Проектирование систем геоконтроля : физические процессы горного или нефтегазового производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

№ 2985 

Кафедра физических процессов горного производства
и геоконтроля 

А.С. Вознесенский 

Проектирование систем
геоконтроля 

Физические процессы горного 
или нефтегазового производства 

Учебно-методическое пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2018

УДК 550.8:681.2 
 
В64 

Р е ц е н з е н т  

д-р техн. наук, проф. И.О. Темкин 

Вознесенский А.С. 

В64  
Проектирование систем геоконтроля : физические процессы 

горного или нефтегазового производства : учеб.-метод. пособие / А.С. Вознесенский. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2018. – 76 с. 

ISBN 978-5-906953-09-4 

Содержатся методические рекомендации для проведения учебной НИР и 

составления технического задания на ОКР по разработке лабораторной системы ультразвуковых исследований горных пород на образцах. 

Предназначено для студентов специальности 21.05.05 (131200) «Физиче
ские процессы горного или нефтегазового производства». Может быть использовано студентами других специальностей и научно-техническими работниками. 

УДК 550.8:681.2 

 
ISBN 978-5-906953-09-4 

 А.С. Вознесенский, 2018 
 НИТУ «МИСиС», 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................. 4 
1. Общая информация и исходные данные для проектирования ....... 5 

1.1. Цель курсового проектирования ............................................... 5 
1.2. Состав курсовой работы ............................................................ 5 
1.3. Описание объекта проектирования ........................................... 6 
1.4. Задание и исходные данные для выполнения курсовой 

работы .......................................................................................... 8 

2. Проведение НИР и обоснование технических характеристик 
разрабатываемого устройства ............................................................... 11 

2.1. Составление плана компьютерного эксперимента .................. 11 
2.2. Указания для проведения компьютерного моделирования .... 12 
2.3. Порядок выполнения моделирования и расчетов.................... 13 
2.4. Индивидуальные варианты заданий ......................................... 27 

3. Составление технического задания на ОКР ..................................... 30 

3.1. Общие сведения .......................................................................... 30 
3.2. Порядок заполнения шаблона по пунктам ТЗ ......................... 30 
Вопросы для самопроверки .............................................................. 33 

Литература .............................................................................................. 36 
Приложение 1. Формы титульного листа и задания курсовой 
работы ...................................................................................................... 37 
Приложение 2. Форма титульного листа технического задания на 
ОКР .......................................................................................................... 40 
Приложение 3. Форма последнего листа технического задания на 
ОКР .......................................................................................................... 41 
Приложение 4. Список основных ГОСТов, необходимых при 
проведении НИР и ОКР по проектированию систем геоконтроля 
и других приборов .................................................................................. 42 
Приложение 5. Форма шаблона ТЗ на ОКР ......................................... 50 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Учебным планом специальности 21.05.05 «Физические процессы 

горного или нефтегазового производства» предусмотрена подготовка 
специалистов в области геоконтроля, основой которого является горная геофизика и неразрушающий контроль и диагностика. Такие 
специалисты должны владеть современными методами исследований, а также высокоинтеллектуальной аппаратурой и приборами, с 
помощью которых эти исследования проводятся. Специалисты в области геоконтроля должны уметь подбирать необходимые приборы и 
аппаратуру для постановки научных и производственных экспериментов, формулировать технические требования к новым, создаваемым впервые, и модернизируемым приборам геоконтроля, взаимодействовать с разработчиками и технологами производства аппаратуры, участвовать в ее испытаниях и внедрении. Такое взаимодействие предусматривает знание и подготовку обучающихся в области 
проектирования современных приборов и систем на их основе. 

Дисциплина «Проектирование систем геоконтроля» направлена 

на получение обучающимися знаний и навыков в области создания 
приборов для научных исследований, а также для производственных 
измерений и контроля. Для получения практических навыков дисциплина предполагает выполнение курсовой работы. В ней проводится 
учебная научно-исследовательская работа (НИР) по созданию лабораторной системы ультразвуковых исследований горных пород на 
образцах, начиная с исходного технического задания, содержащего 
исходные технические характеристики, до составления технического 
задания на опытно-конструкторскую разработку (ОКР), при выполнении которой обучающиеся получают практические навыки работы 
в этой области. После составления технического задания на ОКР 
предполагается его передача разработчикам, конструкторам и технологам в области производства радиоэлектронной аппаратуры. Значительную часть здесь занимает также ознакомление с современными 
стандартами, используемыми при создании новой продукции, что 
необходимо современному инженеру. Такая концепция преподавания формирует у обучающихся четкое представление об этой области деятельности и даст возможность выпускникам взаимодействовать со специалистами смежных специальностей, что необходимо в 
современном мире науки и техники, который динамично развивается 
и предусматривает глобальные связи между различными областями. 

1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ И ИСХОДНЫЕ 

ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

1.1. Цель курсового проектирования 

Основной целью курсового проектирования является ознакомле
ние с видами и стадиями разработки приборов и систем геоконтроля, 
овладение навыками проведения НИР для обоснования их технических характеристик и практическое освоение составления технического задания (ТЗ) на конструирование прибора геоконтроля на стадии ОКР. 

Указанные навыки приобретаются обучающимися на примере 

разработки лабораторной системы ультразвуковых исследований 
горных пород на образцах (далее по тексту Системы) при выполнении НИР. Результатом будет ТЗ, необходимое при выполнении ОКР. 

1.2. Состав курсовой работы 

Электронный вариант и бумажная копия курсовой работы, кото
рые сдаются преподавателю, состоят из трех частей. 

1. Общая информация и исходные данные для проектирования. 
2. Проведение НИР и обоснование технических характеристик 

разрабатываемого устройства. 

3. Составление ТЗ на ОКР по разработке системы геоконтроля. 
Разработка радиоэлектронной части прибора, проводимая далее 

на стадии ОКР, осуществляется специалистами-схемотехниками и 
конструкторами радиоэлектронной аппаратуры по ТЗ, разработанному на этапах 1–3, описанных в данном пособии. 

Техническое задание на ОКР разрабатывается на основе стандар
тов, которые постоянно обновляются, заменяются или отменяются. 
Для того чтобы узнать, действует ли стандарт, заменен другим или 
более поздней редакцией, можно рекомендовать сайт ФГУП «Стандартинформ», размещенный по адресу http://www.standards.ru. В окне 
поиска Выберите каталог следует выбрать -----ГОСТ, ГОСТ Р, а в 
соседнее окно введите либо номер ГОСТа (например, ГОСТ 15.000–94), 
либо ключевые слова (например, климат). В итоге получаете список 
ГОСТов с указанием статуса (действует, заменен, отменен или принят) и используете в работе только действующие стандарты. 

 

Предварительное задание 
Создайте в Word файл курсовой работы с титульным листом в со
ответствии с приложением 1. Далее переносите в него всю необходимую информацию и результаты расчетов. 

1.3. Описание объекта проектирования 

Объектом проектирования является лабораторная система ультра
звуковых исследований горных пород на образцах (далее по тексту 
Система). 

Ультразвуковое прозвучивание образцов горных пород применяет
ся для определения скоростей и затухания упругих волн в лабораторных условиях. Схема Системы для таких исследований показана на 
рис. 1.1. Она содержит излучатель 2 и приемник 3 упругих волн, в основе конструкции которых используются пьезопластины в виде тонких дисков с нанесенными на их торцы с помощью напыления контактными поверхностями из серебра или меди, на которые подается 
либо с которых снимается электрический сигнал. В зависимости от 
внутренней поляризации таких пьезопластин при подаче на контактные поверхности электрического сигнала они испытывают продольные либо сдвиговые деформации. Принцип действия лабораторной 
Системы заключается в размещении на противоположных поверхностях образца двух пьезопластин, одна из которых подключается к генератору 4, а другая – к усилителю 5 регистратора, осуществляющего 
измерение временных задержек и амплитуд сигналов, прошедших через образец 1. В реальных конструкциях пьезопластины размещаются 
в корпусах, предохраняющих преобразователи от повреждений. 

На схеме рис. 1.1 для большей наглядности показаны два провода, иду
щих от генератора импульсов 4 к контактным площадкам излучателя 2, и 
два провода, идущих от контактных площадок приемной пьезопластины 3 
к усилителю 5, выход которого подключается к аналого-цифровому преобразователю 6, соединенному в свою очередь с блоком обработки 7. Сигнал 
от генератора импульсов 4 также подается на аналого-цифровой преобразователь 6 для запуска системы на регистрацию сигнала. 

Один из выводов излучающей пьезопластины 2 подключается к 

общему проводу электронной схемы, обозначаемому при моделировании как Ground, а на другой подается импульсное напряжение, 
формирующее зондирующий импульс упругих волн 9. У приемной 
пьезопластины 3 один из выводов также подключается к общему 
проводу Ground электронной схемы, а с другой пластины снимается 
напряжение принятого сигнала, подаваемое на усилитель 5. 

Рис. 1.1. Схема лабораторной системы для ультразвуковых исследований 

горных пород на образцах, включающая образец (1), пьезопластину 

излучателя (2), пьезопластину приемника (3), генератор импульсов (4), 
усилитель (5), многоканальный АЦП (6), блок обработки сигнала (7), 

компьютер (8); показан также путь ультразвукового сигнала упругих волн, 

проходящих через образец (9) 

Для примера внешний вид одного из реальных вариантов системы 

показан на рис. 1.2. 

В этой конструкции образец горной породы 1 устанавливается 

между пьезопреобразователями 2, заключенными в металлические 
корпуса, которые прижимаются к нему с помощью прижимного 
пневматического устройства 3, подключенного к компрессору (на 
фото не показан). 

На рис. 1.3 для примера представлен внешний вид компрессора, 

состоящего из воздушного насоса и ресивера – емкости, содержащей 
сжатый воздух и сглаживающей пульсации давления при работе 
поршневого насоса. Такой насос соединяется трубчатыми шлангами 
с зажимным устройством Системы. 

Требуется провести НИР и на этой стадии разработки получить 

технические параметры Системы и составить ТЗ на ОКР по разработке Системы. Проведение НИР осуществляется в соответствии с 
ГОСТ 15.101–98 [1]. Технические параметры Системы для включения в ТЗ на ОКР, будут получены путем компьютерного моделирования методом конечных элементов на основании исходных данных 
по физическим свойствам горных пород, задаваемых по индивидуальным вариантам. Пример исходных данных для моделирования 
приведен в табл. 1.1. 

Рис. 1.2. Общий вид системы «Ультразвук» («Экогеоспром», г. Тверь) 

для ультразвуковых исследований горных пород на образцах: 

1 – образец горной породы; 2 – пьезопреобразователи; 3 – прижимное 
пневматическое устройство; 4 – блок управления с ручками установки 

режимов и электронным блоком внутри; 5 – компьютер 

 

Рис. 1.3. Внешний вид портативного компрессора: 

1 – воздушный насос; 2 – ресивер 

1.4. Задание и исходные данные 

для выполнения курсовой работы 

Перенесите в файл курсового проекта табл. 1.1 с вашими индиви
дуальными данными в соответствии с п. 2.4. 

Таблица 1.1 

Пример исходных данных образцов пород для курсового проекта 

№ вари
анта 

Длина образцов*, мм 

Модуль 

упругости Е, 

ГПа 

Коэффициент 

Пуассона  

Плотность 

, кг/м3 

Добротность Q 

Частота 

измерения 

f, кГц 

Min 

Max 

Min 

Max 

Min 

Max 

Min 

Max 

Min 

Max 

1 
20 
50 
15 
40 
0,08 
0,16 1500 2100 
10 
90 
25 

______________ 

* Толщина и ширина D основания образцов в форме прямоугольных призм выбирается в два раза меньше, чем высота. 

Предварительный расчет 
По заданной добротности и частоте ее измерения определите ми
нимальное и максимальное значение параметра 
dK

 рэлеевской мо
дели затухания, используемого при моделировании. Коэффициент 
потерь 

 
1
Q
 
, 

где  – коэффициент потерь; Q – добротность. 

С другой стороны 

 
2
2
2

dM

dK
f
f




   
 







, 

где   – коэффициент потерь; 
dM

, 
dK

 – коэффициенты рэлеевской 

модели затухания. 

Для горных пород на основании экспериментов принято, что за
тухание в ультразвуковом диапазоне частот прямо пропорционально 
частоте, поэтому 
0
dM


, откуда 

 
1
.
2
2

dK
f
Qf







 
(1.1) 

Как следует из формулы (3.1), коэффициент 
dK

 измеряется в се
кундах. Добротность Q измеряется экспериментально методом резонансной акустической спектроскопии.  

Рассчитайте по формуле (1.1) минимальное и максимальное зна
чения частотного коэффициента затухания 
dK

 по добротности и 

частоте ее измерения, приведенные в техническом задании. Они будут далее использованы при моделировании. 

Основной расчет 
Далее необходимо провести НИР, в результате которой следует 

определить исходные параметры для опытно-конструкторской разработки (ОКР) системы, а именно: минимальную и максимальную 
частоты спектров сигналов, амплитуды, задержки и длительности 
сигналов, как это описано в последующих частях. 

2. ПРОВЕДЕНИЕ НИР И ОБОСНОВАНИЕ 

ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 

РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА 

2.1. Составление плана 

компьютерного эксперимента 

Необходимо провести компьютерный эксперимент и рассчитать 

указанные параметры при всех возможных комбинациях входных 
величин, заданных в исходном ТЗ на проектирование прибора. Таких 
параметров пять, каждый может принимать два значения – минимальное и максимальное, всего 25 = 32 (табл. 2.1). 

Таблица 2.1 

План экспериментов 

№ эксперимента 
L 
E 
 
 
dK

 

1 
– 
– 
– 
– 
– 

2 
– 
– 
– 
– 
+ 

3 
– 
– 
– 
+ 
– 

4 
– 
– 
– 
+ 
+ 

5 
– 
– 
+ 
– 
– 

6 
– 
– 
+ 
– 
+ 

7 
– 
– 
+ 
+ 
– 

8 
– 
– 
+ 
+ 
+ 

9 
– 
+ 
– 
– 
– 

10 
– 
+ 
– 
– 
+ 

11 
– 
+ 
– 
+ 
– 

12 
– 
+ 
– 
+ 
+ 

13 
– 
+ 
+ 
– 
– 

14 
– 
+ 
+ 
– 
+ 

15 
– 
+ 
+ 
+ 
– 

16 
– 
+ 
+ 
+ 
+ 

17 
+ 
– 
– 
– 
– 

18 
+ 
– 
– 
– 
+ 

19 
+ 
– 
– 
+ 
– 

20 
+ 
– 
– 
+ 
+ 

21 
+ 
– 
+ 
– 
– 

22 
+ 
– 
+ 
– 
+ 

23 
+ 
– 
+ 
+ 
– 

24 
+ 
– 
+ 
+ 
+ 

25 
+ 
+ 
– 
– 
– 

26 
+ 
+ 
– 
– 
+ 

27 
+ 
+ 
– 
+ 
–