DD228348A5 - DEVICE FOR DETERMINING A VOLTAGE CONDITION - Google Patents
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Abstract
Description
._/\. — Berlin, den 17, 4. 85 64 839 17._ / \. - Berlin, 17, 4. 85 64 839 17
Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannunqszustandes Anwendungsgebiet der ErfindungDevice for determining a state of tension Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes geschlossener Formationen mittels einer Druckmessung»The invention relates to a device for determining a state of stress of closed formations by means of a pressure measurement »
Die Kenntnis des mechanischen Zustandes z. B. eines Gebirges, insbesondere seines Spannungszustandes* ist für die Belange des Berg- und Tunnelbaues sowie für die Bodenmechanik von besonderer Bedeutung.The knowledge of the mechanical condition z. B. of a mountain, in particular its state of stress * is for the interests of mining and tunneling and for the soil mechanics of particular importance.
Über die Möglichkeit seiner in situ-Bestimmung wird daher in diversen Veröffentlichungen ausführlich berichtet (W, Dreyer, 1974» Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart),The possibility of its in situ determination is therefore reported extensively in various publications (W, Dreyer, 1974 »Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart),
Zum Problem der weitgehend isothermen Beanspruchung des Gebirges im Berg- und Tunnelbau sowie in der Bodenmechanik erlangte insbesondere im Rahmen der Endlagerung hochradioaktiver Stoffe die thermomechanische Belastung des Gebirges eine besondere Bedeutung (Albers und Ehlert, 1982, ISRM Symposium, Aachen), Für die in situ-Spannungsermittlung ergeben sich im aufgeheizten Gebiet des Gebirges besondere Probleme, da die Messungen in einem relativ schnell zeitlich Veränderlichen Temperatur- und Spannungsfeld durchgeführt werden müssen (bis 200 0C), Trotz dieser relativ schnellen zeitlichen Änderungen wird von allen Meßverfahren eine hohe Nullpunktkonstanz verlangt. Vorausgesetzt wird dabei, daß nicht nur sehr kurzfristige SpannungsänderungenThe problem of the largely isothermal stress of the mountains in mining and tunneling as well as in soil mechanics, especially in the final disposal of highly radioactive substances, the thermomechanical stress of the mountains has a special significance (Albers and Ehlert, 1982, ISRM Symposium, Aachen), For in situ Voltage detection arise in the heated area of the mountains special problems, since the measurements must be carried out in a relatively rapidly temporally variable temperature and voltage field (up to 200 0 C), Despite these relatively rapid changes in time of all measurement methods, a high zero constancy is required. It is assumed that not only very short-term voltage changes
des thermisch induzierten Spannungsfeldes von Interesse sind, sondern daß auch der Absolutwert der Spannung ermittelt werden soll*of the thermally induced voltage field are of interest, but also that the absolute value of the voltage should be determined *
Besondere Probleme ergeben sich insbesondere'bei den hohen Temperaturen bei allen Meßverfahren, die Druck- bzw. Kraftmessungen an Materialien mit bekannten elastischen Parametern durch DMS-Applikation vornehmen. Hier zeigt sich, daß selbst bei ausgesucht thermisch stabilen DMS eine große zeitliche Korrektur des Nullpunktdrifts angebracht werden muß. Unabhängig von diesem Kriechen des DMS auf dem Druckstempel ist für das Gesamtsystem eine genaue Eichung der Temperaturabhängigkeit vorzunehmen» Dies gilt in gleicher Weise für die Durchführung von Messungen nach dem Prinzip einer schwingenden Saite und auch bei Messungen, die z. B, mit Glötzl-Dosen geführt werden, geht eine zeitlich veränderliche Temperatur in die Messung ein. Ursache hierfür ist der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Gebirge und den Teilen der Glötzlzelle. Hier wirkt sich aus, daß der Druck nicht direkt, sondern indirekt über die Volumenkonstanthaltung einer bestimmten (z. B. Quecksilber) Menge erfolgt. Spannungsmessungen, die mit Fiat Oacks durchgeführt werden (Hoskins, 1966, Inst. 3.. Rock Mech. Min» Sei», Vol. 3, Pergamon Press) eignen sich nur für den stoßnahen Bereich des Gebirges. Bei den in den letzten Oahren insbesondere in Tiefbohrungen durchgeführten Hydraulic-Facturing-Messungen besteht ein b-esonderes Problem in der Erkennung der Frac-Orientierung und darin, daß zur Ermittlung des gesamten Spannungstensors bekanntlich sechs voneinander linear unabhängige Frac-Orientierungen er-Particular problems arise in particular at the high temperatures in all measuring methods that make pressure or force measurements on materials with known elastic parameters by DMS application. This shows that even with selected thermally stable strain gages, a large temporal correction of the zero point drift must be applied. Regardless of this creep of the strain gauge on the plunger is to make an accurate calibration of the temperature dependence for the entire system »This applies equally to the implementation of measurements on the principle of a vibrating string and also in measurements that z. B, led with Glötzl doses, a time-varying temperature is included in the measurement. This is due to the different thermal expansion coefficient between the mountains and the parts of the Glötzlzelle. This has the effect that the pressure is not directly but indirectly via the volume constant maintenance of a specific (eg mercury) quantity. Stress measurements performed with Fiat Oacks (Hoskins, 1966, Inst. 3 .. Rock Mech. Min. Sei, Vol. 3, Pergamon Press) are suitable only for the impact area of the mountains. In the case of the hydraulic-factoring measurements carried out in recent years, in particular in deep wells, there is a particular problem in the detection of the frac orientation and in the fact that six mutually linearly independent frac orientations are used to determine the total stress tensor.
zeugt werden müssen. Neben diesen Problemen wird der Einsatz zur Erfassung schnell veränderlicher Spannungsfelder unpraktikabel, da eine Dauerregistrierung der Spannung kaum möglich ist.have to be witnessed. In addition to these problems, the use of detecting rapidly varying voltage fields becomes impractical, since continuous registration of the voltage is hardly possible.
Das Überbohrverfahren (G, Herget, Inst. D. Rock Mech* Min. Sei and Geomech, Abstract, Vol. 10, Pergamon Press, 1973) läßt nur zeitlich sehr stark diskontinuierliche Spannungsmessungen zu* Der Hauptnachteil dieses Verfahrens ist aber, daß zur Umrechnung der beim Überbohren auftretenden Verformungen in Spannungen die elastischen Parameter des in situ anstehenden Gebirges bekannt sein müssen.The over-drilling method (G, Herget, Inst. D. Rock Mech * Min. Sei and Geomech, Abstract, Vol. 10, Pergamon Press, 1973) allows only very temporally discontinuous stress measurements * The main disadvantage of this method, however, that for conversion the deformations occurring during over-drilling must be known in terms of the elastic parameters of the mountains in situ.
Ihre besondere Bedeutung haben die beiden letztgenannten Meßverfahren in der Anwendung zur Absolutspannungsbestimmung im kriechfähigen oder nicht kriechfähigen (ζ. Β. Granit) Gebirge»The two last-mentioned measuring methods are of particular importance in the application for absolute voltage determination in the creeping or non-creeping ("Β. Granite) mountain range".
Das Ziel der Erfindung besteht darin, den hohen Aufwand und die technischen Mängel der bekannten Lösungen zu vermeiden.The aim of the invention is to avoid the high expense and technical deficiencies of the known solutions.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der o. g· Art derart auszubilden, daß mit ihr Absolutspannungsmessungen auch bei hohen Temperaturen und rasch veränderlichen Spannungszuständen durchgeführt werden können.The object of the invention is to design a device of the above-mentioned kind such that absolute voltage measurements can be carried out with it even at high temperatures and rapidly changing voltage states.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes geschlossener Formationen mittels einer Druckmessung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daßThis object is achieved by a device for determining a stress state of closed formations by means of a pressure measurement, which is characterized in that
a) ein Druckkissen mit mindestens zwei Seitenwänden vorgesehen ist, deren Abstand zueinander veränderbar ist,a) a pressure pad is provided with at least two side walls whose distance from one another is variable,
b) ein Medium mit bekanntem Druck zwischen die beiden Seitenwände einpreßbar ist, undb) a medium of known pressure between the two side walls can be pressed, and
c) der elektrische Widerstandswert zwischen je einer Kontaktstelle auf einer der beiden Seitenwände fortlaufend registrierbar ist.c) the electrical resistance between each contact point on one of the two side walls is continuously registrable.
Das Druckkissen besteht aus zwei Seitenwänden, die an den Seitenrändern miteinander dicht zusammengefügt sind und das Medium ist über eine Rohrleitung in den Raum zwischen den beiden Seitenwänden herangeführt.The pressure pad consists of two side walls, which are tightly joined together at the side edges and the medium is introduced via a pipe in the space between the two side walls.
Die beiden Seitenwände bestehen aus zwei Blechen von rechteckiger Form oder Kreisscheiben,The two side walls consist of two sheets of rectangular shape or circular disks,
Das Medium ist eine Flüssigkeit oder ein Gas, wobei insbesondere öl geeignet ist*The medium is a liquid or a gas, wherein in particular oil is suitable *
Die Seitenwände bestehen zumindest im Bereich der beiden Kontaktstellen vorteilhaft aus elektrisch leitfähigem Material.The side walls are at least in the region of the two contact points advantageously made of electrically conductive material.
Die Vorrichtung ist speziell zur Verwendung bei der in situ-Absolutspannungsbestimmung in kriechfähigem oder nicht kriechfähigem Material, insbesondere im Gebirge oder Salz-The device is especially suitable for use in in situ absolute voltage determination in creeping or non-creeping material, especially in the mountains or saline.
formationen unter wechselnden Spannungs- und Temperaturzuständen geeignet.formations under varying voltage and temperature conditions.
Das erfindungsgemäße Druckkissen arbeitet demnach nach einem Kompensationsverfahren mit einer direkten Druckmessung, d. h» * in die Messung gehen keinerlei Materialparameter ein, so daß am Druckkissen auch bei stark variabler Temperatur (wie anhand von Messungen gezeigt wird) keine Eichung vorgenommen werden muß. Gemessen wird der Zeitpunkt des Abhebens zweier dünner Bleche voneinander, wenn zwischen diesen Blechen der außen anliegende Druck erreicht ist. Als Indikator für dieses Abheben wird die Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen beiden Blechen gemessen.The pressure pad according to the invention thus operates according to a compensation method with a direct pressure measurement, i. h * * No material parameters are included in the measurement, so that no calibration must be carried out on the pressure pad even at a very variable temperature (as shown by measurements). The time taken to lift two thin sheets apart is measured when the outside pressure between these sheets has been reached. As an indicator of this lift the change in electrical resistance between the two sheets is measured.
Ein ähnliches Verfahren wurde zwar von Natau (2. Kongress der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik, Belgrad, 1970, Bd· 4) vorgeschlagen und erprobt. Er verwandte allerdings nicht den elektrischen Widerstand, sondern einen aufgeklebten DMS als Signalgeber.Although a similar process was proposed and tested by Natau (2nd Congress of the International Society of Rock Mechanics, Belgrade, 1970, Bd · 4). However, he did not use the electrical resistance, but a glued DMS as a signal generator.
Die Ermittlung des Abhebesignals durch eine Widerstandsmessung läßt es zu, daß trotz der relativ dünnen Blechdicken das Kissen sehr robust ist» Auch ist die Messung wenig störanfällig, da der Stahl des Druckkissens selbst für angefeuchteten Salzgruß ein so guter Leiter ist, daß sich der Widerstandssprung deutlich abzeichnet. Ein weiterer Vorteil des Druckkissens ist, daß das Kissen mit seiner Gesamtdicke von nur ca· 0,5 mm bei einem zeitlich veränderlichen Spannungsfeld aufgrund des unterschiedlichen Kompressionsmoduls zwischen Kissenmaterial und Gebirge kein nennenswertes Eigenspannungsfeld in der direkten Umgebung des Kissens erzeugt, wie dies bei relativ dicken Kissen oder Druckmeßdosen mög-The determination of the Abhebesignals by a resistance measurement allows it, despite the relatively thin sheet thickness, the cushion is very robust »Also, the measurement is less susceptible to interference, since the steel of the pressure pad is even for moistened Salzgruß such a good conductor that the resistance jump significantly looming. Another advantage of the pressure pad is that the cushion with its total thickness of only about 0.5 mm at a time-varying voltage field due to the different compression modulus between pad material and mountains no significant residual stress field generated in the immediate vicinity of the pad, as with relatively thick Cushions or pressure cells possible
lieh ist.is lent.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Zeichnung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the following the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment by means of the drawing. In the accompanying drawing show:
Fig, l: den Aufbau des erfindungsgemäßen DruckkissensFig. L: the structure of the pressure pad according to the invention
im zusammengedrückten Zustand;in the compressed state;
Fig. 2: den Aufbau des erfindungsgemäßen Druckkissens2 shows the structure of the pressure pad according to the invention
in Zustand, in dem die beiden Bleche voneinander getrennt sind;in a state in which the two sheets are separated from each other;
Fig. 3: das Spannungs-Druck-Diagramm;Fig. 3: the voltage-pressure diagram;
Fig. 4: das Spannungs-Druck-Diagramm der Messung imFig. 4: the voltage-pressure diagram of the measurement in
Honhdruckautoklaven.Honhdruckautoklaven.
Hochdruckautoklaven,high-pressure autoclave,
Das Druckkissen ist in seinem Aufbau in den Fig. 1 - 2 im Schnitt dargestellt. Es besteht aus einem Rohr 1»das zur Zuführung einer Flüssigkeit oder eines Gases, insbesondere von z» B, Hydrauliköl 11 dient, und zwei dünnen Blechen 2 und 3 mit einem für Metalle hohen spezifischen elektrischen Widerstand (Chrom-Nickel, VA-Stahl), die beide miteinander an den Rändern druckdicht verbunden, z· B. verlötet sind« Über das Rohr 1 und eine Bohrung 4 im oberen Blech 2 kann Hydrauliköl 11 zwischen beide Bleche 2 und 3 gepumpt werden. In der Mitte beider Bleche 2 und 3 von z. B. rechteckiger Form (oder Kreisscheiben) sind elektrische Kontaktstellen 5 und 6 alsThe pressure pad is shown in its structure in Figs. 1 - 2 in section. It consists of a tube 1 "which serves to supply a liquid or a gas, in particular of z» B, hydraulic oil 11, and two thin sheets 2 and 3 with a high electrical resistance for metals (chromium-nickel, VA-steel). , which are both pressure-tightly connected to each other at the edges, eg soldered. "Via the pipe 1 and a bore 4 in the upper sheet 2, hydraulic oil 11 can be pumped between both sheets 2 and 3. In the middle of both sheets 2 and 3 of z. B. rectangular shape (or circular discs) are electrical contact points 5 and 6 than
Stromzuführung und Spannungsabgriff angebracht bzw. aufgelötet.Power supply and voltage tap attached or soldered.
Mit dem Druckkissen wird die auf die Kissenoberfläche (äußere Oberfläche der beiden Bleche 2 und 3) wirkende Normalkomponente des Spannungsvektors Sn With the pressure pad, the normal component of the voltage vector S n acting on the pad surface (outer surface of the two sheets 2 and 3) becomes S n
ο = Spannungstensorο = stress tensor
£ = Flächennortnalvektor£ = area-valley vector
bestimmt (im hydraulischen Zustand entspricht dies dem Druck), Entsprechend wird von außen anliegendem Druck Pa gesprochen. Ziel der Messung ist es nun, diesen Druck Pa zu bestimmen. Es besteht die Möglichkeit, mit 6 linear unabhängig angeordneten Kissen den Spannungstensor zu bestimmen.determined (in the hydraulic state, this corresponds to the pressure), Accordingly, is spoken from the outside applied pressure Pa. The aim of the measurement is now to determine this pressure Pa. It is possible to determine the stress tensor with 6 linearly independent pillows.
Das Meßprinzip wird aus dem zeitlichen Ablauf einer Messung deutlich,The measurement principle becomes clear from the time sequence of a measurement,
1, Zu Beginn der Messung (Fig, 1) bleibt das in das Gebirge eingebaute Druckkissen durch den außen anliegenden Druck Pa zusammengedrückt. Durch die Kontakte 7 und 8 wird ein Gleichstrom geschickt. Dieser erzeugt einen Spannungsabfall, der über den Spannungsabgriff 9 und IO gemessen wird.1, At the beginning of the measurement (FIG. 1), the pressure pad installed in the mountain remains compressed by the external pressure Pa. Through the contacts 7 and 8, a direct current is sent. This generates a voltage drop, which is measured via the voltage tap 9 and IO.
Der zwischen dem Spannungabgriff 9; 10 vorhandene elektrische Widerstand wird im wesentlichen durch die DickenThe between the voltage tap 9; 10 existing electrical resistance is essentially due to the thicknesses
der Chromnickelbleche 2 und 3 bestimmt. Der Widerstand der Kontaktstellen 5; 6 bzw* Lötstellen ist zu vernachlässigen» Der Strom fließt, entsprechend dem kürzesten Weg von 7 nach 8 und nicht über die Lötstellen, mit denen die beiden Bleche 2 und 3 am Rand verlötet sind,the chrome nickel sheets 2 and 3 determined. The resistance of the contact points 5; 6 or * solder joints are negligible »The current flows according to the shortest path from 7 to 8 and not over the solder joints, with which the two sheets 2 and 3 are soldered on the edge,
2» Nun wird der Öldruck Pi im Hydraulikrohr 1 erhöht. Solange dieser Öldruck Pi kleiner als der außen anliegende Druck Pa ist, bleibt der Übergangswiderstand im Idealfall konstant. Bei einem Oberschreiten des außen anliegenden Druckes Pa wird sich dann der Obergangswiderstand sprunghaft erhöhen, da dann beide Bleche 2 und 3 voneinander getrennt werden (Fig, 2) und der Strom einen großen Weg im relativ schlecht leitfähigen Chromnickelstahl über die Randlötstellen zurückzulegen hat. Der gemessene Druck Pi zum Zeitpunkt des Sprunges im Widerstand entspricht dem am Druckkissen außen anliegenden Druck Pa,2 »Now the oil pressure Pi in the hydraulic pipe 1 is increased. As long as this oil pressure Pi is smaller than the outside applied pressure Pa, the contact resistance remains ideally constant. If the pressure Pa applied to the outside is exceeded, then the contact resistance will increase abruptly since then both plates 2 and 3 are separated from each other (FIG. 2) and the current has to travel a long way in the relatively poorly conductive chromium nickel steel via the edge solder joints. The measured pressure Pi at the time of the jump in the resistance corresponds to the pressure Pa on the outside of the pressure pad,
Da nur der Widerstandssprung ausgewertet wird und die Materialparameter sowohl des Druckkissens als auch des umgebenden Materials nur einen Einfluß auf die Höhe des Sprunges haben, ist die auswertbare Messung eine Absolutmessung,Since only the resistance jump is evaluated and the material parameters of both the pressure pad and the surrounding material have only an influence on the height of the jump, the evaluable measurement is an absolute measurement,
Das auch- ungünstige Bedingungen im umgebenden Gebirge keine Auswirkung auf die Auswertbarkeit einer Messung haben * wurde experimentell überprüft, indem das Druckkissen in einem stark angefeuchteten Salz eingesetzt wurde. Im Vergleich zu Messungen im trockenen Salz konnte eine markante Änderung der Höhe des Widerstandssprunges nicht festgestellt werden. Dies ist leicht dadurch zu erklären, daß der Widerstand desThe unfavorable conditions in the surrounding mountains have no effect on the evaluability of a measurement * was experimentally tested by using the pressure pad in a strongly moistened salt. In comparison to measurements in dry salt, a striking change in the height of the resistance jump could not be determined. This can easily be explained by the fact that the resistance of the
Chrotnnickelstahles immer noch wesentlich kleiner als der Widerstand einer Salzlauge ist, D, h, auch das mit Salzlauge gesättigte Salz ist für das Druckkissen noch als Isolator anzusehen.Chrotnnickelstahles is still much smaller than the resistance of a brine, D, h, even the salt saturated with brine is still to be regarded as an insulator for the pressure pad.
Das erfindungsgeraäße Druckkissen wurde unter einer einaxialen Presse erprobt. Hierzu wurde ein Rohr mit Salzgruß gefüllt und in das Rohr das beschriebene Druckkissen eingebaut. Die Rohrwandung wurde stark mit öl benetzt, damit die Messung nicht durch Reibungseffekt zwischen Salzgruß und Rohrwandung verfälscht wurde* Der Salzgruß wurde mit einer Kraft belastet, von der aus dann auf den Druck Pa in Fig. 3 umgerechnet wurde» Der Spannungsabfall U zwischen den Kontakten 9 und 10 ist in Fig, 3 auf der Ordinate eingetragen. Die Messungen wurden mit einem XY-Schreiber durchgeführt* Die Meßergebnisse von 0 bis 400 bar sind dort aufgezeichnet und geben einen Eindruck über die Meßgenauigkeit des Druckkissens* Ungünstige Voraussetzungen durch Reibungseffekte und nicht exakt homogenen Salzgrußes bleiben unberücksichtigt.The erfindungsgeraäße pressure pad was tested under a uniaxial press. For this purpose, a tube was filled with Salzgruß and installed in the tube described pressure pad. The pipe wall was heavily wetted with oil, so that the measurement was not distorted by friction effect between salinity and pipe wall * The salinity was loaded with a force, from which then was converted to the pressure Pa in Fig. 3 »The voltage drop U between the contacts 9 and 10 are in Fig, 3 entered on the ordinate. The measurements were carried out with an XY recorder * The measurement results from 0 to 400 bar are recorded there and give an impression of the measuring accuracy of the pressure pad * Unfavorable preconditions due to friction effects and not exactly homogeneous salinity remain unconsidered.
Die folgende Tabelle gibt die entsprechenden Werte und ihre Differenz wieder·The following table shows the corresponding values and their difference ·
Man erhält für diesen Druckbereich, der einem mittleren Druck von 207 bar entspricht, eine Standardabweichung von 6,3 bar» Dies entspricht einem relativen Fehler von 3,0 %, Dieser Fehler ist durch weitere Experimente und hieraus folgende Verbesserungen noch zu reduzieren» Dies gilt insbesondere für die Randbedingungen, die durch den Pressenversuch gegeben sind bzw» für seine Störungen,For this pressure range, which corresponds to an average pressure of 207 bar, a standard deviation of 6.3 bar is obtained. This corresponds to a relative error of 3.0 %. This error must be further reduced by further experiments and resulting improvements especially for the boundary conditions that are given by the press attempt or »for its disturbances,
Der Meßfehler, den das Druckkissen allein hervorruft, wurde durch eine Messung im Hochdruckautoklaven demonstriert. Der Fehler lag hier in der Ablesegenauigkeit der Meßgeräte bei 0,5 bar* Dies entspricht einem relativen Fehler von 0,3 % bei 150 bar» Die Aufzeichnung der Messungen (Spannung U an den Kontakten 9, 10 gegen Pi für verschiedene Pa) ist in Fig» 4 dargestellt«The measurement error caused by the pressure pad alone was demonstrated by measurement in the high pressure autoclave. The error here was in the reading accuracy of the measuring instruments at 0.5 bar * This corresponds to a relative error of 0.3 % at 150 bar »The recording of the measurements (voltage U at the contacts 9, 10 against Pi for different Pa) is in Fig. 4 shows «
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| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |