Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Adaptacja indukcyjnego czujnika odkształceń do pomiarów w temperaturze do 200°C

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2014

|

Vol. 16, no. 1-2

83--91

PL

Poniżej opisano sposób zwiększenia zakresu temperatury pracy bezrdzeniowego czujnika do pomiaru odkształceń od kilkudziesięciu do 200°C oraz osiągnięte rezultaty metrologiczne. Czujnik ten jest wykorzystywany w badaniach skał, głównie w komorze wytrzymałościowej GTA-10. Modyfikacja dotyczyła zmiany izolatorów czujnika, sposobu mocowania jego cewek i spoiwa do ich lutowania. Czujnik testowano w komorze termicznej w zakresie do 200°C. Uzyskane charakterystyki termiczne wykazały, że możliwy jest pomiar zmian długości z błędem nie większym niż 5 μm (w metodzie referencyjnej) w całym zakresie zmian temperatury. Jeśli zmiany te są ograniczone do około 10°C, to błąd zmaleje do 2 μm. Osiągnięta dokładność pozwala na rozdzielczość pomiarów znacznie większą (ułamki mikronów) od rozszerzalności termicznej badanego materiału (setki mikronów), w zakresie do 200°C. Utrudni to znacznie rozróżnienie wpływu zmian temperatury od wymuszenia mechanicznego (hydrostatycznego lub aksjalnego), a więc dokładną analizę otrzymanych wyników, tym bardziej, jeśli będą duże różnice bezwładności cieplnej materiału badanego i referencyjnego.

EN

The following papier describes a method for increasing the temperature operating range of the strain measuring sensor up to 200°C and the metrological properties of the improved sensor. This sensor is used in compression tests carried out in the pressure cell of the GTA-10 device. The modification concerns changing the type of sensors insulators, a method for fixing of the sensor coils and choice binders for soldering. The sensor was tested in a thermal chamber in the range 20-200°C. The resulting thermal characteristics showed that it is possible to measure changes in specimen length with an error not greater than 5 μm (by reference method) in this range of temperature. If these changes are limited to about 10°C, the error decreases to 2 μm. The achieved resolution of measurements (a piece of a micron) is much higher than thermal expansion of the tested material (hundreds of microns), in the range up to 200°C. It makes difficult to distinguish the effect of temperature changes from mechanical force (hydrostatic or axial), so analysis of the results of experiments, especially when there are big differences between the thermal inertia of the tested material and reference material.

2

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

Nurkowski J.

Archives of Mining Sciences

|

2014

|

Vol. 59, no. 4

1033--1050

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.

3

Skompensowany termicznie, bezrdzeniowy indukcyjny czujnik przemieszczania w równoległym układzie mechanicznym

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2007

|

Vol. 9, no. 1-4

123--136

PL

Poniżej przedstawiono wyniki testów zmodyfikowanego indukcyjnego czujnika odkształcenia wykorzystywanego w pomiarach w warunkach wysokiego ciśnienia. Modyfikacja ta polegała na skróceniu czujnika oraz podzieleniu go na dwie równe części i połączeniu ich pod względem elektrycznym szeregowo a mechanicznym równolegle. Tak wykonany czujnik zamocowano do próbki badanego materiału za pomocą łącznika, który dopasowuje czujnik o długości kilkunastu milimetrów do próbki o długości kilkudziesięciu milimetrów. W ten sposób można kilkakrotnie zwiększyć czułość czujnika, gdyż dla danych odkształceń próbki krótki czujnik odkształci się bardziej dając silniejszy sygnał pomiarowy. Dzięki temu można zmniejszyć błędy pomiaru. Testowano czujniki wykonane ze stali nisko- i wysokorezystywnej. Pomiar odkształcenia w obecności ciśnienia rzędu setek MPa wymaga uwzględnienia wpływu tegoż ciśnienia na łącznik, co omówiono w opracowaniu. Przedstawiono także możliwości kompensacji termicznej czujnika.

EN

The paper presents some results of tests of modified inductive displacement sensor carried out under high pressure conditions. The sensor was modified in the following way: the coil was divided into two short parts of the same length. The two short coils connected from elektrical point of view in serial and from mechanical point of view in parallel way. Such constructed sensor was installed onto tested material with the help of connecting bar, which adjust length of the total sensor to length of a sample of material. This way the sensitivity of the sensor grew few times and, consequently measuring errors were reduced. Two versions of the new sensor were tested: one made of a high and a low resistive steel wire. In the paper an impact of hydrostatic pressure about hundreds of MPa on connecting bar is discussed as well as a possibility of thermal compensation of inductive sensor.

4

Błędy temperaturowe indukcyjnego przetwornika odkształcenie-częstotliwości pracującego w oscylatorze z silnie tłumionym obwodem rezonansowym

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2006

|

Vol. 8, no. 1-4

69--78

PL

Poniżej przedstawiono wyniki badania wpływu temperatury na indukcyjny czujnik do pomiaru odkształceń próbek skał w komorze ciśnieniowej. Próbki te poddawane są zmiennym ciśnieniom hydrostatycznym za pośrednictwem cieczy wypełniającej komorę. Podczas sprężania i rozprężania cieczy występują zmiany temperatury dochodzące nawet do kilkudziesięciu stopni powodując błędy pomiaru. Znaczną ich redukcję osiągnięto stosując czujnik odniesienia oraz wysokorezystywny stalowy czujnik o małej wrażliwości na temperaturę. W pracy pokazano jak parametry obwodu rezonansowego oscylatora, z którym współpracuje czujnik, wpływają na zależność: temperatura czujnika-częstotliwość oscylacji. Wykazano również, że odpowiednio modyfikując obwód rezonansowy można skompensować termicznie czujnik wykonany z niskorezystywnej stali zwiększając dzięki temu wartość pojemności obwodu rezonansowego, co przyczynia się do zmniejszenia wpływu pojemności pasożytniczych na błędy pomiaru odkształcenia. Czujniki badano w przedziale temperatur od 0 do 100°C. Charakterystykę termiczną w podanym przedziale temperatur czujnika wysokorezystywnego można uznać za liniową, zaś charakterystyka czujnika niskorezystywnego ma kształt paraboli. Czujnik manganinowy ma częstotliwościową charakterystykę termiczną liniową o współczynniku około –15ppm/°C niezależnym od parametrów obwodu rezonansowego.

EN

The paper contains some results of tests of the impact of temperature on an inductive displacement sensor made from different materials. The inductive sensor is generally used for strain measurements in the triaxial state of stress of the order of hundreds or even thousands MPa. The pressure fluctuations in the triaxial cell cause temperature changes and finally some measurement errors. The sensor cooperates with transistor LC oscillator. The thermal coefficient of the sensor is defined as the change of frequency of the oscillator with reference to a sensor temperature. It has been proved that the thermal coefficient of a steel sensor may vary in a wide range, and take positive or negative values. The value and the mark of the thermal coefficient depend on proportion between the capacities of an additional capacitor installed paralelly to sensor to main capacitors present in a resonant circuit. The temperature-frequency characteristic of the sensor is almost linear when it is made from high resistive steel and takes parabolic shape for low resistive steel. The same characteristic obtained for manganin sensor is linear with a thermal coefficient equals about –15 ppm/K and is independent from parameters of resonant circuit. Effect of thermal stabilization of frequency appears for high attenuation resonant circuit.