К вопросу программной компенсации температурных воздействий на результаты измерения малых перемещений скважинным многоканальным деформометром

Барышников Дмитрий Васильевич; Качальский Владислав Генрихович

УДК 622.28.017+531.746

К ВОПРОСУ ПРОГРАММНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СКВАЖИННЫМ МНОГОКАНАЛЬНЫМ ДЕФОРМОМЕТРОМ

Дмитрий Васильевич Барышников

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-05-15, e-mail: d-baryshnikov@yandex.ru

Владислав Генрихович Качальский

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород тел. (383)217-05-15, e-mail: kwg@ngs.ru

Исследуется возможность применения метода программной компенсации температурных воздействий на измерительную систему регистрации малых перемещений многоканальным скважинным деформометром при исследовании напряженно деформированного состояния массивов горных пород и искусственных сооружений методом параллельных скважин.

Ключевые слова: многоканальный деформометр, температурный дрейф, квазилинейная составляющая, измерительная система тензодатчик, температурная компенсация.

FOR QUESTIONS SOFTWARE TEMPERATURE COMPENSATION OF THE RESULT OF THE MEASUREMENT OF SMALL DISPLACEMENTS WELLS MULTICHANNEL DEFORMOMETER

Dmitriy V. Barishnikov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-15, e-mail: d-baryshnikov@yandex.ru

Vladislav G. Kachalsky

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-15, e-mail: kwg@ngs.ru

The possibility of using the software temperature compensation of the measuring system for the registration of small displacement downhole multi deformometer in the study of stress-strain state of rocks and structures the method of parallel wells.

Key words: multichannel deformometer, temperature drift, quasi-linear component of the measuring system strain sensor, temperature compensation.

Исследования напряжений на основе натурных экспериментов, обеспечивающие получение объективных данных, имеют важное значение как для формирования параметров расчетной геомеханической модели объекта, так и для уточнения результатов численного моделирования напряженно-деформирован-

ного состояния (НДС) массивов горных пород и конструктивных элементов промышленных сооружений. Достоверность информации о величинах действующих напряжений в массиве и элементах конструкции определяет надежность оценок безопасного состояния инженерных сооружений.

Процесс натурного определения напряженного состояния массива горных пород методом параллельных скважин, состоящий из последовательности опытов на объекте, а также технические и программные средства, разработаны в ИГД СО РАН [1 - 5]. Процедура проведения натурных исследований данным методом, определяющая повышенные требования к аппаратурной и программной реализации имеет следующие особенности:

• продолжительность измерения деформаций стенок измерительной скважины может достигать, как правило, не мене 2-х часов;

• температура окружающей среды и массива горных пород могут значительно отличаться;

• процесс бурения параллельной возмущающей скважины сопровождается принудительным охлаждением массива низкотемпературной водой;

• при измерении напряжений в нескольких точках от устья измерительной скважины необходимы перемещения деформометра и стабилизация показаний измерительных устройств в новом положении.

Указанные выше особенности определяют специальные требования к программно-техническому обеспечению эксперимента. В [7] достаточно подробно описаны техническая структура аппаратуры и математический подход к коррекции результатов эксперимента. Необходимость коррекции определяется как особенностями процедуры данного эксперимента, так и возможными нештатными ситуациями, а именно возможным попаданием охлаждающей жидкости в измерительную скважину и её воздействием на деформометр. В зависимости от места проникновения жидкости эксперимент либо останавливается, либо требует коррекции полученных результатов.

Рассмотрим процедуру программно - математической коррекции данных на примере проведённых экспериментов в бетоне на промышленном объекте. На рис. 1. показаны графики "время - смещение", полученные на основе некор-ректированных данных процесса деформации стенок скважины, снятых с помощью 4-х компонентного деформометра. На графике видно, что показания измерительной часть комплекса по всем измерительным парам, обусловленные температурным дрейфом увеличиваются по модулю, хотя основные деформации от бурения возмущающей скважины уже закончились на 120 - ой минуте от начала эксперимента.

Выделим линейные составляющие (1) дрейфа в соответствии с уравнением (2) из [6]:

у0шл [/ ] = - А х[/ ] + У1V ]

Уош,2 [/] = - А2х[/]+ У2 [/] ^

Уош,к [/ ] = - Акх[/ ]+ У к [/ ]

где Уоии[/] - откорректированные по / - му каналу измерения смещений контура измерительной скважины, / = 1,2, ...к;

к - число направлений измерения смещений контура скважины; / - дискретное время, / = 0,1,.....;

А/ - коэффициент квазилинейной функции температурного дрейфа; х [/] - отсчёты времени работы системы с начала записи дрейфа, / = 0,1,2,..,N - дискретное время;

N число отсчётов временных рядов за время измерения дрейфа; Ук [/] - отсчеты по / - му каналу измерения смещений контура измерительной скважины.

20.0 18.0 16.0 14.0

Деформация+дрейф

« Пара 1

— ■— Пара 2

* ПараЗ

- т-ш -ш- ■

р /

^ V

з ■ тt -Ж........

12 3 4 7М—^ и 15 16 17 18 19

Время х10 мин. от начала эксперимента

Рис. 1. Графики измеренных смещений контура скважины до коррекции дрейфа

Для выделения используем отрезки графика на рис. 1 с явно выраженным дрейфом с 120 по 190 минуты процесса эксперимента. Процессы приведены на рис. 2.

Рис. 2. Участки графиков выделенных процессов деформирования и дрейфа

с явно выраженным наклоном

Расчет коэффициентов А/, / = 1,2,3,4 методом наименьших квадратов приводит к следующей системе уравнений коррекции:

у1] = х1] - (0,277% + 15,78); У2] = х2] - (0,206% + 7,178); (2)

у3] = хз] - (0,212%- - 2,34); у4] = х4] - (0,242% - 0,25), где у- - откорректированные значения смещений в момент t];

XI - исходные значения смещений от I - ой пары балочек, полученные в результате эксперимента в момент t];

- дискретное значение отсчётов времени.

Полученные коэффициенты наклона Д{0,277; 0,206; 0,212; 0,242} близки по своим абсолютным значениям, что свидетельствует об одинаковом влиянии температурного дрейфа на все 4 канала измерения.

После коррекции исходных данных с учетом (2) графики показаны на рис. 3.

10.00 ■ 8.00 ■ 6.00 ■ 4.00 ■ S2.00 ■ 5 Откорректированная деформация

—■—Корр1 — •— Kopp 2 -• -KoppS * Kopp 4

К S 1-2.00 ■ ф ф4.00 ■ 2 О-б.оо ■ -8.00 ■ -10.00 ■ -12.00 ■ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

/У

Время х10 мин. от начала эксперимента

Рис. 3. Графики смещений контура скважины после квазилинейной

коррекцииисходных данных

На рис. 3 практически отсутствует остаточный дрейф, что иллюстрирует успешное применение предложенной процедуры (2) коррекции дрейфа. Справедливость применение линейной коррекции можно обосновать квазилинейной температурной зависимостью показаний тензодатчиков. С ростом или падением температуры изменяется сигнал ненагруженного датчика - дрейф или ошибка нуля. Данная ошибка указывается в процентах диапазона. Если датчик имеет относительную ошибку нуля 0,01% , то абсолютная ошибка при изменении температуры в процессе проведения эксперимента на 20 °С, чувствительности тензодатчика Кб = 2 мВ/В и питающем напряжении 10 В будет:

ди = 0,01% Кб/°С = (2*10)*0,01*20 = 0,04 мВ. (3)

Таким образом, сигнал ненагруженного датчика за время эксперимента может измениться на 0,04мВ. При коэффициенте передачи канала измерения ~1мкм/мкВ вклад дрейфа (3) в основной сигнал может достигать 40мкм. Данный результат имеет максимальное оценочное значение. Как видно из графиков на рис.1 максимальный дрейф не превышает 6-8 мкм, что может быть сравнимо

с изменением полезного сигнала на участках измерений с незначительным уровнем напряжений.

Рассмотрим влияние коррекции дрейфа на результаты вычисления напряжений для исходных данных (рис. 4а) и откорректированных (рис. 4б).

а б

Рис. 4. Результаты расчета величин напряжений в бетонном массиве: a - по исходным данным; б - по откорректированным данным (рис. 3)

Сравнение результатов оценок среднеквадратичных ошибок компонентов напряжений (строка DZETA) показывает, что применение коррекции дрейфа к экспериментальным данным значительно уменьшает ошибки определения и позволяет получить более точные оценки величин напряжений. Рассмотренный пример программной компенсации температурного дрейфа показаний измерительной системы при проведении экспериментов методом параллельных скважин, даёт возможность повысить точность натурного определения действующих величин напряжений в массиве.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Курленя М.В., Барышников В.Д., Бобров Г.Ф., Попов С.Н., Федоренко В.К. Способ определения НДС в массиве горных пород. // Открытия и изобретения. - 1981. - № 40.

2. Барышников В.Д., Попов С.Н. и др. Способ натурного определения упругих свойств горных пород в методе параллельных скважин. // ФТПРПИ. - 1982. - № 1.

3. Барышников В.Д., Качальский В.Г. Автоматизированный измерительный комплекс приборов для определения напряжений в массиве горных пород методом параллельных скважин.// ФТПРПИ. -2010. - № 3, С.115-119.

4. Колмаков В.Д. Техника экспериментального измерения напряжений методом параллельных скважин в скальных породах. / Тр. конференции «Исследование напряжений в горных породах». Новосибирск: ИгД СО АН СССР. - 1985. С.120-126.

5. Барышников В.Д., Курленя М.В., Гахова Л.Н. Опыт применения метода параллельных скважин для оценки действующих напряжений в бетонном массиве. // Гидротехническое строительство. - 1998. - № 9. С.59-62.

6. Качальский В.Г. Программно-техническое обеспечение экспериментальных исследований НДС массива горных пород методом параллельных скважин // Труды X междунар. научной конференции «ГЕО-Сибирь-2014». Новосибирск: СГГА. - 2014.- № 4. C.109-114.