Wyniki wyszukiwania - Biblioteka Nauki

1

Możliwości komutacyjne przełączników tranzystorowych i elektromechanicznych w referencyjnej metodzie pomiaru odkształceń czujnikiem indukcyjnym

100%

Nurkowski J.

|

2016

|

tom T. 18, nr 2

33--42

PL

W artykule przedstawiono wyniki testów użycia przekaźników elektromechanicznych jako klucza łączącego na przemian do oscylatora indukcyjne czujniki: pomiarowy i odniesienia w referencyjnej metodzie pomiaru odkształcenia. Szczególnie dotyczy to pomiarów odkształceń skał w komorze ciśnieniowej. Testy te wykazały, że stosowanie przekaźników zamiast tranzystorów jest w pełni możliwe. Ich rezystancja w stanie włączenia i pojemność w stanie wyłączenia są kilkadziesiąt razy mniejsze niż tranzystorów. Wprawdzie szybkość przełączania przekaźników jest nieporównanie mniejsza (milisekundy), ale wystarczająca, aby pomiary wykonywać z częstotliwością nawet 2Hz, co jest w pełni zadawalające. Przedstawiono również wyniki pomiarów charakterystyk wyjściowych niektórych bipolarnych tranzystorów małej i średniej mocy, w celu znalezienia typu o jak najmniejszej rezystancji w stanie włączenia, tak, aby można go było zastosować do przełączania czujników.

EN

The paper shows some results of tests carried out to demonstrate the usability of electromechanical relays for switching inductive sensors, instead of the previously used transistors, in the reference measuring deformation method. This is particularly important in strain measurements of rock samples in high hydrostatic pressure (up to 400 MPa). The completed tests showed full usability of electromechanical relays. First of all these relays have a low resistance in the “on” state (less than 0,1 Ω) which is about thirty times smaller than the resistance of a transistor key. This is particularly important in case of using the deformation sensor made of manganin wire. Resistance of such a sensor is 8 Ω and is not much greater than the resistance in “on” state of the transistor key, which is 3 Ω. An application of an electromechanical relay will increase the quality factor of the resonant circuit and will increase capacity of capacitors (double for manganin sensor). Then the instability of oscillation caused by impact of unstable capacitance of connections between the sensor and the oscillator will be reduced, mainly for the electrical seals in the cell wall. This will reduce the uncertainty of measurement of deformation. Similarly works, although to a lesser extent, relatively low capacity of the electromechanical relay equal to 0,1pF (in comparison to the capacity of transistor key, which is 3-10 pF) and its independence from the temperature in the “off” state. Switching time of the electromechanical relay from the “off” to the “on” state (few milliseconds) and the extinction of vibrations contacts after switching (which lasts tens of milliseconds), are so short-lived that it is possible to carry out measurements with frequency of about 2 Hz.

2

Indukcyjny czujnik odkształceń wykonany z miedzi w zmodyfikowanym obwodzie rezonansowym

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2010

|

tom Vol. 12, no. 1-4

11--25

PL

W opracowaniu przedstawiono autorską modyfikację obwodu rezonansowego, umożliwiającą kompensację termiczną indukcyjnego czujnika odkształceń wykonanego z drutu miedzianego, włączonego w ten obwód. Generator drgań z tym obwodem tworzy przetwornik odkształcenie-częstotliwość. Atrakcyjność czujnika miedzianego wynika z możliwości zastosowania w obwodzie rezonansowym kondensatorów o dużej wartości, kilkunastokrotnie większej niż w przypadku czujnika wykonanego ze stalowego drutu wysokorezystywnego, stosowanego obecnie. W efekcie pomiary odkształceń takim czujnikiem będą obarczone wielokrotnie mniejszym błędem, gdyż pojemności pasożytnicze połączeń czujnika z generatorem będą odpowiednio mniej destabilizować generator. W pomiarach właściwości próbek skał w komorze ciśnieniowej, wartość pojemności połączeń zależy głównie od temperatury i ciśnienia oddziaływujących na przepusty elektryczne w ścianie komory. W artykule zamieszczono matematyczną analizę zmodyfikowanego obwodu rezonansowego w oparciu o fazowy warunek generacji drgań. Uzyskane teoretyczne wyniki skonfrontowano z pomiarami stabilności termicznej czujnika w zakresie od 0 do 100oC, w ciśnieniu normalnym.

EN

The study gives a detailed description of a modified resonance circuit designed by the Author, enabling the full thermal compensation of the deformation sensor made of copper wire and interacting with the circuit. One of the advantages of copper sensors in resonance circuits is that high-capacity condensers can be incorporated, much more powerful than when most popular high-resistance wire sensors are used. As a result, deformation measurements taken with such sensors would involve decidedly smaller errors as parasite capacities, associated with temperature and pressure in the pressure chamber, and these will affect the resonance circuit in much lesser degree. That is of key importance in measurements of rock properties in the high pressure conditions. The study provides the mathematical analysis of the modified resonance circuit, based on the phase conditions of its generation. Theoretical results are compared with thermal stability measurement data for the sensor, in the range from 0 to 100°C, under the normal pressure.

3

Przyrząd do wzorcowania indukcyjnego czujnika odkształceń, rezultaty i niepewność wzorcowania

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2013

|

tom Vol. 15, no. 3-4

53--68

PL

W opracowaniu przedstawiono przyrząd i sposób wzorcowania indukcyjnego, bezrdzeniowego czujnika odkształceń. Przyrząd skonstruowany został przez autora, na bazie śruby mikrometrycznej. Zamieszczono otrzymane wyniki wzorcowania oraz ich statystyczną analizę, ponadto przedstawiono rachunek niepewności procesu wzorcowania ze względu na: błędy zamocowania czujnika, sztywność układu pomiarowego, uchyb wzorca (śruby mikrometrycznej) oraz szeroko rozumianą stabilność generatora. Indukcyjny czujnik odkształceń wykorzystywany jest rutynowo do pomiarów ściśliwości próbek skał w komorze ciśnieniowej aparatu GTA-10. Czujnik stanowi indukcyjną część obwodu rezonansowego LC generatora drgań. Zmiany długości czujnika, który jest zamocowany na badanej próbce materiału, powodują zmianę częstotliwości drgań, co jest rejestrowane i stanowi podstawę do wyliczenia odkształceń próbki. Do obliczeń konieczna jest znajomość czułości czujnika, czyli zależności zmian częstotliwości od jego długości (wzorcowanie). W pomiarze ściśliwości stosowany jest również czujnik referencyjny pozwalający na redukcję błędów, w tym również błędów wzorcowania czujnika. Podczas pomiarów odkształcenia innych niż ściśliwość, czyli przede wszystkim pomiary odkształceń w trójosiowym stanie naprężenia (w komorze ciśnieniowej) oraz pomiar w jednoosiowym stanie naprężeń w urządzeniu Instron błędy wzorcowania przekładają się wprost na błędy pomiarowe. Uzyskaną niepewność wzorcowania na poziomie około 0,4% można uznać za zadawalającą, biorąc pod uwagę fakt, że czujnik projektowano do zastosowań specjalistycznych, w warunkach wysokiego ciśnienia, w których użycie innych przyrządów pomiarowych jest problematyczne lub niemożliwe. Prawdopodobnie przyczyną stosunkowo dużej niepewności są głównie: nierównoległość mocowania czujnika względem kierunku odkształcania i zmienna wartość indukcyjności połączeń.

EN

The paper presents a simple, mechanical instrument designed by author especially for calibration of coreless inductive strain sensor. This sensor, which is attached to a specimen of a tested material, works as an inductive part of a resonant circuit of LC oscillator. Change in the length of the sensor results in a change of vibration frequency of the LC oscillator. This frequency is registered and used for calculation of deformation of the specimen. For the deformation calculation it is necessary to know the characteristic of the sensor understood as a relationship between its length and oscillator frequency (sensitivity). An inductive sensor is routinely used to measure the compressibility of rock samples in a high pressure chamber of the GTA-10 apparatus. For better reduction of measurement errors the sensor is used in the, so called, reference system with second identical sensor working as a reference sensor. It reduces the sensor calibration errors during the compressibility measurements. In case of experiments different from compressibility test (conventional triaxial test, uniaxial compression test in the INSTRON strength device) the calibration errors causes directly the measurement errors . The calibrating instrument described below was designed and made on the basis of a micrometer screw. The paper presents some results of the calibration procedure executed by means of the instrument as well as some results of calculations of untercainty of calibration procedure. In the uncertainty calculations the following parameters were taken into account: errors caused by sensor fixing, stiffness of the measuring system, deviation of the pattern (micrometer) and widely considered stability of the LC oscillator. The calibration uncertainty of the sensor was about 0,5%. This result may be regarded as satisfactory if it is taken into account that the sensor was designed for strain measurements under high hydrostatic pressure of hundreds of MPa. In such very special conditions use of any other measuring devices is difficult or even impossible. As a possible reason of relative high uncertainity of a sensor two factors should be taken into account: a sensor mounting misalignment and some variations of inductance of connection between the sensor and the oscillator.

4

Zmodyfikowany indukcyjny czujnik przemieszczenia w pomiarze ruchu tłoka prasy GTA-10

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2015

|

tom Vol. 17, no. 1-2

65--73

PL

W artykule zaprezentowano indukcyjny czujnik do pomiaru zmian długości wyposażony w nieruchomy rdzeń ferrytowy. Czujnik jest liniową cewką indukcyjną włączoną w obwód generatora LC. Pomiar zmian długości wynika z pomiaru zmian częstotliwości spowodowanej zmianą indukcyjności cewki odkształcanej osiowo wraz z mierzonym obiektem. Zakres pomiarowy dotyczy zmiany długości cewki poza rdzeniem, czyli w trakcie pomiaru cewka jest dłuższa niż rdzeń. Indukcyjność takiej cewki zmienia się przez zwiększenie jej długości oraz, ze względu na to, że rdzeń przestaje oddziaływać na pole magnetyczne zwojów cewki znajdujących się poza nim. Ta dodatkowa zmiana indukcyjności spowodowana malejącym wpływem rdzenia powoduje, że w porównaniu z podobnym urządzeniem, ale bez rdzenia, gdzie zmiana indukcyjności wywołana jest tylko jej zmianą długości, kilkakrotnie maleje nieliniowość charakterystyki długość-częstotliwość i dodatkowo kilkakrotnie wzrasta czułość przetwornika do rzędu ułamka mikrometra. Zarazem po umieszczeniu rdzenia kilkakrotnie wzrasta indukcyjność czujnika, co z kolei umożliwia zwiększenie pojemności obwodu rezonansowego, co w sumie wydatnie zwiększa stabilność oscylacji przetwornika. Urządzenie zastosowano do pomiaru ruchu tłoka prasy GTA-10.

EN

Paper describes designed by author inductive sensor to measure length changes using induction coli partially surrounding a fixed ferrite core. The sensor is a linear induction coil connected to the LC oscillator, creating a strain- -frequency transducer. During the measurement, coil is longer than the core. If the sensor is stretched its inductance diminishes for two reasons: increase in length and reduction of the impact of the core. This additional change in inductance is caused by decreasing core influence. Such operation principle causes both a few times increase of linearity of the length-frequency characteristic and a few times increase of the sensor sensitivity, to range below micrometer, when compared to a similar device but without a core, where the change in inductance is caused by only the change in length. After placing the core the inductance of the sensor increases several times, which in turn allows to increase the capacity of the resonant circuit, which together significantly increases the stability of oscillation of the transducer.

5

Błąd pomiaru odkształcenia czujnikiem indukcyjnym spowodowany pojemnością przełącznika w metodzie porównawczej

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2008

|

tom Vol. 10, no. 1-4

33--44

PL

Poniżej przedstawiono wyniki testów pomiaru odkształceń czujnikiem indukcyjnym, które miały na celu wyznaczenie błędów tegoż pomiaru, w zależności od wartości pasożytniczej pojemności elektrycznej bocznikującej klucze, służących do naprzemiennego przełączania czujnika pomiarowego i odniesienia w porównawczej metodzie pomiaru. Pojemność bocznikująca powoduje, że pomimo wyłączenia przez klucz danego czujnika jego indukcyjność jest połączona szeregowo z obwodem rezonansowym poprzez tę pasożytniczą pojemność, co w pewnych przypadkach może być źródłem znaczącego błędu pomiarowego. Dokonano również teoretycznej analizy obwodu rezonansowego z uwzględnieniem pojemności bocznikujących klucze, co pozwoliło na sformułowanie wzorów określających ich wpływ na błąd pomiaru. Zaproponowano także metodę redukcji błędów.

EN

The paper presents some results of displacement measurements carried out by means of the inductive sensor. The main goal of the measurements was to evaluate some errors caused by parasite capacitances of the keys used in periodical commutation measured and referenced sensors to the same oscillator. The capacitances shunt the keys in opened state. Values of these errors could be predicted by mathematical calculations. In the paper a practical way of reduction of these errors is described.

6

Termiczne właściwości indukcyjnego, bezrdzeniowego czujnika odkształceń – teoria i praktyka

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2011

|

tom Vol. 13, no. 1-4

61--80

PL

Opracowanie prezentuje wyniki kontynuacji badań nad zastosowaniem indukcyjnego, bezrdzeniowego czujnika odkształceń, wykonanego z różnych metali. Celem było uzyskanie szerokiego zakresu stabilizacji termicznej czujnika przy zachowaniu dużej pojemności obwodu rezonansowego, z którym współpracuje czujnik, co minimalizuje destabilizujący wpływ niestabilnych pojemności połączeń. W niniejszej pracy przedstawiono poprawione równania określające zależność częstotliwości drgań generatora od temperatury czujnika z nim współpracującego, dla różnych parametrów elektrycznych czujnika i obwodu rezonansowego. Analizie matematycznej poddano także układ pomiarowy złożony z badanego materiału, czujnika odkształceń i łącznika, ze względu na rozszerzalność termiczną tych elementów. Łącznik dopasowuje długość czujnika do żądanej długości bazy pomiarowej. Uzyskane formuły skonfrontowano z wynikami eksperymentów. Stwierdzono dobrą zgodność charakterystyk termicznych czujników wykonanych z miedzi i ze stali węglowej uzyskanych eksperymentalnie z wyznaczonymi na podstawie odpowiednich równań. Dokonano więc symulacji takich charakterystyk dla czujników wykonanych z brązu i mosiądzu. Stwierdzono ich potencjalną przydatność ze względu na korzystną charakterystykę termiczną i właściwości sprężyste. Wyniki dotychczasowych badań skłaniają do dalszych poszukiwań optymalnej konstrukcji czujnika, celem uzyskania zarówno dobrych parametrów elektrycznych jak i mechanicznych, przez wykonanie go przez połączenie różnych materiałów, szczególnie takich jak brąz, mosiądz, manganin oraz stal nisko i wysoko rezystywna.

EN

The article presents the results of the continued research into the ways of application of a coreless induction deformation sensor made of various metals. The research objective was to obtain a wide range of the sensor’s thermal stabilization while keeping a high capacity of the resonant circuit with which the sensor cooperates (this minimizes the destabilizing infl uence of unstable link capacities). The present paper provides some corrected formulas determining the relationship between the vibration frequency and the sensor temperature, for various electrical parameters of the sensor and the resonant circuit. Another subject of mathematical analysis was a measuring system composed of the material being tested, a deformation sensor, and an adapter/connector (?), due to thermal expansion of these elements.The adapter/connector adapts the length of the sensor to the required length of the measurement base. The obtained formulas were confronted with the results of the experiments. It was confi rmed that the thermal properties of sensors made of copper and carbon steel, obtained in the course of the experiments, and the properties determined by means of proper formulas are highly compatible. Therefore, a simulation of such properties was performed for sensors made of bronze and brass. It was found that, due to their high elastic properties, they are potentially useful. The results of the research that has hitherto been done inspire further search for an optimal construction of the sensor, in order to obtain satisfactory electrical and mechanical parameters due to combining various construction materials – in particular, copper, bronze, brass, manganin, as well as low – and high-resistant steel.

7

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

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2006

|

tom 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.

8

Wybrane dyskretne elementy półprzewodnikowe jako czujniki temperatury cieczy pod wysokim ciśnieniem

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2004

|

tom Vol. 6, no. 1-2

19--28

PL

Osprzęt komory ciśnieniowej aparatu GTA-10 nie jest przystosowany do pomiaru temperatury cieczy ją wypełniającej za pomocą termopary. Temperatura ta zmienia się o kilkadziesiąt stopni podczas kompresji i dekompresji cieczy, co wpływa na właściwości próbek badanych materiałów i czujników pomiarowych. Ponadto zmiany temperatury można wywoływać celowo, badając jej wpływ na próbki. Konieczność pomiaru temperatury w komorze skłoniła do testowania wybranych dyskretnych elementów półprzewodnikowych, które można byłoby użyć do tego. Czujnikiem wzorcowym była termopara miedź-konstantan, dla której wykonano specjalny przepust ciśnieniowy w korku kory. Po wstępnej selekcji do szczegółowych badań wytypowano diodę LED świecącą niebiesko oraz czujnik KTY przewidziany do pomiarów temperatury w ciśnieniu normalnym. Badania te, szczegółowo opisane poniżej, wykazały pełną ich przydatność do wspomnianych celów.

EN

The paper presents a method that allows to measure the temperature of liquid under pressure about hundreds MPa by means of a conventional semiconductor temperature sensor. The paper contains a description of impact of pressure on voltage on p-n junction in blue light diode and silicon transistors. The KTY-81 sensor, copper and platinum resistance sensor were tested as well. As the references sensor a copper-constantan thermocouple was used. The tests showed, that the temperature might be measured with an error about 1°C /100MPa in the range 0-80°C and 0-300MPa. It was proved that many hundred compression-decompression cycles of the liquid do not destroy a connection between p-n junction and seal.

9

Skompensowany termicznie, bezrdzeniowy indukcyjny czujnik przemieszczania w równoległym układzie mechanicznym

100%

Nurkowski J.

|

tom 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.

10

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

100%

Nurkowski J.

|

2007

|

tom Vol. 52, no 3

311-330

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.

11

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

100%

Nurkowski J.

|

tom 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.

12

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

100%

Nurkowski J.

Archives of Mining Sciences

|

2014

|

tom 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.

13

Zakres kompensacji temperaturowej indukcyjnego czujnika odkształceń

100%

Nurkowski J.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2012

|

tom Vol. 14, no. 1-4

63--82

PL

Przedstawiono badania, dotyczące wpływu temperatury na pomiar odkształcenia bezrdzeniowym czujnikiem indukcyjnym, w szczególności przy zmieniającej się długości czujnika, wykonanego z różnych materiałów, głównie z miedzi. Jest to kontynuacja prac nad wykorzystaniem indukcyjnego, bezrdzeniowego czujnika do pomiaru odkształceń skał w komorze ciśnieniowej aparatu GTA-10. Dotychczas wykorzystywano do tego celu tensometry elektrooporowe lub czujnik indukcyjny wykonany z wysokorezystywnej stali sprężynowej. Jednak wykonane w ubiegłym i bieżącym roku eksperymenty z zastosowaniem czujnika miedzianego współpracującego z opracowanym przez autora, zmodyfi kowanym obwodem rezonansowym wykazują, że będzie on lepszy od stalowego w pomiarach małych odkształceń, poniżej 1%. Wyznaczono rodziny charakterystyk termicznych, w zakresie około od –10 do +90°C, dla czujników o różnych długościach, wykonanych z: miedzi, stali wysoko- i niskorezystywnej oraz manganinu, a także z czujników będących kombinacją tych materiałów. Uzyskane wyniki eksperymentalne porównano z symulacjami charakterystyk termicznych w oparciu o wyprowadzone równania opisujące wpływ temperatury czujnika na częstotliwość drgań obwodu rezonansowego. Stwierdzono zadowalającą zgodność symulacji z wynikami eksperymentów. Wypracowano nowe wzory umożliwiające wprowadzanie poprawek do pomiaru odkształcenia ze względu na oddziaływanie zmiennej temperatury na czujnik pomiarowy i odniesienia w porównawczej metodzie pomiaru. Przez odpowiedni dobór parametrów obwodu rezonansowego osiągnięto małą zależność wskazań czujnika od jego temperatury, a równocześnie dużą wartość pojemności obwodu, co praktycznie eliminuje wpływ pasożytniczych pojemności połączeń na stabilność drgań obwodu rezonansowego. Uzyskane wyniki wykorzystane będą w pomiarach odkształceń, głównie ściśliwości w aparacie ciśnieniowym GTA-10 w zakresie ciśnień do 400 MPa.

EN

Testing is done to establish the influence of temperature on the results of strain measurements with a core-less inductive sensor, particularly for the variable length of the sensor made of different materials, mostly from copper. This is continuation of research work on applications of an inductive, core-less sensors designed to measure rock strains in the pressure cell of the GTA-10 device. So far strain measurements have been taken with electro-resistant strain gauges or inductive sensors made from high-resistant spring steel. Recent tests utilising a copper sensor integrated with a modified resonance circuit engineered by the author reveal it well outperforms the existing solutions in the range of low strains, below 1%. The thermal characteristics are obtained, in the range of –10 to 90°C for sensors of different length and made of copper, high- and low-resistant steel, manganite and sensors being a combination of these material components. Experimental results are compared with simulated thermal characteristics based on equations expressing the influence of the sensor temperature on vibration frequency of the resonant circuit. New correction terms are computed accordingly to account for the effects of temperature fluctuations in the sensor and those of the reference temperature in the comparative method. Control of parameters of the resistance circuit guarantees the weak dependence of vibration frequency on sensor temperature, also ensuring high capacity of the circuit, which practically mitigates for the effects of parasite connections on stability of vibrations of the resonance circuit. Results will be utilised in strain measurements, particularly in rock compressibility tests performed in the pressure cell GTA-10, operating in the pressure range up to 400 MPa.

14

Wpływ prędkości zmian ciśnienia hydrostatycznego na wyniki drenowanego testu ściśliwości

63%

Nowakowski A. , Nurkowski J.

|

tom T. 20, nr 4

307--318

PL

Praca zawiera omówienie wyników badań wpływu prędkości zmian ciśnienia na wynik drenowanego eksperymentu ściśliwości. Wykonano serię testów ściśliwości próbek piaskowca nasączonego naftą, dla różnych wartości prędkości kompresji i dekompresji cieczy ciśnieniowej wypełniającej komorę. Wykazano, że przy wolnych zmianach ciśnienia cieczy, ciśnienie w porach próbki nadąża za jego zmianami. Potwierdzeniem jest brak histerezy na wykresie odkształcenie próbki vs ciśnienie płynu w komorze. Przy szybkich zmianach ciśnienia cieczy w komorze, ciśnienie wewnątrz próbki jest względem niego opóźnione, czyli podczas kompresji jest mniejsze od ciśnienia zewnętrznego, a przy dekompresji większe, oraz pojawia się znaczna histereza, wprost proporcjonalna do prędkości zmian ciśnienia cieczy. To opóźnienie w wyrównywaniu ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz próbki najlepiej tłumaczy proces fi ltracji, który znacząco opóźnia transport cieczy porowej do i z wnętrza próbki. Eksperymenty wykonano dla prędkości zmian ciśnienia 0,5;1;2;4 i 8 MPa/s, w zakresie od 0 do 350 MPa.

EN

Article presents some results of laboratory tests carried out to study the influence of the velocity of hydrostatic pressure change rate on result of a drained compressibility test. A series of drained compressibility tests was performed for sandstone samples soaked in kerosene, for different values of compression and decompression speed of fluid filling the chamber. It has been shown that with slow changes in fluid pressure, the pressure in the pores of the sample remains stable, which is confirmed by the lack of hysteresis on the plot showing sample deformation vs. fluid pressure in the chamber. With fast changes in the chamber liquid pressure the pore pressure inside the sample is delayed with respect to it. The pore pressure is lower than external pressure during compression and higher during decompression. In both cases a significant hysteresis appears which is proportional to the velocity of liquid pressure changes. The delay in equalization of the pressure inside and outside the sample may be explained the best way by the filtration process, which significantly delays the transport of the pore liquid to and from the interior of the sample. The laboratory tests were carried out for the hydrostatic pressure change rate of 0.5, 1, 2, 4 and 8 MPa/s, in the hydrostatic pressure range from 0 to 350 MPa.

15

Wpływ niektórych efektów fizycznych i fizykochemicznych na wartości parametrów prawa ciśnienia efektywnego

51%

Nowakowski A. , Nurkowski J. , Lizak Z.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2015

|

tom Vol. 17, no. 3-4

77--90

PL

Wykonano kilka serii eksperymentów konwencjonalnego trójosiowego ściskania na próbkach wyciętych z różnego typu skał. Wyznaczono prawo ciśnienia efektywnego dla próbek skał, w których naprężenia osiągnęły różnicową granicę wytrzymałości. Pokazano, że dla tego stanu naprężenia postać prawa ciśnienia efektywnego silnie zależy od dwóch przeciwstawnych procesów: osłabienia próbki – będącego skutkiem zachodzących w skale procesów fizykochemicznych (sorpcja, efekt Rebindera), oraz umocnienia próbki (tzw. umocnienia dylatancyjnego), – które jest konsekwencją spadku ciśnienia porowego wskutek zwiększenia objętości przestrzeni porowej, które zachodzi podczas niszczenia próbki.

EN

Some series of triaxial compression tests/individual tests were made on specimens cut from different types of rocks. Form of an effective pressure law for rock samples where the stress reached differential strength limit was determined. It was shown, that, for this state of stress, form of an effective pressure law strongly depends on the two opposing processes: the weakening of the specimen – arising from occurring in the rock physico-chemical processes (sorption, the Rebinder effect) and mechanical strengthening of the sample, the so-called dilatantial strengthening – which is a consequence of the rapid drop of the pore pressure due to the volume increase of the pore space that occurs during the destruction of the specimen.

16

Zależność wyniku testu ściśliwości próbki węgla od rodzaju płynu porowego

51%

Nowakowski A. , Nurkowski J. , Lizak Z.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2012

|

tom Vol. 14, no. 1-4

53--62

PL

Prowadzone dotychczas w Pracowni Odkształceń Skał badania laboratoryjne wykazały, że właściwości mechaniczne skał zależą od rodzaju płynu wypełniającego przestrzeń porową skały. W celu sprawdzenia czy dla węgla zachodzą podobne zależności jak dla skał przebadano testem ściśliwości dwie serie cylindrycznych próbek z dwóch węgli pochodzących z KWK Brzeszcze i KWK Zofiówka. Próbki testowano w stanie powietrznie-suchym oraz nasączone naftą i wodą destylowaną. Wyniki badań pokazały, że test ściśliwości w przypadku węgla ma zasadniczo inny przebieg niż w przypadku skały i to niezależnie od rodzaju zastosowanego płynu porowego. Uzyskane krzywe ściśliwości okazały się nieliniowe w całym zakresie stosowanych ciśnień, wykazały brak odkształceń trwałych oraz brak zależności między kształtem krzywej ściśliwości a typem cieczy porowej (sorbująca vs. inertna). Wydaje się, że przyczynami zaobserwowanych zjawisk mogą być budowa węgla, a w szczególności struktura jego przestrzeni porowej, zasadniczo inna niż w przypadku badanych do tej pory skał, oraz fi zykochemiczne właściwości węgla jako sorbentu.

EN

Laboratory tests that have been conducted until now in the Laboratory of Rock Deformations have shown that the mechanical properties of rocks depend on the type of fluid filling the pore space of the rock. In order to check whether the same dependencies were true for hard coal compressibility tests were carried out for two series of cylindrical samples from Brzeszcze and Zofiówka hard coal mines. The samples were tested in an air-dry state as well as when they were saturated with distilled water or kerosene. The experiments showed that the compressibility test gave for coal substantially different results than in the case of rocks and it happened regardless of the type of pore fluid. The obtained compressibility curves were nonlinear in full range of applied pressure, showed no permanent deformation and the lack of correlation between the shape of compressibility curve and type of pore fluid (inert vs. non-inert). It seemed that the causes of the observed phenomena could be as follows: coal construction, in particular the structure of its pore space, substantially different than in the case so far studied rocks, and physicochemical properties of the coal as a sorbent.

17

Wpływ obecności płynu porowego na niektóre właściwości fizyczne brykietu węglowego

51%

Nowakowski A. , Nurkowski J. , Lizak Z.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2014

|

tom Vol. 16, no. 3-4

71--80

PL

Wykonano i przebadano dwie serie próbek-brykietów węglowych o porowatościach odpowiednio 21,8±0,2% i 12,8±0,2% wykonanych z miału węglowego o średnicy ziaren między 0,1 a 0,5 mm pochodzącego z KWK „Zofiówka”. Próbki odpomowywano pod próżnią, następnie nasycano gazem inertnym (azot) lub sorbującym (dwutlenek węgla) pod ciśnieniem 0,2, 0,4 lub 0,6 MPa i ściskano jednoosiowo w atmosferze tego gazu. Badano wpływ obecności płynu porowego na granicę wytrzymałości próbki na ściskanie oraz jej moduł odkształceń. Wykazano, że wpływ ten jest silnie uzależniony od porowatości próbki, a w konsekwencji od sposobu wykonania brykietu węglowego.

EN

Manufactured and tested two sets of samples-briquettes were made from coal dust coming from hard coal mine “Zofiówka”. Samples were made of fine grain diameter between 0.1 and 0.5 mm and had a porosity of 21.8 ±0.2% and 12.8 ±0.2%. The samples were pumped out in vacuo, then saturated with an inert gas (nitrogen) or non-inert one (carbon dioxide) at 0,2, 0,4 or 0,6 MPa and finally pressed uniaxially in an atmosphere of the gas. The effect of the presence of the pore fluid on the sample uniaxial compressive strength was tested as well as on its modulus of deformation. It has been shown that this effect is strongly dependent on the porosity of the sample and, consequently, on the method of coal briquettes manufacturing.

18

Zależność postaci prawa ciśnienia efektywnego od prędkości obciążania próbki dla piaskowca nasączonego gazem inertnym

51%

Nowakowski A. , Nurkowski J. , Lizak Z.

|

2016

|

tom T. 18, nr 4

147--156

PL

Artykuł zawiera omówienie wyników badań, których celem było określenie wpływu prędkości deformacji na postać prawa ciśnienia efektywnego. Wykonano dwie serie testów konwencjonalnego trójosiowego ściskana próbek piaskowca, których przestrzeń porowa wypełniona była sprężonym inertnym płynem porowym (azotem). Serie różniły się prędkością deformacji próbki, która wynosiła odpowiednio 5 μm×s–1 i 50 μm×s–1. Ciśnienia okólne (p) i porowe (pp) zmieniane były w zakresie od 0 do 300 MPa. Badania wykazały, że zmiana prędkości deformacji ma znaczący wpływ na sposób zachowania próbki przedmiotowego piaskowca podczas testu konwencjonalnego trójosiowego ściskania. Wyniki testów dowodzą, że ze wzrostem prędkości deformacji zwiększa się zakres ciśnień okólnych, przy których próbka pęka krucho oraz rośnie zakres umocnienia dylatacyjnego badanego materiału. Wykazano również, że wzrost prędkości deformacji próbki skutkuje znaczącymi zmianami wartości parametrów prawa ciśnienia efektywnego, przy czym kierunek tych zmian potwierdza istnienie zależności między prędkością deformacji a umocnieniem dylatacyjnym materiału.

EN

The article contains a discussion of the results of researches, which aim was to determine the influence of deformation rate on the shape of the effective pressure law. Two series of tests of conventional triaxial compression test were made, when pore space of tested rock sample was filled with pressurized inert fluid (nitrogen). Samples were tested with two different deformation rates: 5 μm×s–1 and 50 μm×s–1. Confining pressure p and pores pp were varied in the range of 0 to 300 MPa. Results of laboratory tests have shown that a change in deformation rate has a significant impact on the sandstone sample behaviour during the conventional triaxial compression test. The results prove that increase of sample deformation rate increases the confining pressure range at which the sample cracks in a brittle way as well as the range of dilatantial strengthening of tested material. It was also shown that the increase in sample deformation rate results in significant changes in values of parameters of effective pressure law. The observed changes confirmed the existence of a relationship between the deformation rate and dilatantial strengthening of tested material.

19

Porównanie wybranych właściwości fizycznych brykietu węglowego w stanie powietrznie-suchym w atmosferze CO2

51%

Nowakowski A. , Topolnicki J. , Nurkowski J. , Lizak Z.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2010

|

tom Vol. 12, no. 1-4

3--10

PL

Przeprowadzono wytrzymałościowe testy trójosiowe próbek wykonanych z brykietu węglowego i pozostających w stanie powietrznie-suchym oraz nasączonych gazem sorbującym (CO2). Wyniki badań wykazały, że obecność w przestrzeni porowej próbki brykietu gazu sorbowanego nie wpływa na wartość różnicowej granicy wytrzymałości tej próbki. Natomiast z analizy wartości modułu odkształceń podłużnych wynika, że jego wartość spada w obecności CO2 co oznacza, że gaz sorbowany może zwiększyć odkształcalność próbki.

EN

Samples of coal briquettes in the dry air conditions and saturated with CO2 were subjected to the triaxial stress tests. Results show that the presence of a sorbing gas in the briquette’s porous structure does not affect the differential stress limit of the sample. On the other hand, the analysis of the longitudinal modulus of elasticity reveals that its value tends to decrease in the presence of CO2, which indicates that the sorbing gas improves the sample’s elasticity.

20

Oszacowanie wydatku energetycznego rozdrabniania skał metodą mielenia udarowego

51%

Kudasik M. , Skoczylas N. , Nurkowski J.

|

2016

|

tom T. 18, nr 3

75--82

PL

W Pracowni Mikromerytyki IMG PAN rozwijane jest urządzenie do rozdrabniania skał pracujące w oparciu o metodę mielenia udarowego. W ramach przeprowadzonych prac zbadano moc i energię niezbędną do rozdrabniania próbek dolomitu za pomocą zbudowanego urządzenia. Do badań użyto fragmenty rdzeni dolomitu pochodzące z kopalni rud miedzi O/ZG „Rudna”. Oszacowano moc i energię rozdrabniania skał w zależności od wielkości kawałków próbek przeznaczonych do badań oraz w zależności od masy materiału skalnego. Uzyskane rezultaty wykazały, że zwiększając wielkość kawałków próbek od około 0.4 cm do ponad 2 cm moc potrzebna do ich rozdrobnienia jest podobna i wyniosła około 1.2 kW, przy tej samej ich masie. Natomiast zwiększając masę materiału skalnego przeznaczonego do badań, moc niezbędna do ich rozdrobnienia nieznacznie wzrastała.

EN

In the Laboratory of Micrometrics of the Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences a device for rock comminution by impact milling is being developed. The power and energy required for grinding dolomite samples using the developed device was examined. Dolomite samples from “Rudna” copper mine were used for the study. The power and energy of rock comminution depending on the grain size of the samples and depending on the weight of the samples were estimated. The obtained results showed that by increasing the grain size of the samples from about 0.4 cm to more than 2 cm the power of comminution is similar, and amounted to about 1.2 kW. Whereas by increasing the weight of the samples, the power necessary for comminution increased.