The Application of Coreless Inductors for Displacement Measurements in Laboratory Investigations of Rock Properties

Abstract

The paper presented the coreless inductive sensor, its construction and principle of operation. The impact of temperature on the outcome of a measurement performed with the inductor was discusses, together with the possibility of temperature compensation of the inductor's performance. Subsequently, the reasons for limited measurement accuracy and resolution were discussed, particularly under the variable pressure in the order of some hundreds MPa. Two types of such sensor were presented: a sensor for measuring linear strains, e.g. during compressibility measurements, and an sensor for measuring circumferential strains during triaxial compression tests. Additionally, the manners of fixing the sensor on rock samples were presented. Finally, some examples of the sensor application were shown, together with the results of measurements of deformations of rock samples -especially in cases when resistance gauges cannot be used, and the samples are subjected to a load in the uniaxial and triaxial system, under the hydrostatic pressure of up to 400 MPa and the normal one.Keywords: inductive strain sensor, strain measurement in high pressure condition, compression test W Pracowni Odkształceń Skał Instytutu Mechaniki Górotworu prowadzone są badania właściwości mechanicznych skał. Wymaga to precyzyjnego pomiaru odkształcenia, na ogół pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym, które symuluje warunki panujące w głębi górotworu. Ciśnienie hydrostatyczne (do 400MPa w aparacie GTA-10) i ograniczona do kilku milimetrów przestrzeń w komorze ciśnieniowej na zainstalowanie odpowiedniego przyrządu, a także spękania i kawerny w skałach powodują znaczne trudności pomiaru odkształcenia z wymaganą rozdzielczością (nawet 10 -6 ). Stosowanie tensometrów elektrooporowych naklejanych wprost na próbkę często jest zawodne, gdyż ciśnienie wgniata ścieżkę rezystancyjną w nierówności próbki, powodując jej przerwanie, a co gorsze, fałszuje wyniki pomiaru. Wypełnianie szczelin lub kawern różnymi podkładami jak klej epoksydowy, gips, jest problematyczne. W przypadku skał przewodzących (nasączonych solanką) istnieje ryzyko zwarcia ścieżki rezystancyjnej do podłoża. Często naklejenie tensometru jest niemożliwe w przypadku skał słabo zwięzłych (fliszowe). Inne metody pomiaru np. transformator różnicowy z ruchomym rdzeniem (LVDT) ma ograniczoną odporność Opracowano nową metodę pomiaru odkształcenia opartą na jednowarstwowej, bezrdzeniowej cewce indukcyjnej, wykonanej z cienkiego sprężystego drutu (0,2 mm) i średnicy zwojów kilku milimetrów. Tak wykonany czujnik jest instalowany do zaczepów zamontowanych na badanej próbce (rys. 1 i 2). Odkształcenie próbki powoduje zmianę długości cewki (czujnika), a zatem jej indukcyjności. Czujnik stanowi indukcyjną część generatora LC, umieszczonego na zewnątrz komory. Zmiana indukcyjności skutkuje zmianą częstotliwości drgań, którą łatwo zmierzyć z dużą precyzją. Prostota czujnika gwarantuje jego dużą odporność na ciśnienie hydrostatyczne, temperaturę i udary mechaniczne.Minimalizacja błędów spowodowanych zmiennym ciś...