i łupka uzyskane tą metodą przy użyciu czujnika liniowego. Jako przykład zastosowania czujnika toroidalnego do pomiaru odkształceń poprzecznych (obwodowych) przedstawiono efekty pomiaru odkształceń próbki piaskowca w klasycznym trójosiowym stanie naprężenia w urządzeniu GTA-IO. Próbka jest zabezpieczona osłonami lateksowymi przed kontaktem z naftą, która wypełnia komorę ciśnieniową. Zewnętrzna osłonka lateksowa pod wpływem nafty pęcznieje, nawet jeśli obciska ją ciśnienie nafty rzędu setek MPa. Proces pęcznienia trwa przez cały czas kontaktu osłony z naftą. Prowadzi to oczywiście do błędów pomiaru odkształcenia, bowiem czujnik jest nałożony na osłonki. Ogólnie można stwierdzić, że pęcznienie to jest tym większe im mniejsze jest ciśnienie nafty i dłuższy czas kontaktu z naftą. Wpływ pęcznienia osłonki na wskazania czujnika przedstawia rysunek 11. Rozwiązaniem tego problemu jest wykonanie osłonek z materiału odpornego na naftę (np. na bazie silikonu) lub wypełnienie komory innym płynem, np. olejem silikonowym lub alkoholem. Zastosowanie koszulek termokurczliwych daje również dobre rezultaty, choć dla odkształceń powyżej 20% istnieje obawa ich pęknięcia. Możliwości pomiarowe czujnika toroidalnego w zakresie małych odkształceń przedstawiono na rysunku 12, na którym widać efekty trójosiowego testu piaskowca Tumlin przy ciśnieniu okólnym 50 MPa. Dodatkowa pozioma oś przedstawia odkształcenia w mikrometrach, pozwala to oszacować rozdzielczość pomiaru odkształceń obwodowych na kilka mikrometrów. W pomiarach tensometrami rezystancyjnymi naklejonymi wprost na próbkę, aby zredukować błędy oddziaływania zmiennego ciśnienia i temperatury stosuje się tensometr kompensacyjny, który na ogół jest naklejony na stalową płytkę i umieszczony wewnątrz komory ciśnieniowej. Uzyskuje się wówczas względny pomiar odkształceń skały, odniesiony do ściśliwości płytki kompensacyjnej. Wydaje się jednak, że stal nie jest najlepszym podłożem dla tensometru kompensacyjnego ze względu na około dwukrotnie większą rozszerzalność cieplną w stosunku do skał. W Pracowni Odkształceń Skał Instytutu Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie uzyskano lepsze efekty stosując do tego syntetyczny rubin (korund), który miał rozszerzalność i przewodność cieplną zbliżoną do skał. Porównanie pomiaru ściśliwości próbki granitu o średnicy 22 mm i długości 44 mm w przypadku zastosowania kompensacji na płytce stalowej i korundowej wewnątrz komory, a także dla kompensacji umieszczonej poza komorą ciśnieniową pokazano na rysunku 13. Histereza krzywej ściśliwości gdy płytka kompensacyjna jest z korundu jest kilkakrotnie mniejsza niż dla stalowej. Tensometry przed naklejeniem na próbkę skały powinny być wstępnie kondycjonowane ciśnieniem hydrostatycznym. Realizuje się to przez umieszczenie ich na stalowej płytce (bez przyklejania) i nałożenie lateksowych osłonek oraz zanurzeniu w cieczy ciśnieniowej i sprężenie jej do maksymalnej dopuszczalnej dla komory wartości. Efekt tego zabiegu widać na makrofotografii przedstawionej na rysunku 14. Indukcyjne bezrdzeniowe czujniki odkształceń rozwiązały problem badania skał porowatych lub przewodzących, eliminując ryzyko związane z naklejaniem tensometrów rezystancyjnych wprost na próbkę. Mają wysoką czułość oraz bardzo szeroki zakres pomiaru od mikronów do centymetrów. Prostota wykonania, odporność na udary mechaniczne i łatwość mocowania czyni je atrakcyjnym narzędziem pomiarowym. Ciągle udoskonalane są zarówno czujniki, jak sposób ich mocowania oraz współpracujący z nimi oscylator, w efekcie systematycznie rośnie ich dokładność i konkurencyjność względem tensometrów.

Słowa kluczowe

EN

displacement sensor; high pressure; inductive sensor; strain measurement

PL

czujnik indukcyjny; pomiar odkształceń; tensometr rezystancyjny; wysokie ciśnienia

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 3
• Strony: 311--330
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Nurkowski J.

• Strata Mechanics Research Institute of The Polish Academy of Sciences, Ul. Reymonta 27,30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Attinger R.O., Koppel J., 1983. A new method to measure lateral strain in uniaxial and triaxial compression tests. Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 16, p. 73-78.
• Besuelle P., Desrues J., 2001. An internal instrumentation for axial and radial strain measurements in triaxial tests. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 24, No. 2, p. 193-199.
• Długosz M., Gustkiewicz J., Wysocki A., 1981. Aparat do badania skał w trójosiowym stanie naprężeń. Cz. I. Charakterystyka aparatu i metod badawczych. Archiwum Górnictwa, Vol. 26, p. 17-28.
• Hakami H., Alm O., Stephansson O., 1987. Gauged sleeve for controlled testing of rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 24, p. 375-378.
• Hoque E., Sato T., Tatsuoka F., 1997. Performance evaluation of LTDs for use in triaxial tests. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 20, No. 2, p. 149-167.
• Linton P.F, McVay M.C., Bloomquist D., 1988. Measurement of deformations in the standard triaxial environment with a comparison of local versus global measurements on a fine, fully drained sand. In: Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock (edited by R.T. Donaghe, R.C. Chaney and M.L. Silver), p. 202-215. ASTM, Philadelphia.
• Nurkowski J., 1998. A device for measurement of linear displacement of solid material samples. Patent No. 175088, Urząd Patentowy RP. (in Polish)
• Nurkowski J., 1999. Influence of temperature and pressure on indications of inductive strain sensor. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, Vol. 1, No. 3-4, p. 327-338.
• Wawersik W. R., 1975. Technique and apparatus for strain measurements on rock in constant confining pressure experiments. Rock Mechanics, Vol. 7, p. 231-241.