The application of coreless inductors for displacement measurements in laboratory investigations of rock properties

• Autorzy: Nurkowski J.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0071

Warianty tytułu

PL

Wykorzystanie bezrdzeniowych indukcyjnych czujników przemieszczeń w laboratoryjnych badaniach właściwości skał

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presented the coreless inductive sensor, its construction and principle of operation. The impact of temperature on the outcome of a measurement performed with the inductor was discusses, together with the possibility of temperature compensation of the inductor’s performance. Subsequently, the reasons for limited measurement accuracy and resolution were discussed, particularly under the variable pressure in the order of some hundreds MPa. Two types of such sensor were presented: a sensor for measuring linear strains, e.g. during compressibility measurements, and an sensor for measuring circumferential strains during triaxial compression tests. Additionally, the manners of fixing the sensor on rock samples were presented. Finally, some examples of the sensor application were shown, together with the results of measurements of deformations of rock samples - especially in cases when resistance gauges cannot be used, and the samples are subjected to a load in the uniaxial and triaxial system, under the hydrostatic pressure of up to 400 MPa and the normal one.

PL

W Pracowni Odkształceń Skał Instytutu Mechaniki Górotworu prowadzone są badania właściwości mechanicznych skał. Wymaga to precyzyjnego pomiaru odkształcenia, na ogół pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym, które symuluje warunki panujące w głębi górotworu. Ciśnienie hydrostatyczne (do 400MPa w aparacie GTA-10) i ograniczona do kilku milimetrów przestrzeń w komorze ciśnieniowej na zainstalowanie odpowiedniego przyrządu, a także spękania i kawerny w skałach powodują znaczne trudności pomiaru odkształcenia z wymaganą rozdzielczością (nawet 10-6). Stosowanie tensometrów elektrooporowych naklejanych wprost na próbkę często jest zawodne, gdyż ciśnienie wgniata ścieżkę rezystancyjną w nierówności próbki, powodując jej przerwanie, a co gorsze, fałszuje wyniki pomiaru. Wypełnianie szczelin lub kawern różnymi podkładami jak klej epoksydowy, gips, jest problematyczne. W przypadku skał przewodzących (nasączonych solanką) istnieje ryzyko zwarcia ścieżki rezystancyjnej do podłoża. Często naklejenie tensometru jest niemożliwe w przypadku skał słabo zwięzłych (fliszowe). Inne metody pomiaru np. transformator różnicowy z ruchomym rdzeniem (LVDT) ma ograniczoną odporność na wysokie ciśnienie i temperaturę i zbyt duże rozmiary. Czujnik LDT (Local Deformation Transducer), czyli naklejony tensometr rezystancyjny na sprężystą taśmę stalową, ma ograniczony zakres pomiaru deformacji do kilku procent i małą czułość. Opracowano nową metodę pomiaru odkształcenia opartą na jednowarstwowej, bezrdzeniowej cewce indukcyjnej, wykonanej z cienkiego sprężystego drutu (0,2 mm) i średnicy zwojów kilku milimetrów. Tak wykonany czujnik jest instalowany do zaczepów zamontowanych na badanej próbce (rys. 1 i 2). Odkształcenie próbki powoduje zmianę długości cewki (czujnika), a zatem jej indukcyjności. Czujnik stanowi indukcyjną część generatora LC, umieszczonego na zewnątrz komory. Zmiana indukcyjności skutkuje zmianą częstotliwości drgań, którą łatwo zmierzyć z dużą precyzją. Prostota czujnika gwarantuje jego dużą odporność na ciśnienie hydrostatyczne, temperaturę i udary mechaniczne. Minimalizacja błędów spowodowanych zmiennym ciśnieniem i temperaturą realizowana jest dwoma sposobami. Po pierwsze, czujnik wykonano z wysokorezystywnego drutu, co skutkuje dużymi termicznymi zmianami jego rezystancji, które zmieniają częstotliwość drgań (poprawka częstotliwości w generatorze Colpitts’a (4) przeciwstawnie do wpływu temperatury na indukcyjność czujnika (rozszerzalność termiczna). Umożliwia to prawie całkowitą kompensację termiczną czujnika w kilkunastostopniowym zakresie (rys. 4). Drugim sposobem jest użycie czujnika referencyjnego wykonanego w identyczny sposób jak czujnik pomiarowy, który jest zamocowany na wsporniku o znanej ściśliwości i rozszerzalności termicznej (rys. 7). Zmiany częstotliwości z czujnika referencyjnego są poprawkami do wskazań czujnika pomiarowego. Oba czujniki są naprzemiennie podłączane do tego samego generatora poprzez elektroniczny przełącznik (rys. 5). Zastosowanie jednego generatora powoduje, że poprawki te umożliwiają również praktycznie całkowitą eliminację błędu pomiaru ze względu na zmiany temperatury otoczenia i napięcia zasilania na generator i częstościomierz. Charakterystyka przetwornika długość-częstotliwość jest nieliniowa (rys. 3), co wynika z zależności między długością cewki czujnika, więc jej indukcyjnością, a częstotliwością rezonansową obwodu LC (1). Najdokładniej charakterystykę czujnika otrzymać można przez wzorcowanie. Uwzględnione są wtedy głównie pasożytnicze indukcyjności i pojemności połączeń, których wartości trudno obliczyć lub zmierzyć. W pomiarach należy dążyć, na ile to możliwe, do montowania krótkiego czujnika do długich próbek, w ten sposób zmiany długości badanego materiału będą większe, a krótszy czujnik dozna większego odkształcenia, więc czułość pomiaru będzie duża. Jednak zbyt krótki czujnik ma małą indukcyjność i wtedy jego czułość ograniczy indukcyjność połączeń (2). Opracowano dwa podstawowe typy takiego czujnika. Pierwszy, do pomiaru odkształceń liniowych, np. do pomiaru ściśliwości (rys. 2 i 6), o prostej cewce, który jest mocowany do próbki za pośrednictwem zaczepów przytwierdzonych do niej. W ten sposób czujnik nie kontaktuje się bezpośrednio z powierzchnią próbki, i odkształca się bez tarcia, co umożliwia precyzyjny pomiar, szczególnie przy obciążaniu cyklicznym. Bazę pomiarową można dostosowywać do długości próbki, mocując czujnik do zaczepów poprzez łączniki, uzyskując globalny pomiar odkształceń. Czujnik mierzy zmiany długości z rozdzielczością poniżej 1 μm, przy maksymalnych odkształceniach czujnika o kilkadziesiąt procent. Przykładowe pomiary przedstawiają rysunki 8 i 9. Na rys. 10 pokazano wyniki testu pomiaru ściśliwości stali, przy użyciu czujnika referencyjnego. W trzech cyklach obciążania, podczas których zmiany temperatury wywołane sprężaniem i rozprężaniem cieczy (do 350 MPa) sięgały kilkunastu °C. Histereza i rozrzut pomiaru w kolejnych cyklach wynosiły najwyżej kilka mikrometrów przy rozdzielczości około 0.2 μm. Czujnik stosowany jest również w pomiarach poza komorą ciśnieniową. Np. fotografia (rys. 11) przedstawia czujnik przy pomiarze ugięcia próbki drewna pobranego w kopalni soli Wieliczka. Fotografia na rys. 13 przedstawia stanowisko do pomiaru deformacji osiowych i obwodowych brykietu węglowego podczas testu jednoosiowego ściskania. Drugi typ czujnika, do pomiaru dużych odkształceń obwodowych (kilkadziesiąt procent) w teście konwencjonalnego trójosiowego ściskania, w którym próbka jest jednocześnie ściskana ciśnieniem hydrostatycznym (okólnym) a następnie obciążana osiowo tłokiem prasy poruszającym się wewnątrz komory ciśnieniowej. W ciśnieniu hydrostatycznym setek MPa na ogół skały zachowują się plastycznie i w teście tym siła działająca osiowo na cylindryczną próbkę powoduje odkształcenie jej nawet o kilkadziesiąt procent, do postaci beczki. Pomiar odkształceń obwodowych jest realizowany czujnikiem indukcyjnym uformowanym na kształt torusa, przez spięcie jego końców izolacyjną płytką (rys. 1). Czujnik na próbce utrzymywany jest dzięki sile sprężystości jego zwojów. Na rys. 14. pokazano efekty trójosiowego testu: odkształcenie osiowe ε1 (pomiar ruchu tłoka prasy, na zewnątrz komory) i poprzeczne ε3 (czujnikiem toroidalnym) oraz zmianę objętości ΔV, walcowej próbki dolomitu. Jeśli nie są mierzone deformacje poprzeczne, to aktualny przekrój próbki wyliczany jest na podstawie odkształcenia osiowego, przy założeniu stałości objętości próbki (ν = const. = 0,5). Uproszczenie to daje w miarę zadawalające wartości naprężenia do granicy wytrzymałości materiału, a po jej przekroczeniu zawyża naprężenia (cienka przerywana linia). Podsumowując, można stwierdzić, że przedstawione czujniki odkształceń współpracujące z generatorem LC rozwiązały problem pomiaru odkształceń skał porowatych, słabo zwięzłych lub przewodzących, szczególnie w badaniach ciśnieniowych. Mają wysoką czułość oraz bardzo szeroki zakres pomiaru, od mikronów do centymetrów. Prostota i mały koszt wykonania, odporność na udary mechaniczne i łatwość mocowania do badanego obiektu czyni je atrakcyjnym narzędziem pomiarowym. Zbędny jest przetwornik analog/cyfra. Możliwość kompensacji termicznej czujnika i zastosowanie czujnika referencyjnego umożliwia pomiar w zmiennym ciśnieniu (GPa) i temperaturze (kilkaset stopni) oraz pozwoliło praktycznie wyeliminować wpływ zmian temperatury otoczenia i napięcia zasilania na generator i częstościomierz, umożliwiając długotrwałe, nawet wielodniowe pomiary. Osiągana rozdzielczość pomiaru jest poniżej 1 μm, przy dokładności około 1%. Maksymalne ciśnienie hydrostatyczne, przy którym wykonano pomiary odkształcenia omawianym czujnikiem wynosiło 1,4 GPa w aparacie GCA-30. Trudno określić maksymalną wartość ciśnienia uniemożliwiającą pomiar takim czujnikiem. Na pewno, przy zastosowaniu czujnika referencyjnego, są to setki a nawet tysiące GPa.

Słowa kluczowe

EN

inductive strain sensor; strain measurement in high pressure condition; compression test

PL

indukcyjny czujnik przemieszczeń; wysokie ciśnienia; test trójosiowego ściskania; ściśliwość

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 4
• Strony: 1033--1050
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Nurkowski J.

• Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Reymonta 27, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Długosz M., Gustkiewicz J., Wysocki A., 1981. Apparatus for investigation of rock in triaxial state of stress. Part I. Characteristics of the apparatus and of the investigationmethod. Arch. Min. Sci., Vol. 26, No 1, p. 27-28.
• [2] Hakami H., Alm O., Stephansson O., 1987. Gaugedsleeve for Controlled Testing of Rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 24, 375-378.
• [3] Hoque E., Sato T., Tatsuoka F., 1997. Performance evaluation of LDTs for use in triaxial tests. Geotech. Test. J. GTJODJ, 20(2), 149-167.
• [4] 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. Philadelphia, ASTM.
• [5] Nowakowski A., Młynarczuk M., 2012. Changes of selected and mechanical properties of the Strzelin granites as induced by thermal loads. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No 4, p. 951-974.
• [6] Nowakowski A., Nurkowski J., 1995. A new method of measuring circumferential displacement in triaxial cell. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 32, 65-70.
• [7] Nowakowski A., Topolnicki J., Nurkowski J., Wierzbicki M., Sobczyk J., Lizak Z., 2009. Stanowisko do badania próbek węgla i skał w atmosferze gazów, pod ciśnieniem. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, vol. 11, no. 1-4, p. 3-14.
• [8] Nowakowski A., Młynarczuk M., Ratajczak T., Gustkiewicz J., 2003. Wpływ warunków termicznych na zmianę niektórych właściwości fizycznych i strukturalnych wybranych skał. Transactions of the Strata Mechanics Research Institute, No 5.
• [9] Nowakowski A., Nurkowski J., Lizak Z., 2012. Relationship between type of pore fluid and result of coal sample compressibility test. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN. Vol. 14, no. 1-4, p. 53-62.
• [10] Nurkowski J., 2003. Urządzenie do pomiaru odkształceń liniowych próbki materiału. Patent: BUP 1999-12-20, nr zgłoszenia: 326879.
• [11] Nurkowski J., 2008. A referential method of strain measurements in a high-pressure cell using an inductive coreless sensor. Int. J. Rock Mech. Min. Sc., no 45, 103-110.
• [12] Nurkowski J., 2013: Przyrząd do wzorcowania indukcyjnego czujnika odkształceń, rezultaty i niepewność wzorcowania.
• [13] Pawłowski J., 1980. Wzmacniacze i generatory. WKiŁ, W-wa, s.750.
• [14] Pieprzyk K., 2012. The influence of evaporitic mineralization on the mechanical properties of timber in historic salt mines. Ph. D. Thesis. AGH - University of Science and Technology, Kraków, Poland.
• [15] Scholey G.K., Frost J.D., Presti D.C.F., Jamiolkowski M., 1995. A review of instrumentation for measuring small strains during triaxial testing of soil specimens. Geotech. Test J. GTJODJ, 18(2), 137-156.