RU159209U1

RU159209U1 - DEVICE FOR DETERMINING ELASTIC ROCK CONSTANTS

Info

Publication number: RU159209U1
Application number: RU2015119362/28U
Authority: RU
Inventors: Константин Викторович Торопецкий; Владимир Николаевич Ульянов; Глеб Александрович Борисов; Виктор Николаевич Еремин
Original assignee: Владимир Николаевич Ульянов
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-02-10

Abstract

1. Устройство для определения упругих констант горных пород, включающее силовую раму с двумя соосными пуансонами с измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при этом все три измерителя подключены к блоку регистрации, отличающееся тем, что в состав блока регистрации дополнительно введены два множительно-делительных устройства, причем к входам первого множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель относительных поперечных деформаций, а ко входам второго множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления, при этом выход первого множительно-делительного устройства соединен с первым входом блока регистрации, а выход второго - со вторым входом блока регистрации.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителей относительных продольных и/или поперечных деформаций использованы тензорезисторы.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителя осевого давления использован тензорезистор на элементе жесткости.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве множительно-делительного устройства использован мост Уинстона.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве множительно-делительного устройства использовано устройство, обладающее двумя входами и одним выходом, причем на первый вход подается напряжение числителя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в длительность импульса, а на второй вход подается напряжени1. A device for determining elastic constants of rocks, including a power frame with two coaxial punches with an axial pressure meter, between which is a core sample with fixed meters for relative longitudinal and transverse deformations of the sample, while all three meters are connected to the registration unit, characterized in that two duplicating and dividing devices are additionally introduced into the registration unit, and a relative meter is connected to the inputs of the first multiplying dividing device x longitudinal deformations and a relative lateral strain meter, and a relative longitudinal strain meter and an axial pressure meter are connected to the inputs of the second multiplier and dividing device, while the output of the first multiplier dividing device is connected to the first input of the recording unit, and the output of the second to the second input of the unit registration. 2. The device according to claim 1, characterized in that strain gauges are used as measuring instruments for relative longitudinal and / or transverse strains. The device according to claim 1, characterized in that a strain gauge on a stiffener is used as an axial pressure meter. The device according to claim 1, characterized in that the Winston bridge is used as a multiplier dividing device. The device according to claim 1, characterized in that a device having two inputs and one output is used as a multiplier dividing device, the numerator voltage being applied to the first input, and this signal is fed to the input of the voltage converter for the duration of the pulse, and to the second input energized

Description

Заявляемая полезная модель относится к горному делу, а именно к области проведения изыскательских работ, направленных на определение физико-механических характеристик горных пород, в частности, упругих констант - модуля Юнга и коэффициента Пуассона, и может быть использована при инженерном сопровождении горноизыскательских работ, бурении скважин, проведении операций по гидравлическом разрыву пласта и т.д.The inventive utility model relates to mining, and in particular to the field of survey work aimed at determining the physicomechanical characteristics of rocks, in particular, elastic constants - Young's modulus and Poisson's ratio, and can be used in engineering support of mining operations, well drilling hydraulic fracturing operations, etc.

Как правило, в инженерных расчетах требуется знание с высокой точностью упругих констант горных пород, ввиду высокой чувствительности выстраиваемых моделей к входным параметрам [Рабинович Н.Р. Инженерные задачи механики сплошной среды в бурении, М.: Недра, 1989. - 270 с, стр. 190]. При отсутствии каких-либо конкретных сведений о разрезе, разработчиками принимаются значения коэффициента Пуассона равными 0.3, однако в реальных породах разброс значений может оказаться в диапазоне 0.1-0.5, что приведет к существенным ошибкам в расчетах. Поэтому прибегают к определению упругих констант горных пород разреза путем лабораторного исследования образцов горных пород, отобранных при бурении разведочных скважин.As a rule, engineering calculations require knowledge with high accuracy of the elastic constants of rocks, due to the high sensitivity of the built models to the input parameters [Rabinovich N.R. Engineering Problems of Continuum Mechanics in Drilling, Moscow: Nedra, 1989. - 270 s, p. 190]. In the absence of any specific information about the section, the developers take the Poisson coefficient equal to 0.3, however, in real rocks, the spread of values can be in the range 0.1-0.5, which will lead to significant errors in the calculations. Therefore, resorting to the determination of the elastic constants of the rocks of the section through laboratory studies of rock samples taken during the drilling of exploratory wells.

Известно устройство для определения упругих констант горных пород [Н.Н. Павлова. «Деформационные и коллекторские свойства горных пород». М., Недра 1976, с. 50-51], взятое в качестве прототипа. Устройство включает силовую раму с двумя соосными пуансонами, оборудованных измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при это все три измерители подключены к блоку регистрации, в результате чего строится зависимость осевого давления от относительных продольных деформаций, по которой вычисляют модуль Юнга, и зависимость относительных поперечных деформаций от относительных продольных деформаций, по которым вычисляют коэффициент Пуассона.A device for determining the elastic constants of rocks [N.N. Pavlova. "The deformation and reservoir properties of rocks." M., Nedra 1976, p. 50-51], taken as a prototype. The device includes a power frame with two coaxial punches equipped with an axial pressure gauge, between which a core sample is located with fixed gauges of relative longitudinal and transverse deformations of the sample, while all three gauges are connected to the recording unit, as a result of which the axial pressure is plotted against relative longitudinal deformations , by which Young's modulus is calculated, and the dependence of the relative transverse strains on the relative longitudinal strains, according to which Poisson's ratio.

Данное устройство позволяет определять упругие константы материалов, однако не обладает достаточной точностью измерения, поскольку сигналы от каждого измерителя поступают на независимые каналы системы регистрации, в результате чего невозможно с высокой точностью соблюсти синхронность измерений параметров, участвующих в вычислении упругих констант. Известно множество способов синхронизации каналов в многоканальных блоках регистрации, однако все они не позволяют проверять синхронность каналов прямо в процессе измерений.This device allows you to determine the elastic constants of materials, however, it does not have sufficient measurement accuracy, since the signals from each meter are fed to independent channels of the registration system, as a result of which it is impossible to observe the synchronization of measurements of parameters involved in the calculation of elastic constants with high accuracy. There are many ways to synchronize channels in multi-channel recording units, but all of them do not allow checking the synchronism of channels directly in the measurement process.

Задачей настоящего технического решения является устранение указанного недостатка известного устройства, а именно повышение точности определения упругих констант.The objective of the present technical solution is to eliminate the indicated drawback of the known device, namely to increase the accuracy of determination of elastic constants.

Указанная задача в устройстве для определения упругих констант горных пород, включающем, силовую раму с двумя соосными пуансонами с измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при это все три измерители подключены к блоку регистрации, решена тем, что в состав блока регистрации дополнительно введены два множительно-делительных устройства, причем к входам первого множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель относительных поперечных деформаций, а ко входам второго множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления, при этом выход первого множительно-делительного устройства соединен с первым входом блока регистрации, а выход второго - со вторым входом блока регистрации.The indicated problem is in a device for determining elastic constants of rocks, including a power frame with two coaxial punches with an axial pressure meter, between which a core sample is located with fixed measuring instruments for relative longitudinal and transverse deformations of the sample, while all three meters are connected to the registration unit, solved the fact that two duplicating and dividing devices are additionally introduced into the registration unit, moreover, a meter is connected to the inputs of the first dividing and dividing device relative longitudinal deformations and a relative lateral deformation meter, and a relative longitudinal deformation meter and an axial pressure meter are connected to the inputs of the second multiplier and dividing device, while the output of the first multiplier dividing device is connected to the first input of the recording unit, and the output of the second to the second input of the unit registration.

Благодаря попарному введению двух множительно-делительных устройств в состав блока регистрации и попарному включению измерителей относительных продольных и поперечных деформаций образца, а также относительных продольных деформаций и осевого давления, заявляемое устройство позволяет устранить проблему синхронизации каналов блока регистрации при измерении параметров, необходимых для вычисления упругих констант, т.к. при таком одновременном участии всех измерителей - отпадает необходимость синхронизации каналов блока регистрации.Due to the pairwise introduction of two multiplying dividing devices into the registration unit and the pairwise inclusion of measuring instruments for relative longitudinal and transverse deformations of the sample, as well as relative longitudinal deformations and axial pressure, the inventive device eliminates the problem of synchronization of channels of the recording unit when measuring parameters necessary for calculating elastic constants because with such simultaneous participation of all meters, there is no need to synchronize the channels of the registration unit.

Для измерения осевого давления в качестве измерителя осевого давления использован тензорезистор на элементе жесткости, обеспечивающий линейную связь осевого давления с изменением его сопротивления.To measure the axial pressure, a strain gauge on a stiffening element is used as an axial pressure meter, which provides a linear relationship between the axial pressure and the change in its resistance.

Для измерения относительных продольных и/или поперечных деформаций образца керна в качестве измерителей использованы тензорезисторы, относительное изменение сопротивления которых связано с деформациями образца.To measure the relative longitudinal and / or transverse deformations of the core sample, strain gauges were used as meters, the relative change in the resistance of which is associated with the deformations of the sample.

В качестве множительно-делительного устройства использован мост Уинстона, в противоположные плечи которого включены тензорезиторы, измеряющие те величины, отношения которых необходимо вычислить, например, измеритель относительных продольны и поперечных деформаций образца керна, или измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления. Это наиболее простой и безотказный вариант множительно-делительного устройства, точность деления которого сильно зависит от точности его калибровки.A Winston bridge was used as a multiplier and dividing device, strain gauges included in the opposite shoulders measuring those quantities whose ratios must be calculated, for example, a relative longitudinal and transverse strain gauge of a core sample, or a relative longitudinal strain gauge and an axial pressure gauge. This is the simplest and most reliable version of the multiplier dividing device, the accuracy of the division of which greatly depends on the accuracy of its calibration.

Также в качестве множительно-делительного устройства может быть использовано устройство, описанное в книге - Темников Ф.Е., Славинский В.Л. «Математические развертывающие системы», - М.: «Энергия», 1970. Стр. 91, обладающее двумя входами и одним выходом, причем на первый вход подается напряжение числителя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в длительность импульса, а на второй вход подается напряжение знаменателя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в частоту импульсов, при этом сигналы с выходов обоих преобразователей подается на компаратор, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное отношению двух сигналов. Это наиболее сложный вариант множительно-делительного устройства, однако, точность деления может быть на порядок выше мостовой схемы Уинстона.Also, the device described in the book - Temnikov F.E., Slavinsky V.L. can be used as a multiplier-dividing device. "Mathematical Deploying Systems", - M .: "Energy", 1970. p. 91, having two inputs and one output, and the numerator voltage is applied to the first input, and this signal is fed to the voltage converter input during the pulse duration, and the denominator voltage is applied to the second input, and this signal is fed to the voltage converter input to the pulse frequency, this signals from the outputs of both converters is fed to a comparator, the output of which is formed a voltage proportional to the ratio of the two signals. This is the most complex version of the multiplier divider, however, the division accuracy can be an order of magnitude higher than the Winston bridge circuit.

На фиг. 1 приведена кинематическая схема устройства, включающего: силовую раму (на рисунке не показана) с двумя соосными пуансонами 1а и 1б, причем нижний пуансон 1б является неподвижным относительно силовой рамы, а верхний пуансон 1а является подвижным и соединен со штоком 2 гидроцилиндра (на рисунке не показан); между верхним пуансоном 1а и штоком гидроцилиндра 2 расположен измеритель осевого давления 3; между пуансонами 1а и 1б помещен образец керна 4, при этом на торцах образца керна 4 закреплен измеритель относительных продольных деформаций, включающий хомуты 5а и 5б, плоскую пружину 6, и тензорезистивный элемент 7, причем тензорезистивный элемент 7 закреплен на плоской пружине 6, которая соединены с хомутами 5а и 6б; на боковой поверхности образца 4 закреплен измеритель относительных продольных деформаций, включающий хомут 8 и тензорезистивный элемент 9, при этом тензорезистивный элемент 9 закреплен на хомуте 8.In FIG. 1 is a kinematic diagram of a device including: a power frame (not shown) with two coaxial punches 1a and 1b, the lower punch 1b being stationary relative to the power frame, and the upper punch 1a being movable and connected to the rod 2 of the hydraulic cylinder (not shown shown); between the upper punch 1A and the rod of the hydraulic cylinder 2 is an axial pressure meter 3; a core sample 4 is placed between the punches 1a and 1b, and a relative longitudinal strain meter is attached to the ends of the core sample 4, including clamps 5a and 5b, a flat spring 6, and a strain gauge element 7, and the strain gauge element 7 is mounted on a flat spring 6, which is connected with clamps 5a and 6b; on the lateral surface of the specimen 4, a relative longitudinal strain meter is fixed, including a clamp 8 and a strain gauge element 9, while the strain gauge element 9 is fixed on the clamp 8.

На фиг. 2 приведена электрическая схема варианта реализации устройства, включающего: измеритель осевого давления 3, включенный в первый измерительный мост 10, также содержащий балансные сопротивления 10а, 10б и тензорезистивный элементом 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна; тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный во второй измерительный мост 11, также содержащий сопротивления 11a, 11б и тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, оба измерительных моста 10 и 11 подключены к источнику напряжения 12 через шину 13, которая параллельно подключается к аналогово-цифровому преобразователю 14 через шину 15, в свою очередь сигналы измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, источник напряжения 12 и аналогово-цифровой преобразователь 14 подключены в микропроцессорному блоку 17 посредством шин 18 и 19, тензорезистивный элемент 7 является общим для обоих измерительных мостов 10 и 11, и переключается между ними посредством группы контактов 20а и 20б коммутатора 20, подключенного к микропроцессорному блоку 17.In FIG. 2 is an electrical diagram of an embodiment of a device including: an axial pressure meter 3 included in a first measuring bridge 10, also comprising balanced resistances 10a, 10b and a strain gauge element 7 of a relative longitudinal deformation meter for a core sample; tensor resistive element 9 of the measuring instrument for the relative transverse deformations of the core sample included in the second measuring bridge 11, also containing resistances 11a, 11b and the strain gauge element 7 of the measuring device for relative longitudinal deformations of the core sample, both measuring bridges 10 and 11 are connected to the voltage source 12 through the bus 13, which connected in parallel to the analog-to-digital converter 14 via bus 15, in turn, the signals of the measuring bridges 10 and 11 are fed via bus 16 to the input of the analog-to-digital converter 14, the voltage source 12 and the analog-to-digital converter 14 are connected to the microprocessor unit 17 via buses 18 and 19, the strain gauge element 7 is common to both measuring bridges 10 and 11, and is switched between them by a group of contacts 20a and 20b of the switch 20 connected to microprocessor unit 17.

На фиг. 3 приведена электрическая схема варианта реализации устройства, включающего: тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 21 вместе с балансными сопротивлениями 21а, 21б и 21в, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 22 вместе с балансными сопротивлениями 22а, 22б и 22в, измеритель осевого давления 3 на образец керна, включенный в измерительный мост Уинстона 23 вместе с балансными сопротивлениями 23а, 23б и 23в; все три измерительных моста 21, 22 и 23 подключены к источнику напряжения 24 посредством шины 25, выходы измерительных мостов 21 и 22 подключены ко входам множительно-делительного устройства 26 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 21 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 26а, выход моста 22 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 266, а выходы преобразователей 26а и 26б подключены ко входам компаратора 26в, выходы измерительных мостов 22 и 23 подключены ко входам множительно-делительного устройства 28 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 22 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 28а, выход моста 23 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 286, а выходы преобразователей 28а и 28б подключены ко входам компаратора 28в, выходы множительно-делительных устройств 26 и 28 подключены ко входам аналогово-цифрового преобразователя 29 посредством шины 30, также к входу аналого-цифрового преобразователя 29 подключен источник напряжения 24 посредством шины 31, в свою очередь выход аналогово-цифрового преобразователя 29 подключен к входу микропроцессорного блока 32 посредством шины 33, а источник напряжения 24 подключен к микропроцессорному блоку 32 посредством шины 34.In FIG. 3 is an electrical diagram of an embodiment of a device including: a strain gauge element 9 for measuring the relative transverse deformations of a core sample included in the measuring bridge of Winston 21 along with balanced resistances 21a, 21b and 21c, a strain gauge element 7 for measuring the relative longitudinal deformations of the core sample included in the measuring bridge Winston 22 together with balanced resistances 22a, 22b and 22c, an axial pressure meter 3 on a core sample included in the measuring bridge of Winston 23 along with ba Lance resistances 23a, 23b and 23c; all three measuring bridges 21, 22 and 23 are connected to the voltage source 24 via bus 25, the outputs of the measuring bridges 21 and 22 are connected to the inputs of the multiplier dividing device 26 via bus 27, and the output of the measuring bridge 21 is connected to the voltage-to-pulse converter 26a, the output of the bridge 22 is connected to the voltage-to-pulse frequency converter 266, and the outputs of the converters 26a and 26b are connected to the inputs of the comparator 26b, the outputs of the measuring bridges 22 and 23 are connected to the inputs of a multiplier divider 28 through the bus 27, and the output of the measuring bridge 22 is connected to the voltage-to-pulse converter 28a, the output of the bridge 23 is connected to the voltage-to-pulse converter 286, and the outputs of the converters 28a and 28b are connected to the inputs of the comparator 28b, the outputs of the multiplier divider 26 and 28 are connected to the inputs of the analog-to-digital converter 29 via the bus 30, also to the input of the analog-to-digital converter 29 a voltage source 24 is connected via the bus 31, in turn, the output of the analog-digital A new converter 29 is connected to the input of the microprocessor unit 32 via the bus 33, and the voltage source 24 is connected to the microprocessor unit 32 through the bus 34.

Работу заявляемого технического решения рассмотрим на следующих примерах.The work of the proposed technical solution will consider the following examples.

Пример 1. Работу устройства рассмотрим с использованием фиг. 1 и 2.Example 1. We consider the operation of the device using FIG. 1 and 2.

Образец керна 4 помещают между пуансонами 1а и 1б, причем верхний пуансон 1а является подвижным и включает измеритель осевого давления 3 и шток 2 гидроцилинда, на торцах образца керна 4 закрепляют хомуты 5а и 5б измерителя относительных продольных деформаций, включающего плоскую пружину 6 и тензорезистивный элемент 7, а также на боковую поверхность образца закрепляют измеритель относительных поперечных деформаций, включающего хомут 8 и тензорезистивный элемент 9.A core sample 4 is placed between the punches 1a and 1b, the upper punch 1a being movable and includes an axial pressure meter 3 and a hydraulic cylinder rod 2, clamps 5a and 5b of the relative longitudinal strain gauge, including a flat spring 6 and a strain gauge element 7, are fixed at the ends of the core sample 4. , as well as on the lateral surface of the sample, a relative transverse strain meter is fixed, including a clamp 8 and a strain gauge element 9.

Измеритель осевого давления 3, включенный в первый измерительный мост 10, также содержащий балансные сопротивления 10а, 10б и тензорезистивный элементом 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна; тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный во второй измерительный мост 11, также содержащий сопротивления 11a, 11б и тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, оба измерительных моста 10 и 11 подключены к источнику напряжения 12 через шину 13, которая параллельно подключается к аналогово-цифровому преобразователю 14 через шину 15, в свою очередь сигналы измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, источник напряжения 12 и аналогово-цифровой преобразователь 14 подключены в микропроцессорному блоку 17 посредством шин 18 и 19, тензорезистивный элемент 7 является общим для обоих измерительных мостов 10 и 11, и переключается между ними посредством группы контактов 20а и 20б коммутатора 20, подключенного к микропроцессорному блоку 17.An axial pressure meter 3 included in the first measuring bridge 10, also containing balanced resistances 10a, 10b and a strain gauge element 7 of the meter for relative longitudinal deformations of the core sample; tensor resistive element 9 of the measuring instrument for the relative transverse deformations of the core sample included in the second measuring bridge 11, also containing resistances 11a, 11b and the strain gauge element 7 of the measuring device for relative longitudinal deformations of the core sample, both measuring bridges 10 and 11 are connected to the voltage source 12 through the bus 13, which connected in parallel to the analog-to-digital converter 14 via bus 15, in turn, the signals of the measuring bridges 10 and 11 are fed via bus 16 to the input of the analog-to-digital converter 14, the voltage source 12 and the analog-to-digital converter 14 are connected to the microprocessor unit 17 via buses 18 and 19, the strain gauge element 7 is common to both measuring bridges 10 and 11, and is switched between them by a group of contacts 20a and 20b of the switch 20 connected to microprocessor unit 17.

Образец керна 4 приводят в деформированное состояние посредством осевого нагружения с помощью пуансонов 1а и 1б, одновременно с этим сигналы с измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна по очереди подключается через равные промежутки времени то к первому измерительному мосту 10, то ко второму измерительному мосту 11 посредством контактов 20а и 20б коммутатора 20, который управляется микропроцессорным блоком 17. Сигналы с измерительных мостов 10 и 11 пропорциональны модулю Юнга и коэффициенту Пуассона соответственно.The core sample 4 is brought into a deformed state by axial loading with the help of punches 1a and 1b, at the same time the signals from the measuring bridges 10 and 11 are fed via bus 16 to the input of the analog-to-digital converter 14, the strain gauge element 7 of the relative longitudinal deformation meter of the core sample in turn connected at regular intervals to the first measuring bridge 10, then to the second measuring bridge 11 through the contacts 20a and 20b of the switch 20, which is controlled by a microprocessor unit ohm 17. The signals from the measuring bridges 10 and 11 are proportional to the Young's modulus and Poisson's ratio, respectively.

Пример 2. Работу устройства рассмотрим с использованием фиг. 1 и 3.Example 2. We consider the operation of the device using FIG. 1 and 3.

Образец керна 4 помещают между пуансонами 1а и 1б, причем верхний пуансон 1а является подвижным и включает измеритель осевого давления 3, на торцах образца керна 4 закрепляют хомуты 5а и 5б измерителя относительных продольных деформаций, включающего плоскую пружину 6 и тензорезистивный элемент 7, а также на боковую поверхность образца закрепляют измеритель относительных поперечных деформаций, включая хомут 8 и тензорезистивный элемент 9.The core sample 4 is placed between the punches 1a and 1b, the upper punch 1a being movable and includes an axial pressure meter 3, clamps 5a and 5b of the relative longitudinal strain meter, including a flat spring 6 and a strain gauge element 7, are fixed on the ends of the core sample 4 a lateral surface of the sample is fixed with a measuring instrument of relative lateral deformations, including a clamp 8 and a strain gauge element 9.

Тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 21 вместе с балансными сопротивлениями 21а, 21б и 21в, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 22 вместе с балансными сопротивлениями 22а, 22б и 22в, измеритель осевого давления 3 на образец керна, включенный в измерительный мост Уинстона 23 вместе с балансными сопротивлениями 23а, 23б и 23в, все три измерительных моста 21, 22 и 23 подключены к источнику напряжения 24 посредством шины 25, выходы измерительных мостов 21 и 22 подключены ко входам множительно-делительного устройства 26 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 21 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 26а, выход моста 22 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 26б, а выходы преобразователей 26а и 26б подключены ко входам компаратора 26в, выходы измерительных мостов 22 и 23 подключены ко входам множительно-делительного устройства 28 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 22 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 28а, выход моста 23 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 28б, а выходы преобразователей 28а и 28б подключены ко входам компаратора 28в, выходы множительно-делительных устройств 26 и 28 подключены ко входам аналогово-цифрового преобразователя 29 посредством шины 30, также к входу аналого-цифрового преобразователя 29 подключен источник напряжения 24 посредством шины 31, в свою очередь выход аналогово-цифрового преобразователя 29 подключен к входу микропроцессорного блока 32 посредством шины 33, а источник напряжения 24 подключен к микропроцессорному блоку 32 посредством шины 34.The strain gauge element 9 of the measuring instrument for the relative transverse deformations of the core sample included in the measuring bridge of Winston 21 together with the balanced resistances 21a, 21b and 21c, the strain gauge element 7 of the measuring instrument for the relative longitudinal deformations of the core sample included in the measuring bridge of the Winston 22 along with the balanced resistances 22a, 22b and 22c, an axial pressure meter 3 on a core sample included in the Winston measuring bridge 23 together with balanced resistances 23a, 23b and 23c, all three measuring bridges 21, 22 and 23 are connected are connected to the voltage source 24 via the bus 25, the outputs of the measuring bridges 21 and 22 are connected to the inputs of the multiplier dividing device 26 via the bus 27, the output of the measuring bridge 21 being connected to the voltage-to-pulse converter 26a, the output of the bridge 22 connected to the voltage-to-frequency converter pulses 26b, and the outputs of the converters 26a and 26b are connected to the inputs of the comparator 26b, the outputs of the measuring bridges 22 and 23 are connected to the inputs of the multiplier dividing device 28 via the bus 27, and the output the measuring bridge 22 is connected to the voltage-to-pulse converter 28a, the output of the bridge 23 is connected to the voltage-to-pulse converter 28b, and the outputs of the converters 28a and 28b are connected to the inputs of the comparator 28v, the outputs of the multiplier-dividing devices 26 and 28 are connected to the inputs of the analog-digital the converter 29 via the bus 30, also to the input of the analog-to-digital converter 29, a voltage source 24 is connected via the bus 31, in turn, the output of the analog-to-digital converter 29 is connected to the input to the microprocessor unit 32 via the bus 33, and the voltage source 24 is connected to the microprocessor unit 32 via the bus 34.

Образец керна 4 приводят в деформированное состояние посредством осевого нагружения с помощью пуансонов 1а и 1б, одновременно с этим источник напряжения 12 подает напряжение на измерительные мосты 21, 22, и 23, при этом сигнал с мостов 21 и 22 поступает на входы множительно-делительного устройства 26, а сигнал с мостов 22 и 23 поступает на входы множительно-делительного устройства 28. Сигнал, представляющий собой отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным деформациям образца керна 4, т.е. численное значение коэффициента Пуассона, с множительно-делительного устройства 26 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 29. Сигнал, представляющий собой отношение осевого давления к относительным продольным деформациям образца керна 4, т.е. численное значение модуля Юнга, с множительно-делительного устройства 28 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 29. Оба сигнала - численное значение коэффициента Пуассона и модуля Юнга, с выхода аналогово-цифрового преобразователя 29 поступает на вход микропроцессорного блока 32.The core sample 4 is brought into a deformed state by axial loading with the help of punches 1a and 1b, at the same time the voltage source 12 supplies voltage to the measuring bridges 21, 22, and 23, while the signal from the bridges 21 and 22 is fed to the inputs of a multiplier divider 26, and the signal from the bridges 22 and 23 is fed to the inputs of the multiplier dividing device 28. The signal, which is the ratio of the relative transverse strains to the relative longitudinal strains of core sample 4, i.e. the numerical value of the Poisson's ratio, from a multiplier dividing device 26, is input to an analog-to-digital converter 29. A signal representing the ratio of axial pressure to the relative longitudinal deformations of core sample 4, i.e. the numerical value of the Young's modulus, from the multiplier dividing device 28, is fed to the input of the analog-to-digital converter 29. Both signals are the numerical value of the Poisson's ratio and the Young's modulus, from the output of the analog-to-digital converter 29 is fed to the input of the microprocessor unit 32.

Для проверки работоспособности заявляемого технического устройства был собран лабораторный стенд, представленный на фиг. 1, включающий испытательный пресс ИП-1 производства ЗИМ «Точмашприбор» с предельной осевой нагрузкой 100 кН, включающий силовую раму и два соосно цилиндрических пуансона.To verify the operability of the claimed technical device, a laboratory bench was assembled, as shown in FIG. 1, including the IP-1 test press manufactured by the Tochmashpribor ZIM with a maximum axial load of 100 kN, including a power frame and two coaxially cylindrical punches.

В качестве измерителей относительных продольных деформаций и относительных поперечных деформаций использованы тонкопленочные тензорезистивные элементы из константана с номинальным сопротивлением 600 Ом. В качестве измерителя осевого давления использован тензорезистивный на элементе жесткости - металлической мембране заданной жесткости марки С16А, производства фирмы НВМ (Германия).Thin film tensor resistive elements made of constantan with a nominal resistance of 600 Ohms were used as measuring instruments for relative longitudinal strains and relative transverse strains. As a measuring instrument of axial pressure, a strain gauge resistor was used on a stiffener - a metal membrane of a given stiffness, grade C16A, manufactured by NVM (Germany).

В примере 1 реализации заявляемого технического решения, множительно-делительные устройства построены на мостах Уинстона с использованием прецизионных балансных сопротивлений марки МР3000 производства фирмы «НПП «Резист» (Россия) с номинальным сопротивлением 600 Ом, допустимым отклонением от номинального сопротивление не более 0.005% и ТКС не более 10^-6 1/°C. Аналогово-цифровой преобразователь типа Sigma-Delta построен на интегральной микросхеме AD7173 производства фирмы Analog Device (США), включающей 4 канала, из которых задействовано 3, обладает разрядностью 24 бита и частотой сэмплирования 250 kSps, а также контроллер шины GPIO. Микроконтроллер построен на интегральной микросхеме ATxmega256 производства фирмы Atmel (США), включающей 16-битное вычислительное ядро, а также контроллер шины GPIO, обеспечивающий связь в аналогово-цифровым преобразователем, собранным на интегральной микросхеме AD7173. Источник напряжения 12 В стабилизиованный с точностью 0.1%. Точность вычисления отношения двух сигналов на множительно-делительных устройствах типа моста Уинстона составляет порядка 1.0%.In example 1 of the implementation of the proposed technical solution, multiplier dividing devices are built on Winston bridges using precision balanced impedances of the MP3000 brand manufactured by NPP Resist (Russia) with a nominal resistance of 600 Ohms, an allowable deviation from the nominal resistance of not more than 0.005% and TKS no more than 10 ^-6 1 / ° C. The Sigma-Delta analog-to-digital converter is built on the AD7173 integrated circuit manufactured by Analog Device (USA), which includes 4 channels, of which 3 are involved, has a bit capacity of 24 bits and a sampling frequency of 250 kSps, as well as a GPIO bus controller. The microcontroller is built on an ATxmega256 integrated circuit manufactured by Atmel (USA), which includes a 16-bit computing core, as well as a GPIO bus controller that provides communication in an analog-to-digital converter assembled on an AD7173 integrated circuit. A 12 V voltage source stabilized with an accuracy of 0.1%. The accuracy of calculating the ratio of two signals on multiplier-divider devices such as Winston Bridge is about 1.0%.

В примере 2 реализации технического решения множительно-делительные устройства построены согласно схеме [Темников Ф.Е., Славинский В.Л. Математические развертывающие системы, - М.: «Энергия», 1970. Стр. 91] с использованием следующей элементной базы: преобразователь напряжение в частоту импульсов собран на интегральной микросхеме Analog Device AD654 производства фирмы Analog Device (США) [Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах: Энергоатом-издат. Л. 1988.], преобразователь напряжение в длительность состоит из генератора пилообразного напряжения, собранного на таймере NE555, и компаратора uA710, компаратор построен на интегральной микросхеме иА710 с RC-цепочкой. Аналогово-цифровой преобразователь типа Sigma-Delta построен на интегральной микросхеме Device AD7173 производства фирмы Analog Device (США), включающей 4 канала, из которых задействовано 3, обладает разрядностью 24 бита и частотой сэмплирования 250 kSps, а также котроллер шины GPIO. Микроконтроллер построен на интегральной микросхеме ATxmega256 производства фирмы Atmel (США), включающей 16-битное вычислительное ядро, а также контроллер шины GPIO, обеспечивающий связь в аналогово-цифровым преобразователем AD7173. Источник напряжения 12 В стабилизиованный с точностью 0.1%. Мостовые схема также собраны на балансных сопротивлениях марки МР3000 производства фирмы «НПП «Резист» (Россия) с номинальным сопротивлением 600 Ом, допустимым отклонением от номинального сопротивление на более 0.005% и ТКС не более 10^-6 1/°C. Точность вычисления отношения двух сигналов на множительно-делительных устройствах составляет порядка 0.1%.In example 2 of the implementation of the technical solution, the multiplier dividing devices are constructed according to the scheme [Temnikov F.E., Slavinsky V.L. Mathematical Deploying Systems, Moscow: Energia, 1970. pp. 91] using the following elemental base: the voltage to pulse frequency converter is assembled on an Analog Device AD654 integrated circuit manufactured by Analog Device (USA) [V. Gutnikov. Integrated electronics in measuring devices: Energoatom-publ. L. 1988.], a voltage-to-duration converter consists of a sawtooth voltage generator assembled on a NE555 timer and a uA710 comparator, the comparator is built on an AI710 integrated circuit with an RC circuit. The Sigma-Delta analog-to-digital converter is built on the Device AD7173 integrated circuit manufactured by Analog Device (USA), which includes 4 channels, of which 3 are involved, has a bit capacity of 24 bits and a sampling frequency of 250 kSps, as well as a GPIO bus controller. The microcontroller is built on an ATxmega256 integrated circuit manufactured by Atmel (USA), which includes a 16-bit computing core, as well as a GPIO bus controller that provides communication in the AD7173 analog-to-digital converter. A 12 V voltage source stabilized with an accuracy of 0.1%. The bridge circuit is also assembled on the balanced resistances of the MP3000 brand manufactured by NPP Resist (Russia) with a nominal resistance of 600 Ohms, an allowable deviation from the nominal resistance of more than 0.005% and TKS not more than 10 ^-6 1 / ° C. The accuracy of calculating the ratio of two signals on multiplier-dividing devices is about 0.1%.

В качестве эталонных образцов были использованы цилиндрические образцы длиной 60 мм и диаметром 30 мм, изготовленные из меди и сплава алюминия Д16Т. Для меди модуль Юнга 110 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.35. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 70 ГПа, коэффициент Пуассона 0.31.As reference samples, we used cylindrical samples 60 mm long and 30 mm in diameter, made of copper and aluminum alloy D16T. For copper, Young's modulus is 110 GPa, and the Poisson's ratio is 0.35. For an aluminum alloy D16T, the Young's modulus is 70 GPa, the Poisson's ratio is 0.31.

В результате проведенных нами испытаний с использованием предложенного варианта реализации (пример 1), были получены значения упругих констант меди и сплава алюминия Д16Т полностью соответствующие табличным значениям, именно для меди модуль Юнга 109,0±0,9 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.350±0,005. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 72,0±0,6 ГПа, коэффициент Пуассона 0,305±0,003. Таким образом, погрешность определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона не превышает 3,0%.As a result of our tests using the proposed implementation option (example 1), we obtained the values of the elastic constants of copper and aluminum alloy D16T fully corresponding to the tabulated values, namely, for young copper the Young's modulus is 109.0 ± 0.9 GPa, and the Poisson's ratio is 0.350 ± 0.005 . For the aluminum alloy D16T, the Young's modulus is 72.0 ± 0.6 GPa, the Poisson's ratio is 0.305 ± 0.003. Thus, the error in determining Young's modulus and Poisson's ratio does not exceed 3.0%.

В результате проведенных нами испытаний с использованием варианта реализации (пример 2), были получены значения упругих констант меди и сплава алюминия Д16Т полностью соответствующие табличным значениям, именно для меди модуль Юнга 110,2±0,1 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.3510±0,0005. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 69,9±0,1 ГПа, коэффициент Пуассона 0,3105±0,0005. Таким образом, погрешность определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона не превышает 0,3%.As a result of our tests using the implementation option (example 2), we obtained the values of the elastic constants of copper and aluminum alloy D16T that fully correspond to the tabulated values, namely, for young copper the Young's modulus is 110.2 ± 0.1 GPa, and the Poisson's ratio is 0.3510 ± 0, 0005. For the aluminum alloy D16T, the Young's modulus is 69.9 ± 0.1 GPa, the Poisson's ratio is 0.3105 ± 0.0005. Thus, the error in determining Young's modulus and Poisson's ratio does not exceed 0.3%.

Claims

1. Устройство для определения упругих констант горных пород, включающее силовую раму с двумя соосными пуансонами с измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при этом все три измерителя подключены к блоку регистрации, отличающееся тем, что в состав блока регистрации дополнительно введены два множительно-делительных устройства, причем к входам первого множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель относительных поперечных деформаций, а ко входам второго множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления, при этом выход первого множительно-делительного устройства соединен с первым входом блока регистрации, а выход второго - со вторым входом блока регистрации.1. A device for determining elastic constants of rocks, including a power frame with two coaxial punches with an axial pressure meter, between which is a core sample with fixed meters for relative longitudinal and transverse deformations of the sample, while all three meters are connected to the registration unit, characterized in that two duplicating and dividing devices are additionally introduced into the registration unit, and a relative meter is connected to the inputs of the first multiplying dividing device x longitudinal deformations and a relative lateral deformation meter, and a relative longitudinal deformation meter and an axial pressure meter are connected to the inputs of the second multiplier and dividing device, while the output of the first multiplier dividing device is connected to the first input of the recording unit, and the output of the second to the second input of the unit registration.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителей относительных продольных и/или поперечных деформаций использованы тензорезисторы.2. The device according to claim 1, characterized in that strain gauges are used as measuring instruments for relative longitudinal and / or transverse strains.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителя осевого давления использован тензорезистор на элементе жесткости.3. The device according to claim 1, characterized in that a strain gauge on a stiffener is used as an axial pressure meter.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве множительно-делительного устройства использован мост Уинстона.4. The device according to claim 1, characterized in that the Winston bridge is used as a multiplier dividing device.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве множительно-делительного устройства использовано устройство, обладающее двумя входами и одним выходом, причем на первый вход подается напряжение числителя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в длительность импульса, а на второй вход подается напряжение знаменателя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в частоту импульсов, при этом сигналы с выходов обоих преобразователей подается на компаратор, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное отношению двух сигналов.

5. The device according to claim 1, characterized in that a device having two inputs and one output is used as a multiplier-dividing device, the numerator voltage being applied to the first input, and this signal is fed to the input of the voltage converter during the pulse duration, and the second input is the voltage of the denominator, and this signal is fed to the input of the voltage Converter in the frequency of the pulses, while the signals from the outputs of both converters are fed to the comparator, the output of which is formed voltage proportional to the ratio of two signals.