Ультразвуковое устройство для измерения контактных давлений Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к активным информационно-измерительным системам и может быть использовано в бурильной технике, на стендах для сборки замков с буриль- иы&.и трубами и муфт с обсадными трубами, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин, а также в машиностроительной и других отраслях промышленности для контроля контактных давлений в напряженных контактирующих парах по сопрягаемым поверхностям узлов машин и механизмов

Известно устройство для ультразвукового неразрушзющего контроля изделий, включающее излучающий и принимающий пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), ультразвуковой генератор, приемник, глубиномер, системы временной селекции и индикации, причем контроль ведется с применением зеркально-теневого метода при включении ПЭП по раздельной схеме

Оц.кэко из-за того, что обьект измерений, пьезоэлектрические преобразователи и остальные субсистемы подвержены влиянию внешних и внутренних возмущающих факторов, то в таких устройствах возникают искажения и неконтролируемые задержки измерительных сигналов что приводит к очень большим погрешностям измерений (до 20-30% и больше

Известен ультразвуковой дефектоскоп, содержащий генератор излучатель приемник, блок автоматической регулировки усиXI

а

ю ю

ления, блок регистрации дефектов, блок эталонного сигнала и блок сравнения. Кроме того, он снабжен последовательно соединенными блоком электронных ключей, блоком памяти, дополнительным блоком электронных ключей, сумматором, блоком компаратров, блоком управления и блоком датчиков положения.

В этом устройстве с целью уменьшения погрешностей, вызванных колебаниями параметров узлов электронно-акустического тракта, предусмотрено выполнение процедуры калибровки в промежутках между операциями контроля. Однако такая калибровка не может быть выполнена при измерении изменяющегося во времени параметра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, в котором для того, чтобы исключить динамические погрешности, которые получаются за счет неравномерной спектральной характеристики пьезоэлектрических преобразователей, применяют корректирующие цепи, Сущность этих корректирующих цепей, которые называются инверсными фильтрами, заключается в использовании в измерительной цепи устройства с передаточной функцией, равней обратной передаточной функции канала излучатель - объект измерения - приемник. Таким образом, инверсный фильтр компенсирует динамику рассматриваемого канала, а следовательно, и динамические ошибки, которые могли бы возникнуть в этом канале.

Однако применение такого устройства затруднительно из-за сложности технической реализации передаточной функции самого корректирующего фильтра, а также в связи с возникновением проблемы обеспечения устойчивости всей измерительной системы. Кроме того, отсутствие в нем технических средств подавления неконтролируемых флуктуационных помех, которыми для случая контроля контактных давлений резьбовых соединений труб являются качество акустического контакта, шероховатость поверхностей соединяемых деталей, неоднородность химического и структурного состава материала этих деталей, степень их упругой и пластической деформации, наличие дефектов в контролируемых деталя), изменения температурного режима оезьбоього соединения и др. Эти помехи аддитивно накладываются на величину полезного выходного сигнала и искажают его.

Целью изобретения является повышение точности измерения контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковое устройство, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь и подключенный его вы0 ходу усилитель, подключенный к выходу синхронизатора временной селектор, выход которого подключен к управляющему входу усилителя/ дополнительно снабжено последовательно соединенными задатчи5 ком и блоком фильтрации, выход которого подключен к индикатору, двухканальным аналого-цифровым преобразователем, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу усилителя и второ0 му входу генератора зондирующих импульсов, а выход - к второму входу блока фильтрации, при этом выход усилителя соединен с входом задзтчика

На фиг. 1 представлена функциональ5 ная схема ультразвукового устройства для измерения контактных давлений, на фиг 2 - схема блока фильтрации.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов излучающий 2 и

0 приемный 3 электроакустические преобразователи, усилитель 4, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, блок 6 фильтрации, индикатор 7, задатчик 8 синхронизатор 9 и временной селектор 10.

5Генератор 1 зондирующих импульсов

предназначен для получения кратковременных импульсов высокочастотных электрических колебаний, которые используются для возбуждения изл/чающего электрического

0 преобразователя 2. Основными элемен гами генератора 1 зондирующих импульсов являются колебательным контур включающий электроакустический преобразователь, электронную схему (ключ), обеспсчиваю5 L I/Ю генерацию коротких импульсов, и ин- lerpaiop. Импульсы с выхода генератора 1 зонц рующих импульсов параллельно под- чюгся на его интегратор, где они преобразуются в непрег) вный аналоговый сигнал,

0 поступающий F- d дгзухканальный АЦП 5. Излучающим 2 г принимающий 3 электроакустический пр. эбразователи предназначены соответствен1 ю для возбуждения и преобразования у- ырззвуковых волн, т.е. для со5 здания деформаций при возникновении в г /ззоэлементе туеменного эпект: ическо- го поля и создания электрической , у.укции в ялектр зкустичес/ом преобразователе в результате мох .ьмеских напря . и пре .фззовзтс-v .юпсиь- э; ются

элементы из пьезоэлектрических материалов, например, на основе титаната бария.

Усилитель 4 служит для усиления и выпрямления электрических сигналов и содержит электронный ключ, предусилитель, 5 измеритель амплитуды сигналов, усилитель высокой частоты, детектор, видеоусилитель и интегратор, Электронный ключ по сигналу с временного селектора 10 соединяет вход предусилителя с приемным электроаку- 10 стическим преобразователем 3 на время действия последнего. Предусилитель обеспечивает электрическое согласование усилительного тракта с приемным электроакустическим преобразователем 3. Для из- 15 мерения отношений сигналов на входе усилителя высокой частоты имеется калиброванный делитель напряжения, который является основной составной частью измерителя амплитуд сигналов. Усилитель высо- 20 кой частоты усиливает полученный сигнал. Последний поступает на детектор, который выделяет однополярную огибающую радиоимпульса. Продетектированные импульсы поступают на видеоусилитель, а затем на 25 интеграторе преобразовываются в непрерывный аналоговый сигнал.

Двухканальный АЦП 5 предназначен для преобразования аналоговых сигналов, поступающих с генератора 1 зондирующих 30 импульсов и усилителя 4 ч цифровую форму. Двухканальный АЦП 5 содержит аналоговый коммутатор на два входа и, собственно, АЦП, Аналоговый коммутатор может быть выполнен на базе микросхем типа К 176 КТ1 35 или К 561 КТЗ, а АЦП, например, на базе микросхемы КР572ПВ1А.

Блок 6 фильтрации предназначен для выработки оптимальной оценки напряжения, снимаемого с усилителя 4, которое ха- 40 рактеризует амплитуду ультразвуковых колебаний.

Индикатор 7 предназначен для индикации величины контактного давления, 45 выраженного в мегапаскалях и содержит масштабирующее устройство, преобразующее полученную в блоке 6 фильтрации оптимальную оценку амплитуды ультразвуковых колебаний в величину кон- 50 тактного давления, возникающего по сопряженным поверхностям резьбового соединения или в напряженных слоистых средах, и, собственно, цифровой индикатор. Индикатор 7 может быть выполнен на базе 55 однокристалльной микроЭВМ КМ1816ВЕ- В, микросхем КР514ИД2 и цифровых индикаторов типа АЛСЗЗЗБ,

С помощью задатчика 8 блоку 6 фильтрации задают следующие константы:

Персию шумов состояния Oq, дисперсию шумов измерения сг, параметр ультразвуковой измерительной системы (р и начальное значение ошибки фильтрации , За- датчик 8 может быть собран с помощью программируемых переключателей типа ПП-10 и элементов памяти с трехстабильны- ми состояниями на выходе. При условии наличия разрешающего сигнала с усилителя 4 на выходе программируемых переключателей образуются двоично-десятичные коды выставленных цифр.

Синхронизатор 9 предназначен для выработки последовательности импульсов, которые синхронно запускают генератор 1 зондирующих импульсов и временной селектор 10. В качестве синхронизатора 9 используют автоколебательный блокинг-ге- нератор, который вырабатывает импульсы отрицательной полярности.

Для выделения полезного сигнала, поступающего на вход усилителя 4, служит временной селектор 10. С этой целью в нем содержится калиброванная схема временной задержки синхронизирующего импульса. В момент окончания задержки во временном селекторе 10 формируется импульс, который используется для запуска ге- нератора стробирующего импульса, позволяющего выполнить временную селекцию в усилителе 4.

Генератор 1 зондирующих импульсов, усилитель 4, синхронизатор 9 и временной селектор 10 можно выполнить по схемам дефектоскопа ультразвукового УД2-12.

Блок 6 фильтрации (фиг.2) состоит из даух элементов 6.1 и 6.11 задержки четырех умножителей 6.2, 6.5. 6.6 и 6.12, пяти сумматоров 6.3, 6.4, 6.8 - 6.10, делителя 6.7, квадратора 6.13, кнопки 6.14 и реле 6.15. Выход первого элемента 6.1 задержки соединен с входом первого умножителя 6.2, второй вход которого соединен с входом квадратора 6.13 и выходом задатчика 8. выход первого умножителя 6.2 параллельно соединен с первыми входами первого 6.3 и второго 6.4 сумматоров, вторые входы которых соединены с выходом двухканального АЦП 5, третий вход первого сумматора 6.3 соединен с выходом умножителя 6.5, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора 6.4. Выход делителя 6.7 параллельно соединен с вторым входом второго умножителя 6.5 и первым входом третьего умножителя 6.6, второй вход последнего соединен с первым входом делителя 6.7, первыми входами третьего 6,9 и четвертого 6.8 сумматоров и выходом пятого сумматора 6.10, выход третьего умножителя 6.6 соединен с вторым

входом третьего сумматора 6.9, выход которого через втсрой элемент 6.11 задержки и размыкающий контакт реле 6.15 соединен с первым входом четвертого умножителя 6.12, второй вход которого соединен с выходом квадратора 6.13, а выход четвертого умножителя 6.12 соединен с первым входом пятого сумматора 6.10, второй вход которого и второй вход четвертого сумматора 6.8 соединены с выходом задатчика 8. Выход четвертого сумматора 6.8 соединен с вторым входом делителя 6,7. Кроме того, первый вход четвертого умножителя 6.12 через замыкающий контакт реле 6,15 соединен с выходом задатчика 8, а кнопка 6.14 последовательно соединена с обмоткой реле 6.15. Выход первого сумматора 6.3 параллельно соединен с входом первого элемента 6.1 задержки и входом индикатора 7.

В блоке 6 фильтрации новое значение оптимальной оценки напряжения хк, снимаемого с усилителя 4, которое характеризует контактное давление в резьбовом соединении в дискретный момент времени tk. вычисляется из предыдущего значения оценки напряжения xVi. полученного в момент времени tk-1, путем прибавления взвешенной разности между измеренным значением этого напряжения Zk в момент времени tk и его оценкой в момент времени tk-1 и прибавлением детерминированного воздействия (зондирующего сигнала) Uk. т.е. новое значение оценки вычисляется по следующему алгоритму:

xk-i+Uk+Kk( kk-i),

где р - параметр ультразвуковой измерительной системы, определяемый эмпирическим путем в процессе настройки системы и вводимый в блок фильтрации с помощью задатчика 8;

Kk - коэффициент коррекции ошибки фильтрации, который определяется следующим образом:

Kk

-1/k -1 +0q $ Щ k - 1/k - 1 + Oq O

где Oq - дисперсия шумов состояния, т.е. суммарной помехи, которая аддитивно накладывается на полезный сигнал;

а - дисперсия шумов измерения, т.е. неконтролируемых шумов регистрирующей аппаратуры;

fft-1/k-i - ошибка фильтрации полезного сигнала, т.е. напряжения, снимаемого с приемника 4, в момент времени tic-t.

Обе величины Oq и оЈ определяются предварительно на основании статистических характеристик указанных шумов и задаются в блок 6 фильтрации с помощью задатчика 8. Значение величины ошибки fc-l/k-l получается из величины ошибки J/k/k в момент времени tk путем задержки на один такт.

В свою очередь k/k определяется из следующей формулы:

Jflc/H 0 tfc-1/k-1+ OqXl-Kk).

5 Начальное значение ошибки фильтрации задается априори в виде положительного числа с помощью задатчика 8.

Устройство работает следующим образом.

0 Перед началом контроля контактных давлений, например, в процессе сборки резьбовых соединений обсадных труб на резьбовом соединении устанавливают, создавая надежный акустический контакт,

5 излучающий 2 и приемный 3 электроакустические преобразователи. На задатчикеб выставляют предварительно определенные

значения дисперсии шумов состояния Oq, дисперсии шумов измерения о§, параметра

0 (р данной ультразвуковой измерительной системы, а также начальное значение ошибки фильтрации т/ko/ko. Нажатием кнопки б. И на блоке 6 фильтрации начальное значение ошибки фильтрации из задатчика 8

5 через замыкающий контакт реле 6.15 вводится в умножитель 6.12 блока 6 фильтрации. После этого включают генератор 1 зондирующих импульсов. Последний с частотой задаваемой ему генератором синх0 ронизирующих импульсов, возбуждает пьезопластину излучающего электроакустического преобразователя 2. Ультразвуковые колебания, проходя через сопряженные поверхности витков резьбового соединения,

5 отражаются от донной поверхности соединения и попадают на приемный электроакустический преобразователь 3, где они преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход усилителя 4. Послед0 ний включается только на время действия стробирующего импульса, поступающего с временного сзлектора 10. Усиленный и про- детектированный сигнал напряжения с усилителя 4 поступает на вход двухканального

5 АЦП 5, на атором вход которого поступает сигнал с генератора 1 зондирующих импульсов. Здесь происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму. Полученная в дискретные моменты времени

tk в процессе свинчивания труб информация о величине зондирующих импульсов Uk и величине напряжения, снимаемого с усилителя 4, Zk в виде цифрового кода от двух- канального АЦП 5 поступает на вход блока 6 фильтрации. За счет действия синхронизатора 9 в те же моменты времени tk, когда работает усилитель 4. с его выхода поступает разрешающий сигнал на выходные схемы задатчика 8, в результате чего на второй вход блока 6 фильтрации поступают цифровые коды выставленных величин Oq,(rt,(pv

П ko АО

В блоке 6 фильтрации задержанное на один такт на элементе 6.1 задержки значение оптимальной оценки напряжения хы, снимаемого с усилителя 4, в умножителе 6.2 перемножается со значением параметра (р. Полученное значение вычитается в сумматоре 6.4 из текущего значения напряжения zk и умножается на коэффициент коррекции ошибки фильтрации Kk в умножителе 6.5. Выходное значение последнего складывается в сумматоре 6.3 с выходным значением умножителя 6.2 и величиной зондирующего сигнала Uk- Полученная величина является новым значением Xk оптимальной оценки напряжения, снимаемого с ;силителя 4 в момент времени tk. Одновременно значение параметра f, поступающее от задатчика 8, умножается само на себя в квадраторе 6.13. Полученное значение у в умножителе 6.12 умножается на величину начального значения ошибки фильтрации rj k0A0 (B Г1(ЭР вый момент времени ti) или на величину ошибки фильтрации j/k-1/k-i в последующие моменты времени tk-1. Значение произведения yr k-1/k-i в сумматоре 6.10 складывается с поступающей от задатчика 8 величиной Oq. Полученная сумма

jj -i/k-i+ Oq поступает параллельно на вход делителя 6.7, умножителя 6.6 и сумматоров 6.8 и 6.9. В сумматоре 6.8 она складывается с поступающей от задатчика 8 величиной oj, полученный результат

f Jjk-iA i+ Oq+ подается на делитель 6.7. Выходом последнего является значение коэффициента коррекции ошибки фильтрации Kk в момент времени tk.. которое получается в результате деления величины

$ f/k-l/k-i+ Oq на величину fr /k-l/k-i+ Oq+ +0.. Одновременно в сумматоре 6.9 из величины .-i/k-- + Oq вычитается, получен0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ное в умножителе 6.6, ее произведение на величину коэффициента коррекции ошибки фильтра Kk, Выходом сумматора 6.9 является значение ошибки фильтрации трс/k в момент времени tk. Значение ошибки фильтрации k-1/k-i в момент времени tk-1 получается из величины rjk/k путем задержки на один такт, которая осуществляется в элементе 6.11 задержки.

Вычисленное в блоке 6 фильтрации новое значение xk оптимальной оценки напряжения, снимаемого с усилителя 4 в момент времени tk, поступает на индикатор 7, на котором осуществляется индикация величины контактного давления, возникающего в резьбовом.соединении в процессе сборки обсадных труб в момент времени tk.

Таким образом, предлагаемое устройство в темпе с процессом измерения на основании априорной информации о статических характеристиках шумов состояния

Oq и шумов измерения oj, а также параметра р, корректирует текущее значение напряжения, снимаемого с приемника, по принципу формирования оптимальной оценки, тем самым повышая точность измерения контактных давлений в процессе сборки резьбоБы-с соединений или других напряженных контактирующих пар. Формула изобретения Ультразвуковое устройство для измерения контактных давлений, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь и подключенный к его выходу усилитель, подключенный к выходу синхронизатора временной селектор, выход которого подключен к управляющему входу усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений, оно снабжено последовательно соединенными задат- чикоми блоком фи-ьтргции, выход которого подключен к индикатору, двухканальным аналого-цифрогым преобразователем, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу усилителя и второму выходу генератора зондирующих импульсов, а выход - к второму входу блока фильтрации, при этом выход усилителя соединен с входом задатчика.

Изобретение относится к активным ультразвуковым информационно-измерительным системам и может быть использовано в бурильной технике, в машиностроении и других отраслях промышленности для повышения точности измерения контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений или других напряженных контактирующих пар. достигается за счет снабжения устройства блоком фильтрации с задатчиком и двухканальным аналого-циф- ровь-м преобразователем Устройство в процессе сборки контролируемого соединения корректирует текущее измеренное значение контактного давления с учетом уровня и характера шумов что обеспечивает повышение точности измерения 2 ил

реэА&обое c0edv#Ј#t/e

б

г . /

.-