Ультразвуковое устройство для измерения контактных давлений

 

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-цифровь-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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) 04) (я)л G 01 N 29/04

" 1 1ь092

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (! (21) 4825993/28 (22) 04.04.90 (46) 07.07.92, Бюл, N 25 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро "Недра" (72) И;В.Ильницкий, А.И.Степура и О.М.Карпаш (53) 620.179.16(088.8) (56) Щербинский В,Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных;:веди:- .ений. 2-е изд., перераб. идоп. — M,: Стройиздат, 1989, с.54,65,96, Авторское свидетельство СССР

М 1288586, кл. 6 01 1ч 29/04. 1987.

Кажис Р.-Й. Ультразвуковые информационно-измерительные системы, — Вильнюс: Мокелас, 1986, с. 122.139.

Изобретение относится к активным информационно-измерительным системам и может быть использовано в бурильной технике, на стендах для сборки замков с бурильными трубами и муфт с обсадными трубами, используемых при бурении нефтяных и гаэс» вых скважин, а также в машиностроительной и других отраслях промышленности для контроля контактных давлений в напряженных контактирующих парах по сопрягаемым llo верхностям узлов машин и механизмов, Известно устройство для ультразвукового иеразрушающего контроля изделий, включающее излучающий и принимающий пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), ультразвуковой генератор, прием(54} УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ (57) Изобретение относится к активным ультразвуковым информационно-измеритель. ным 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. Это достигается за счет снабжения устройства блоком фильтрации с задатчиком и двухканальным аналого-цифровым 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. иик, глубиномер, системы временной селекции и индикации, причем контроль ведется с применением зеркально-теневого метода при включении ПЭП по раздельной схеме.

Од; ако из-за того. что обьект измерения; пьезоэлектрические и реобраэователи и остальные субсистемы подвержены влияwe 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 уси1746297 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, равной 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 неконтралируемblx флуктуациаí H ûõ помех, которыми для случая контроля контактных давлений резьбавых соединений труб я вляются качество акустического контакта, -шероховатость поверхностей соедин:«.емых деталей, неоднородность химич. .ского и структурного состава материала этих деталей, степень их упругой и пластической деформации, наличие дефектов в контролируемых деталях, изменения температурного режима резьбавага соединения и др, Эти помехи эддитивна накладываются нэ величину палвзнага выходного сигнала и искажают его.

Целью изобретения является повышение точности измерения Ko H i 3KTHblx давле5

50 ний в процессе сборки резьбовых соединений.

Поставленная цель достигается тем, чта ультразвуковое устройство, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и излучающий электроакустический преобразователь, приемный электраакустический преобразователь и падкл аченный к ега выходу усилитель. подключенный к выходу синхронизатора временной селектор, выход которого подключен к управляющему входу усилителя, дополнительно снабжено последовательно соединенными задатчиком и блоком фильтрации, выход которого подключен к индикатору, двухканальным аналого-цифровым преобразователем, первый и второй входы которого подключены соответственна к выходу усилителя и второму входу генератора зондирующих импульсов, а выход — к второму входу блока фильтрэц и, при атом выход усилителя соединен с входом задэтчика.

На фиг, 1 представлена функциональная схема ультразвукового устройства для измерения контактных давлений: на фиг.2— схема блока фильтрации.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий 2 и приемный 3 электраакустические преобразователи, усилитель 4, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, блок б фильтрации, индикатор 7, зэдатчик 8. синхронизатор 9 и временной селектор 10, Генератор 1 зондирующих импульсов предназначен для получения кратковременных импульсов высокочастотных электрических колебаний, которые используются для возбуждения излучающего электрического преобразователя 2. Основными элементами генератор" 1 зондирующих импульсов являются калебательный контур. включающий электраакустический преобра =. îâàòåëü, элекгранную схему (ключ), обеспечиваю ..„Ую генерацию коротких импульсов, и инмгратор, Импульсы с выхода генератора 1 зонд рующих импульсов параллельна подаются íà его интегратаp, где ани и;еабразуются в непрер .вный аналоговый си -нал, поступающий нэ двухканальный АЦП 5. Излучающий 2 и принлмающий 3 злектраакустический пр:..абрэзавэтели предназначены соответственна для возбуждения и преобразования у .ьтрэзвукавых волн, т.е. для создания деформаций при возникновении в

I."..ççoýëåìåíòå пв,зеленного электр ическаго паля и <-.аздания электрической . рукции в электр;.акустическом пргзбразавателе в рез,гльт те де .твия мех - г еских нэпря -хен lA, F3 пре. )рязавэтел, )спал ьз ются

1746297 элементы из пьезоэлектрических материалов, например, на основе титаната бария.

Усилитель 4 служит для усиления и выпрямления электрических сигналов и содержит электронный ключ, предусилитель, измеритель амплитуды сигналов, усилитель высокой частоты, детектор, видеоусилитель и интегратор, Электронный ключ по сигналу с временного селектора 10 соединяет вход предусилителя с приемным электроакустическим преобразователем 3 на время действия последнего. Предусилитель обеспечивает электрическое согласование усилительного тракта с приемным электроакустическим преобразователем 3. Для измерения отношений сигналов на входе усилителя высокой частоты имеется калиброванный делитель напряжения, который является основной составной частью измерителя амплитуд сигналов. Усилитель высокой частоты усиливает полученный сигнал.

Последний поступает на детектор, который выделяет однополярную огибающую радиоимпульса, Продетектированные импульсы поступают на видеоусилитель, а затем на интеграторе преобразовываются в непрерывный аналоговый сигнал, Двухканальный АЦП 5 предназначен для преобразования аналоговых сигналов, поступающих с генератора 1 зондирующих импульсов и усилителя 4 з цифровую форму.

Двухканальный АЦП 5 содержит аналоговый коммутатор на два входа и, собственно, АЦП, Аналогоцый коммутатор может быть выполнен на базе микросхем типа К 176 КТ1 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 характеризует амплитуду ультразвуковых колебаний.

Индикатор 7 предназначен для индикации величины контактного давления, выраженного в мегапаскалях и содержит масштабирующее устройство, преобразующее полученную в блоке 6 фильтрации оптимальную оценку амплитуды ультразвуковых колебаний в величину контактного давления, возникающего по сопряженным поверхностям резьбового соединения или в напряженных слоистых средах, и, собственно, цифровой индикатор.

Индикатор 7 может быть выполнен на базе однокристалльной микроЭВМ КМ1816ВЕ, 4В, микросхем КР514ИД2 и цифровых индикаторов типа АЛСЗЗЗБ, С помощью задатчика 8 блоку 6 фильтрации задают следующие константы: дисперсию шумов состояния oq. дисперсию шумов измерения со, параметр ультразвукоФ вой измерительной системы р и начальное

5 значение ошибки фильтрации дк /ко. Задатчик 8 может быть собран с помощью программируемых переключателей типа

ПП-10 и элементов памяти с трехстабильными состояниями на выходе. При условии наличия разрешающего сигнала с усилителя 4 на выходе программируемых переключателей образуются двоична-десятичные коды выставленных цифр.

Синхронизатор 9 предназначен для выработки последовательности. импульсов, которые синхронно запускают генератор 1 зондирующих импульсов и временной селектор 10, S качестве синхронизатора 9 используют автоколебательный блокинг-генератор, 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 импул ьса, В момент окончания задержки во временном селекторе 10 формируется импульс, который используется для запуска генератора 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

35 дефектоскопа ультразвукового,УД2-12.

Блок 6 фильтрации (фиг.2) состоит из двух элементов 6.1 и 6,11 задержки. четырех умножителей 6,2, 6.5..6.6 и 6.12, пяти сумма40 торов 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

1746297 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 выхо- 5 дом квадратора 6.13, а выход четвертого умножителя 6,12 соединен с первым входом пятого сумматора 6.10, второй вход которого è второй вход четвертого сумматора 6.8 соединены с выходом задатчика 8. Выход 10 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 эадатчика 8, а кнопка 6,14 после- 15 довательно 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 20 л оптимальной оценки напряжения х, снимаемого с усилителя 4, которое характеризует контактное давление в резьбовом соединении в дискретный момент времени Ik, вычисляется из предыдущего значения оценки 25 напряжения х -1, полученного в момент времени tk-1, путем прибавления взвешенной разности между измеренным значением этого напряжения zk в момент времени tk u его оценкой в момент времени tk 1 и прибав- 30 лением детерминированного воздействия (зондирующего сигнала) Uk, т.е. новое значение оценки вычисляется по следующему алгоритму:

xk=p xk-1+Uk+Kk(zk -p Xk-1), где ф — параметр ультразвуковой измерительной системы, определяемый эмпирическим путем в процессе настройки системы и 40 вводимый в блок фильтрации с помощью эадатчика 8;

К вЂ” коэффициент коррекции ошибки фильтрации, который определяется следующим образом: 45

50 где cP. — — дисперсия шумов состояния, т.е, суммарной помехи, которая аддитивно накладывается на полезный сигнал; — дисперсия шумов измерения, т.е. неконтролируемых шумов регистрирующей 55 аппаратуры; д -1/1-1 — ошибка фильтрации полезного сигнала, т.е..напряжения, снимаемого с приемника 4, в момент времени tk-1.

Обе величины о и о определяются предварительно на основании статистических характеристик указанных шумов и задаются в блок 6 фильтрации с помощью эадатчика 8. Значение величины ошибки у -1/к-1 получается из величины ошибки

rð

В свою очередь д / определяется из следующей формулы:

yk/М=(Фг Ч:-1/k-1+ О „Х1-Kk), Начальное значение ошибки фильтрации q< /k задается априори в виде положительного числа с помощью задатчика 8.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом контроля контактных давлений, например, в процессе сборки резьбовых соединений обсадных труб на резьбовом соединении устанавливают, со,— здавая надежный акустический контакт, излучающий 2 и приемный 3 злектроакустические преобразователи. На задатчике 8 выставляют предварительно определенные значения дисперсии шумов состояния а, дисперсии шумов измерения о, параметра

rp данной ультразвуковой измерительной системы, а также начальное значение ошибки фильтрации р /ро, Нажатием кнопки

6,14 на блоке 6 фильтрации начальное значение ошибки фильтрации из задатчика 8 через замыкающий контакт реле 6,15 вводится в умножитель 6,12 блока 6 фильтрации. После этого включаюг генератор 1 зондирующих импульсов. Последний с частотой задаваемой ему генератором синхронизирующих импульсов. возбуждает пьезопластину излучающего злектроакустического преобразователя 2. Ультразвуковые колебания, проходя чеоез сопряженные поверхности витков резьбового соединения, отражаются от донной поверхности соединения и попадают на приемный электроакустический преобразователь 3, где они преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход усилителя 4, Последний включается только на время действия стробирующего импульса, поступающего с временного с лектора 10. Усиленный и продетектированный сигнал напряжения с усилителя 4 поступает на вход двухканального

АЦП 5, на второй вход которо о поступает сигнал с генератора 1 зондирующих импульсов, Здесь происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму.

Полученная в дискретные моменты времени

1746297

Ь в процессе свинчивания труб информаЦИЯ О ВЕЛИЧИНЕ ЗОНДИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ Uk и величине напряжения, снимаемого с усилителя 4, zk в виде цифрового кода от двухканального АЦП 5 поступает на вход блока 5

6 фильтрации. За счет действия синхронизатора 9 в те же моменты времени 1, когда работает усилитель 4. с его выхода постугает разрешающий сигнал на выходные схемы задатчика 8, в результате чего на второй 10 вход блока 6 фильтрации поступают цифровые коды выставленных величин о, о, ри

9 ко "о

В блоке 6 фильтрации задержанное на один такт на элементе 6.1 задержки значе15 ние оптимальной оценки напряжения х -t, 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 К в умножителе 6.5.

Выходное значение последнего складывается в сумматоре 6,3 с выходным значением умножителя 6,2 и величиной зондирующего

25 сигнала 0 . Полученная величина является л новым значением х оптимальной оценки напряжения, снимаемого с,: -;илителя 4 в момент времени tk, Одновременно значение параметра р, поступающее от задатчика

8, умножается само на себя в квадраторе

6.13, Полученное значение р в умножителе

6,12 умножается на величину начального значения ошибки фильтрации д k /k (в пер35 вый момент времени t1) или на величину ошибки фильтрации р-1уk-1 в последующие моменты времени т -1. Значение произведения pР gk-

У -уk-) 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 ф полученный результат р 5k- t l k-1+ Oq+ о подается н а делитель 6.7.

Выходом последнего является значение коэффициента коррекции ошибки фильт- 50 рации К в момент времени tk, которое получается в результате деления величины

Р Р-1!k-t+ cPq на величинУ PÐ gk 1)k 1+ 0 +

+ф. Одновременно в сумматоре 6.9 из величиныp q<-ilk-1+ tTq вычитается, получен- 55 ное в умножителе 6.6, ее произведение на величину коэффициента коррекции ошибки фильтра К, Выходом сумматора 6.9 является значение ошибки фильтрации

rp д в момент времени tk. Значение ошибки фильтрации у-1уk-1 в момент времени tk-1 получается из величины rp

Вычисленное в блоке 6 фильтрации новое значение х 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

0q и шумов измерения G, 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 резьбовь - соединений чли 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений, оно снабжено последовательно соединеннь ми задатчиком и блохом фи,-.ьтргции, выход которого подключен к индикатору, двухканальным аналого-цифрогьл. 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.

1746297

I ! ! ! ! ! !

I ! !

I ! ! ! !

I ! ам

I +44 КК

01 ф !

1 юг 2

Составитель И. Ильницкий

Техред М,Моргентал Корректор В, Гирняк

Редактор Н, Бобкова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. У сгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2391 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская нвб„4/5