Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства. Учебное пособие
.pdf
– переключатель «множитель» – для выбора одного из четырех
пределов плавного отсчета. Первый множитель «0,5» соответствует
диапазону измерения 0…50 мкс, второй множитель «1» – 0…100 мкс,
третий множитель «2» – 0…200 мкс, четвертый множитель «5» –
0…500 мкс. При отсчете времени распространения УЗ сигнала необходимо показания шкал лимба и нониуса плавного отсчета умножить
на соответствующий множитель диапазона
– тумблер «развертка I, II» – для выбора одного из двух диапазонов длительности развертки луча ЭЛТ;
– ручка «развертка плавно» – для плавной регулировки длительности развертки луча в пределах выбранного диапазона;
– ручки переключателей «ослабление, дБ» – для ступенчатого
уменьшения (ослабления) уровня сигнала, подаваемого от приемного
пьезоэлектрического преобразователя на вход усилителя
обоих переключателей суммируются;
– ручка «усиление» – для плавной регулировки коэффициента
усиления усилителя;
– ручка «смещ. Х», «сеть/выкл.» – для включения/выключения сети
питания прибора и для смещения линии развертки луча по горизонтали;
– ручка «фокус» – для фокусировки изображения на экране;
– разъем «вход усилителя» – для подключения
разователя.
измерения;
. Показания
приемного преоб-
1.2. Контрольные вопросы
1. Для чего используется ультразвуковой дефектоскоп УКБ-1М?
2. Какое максимальное значение времени прохождения УЗ коле-
баний можно измерять с помощью дефектоскопа УКБ-1М?
3. Что такое время задержки?
4. От чего зависит выбор рабочих частот акустических преобразо-
вателей?
5. Чем отличаются положения переключателя «развертка I» и
«развертка II»?
1.3. Порядок выполнения
1.3.1. Подготовка прибора к работе
При подготовке прибора к началу работы необходимо произвести
следующие операции:
11
1. С помощью соединительных кабелей подключить излучающий
и приемный преобразователи необходимой частоты к разъемам «вы-
ход генератора» (находится на задней панели прибора) и «вход усилителя» соответственно.
2. Включить прибор, повернув «сеть/выкл.» в направлении, указанной стрелкой. При этом загорается лампочка подсвета шкалы
плавного отсчета времени.
3. Ручками
«фокус» и «смещ. Х» настроить изображение на экра-
не прибора.
4. Установить ручку «усиление» в крайнее правое положение и
убедиться в наличии «шумовой дорожки» (шириной 2…3 мм) на экране прибора.
5. Сближая соосно подключенные преобразователи, убедиться в
появлении на экране УЗ сигнала.
1.3.2. Компенсация задержки времени
распространения УЗ колебаний
При измерении времени распространения УЗ колебаний в среде с
помощью УЗ дефектоскопа необходимо учитывать время, затрачиваемое на преобразование электрического сигнала в упругие колебания и обратно. Указанное время называют временем задержки. Время задержки можно отнести к систематическим приборным погрешностям. Для того чтобы избавиться от подобной погрешности, необходимо измерить время задержки, а затем вычесть это значение из
измеренного времени прохождения УЗ сигнала в контролируемой
среде.
Компенсацию задержки времени проводят следующим образом:
1. Совмещают соосно друг с другом через слой смазки приемный
и передающий преобразователи.
2. Ручками «усиление» и «ослабление дБ» установить амплитуду
первой отрицательной полуволны сигнала на
уровне нижней горизонтальной линии сетки на экране (рис. 1.3, а). Переключателем «установка нуля» (находится на боковой панели прибора УКБ-1М) совместить начало первого вступления принятого сигнала с началом
линии развертки (рис. 1.3, б). Проверку установки нуля необходимо
производить при смене пьезопреобразователей. Тумблер «развертка
I, II» должен при этом находиться
в положении «I», а «развертка
плавно» – в крайнем правом положении.
12
р
а
Рис. 1.3. Настройка прибора для компенсации времени задержки:
а – до установки нуля, б – после
б
1.3.3. Измерение скорости распространения
УЗ колебаний в образце горной породы
Измерение скорости распространения продольной волны С
в об-
р
разце горной породы производится в следующей последовательности:
1. Подобрать необходимые преобразователи исходя из условия
C
fl
где f
– рабочая частота преобразователя; l – база измерения (попе-
0
2...4 ,
0
(1.1)
речный размер образца).
2. Подключить преобразователи к выходу генератора и входу уси-
лителя.
3. Включить прибор, дождаться появления индикации на экране.
4. Произвести компенсацию времени задержки, как это описано в
разд. 1.2.1.
5. Разместить и плотно прижать преобразователи соосно на про-
тивоположных торцах образца горной породы,
предварительно нане-
ся на их поверхности иммерсионную смазку.
6. Установить переключатель «множитель» в положение «1», пе-
реключатель «отсчет ступенчато» – в положение «0».
С помощью рукоятки «отсчет плавно» совместить курсор на экране с началом первого значительного отклонения волновой формы
от уровня шума (рис. 1.4). Для вычисления времени t
прохождения
P
продольной волны по образцу необходимо сложить показания лимба
и нониуса прибора, умножить их на множитель (в данном случае
13
множитель 1) и прибавить значение указателя «отсчет ступенчато»
(в данном случае 0).
Рис. 1.4. Измерение времени первого вступления tP продольной волны
Скорость продольной волны Ср рассчитывается по формуле
l
.
Сt (1.2)
р
р
Измерения повторить 10 раз, каждый раз заново прижимая преобразователи к образцу. Результаты измерений и расчетов занести в
табл. 1.2.
Таблица 1.2
№
измерения
1
2
…
10
Время распространения
продольной волны tp
База измерений
l, см
Скорость продольной
волны СР, м/с
1.4. Обработка результатов
По результатам табл. 1.2 вычислить среднюю скорость
дольной волны по формуле
n
1
где n – число измерений.
14
ср
CC
р Pi
n
,
(1.3)
i
1
ср
про-
C
р
1.5. Оформление отчета
1. Начертить общий вид схемы измерения скорости УЗ в образцах.
2. Представить результаты измерений и расчетов в виде табл. 1.2.
3. Выписать рассчитанную среднюю скорость
ср
C продольной волны.
р
1.6. Тестовые задания для самопроверки
1. Прибор УКБ-1М предназначен:
а) для бесконтактного измерения пористости материала;
б) измерения скорости распространения упругих волн в материале;
в) излучения в среду упругих продольных и поперечных волн;
г) измерения времени распространения упругих волн в среде и за-
тухания.
2. Ручка
«отсчет ступенчато» предназначена:
а) для измерения времени распространения более 500 мкс и ис-
пользуется в качестве множителя;
б) измерения времени распространения более 500 мкс, причем по-
казания ручки нужно прибавлять к измеренному;
в) ослабления амплитуды сигнала на определенное количество дБ;
г) для учета времени задержки сигнала.
3. На представленном ниже рисунке укажите первое вступление
продольной
A
волны.
б
г
а
t
в
4. Время задержки – это:
а) время прохождения сигнала в контролируемой среде;
б) полное время, измеряемое прибором УКБ-1М;
15
в) время, затрачиваемое на преобразование электрического сигнала в упругие колебания и обратно;
г) время от начала развертки сигнала до второй полуволны.
5. Измеренное время задержки относят:
а) к относительной погрешности измерений;
б) абсолютной погрешности измерений;
в) систематической погрешности измерений;
г) полной погрешности измерений.
6. Для определения скорости продольной полны в исследуемом
образце достаточно знать:
а) время первого вступления продольной волны и геометрические
параметры образца;
б) время первого вступления продольной волны и плотность образца;
в) амплитуду первого вступления и базу измерений;
г) время первого вступления и базу измерения.
7. При подборе пьезоэлектрического преобразователя для измере-
ния кинематических параметров на образцах пород следует
руково-
дствоваться следующими условиями:
а) рабочая частота преобразователя должна составлять от двух до
четырех отношений скорости продольной волны к базе измерения;
б) поперечные размеры преобразователя не должны превышать
двух – четырех длин образца;
в) резонансная частота преобразователя не должна превышать отношения скорости продольной волны к длине волны;
г) максимальная измеряемая
скорость продольной волны прямо
пропорциональна резонансной частоте пьезопреобразователя.
16
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН
В АНИЗОТРОПНОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Цель работы. Изучить особенности распространения упругих
волн в массиве в зависимости от вида анизотропных пород.
2.1. Общие сведения
Анизотропия – это зависимость различных характеристик и
свойств среды от направления, в котором эти характеристики и свойства оцениваются или проявляются. Реальные горные породы обладают анизотропией самых различных свойств: упругих, прочностных, электропроводности, магнитных, проницаемости и др.
Количественно степень анизотропности массива горных пород
характеризуется коэффициентом анизотропии
K
R
и R
где
mаx
– экстремальные значения параметра R, измеряемого в
min
= R
a
max
/ R
, (2.1)
min
различных направлениях пространства.
Коэффициент
K
используется для оценки степени анизотропно-
a
сти массива и не несет информацию о ее пространственных характеристиках. Более полно анизотропию материала описывает так называемая
индикатриса – круговая диаграмма изменения исследуемой
характеристики, строящаяся в виде графической зависимости величины этой характеристики от направления в пространстве.
Основные причины возникновения анизотропии в породном мас-
сиве приведены на рис. 2.1.
Основные причины:
1. Анизотропия кристаллов, прежде всего, проявляется в строго
определенной ориентации граней. Это свойство кристаллов обусловлено особенностями атомной структуры. Вследствие
этого многие
механические свойства кристаллов, в том числе скорость упругих
волн, зависят от направления. Для большой части физических
свойств кристаллов характерно плавное изменение этих свойств с
направлением.
17
Причины возникновения анизотропии в горных породах
Особенности
кристаллической решетки
Трещиноватость
Рис. 2.1. Основные причины возникновения
анизотропии в массиве горных пород
На пр яж ен но -де формированное
состояние
Слоистость
2. Присутствие ориентированных систем трещин является одной
из самых распространенных причин анизотропии. Индикатриса скоростей продольных волн в массиве горных пород, расчлененном
тремя взаимно перпендикулярными рядами трещин третьего порядка, будет иметь вид эллипса, большая ось которого направлена вдоль
направления определяющей системы, а малая соответственно перпендикулярно ему.
3. Анизотропия скорости в
массиве может быть обусловлена действующими напряжениями. При действии в массиве напряжений
(например, в пространстве около горной выработки) индикатриса
скорости продольных волн имеет вид эллипса. Направление длинной
оси эллипса скоростной анизотропии совпадает с направлением наибольшего сжимающего напряжения.
Индикатриса скоростей (зависимость скорости от азимута α) в го-
ризонтальной плоскости может
быть представлена в виде
C
C
() ,
1( 1)sin
С
– скорость продольных волн в направлении вдоль слоистости,
где
0
принимается равной скорости в ненарушенном массиве;
фициент анизотропии скоростей,
0
22
K
a
K
= С0/С┴; С┴ – скорость про-
а
(2.2)
K
– коэф-
а
дольных волн в направлении, перпендикулярном трещиноватости.
Направление определяющей системы трещин вычисляется с помощью
измерения шести значений скоростей продольных волн, проведенных из
четырех скважин, пробуренных по схеме, представленной на рис. 2.2
Периферийные скважины П
но друга под углом 120° и отстоят от центральной скважины Ц
располагаются друг относитель-
1–П3
на
1
одинаковом расстоянии.
18
B
A
B
Рис. 2.2. Определение азимута определяющей системы трещин
по четырехшпуровой схеме
Направление Ц1–П1 выбирают вертикальным. Скорости, которые
необходимы для определения направления определяющей системы
трещин, измеряются по следующей схеме при прозвучивании:
С
С
С
= Ц1–П1; С3 = П2–П3;
0
= П1–П3; С4 = Ц1–П2; (2.3)
1
= Ц1–П3; С5 = П1–П2.
2
На основании этих измерений угол φ между выбранным направлением (азимутом наблюдения) и направлением главной оси эллипса
трещиноватости определяется следующим образом:
1
где
1
CCC CCC
22;
012 3 4 5
6
3
CC C C
().
1245
6
arctg ,
2
(2.4)
A
Определив угол φ, т.е. определив направление главной системы
трещин, можно измерить
ента
K
.
а
С
и С┴ и рассчитать значение коэффици-
0
19
В случае длинных волн (λ >> h, мелкослоистая среда) имеет место
микроквазианизотропия. Тонкослоистая периодическая среда имеет
ось симметрии (перпендикуляр к плоскости напластования), в которой скорость не зависит от направления. В связи с анизотропией в
мелкослоистой среде наблюдаются зависимости скоростей различных волн от угла между осью симметрии и нормалью к фронту волны θ.
Для количественной
оценки анизотропии мелкослоистой двухкомпонентной среды используются следующие эффективные параметры, определяемые скоростями
плотностью ρ
и толщиной hi
i
С
и CSi в материалах слоев, их
Pi
CC
11
(2.5)
SS
1
CCCh
12222
PPS
Ch
111
nnm
;;;;.
P
Ps
Зная эти параметры, можно рассчитать коэффициенты анизотро-
пии для Р- и S-волн
C
C
41
m
1(1)(1)(1/;
Kmmn
aS S
(1 )
mn
C
66
CC
44
K
aP
2
22
S
C
||
SH
S
11
CC
33
22 222
nnn
PPS
(1 ) (1 )(1 ) .
P
||
P
1/ 2
11
12
m
2
n
S
(2.6)
1/ 2
(2.7)
2.2. Контрольные вопросы
1. Что такое анизотропия?
2. Какие причины анизотропии в породном массиве вы можете
назвать?
3. Что такое индикатриса скоростей?
4. Какую информацию несет в себе коэффициент K
5. В чем причины различия коэффициентов K
мрамора?
6. Как по индикатрисе скоростей определить азимут трещинова-
тости?
7. В чем причина возникновения анизотропии в мелкослоистом
массиве?
?
а
для сильвинита и
а
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]