PL237022B1 - Sonda pomiarowa oraz sposób pomiaru naprężeń w górotworze - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sonda pomiarowa zwłaszcza do pomiaru deformacji i określania naprężeń w górotworze oraz sposób pomiaru naprężeń w górotworze.

Procesy geologiczne zachodzące w skorupie ziemskiej oraz prowadzona w niej działalność człowieka wymagają znajomości charakterystyki występujących w górotworze pól naprężeń. Wiedza o nich jest uzyskiwana między innymi poprzez badania i pomiary stanów deformacji skał specjalistycznymi urządzeniami i metodami. Istniejące i stosowane metody są wymagające technologicznie i/lub wrażliwe na zastane warunki panujące w ośrodku skalnym. Proponowane rozwiązanie jest próbą eliminacji wpływu urządzenia pomiarowego na warunki pomiaru szczególnie w odwiertach badawczych.

Znane są rozwiązania pomiaru położenia punktów na powierzchni przedmiotu, ciała, ociosu wyrobiska górniczego czy otworu wiertniczego z wykorzystaniem metod optyki cyfrowej.

Znane są rozwiązania z zakresu optycznej endoskopii odwiertów. Firma Measurement Devices Ltd. (Wlk. Brytania) wprowadziła na rynek MK3 Cavity Autoscanning Laser System (C-ALS). Jest to miniaturowy system do zdalnego skanowania 3D, wykorzystywany w pracach pod ziemią. Średnica tego urządzenia wynosi 50 mm i można je wprowadzać do próbnych odwiertów. Zmotoryzowana głowica ma dwa stopnie swobody i umożliwia skanowanie w zakresie 360 stopni. C-ALS wyposażony jest w elektroniczny kompas i sensory ruchu wewnątrz głowicy, które umożliwiają dokładne określenie pozycji i orientację urządzenia. Skaner ma w przedniej części zamontowaną kamerę i system podczerwieni, co pozwala również na sprawdzenie warunków drążenia odwiertów. Konieczne jest stosowanie jednak zmotoryzowanej głowicy ze skanerem, w którym pomiar realizowany jest w kierunkach prostopadłych do głowicy. Rozwiązanie nie posiada osłon, systemu centrowania i prowadzenia w długich otworach. Jest to optyczny moduł pomiarowy zapewniający automatyczny pomiar zmian geometrii i deformacji obrazu siatki wzorcującej projektowanej laserowo na stożkową powierzchnię dna otworu wiertniczego poprzez rejestrację kamerami CCD. Jest jednostką autonomiczną wyposażoną w laserowy projektor wzorca siatki lub punktów oraz dwie kamery cyfrowe. W sondzie zabudowany jest także mikrokomputer sterowania i zapisu danych oraz system ich bezprzewodowej transmisji. Sonda posiada własne zasilanie i mechaniczny system jej pozycjonowania w otworze wiertniczym, zapewniający stabilną orientację przestrzenną w czasie pomiarów.

Znane jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.419182 urządzenie do skanowania 3D pustek w górotworze obrotową głowicą zawierającą skaner laserowy i kamerę oraz podświetlacz, czujniki, procesor, układ zasilania i transmisji sygnału charakteryzujące się tym, że uchwyt głowicy posiada dystanse korzystnie regulowane, będące zarazem płozami, na których uchwyt jest przesuwany razem z głowicą w rurze odwiertu górotworu. Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób wykonania.

Znane są metody projekcji prążków na badany obiekt, a obraz rastra jest poddawany analizie komputerowej dla uzyskania mapy wysokości (deformacji). Przykładem może być system pomiarów w maszynach optycznych firmy Aberlink, czy skanery optyczne firmy Shining3D wykorzystujące projekcję prążków w świetle białym i auto-rejestrację za pomocą kamer. Ryniewicz A., Ostrowska K., (Pol. Krakowska), Bojko Ł., Sładek J. (AGH Akademia Górniczo-Hutnicza) w pracy „Aplikacja bezstykowych metod pomiarowych do oceny odwzorowania kształtu brył obrotowych” (Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R.91 NR5/2015, 21-24) jako jedną z metod przedstawili metodę projekcji prążków, która pozwala na uzyskanie informacji o całości powierzchni mierzonego elementu z zastosowaniem skanera optycznego Scan 3D qualify firmy Smarttech 3D. Realizował on pomiar deformacji prążków strukturalnego światła białego na powierzchni brył obrotowych - jednocześnie w całym polu widzenia. Obrazowanie deformacji polegało na analizie odkształceń czarno-białych rastrów świetlnych na badanej powierzchni. Pole obrazowania było jednak znaczne (440 mm x 550 mm) a badany obiekt znajdował się na stoliku obrotowym.

Znane są również metody profilowania i analizy kształtu przy pomocy projekcji linii laserowej na badaną powierzchnię i rejestrację za pomocą jednej lub dwóch cyfrowych kamer obrazu tej linii. Przechwycony obraz jest następnie analizowany w komputerze. Programowa informacja o położeniu punktów w przestrzeni opiera się na zasadzie triangulacji czyli na obliczeniu miejsca przecięcia się w przestrzeni płaszczyzny utworzonej przez prążek światła strukturalnego i półprostej wychodzącej ze środka piksela matrycy kamery.

Znane są metody określania naprężeń na podstawie tensometrycznego pomiaru odkształceń stożkowego dna otworu wiertniczego. Metoda opracowana przez K. Sugawara i Y. Obara (Kugawara

PL 237 022 B1

University, Japonia) została w latach dziewięćdziesiątych XX wieku zastosowana w działającym urządzeniu przez L. Stasa, K. Soucka i innych (Czeska Akademia Nauk, Ostrawa).

Celem wynalazku jest opracowanie takiego urządzenia, które będzie umożliwiało pomiar zmian deformacji dna otworu i na tej podstawie określanie stanu naprężenia i/lub zmiany stanu naprężenia w miejscu osadzenia sondy, z możliwością ponownego wykorzystania sondy (bez jej utraty).

Istotą wynalazku jest sonda do pomiaru naprężeń w górotworze zawierająca obudowę, projektor laserowy, co najmniej dwie kamery CCD charakteryzująca się tym, że na czole obudowy osadzone jest okienko optyczne, a w obudowie ma osadzone na stałe projektor laserowy z obiektywem z siatką dyfrakcyjną oraz co najmniej dwie kamery CCD, układ sterowania, rejestracji i transmisji, autonomiczny zasilacz, układ mechanicznego pozycjonowania, przy czym projektor laserowy umiejscowiony jest w osi obrotu obudowy między kamerami CCD a oś optyczna kamer tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego.

Korzystnie kamery CCD, projektor laserowy i układ pozycjonowania są połączone elektrycznie z układem sterowania, rejestracji i transmisji oraz autonomicznym zasilaczem.

Korzystnie obudowa ma kształt walca.

Korzystnie projektor optyczny oraz kamery CCD osadzone są na konstrukcji nośnej korzystnie stelażu.

Korzystnie obudowa jest ze stali lub poliwęglanu.

Istotą wynalazku jest także sposób pomiaru naprężeń w górotworze charakteryzujący się tym, że sondę wprowadza się do otworu wiertniczego na stałą odległość L mierzonej od czoła sondy do dna otworu wiertniczego, steruje bezprzewodowo poprzez układ sterowania, rejestracji i transmisji i stabilizuje w otworze wiertniczym układem elektro-mechanicznym pozycjonowania, a następnie co najmniej dwukrotnie za pomocą projekcji wzorcuje laserem z projektora laserowego przechodzącą przez okienko optyczne na ściankach otworu wiertniczego siatkę wzorcującą i na zasadzie triangulacji rejestruje obraz kamerami CCD pod kątem A, a następnie przesyła cyfrowo zarejestrowane obrazy do modułu rejestrującego korzystnie komputera, przy czym wprowadzana sonda zawiera obudowę, na czole której osadzone jest okienko optyczne oraz w której znajduje się osadzony na stałe projektor laserowy z obiektywem z siatką dyfrakcyjną oraz co najmniej dwie kamery CCD, układ sterowania, rejestracji i transmisji, autonomiczny zasilacz, układ mechanicznego pozycjonowania, przy czym projektor laserowy umiejscowiony jest w osi obrotu obudowy między kamerami CCD a oś optyczna kamer tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego. Korzystnie odległość L zależna jest od głębi ostrości kamer, ostrości rastra siatki wzorcującej na powierzchni stożka dna otworu wiertniczego.

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie wykorzystujące znane metody projekcji prążków, ich cyfrowej rejestracji i analizy komputerowej, do pomiaru kształtu czy deformacji, w którym elementem nowości jest zastosowanie miniaturowego laserowego projektora siatki lub punktów, kamer CCD, których osie optyczne są trwale pozycjonowane względem stożkowej powierzchni w dnie otworu wiertniczego, co zapewnia długookresowy pomiar deformacji i naprężeń w górotworze. Dokładność pomiaru uwarunkowana jest geometrią układu (kątów między osiami elementów optycznych i nachylenia stożka dna otworu), relacją wielkości rastra siatki wzorcującej do rastra kamer cyfrowych oraz stabilnością mocowania sondy. Sposób automatycznego pomiaru jest znamienny tym, że kamery rejestrujące CCD są ustawione pod stałym kątem do powierzchni stożka otworu wiertniczego i kierunku rzutowania na tą powierzchnię siatki laserowej. Urządzenie do realizacji pomiaru deformacji dna otworu wiertniczego w górotworze znamienne jest tym, że wzajemne położenie elementów sondy jest zdeterminowane i stabilne przestrzennie, a elementem ruchomym jest wyłącznie stożkowa powierzchnia dna odwiertu. Raster wzorcujący na tej powierzchni jest realizowany przez rzutowanie monochromatycznej siatki w postaci kratek lub punktów za pomocą projektora laserowego wyposażonego w obiektyw z siatką dyfrakcyjną.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy sondy, a fig. 2 konfigurację pomiarową urządzenia w otworze wiertniczym.

P r z y k ł a d I

Sonda do pomiaru naprężeń w górotworze ma postać walcowej, hermetycznej obudowy 1 z materiału spełniającego warunki użytkowania w podziemiach kopalń - w przykładzie wykonania jest to stal, wprowadzanej do otworu wiertniczego 2, w której za okienkiem optycznym 3 zabudowany jest projektor laserowy 4 siatki wzorcującej 5, kamery CCD 6, układ sterowania, rejestracji i transmisji 7, autonomiczny zasilacz 8, układ mechanicznego pozycjonowania 9. Projektor laserowy 4 umiejscowiony jest w osi ob

PL 237 022 B1 rotu obudowy 1 między kamerami 6. Oś optyczna kamer 6 tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego 4. Wzajemne położenie kamer i projektora jest mechanicznie i geometrycznie stałe, poprzez stabilne mocowanie w wewnętrznej konstrukcji nośnej 12. Kamery 6, projektor 4 i układ pozycjonowania 9 są połączone elektrycznie z układem sterowania, rejestracji i transmisji 7 oraz autonomicznym zasilaczem 8 a mechanicznie z konstrukcją nośną 12.

Sposób prowadzenia automatycznego pomiaru naprężeń w górotworze polega, jak na fig. 2 na wprowadzeniu sondy w obudowie 1 do otworu wiertniczego 2, na stałą odległość L, jej czoła 10 od dna 11 otworu wiertniczego 2. Sonda w tym położeniu jest stabilizowana w otworze 2 za pomocą układu elektro-mechanicznego pozycjonowania 9, sterowanego bezprzewodowo za pomocą układu sterowania, rejestracji i transmisji 7. Odległość L wynika z głębi ostrości kamer 6, ostrości (dokładności) rastra siatki wzorcującej 5 na powierzchni stożka dna 11 otworu wiertniczego 2. Podstawą do wyznaczania naprężeń w górotworze są wyniki pomiaru odkształceń stożkowego dna 11 otworu wiertniczego 2 za pomocą projekcji na jego ścianki siatki wzorcującej 5 oraz wielokrotnej rejestracji obrazu tej siatki za pomocą kamer 6 pod stałym kątem A. Sterowanie tym procesem odbywa się za pomocą układu sterowania, rejestracji i transmisji 7. Zarejestrowane obrazy są następnie analizowane w komputerze zewnętrznym 13. Obliczenie zmiany położenia punktów w przestrzeni opiera się na znanej zasadzie triangulacji, czyli na obliczeniu miejsca przecięcia się w przestrzeni płaszczyzny utworzonej przez prążek światła strukturalnego na powierzchni dna otworu i półprostej wychodzącej ze środka piksela matrycy kamery.

P r z y k ł a d II

Sonda do pomiaru naprężeń w górotworze zawierająca obudowę z poliwęglanu, projektor laserowy, i dwie kamery CCD ma na czole 10 obudowy 1 osadzone okienko optyczne 3. W obudowie 1 ma osadzony na stałe projektor laserowy 4 z obiektywem z siatką dyfrakcyjną oraz dwie kamery CCD 6, układ sterowania, rejestracji i transmisji 7, autonomiczny zasilacz 8, układ mechanicznego pozycjonowania 9. Projektor laserowy 4 umiejscowiony jest w osi obrotu obudowy 1 między kamerami CCD 6 a oś optyczna kamer 6 tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego 4. Kamery CCD 6, projektor laserowy 4 i układ pozycjonowania 9 są połączone elektrycznie z układem sterowania, rejestracji i transmisji 7 oraz autonomicznym zasilaczem 8. Obudowa 1 ma kształt walca. Projektor optyczny 1 oraz kamery CCD 6 osadzone są na konstrukcji nośnej 12 na stelażu. Sposób pomiaru naprężeń w górotworze polega na tym, że sondę o budowie jak w przykładzie wprowadza się do otworu wiertniczego 2 na stałą odległość L mierzonej od czoła sondy 10 do dna 11 otworu wiertniczego 2, steruje bezprzewodowo poprzez układ sterowania, rejestracji i transmisji 7 i stabilizuje w otworze wiertniczym 2 układem elektro-mechanicznym pozycjonowania 9. Następnie dwukrotnie za pomocą projekcji wzorcuje laserem z projektora laserowego 4 przechodzącą przez okienko optyczne 3 na ściankach otworu wiertniczego 2 siatkę wzorcującą 5 i na zasadzie triangulacji rejestruje obraz kamerami CCD 6 pod kątem A, a następnie przesyła cyfrowo zarejestrowane obrazy do modułu rejestrującego - komputera. Odległość L zależna jest od głębi ostrości kamer 6, ostrości rastra siatki wzorcującej 5 na powierzchni stożka dna 11 otworu wiertniczego 2. W przykładzie wykonania L wynosi 76 mm.

Claims (7)

1. Sonda do pomiaru naprężeń w górotworze zawierająca obudowę, projektor laserowy, co najmniej dwie kamery CCD, znamienna tym, że na czole 10 obudowy 1 osadzone jest okienko optyczne 3, a w obudowie 1 ma osadzone na stałe projektor laserowy 4 z obiektywem z siatką dyfrakcyjną oraz co najmniej dwie kamery CCD 6, układ sterowania, rejestracji i transmisji 7, autonomiczny zasilacz 8, układ mechanicznego pozycjonowania 9, przy czym projektor laserowy 4 umiejscowiony jest w osi obrotu obudowy 1 między kamerami CCD 6 a oś optyczna kamer 6 tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego 4.

2. Sonda wg zastrz. 1, znamienna tym, że kamery CCD 6, projektor laserowy 4 i układ pozycjonowania 9 są połączone elektrycznie z układem sterowania, rejestracji i transmisji 7 oraz autonomicznym zasilaczem 8.

3. Sonda wg zastrz. 1 lub 2, znamienna tym, że obudowa 1 ma kształt walca.

4. Sonda wg zastrz. 1, 2 lub 3, znamienna tym, że projektor optyczny 1 oraz kamery CCD 6 osadzone są na konstrukcji nośnej 12 korzystnie stelażu.

5. Sonda wg zastrz. 1,2, 3 lub 4, znamienna tym, że obudowa 1 jest ze stali lub poliwęglanu.

PL 237 022 B1

6. Sposób pomiaru naprężeń w górotworze, znamienny tym, że sondę wprowadza się do otworu wiertniczego 2 na stałą odległość L mierzonej od czoła sondy 10 do dna 11 otworu wiertniczego 2, steruje bezprzewodowo poprzez układ sterowania, rejestracji i transmisji 7 i stabilizuje w otworze wiertniczym 2 układem elektro-mechanicznym pozycjonowania 9, a następnie co najmniej dwukrotnie za pomocą projekcji wzorcuje laserem z projektora laserowego 4 przechodzącą przez okienko optyczne 3 na ściankach otworu wiertniczego 2 siatkę wzorcującą 5 i na zasadzie triangulacji rejestruje obraz kamerami CCD 6 pod kątem A, a następnie przesyła cyfrowo zarejestrowane obrazy do modułu rejestrującego korzystnie komputera, przy czym wprowadzana sonda zawiera obudowę, na czole 10 której osadzone jest okienko optyczne 3 oraz w której znajduje się osadzony na stałe projektor laserowy 4 z obiektywem z siatką dyfrakcyjną oraz co najmniej dwie kamery CCD 6, układ sterowania, rejestracji i transmisji 7, autonomiczny zasilacz 8, układ mechanicznego pozycjonowania 9, przy czym projektor laserowy 4 umiejscowiony jest w osi obrotu obudowy 1 między kamerami CCD 6 a oś optyczna kamer 6 tworzy stały kąt A z osią projektora laserowego 4.

7. Sposób wg zastrz. 6, znamienny tym, że odległość L zależna jest od głębi ostrości kamer 6, ostrości rastra siatki wzorcującej 5 na powierzchni stożka dna 11 otworu wiertniczego 2.