Тестирование прочности на основе акустической эмиссии для pdc, pcbn или других твердых или сверхтвердых материалов

Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения прочности. Устройство содержит образец горной породы, включающий в себя первую поверхность, акустический датчик, индентор и нагрузку. Торец индентора находится в контакте с образцом горной породы. Торец содержит кобальт с концентрацией в диапазоне от шести процентов до двадцати процентов. Нагрузку прикладывают к индентору, который передает эту нагрузку на первую поверхность. При этом нагрузка увеличивается до пиковой величины, затем выдерживается в течение временного периода и уменьшается со скоростью снижения, которая больше, чем скорость повышения нагрузки. Акустический датчик детектирует акустические сигналы, возникающие в образце. В дальнейшем сигналы акустической эмиссии поступают в блок записи данных. На основе собранных данных определяют фоновые точки, определяют точки возможного акустического события, интерполируют кривую функции фоновых шумов, используя фоновые точки, определяют точки фактических акустических событий, используя точки возможных акустических событий и кривую функции фоновых шумов, рассчитывают площадь фактического акустического события, определяют прочность образца. Технический результат - повышение точности измерений. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 24 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к способу, устройству и программному обеспечению для тестирования действительной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов; и более конкретно, к способу, устройству и программному обеспечению для тестирования действительной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых материалов, используя акустическую эмиссию.

Уровень техники

На фиг.1 показан сверхтвердый материал 100, который может быть вставлен внутрь скважинного инструмента (не показан), такого как буровое долото или расширитель ствола скважины, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. Один пример сверхтвердого материала 100 представляет собой режущий элемент 100 или резак, или вставку, для шарошечных долот, как показано на фиг.1. Однако, сверхтвердый материал 100 может быть сформирован в виде других структур, в соответствии с вариантом применения, в котором он должен использоваться. Режущий элемент 100 обычно включает в себя подложку 110, имеющую контактную поверхность 115, и режущую пластину 120. Режущая пластина 120 изготовлена с использованием ультратвердого слоя, который соединен с контактной поверхностью 115 в процессе обжига, в соответствии с одним примером. В соответствии с некоторыми примерами, подложка 110, в общем, изготовлена из карбида вольфрама и кобальта или карбида вольфрама, в то время как режущая пластина 120 сформирована с использованием слоя поликристаллического ультратвердого материала, такого как поликристаллический алмаз ("PDC") или поликристаллический кубический нитрид бора ("PCBN"). Такие режущие элементы 100 изготавливают в соответствии с процессами и материалами, известными специалистам в данной области техники. Хотя режущая пластина 120 показана, как имеющая, по существу, плоскую внешнюю поверхность, режущая пластина 120 может иметь внешние поверхности альтернативной формы, такой как куполообразная форма, вогнутая форма или другие неплоские формы внешней поверхности, в других вариантах осуществления. Хотя были представлены некоторые примерные составы режущего элемента 100, другие составы и структуры, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться, в зависимости от варианта применения. Хотя бурение в твердых породах представляет собой один пример применения, в котором может использоваться сверхтвердый материал 100, который описан ниже, сверхтвердый материал 100 может использоваться в различных других вариантах применения, включая в себя, но без ограничений, механическую обработку, обработку древесины и карьерные разработки.

Разные сорта PDC, PCBN, твердого и сверхтвердого материала доступны для использования резцов 100 в различных вариантах применения, таких как бурение различных горных пород, используя разные конструкции бурового долота, или для механической обработки разных металлов или материалов. Типичные проблемы, связанные с такими резцами 100, включают в себя скалывание, частичное растрескивание, дробление и/или отслаивание режущей пластины 120 во время использования. Эти проблемы приводят к раннему отказу режущей пластины 120 и/или подложки 110. Как правило, напряжения большой магнитуды, генерируемые в режущей пластине 120, в области, где режущая пластина 120 входит в контакт с подземными формациями во время бурения, может вызывать эти проблемы. Эти проблемы повышают стоимость бурения, из-за затрат, связанных с ремонтом, временем простоя во время производства и трудозатратами. Таким образом, конечный пользователь, такой как разработчик долота или инженер по эксплуатации, выбирает лучше всего работающую марку резца 100 для любой заданной задачи бурения или механической обработки для снижения вероятности возникновения этих типичных проблем. Например, конечный пользователь выбирает соответствующий резец 100 на основе баланса между устойчивостью к износу и устойчивостью к ударному воздействию резца 100, определяемых с использованием обычных способов. Как правило, информацию, доступную для конечного пользователя для выбора резца 100 соответствующей марки для конкретного варианта применения, выводят из регистрационных данных, которые представляют рабочие характеристики разных марок PDC, PCBN, твердых или сверхтвердых материалов в определенных областях и/или из функциональных лабораторных тестов, в которых пытаются копировать различные условия бурения или механической обработки при тестировании различных резцов 100. В настоящее время существуют две основные категории лабораторного функционального тестирования, которые используют в буровой отрасли. Эти тесты представляют собой тест на абразивный износ и тест на ударное воздействие.

Сверхтвердые материалы 100, которые включают в себя резцы 100 из поликристаллических алмазных вставок (“PDC”), были испытаны на устойчивость к абразивному износу путем использования двух обычных способов тестирования. Резец 100 PDC включает в себя режущую пластину 120, изготовленную из PDC. На фиг.2 показан токарный станок 200, применяемый для тестирования устойчивости на абразивный износ, используя тест с обычным гранитным кругляком. Хотя здесь представлена одна примерная конфигурация устройства токарного станка 200, другие конфигурации устройства, известные специалистам в данной области техники, можно использовать, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.

На фиг.2 токарный станок 200 включает в себя зажимной патрон 210, заднюю бабку 220 и резцедержатель 230, установленный между зажимным патроном 210 и задней бабкой 220. Целевой цилиндр 250 имеет первый торец 252, второй торец 254 и боковую стенку 258, продолжающуюся от первого торца 252 до второго торца 254. В соответствии с обычным тестом с гранитным кругляком, боковая стенка 258 представляет собой открытую поверхность 259, которая входит в контакт со сверхтвердым материалом 100 во время тестирования. Первый торец 252 соединен с зажимным патроном 210, в то время как второй торец 254 соединен с задней бабкой 220. Зажимной патрон 210 выполнен с возможностью вращения, обеспечивая, таким образом, одновременное с ним вращение целевого цилиндра 250 вдоль центральной оси 256 целевого цилиндра 250. Задняя бабка 220 выполнена с возможностью удержания второго торца 254 на месте, во время вращения целевого цилиндра 250. Целевой цилиндр 250 изготовлен из одного однородного материала, который обычно представляет собой гранит. Однако, другие типы скальных пород использовались в качестве целевого цилиндра 250, которые включают в себя, но без ограничений, Джекфоркский песчаник, известняк из Индианы, песчаник из Береа, Карфагенский мрамор, черный мрамор из Шамплейн, гранит из Беркли, белый гранит из Сьерры, Техасский розовый гранит, и серый гранит из Джорджии.

Резец 100 PDC установлен на резцедержателе 230 токарного станка таким образом, что резец 100 PDC входит в контакт с открытыми поверхностями 259 целевого цилиндра 250, и его перемещают вперед и назад вдоль открытой поверхности 259. Резцедержатель 230 имеет скорость подачи внутрь на целевом цилиндре 250. Устойчивость к абразивному износу резца 100 PDC определяют как степень износа, которую определяют, как отношение удаленного объема целевого цилиндра 250, к удаленному объему резца 100 PDC. В качестве альтернативы, вместо измерения объема, расстояние, на которое резец 100 PDC переместился внутрь целевого цилиндра 250, может быть измерено и может использоваться для количественного выражения устойчивости к абразивному износу резца 100 PDC. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники, можно использовать для определения устойчивости к износу, используя тест с гранитным кругляком. Работа и конструкция токарного станка 200 известны специалистам в данной области техники. Описания теста такого типа можно найти в публикации Baton, В.A., Bower, Jr., A.B., and Martis, J.A. “Manufactured Diamond Cutters Used In Drilling Bits.” Journal of Petroleum Technology, May 1975, 543-551. Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA, которая была опубликована в the Journal of Petroleum Technology in May 1975, а также можно найти в публикации Maurer, William С., Advanced Drilling Techniques, Chapter 22, The Petroleum Publishing Company, 1980, pp.541-591, которые представлены здесь по ссылке.

На фиг.3 показан вертикальный сверлильный станок 300, предназначенный для тестирования устойчивости к абразивному износу с использованием теста с вертикальным сверлильным станком (“VBM”) или теста с вертикально-токарным станком с револьверной головкой (“VTL”). Хотя представлена одна примерная конфигурация устройства для VBM 300, другие конфигурации устройства можно использовать без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Вертикальный сверлильный станок 300 включает в себя вращающийся стол 310 и резцедержатель 320, расположенный над вращающимся столом 310. Целевой цилиндр 350 имеет первый торец 352, второй торец 354 и боковую стенку 358, продолжающуюся от первого торца 352 до второго торца 354. В соответствии с обычным тестом VBM, второй торец 354 представляет собой открытую поверхность 359, в контакте с которой находится сверхтвердый материал 100 во время испытаний. Целевой цилиндр 350 обычно представляет собой приблизительно тридцать дюймов на приблизительно шестьдесят дюймов в диаметре; однако, его диаметр может быть больше или меньше.

Первый торец 352 установлен на нижнем вращающемся столе 310 VBM 300, в результате чего, его открытая поверхность 359 обращена к резцедержателю 320. Резец 100 PDC установлен в резцедержателе 320 над открытой поверхностью 359 целевого цилиндра и входит в контакт с открытой поверхностью 359. Целевой цилиндр 350 вращается, в то время как резцедержатель 320 выполняет циклические движения резцом 100 PDC от центра открытой поверхности 359 целевого цилиндра до ее кромки и обратно к центру открытой поверхности 359 целевого цилиндра. Резцедержатель 320 имеет заданную скорость подачи вниз. Способ VBM позволяет установить более высокие нагрузки на резце 100 PDC, и более крупный целевой цилиндр 350 обеспечивает больший объем скальной породы, на которую воздействует резец 100 PDC. Целевой цилиндр 350 обычно изготовлен из гранита; однако, целевой цилиндр может быть изготовлен из других материалов, которые включают в себя, но без ограничений, Джекфоркский песчаник, известняк из Индианы, песчаник из Береа, Карфагенский мрамор, черный мрамор из Шамплейн, гранит из Беркли, белый гранит из Сьерры, Техасский розовый гранит, и серый гранит из Джорджии.

Устойчивость к абразивному износу резца 100 PDC определяют, как отношение степени износа, которую определяют, как отношение объема целевого цилиндра 350, который был удален, к объему резца 100 PDC, который был удален. В качестве альтернативы, вместо измерения объема, можно измерять расстояние, на которое переместился резец 100 PDC через целевой цилиндр 350, и использовать для количественной характеристики устойчивости к абразивному износу резца 100 PDC. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться для определения устойчивости к износу, используя тест VBM. Операция и конструкция VBM 300 известны специалистам в данной области техники. Описание тестирования этого типа можно найти в публикации BertagnolU, Ken and Vale, Roger, “Understanding and Controlling Residual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for Enhanced Durability,” US Synthetic Corporation, 2000, которая представлена здесь полностью по ссылке.

В дополнение к тестированию на устойчивость к абразивному износу резцы 100 PDC также могут быть тестированы на устойчивость к ударным нагрузкам. На фиг.4 показано устройство 400 вертикального стенда ударных ускорений для тестирования устойчивости к ударным воздействиям сверхтвердых материалов, используя тест "падающий молоток", где металлический груз 450 подвешивают над и сбрасывают на резец 100. При тесте "падающий молоток" делается попытка эмулировать тип нагрузки, которая может возникать, когда резец 100 PDC переходит из одной формации в другую, или когда на него воздействуют поперечные и осевые вибрации. Результаты тестирования на ударное воздействие позволяют ранжировать разные резцы на основе их прочности к ударному воздействию; однако, это ранжирование не позволяет выполнить прогнозирование в соответствии с тем, как резцы 100 будут работать в условиях буровой скважины.

На фиг.4 устройство 400 вертикального стенда для ударных ускорений включает в себя сверхтвердый материал 100, такой как резец PDC, крепление 420 цели и ударную пластинку 450, расположенную над сверхтвердым материалом 100. Резец 100 PDC закреплен в креплении 420 цели. Ударная пластина 450 или груз обычно изготовлена из стали и располагается над резцом 100 PDC. Однако, ударная пластина 450 может быть изготовлена из альтернативных материалов, известных специалистам в данной техники. Резец 100 PDC обычно удерживается под углом 415, равным переднему углу в продольной плоскости, так, что алмазная пластина 120 резца 100 PDC установлена под углом внутрь в направлении ударной пластины 450. Диапазон угла 415, равного переднему углу в продольной плоскости резца, известен специалистам в данной области техники.

Ударную пластину 450 многократно сбрасывают на кромку резца 100 PDC, до тех пор, пока кромка резца 100 PDC не отломится или не разрушится в результате растрескивания. Эти тесты также называются “тестами” бокового удара, поскольку ударная пластинка 450 ударяет об открытую кромку алмазной пластины 120. Повреждения обычно возникают либо в алмазной пластине 120, или на контактной поверхности 115 между алмазной пластиной 120 и карбидной подложкой 110. Тест "падающий молоток" является очень чувствительным к структуре кромки алмазной пластины 120. Если пластина 120 будет немного скошенной, результаты испытаний могут существенно измениться. Общую энергию, выраженную в Джоулях, затраченную до получения первых повреждений алмазной пластины 120, записывают. Для более устойчивых к ударным воздействиям резцом 100, ударная пластина 450 может сбрасываться в соответствии с заранее установленным планом с увеличивающейся высоты, для того, чтобы передавать большую энергию удара резцу 100, с тем, чтобы получить повреждения. Однако, такой тест "падающий молоток" имеет недостатки, состоящие в том, что данный способ требует тестирования множества резцов 100 для достижения достоверной статистической выборки, которая позволяет сравнивать относительную устойчивость к ударному воздействию одного типа резца с другим типом резца. Такой тест дает неадекватные результаты для предоставления истинной устойчивости к ударным воздействиям на весь резец 100, когда на него воздействуют ударные нагрузки во внутрискважинной среде. Такой тест проявляет эффект статический удара, тогда как истинный удар является динамическим. Количество ударов в секунду может достигать до 100 герц ("Гц"). Кроме того, степень повреждения резца оценивается субъективно лицом с натренированным глазом, и ее сравнивают с повреждениями, возникшими в других резцах.

В то время как результаты различных испытаний на износ, доступных на рынке, обычно имеют разумную степень согласованности с фактическими характеристиками при работе внутри скважины, это не относится к результатам обычных тестов на ударные воздействия. Хотя существует некоторая степень корреляции между результатами обычных тестов на ударные воздействия и фактическими характеристиками при работе внутри скважины, рассеивание данных обычно очень велико, что приводит к трудностям или неточностям при прогнозировании, как резцы поведут себя в фактической среде внутри скважины.

Кроме того, множество трещин, возникающих в резце, не детектируются при использовании этих обычных тестов и, поэтому, остаются не детектированными при оценке жесткости резца.

Кроме того, поскольку выбор долота представляет собой критический процесс, важно знать механические свойства различных пород, которые должно бурить долото. Один из наиболее важных параметров, используемых в настоящее время для выбора долота, представляет собой предел прочности при неограниченном сжатии ("UCS") горной породы, который может быть измерен непосредственно на образцах керна или может оценен опосредованно по каротажным данным. Однако, при выборе долота нельзя. исключительно основываться на UCS горной породы, поскольку значение UCS может дезориентировать, в частности, когда UCS горной породы больше, чем 15000 pci и породы является хрупкой, в результате чего имеет низкое сопротивление развитию трещин К_1С. Таким образом, сопротивление развитию трещин горной породы также следует учитывать при выборе соответствующего бурового долота.

Краткое описание чертежей

Представленные выше и другие особенности, и аспекты изобретения лучше всего будут поняты со ссылкой на следующее описание определенных примерных вариантов осуществления, которое следует читать совместно с приложенными чертежами, на которых:

на фиг.1 показан сверхтвердый материал, который вставляется в скважинный инструмент, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;

на фиг.2 показан токарный станок для тестирования устойчивости абразивному износу, используя обычный тест с гранитным кругляком;

на фиг.3 показан вертикальный расточный станок для тестирования сопротивления абразивного износа, используя тест с вертикальным расточным станком или тест с вертикальным револьверным станком;

на фиг.4 показано устройство башни для сброса груза, предназначенное для тестирования устойчивости к ударному воздействию сверхтвердых материалов, используя тест "падающий молоток";

на фиг.5 показан вид в перспективе системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.6 показан вид в поперечном сечении устройства тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.7 показан вид в перспективе резцедержателя, как показано на фиг.5, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.8 показан вид в перспективе устройства тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 с индентором, удаленным из резцедержателя, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.9 показан вид в перспективе системы тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с альтернативным примерным вариантом выполнения настоящего изобретения;

на фиг.10 показана блок-схема устройства записи данных по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления;

на фиг.11 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до двух килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.12 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.13 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.14 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца, на который воздействует нагрузка приблизительно до сорока килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.15А показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца производителя резца #1 образца резца #1, на который воздействует нагрузка приблизительно до сорока пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.15В показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца производителя резца #2 образца резца #2, на который воздействует нагрузка приблизительно до тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.16 показана блок-схема последовательности операций способа для анализа точек данных, принятых от акустического датчика, в котором способ, включает в себя способ цикла один и способ цикла два, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.17 показана детальная блок-схема последовательности операций способа цикла один по фиг.16 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.18 показана детальная блок-схема последовательности операций способа цикла два по фиг.16 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.19 показано графическое представление акустической эмиссии резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.20 показан увеличенный вид части графического представления акустической эмиссии резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.21 показано представление интегрального распределения для каждого фактического акустического события в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения; и

на фиг.22 показана блок-схема процессора по фиг.10 в соответствии с примерным вариантом осуществления;

на фиг.23 показан образец горной породы, который может быть протестирован в системе тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 и 9, соответственно, вместо резца по фиг.1 в соответствии с примерным вариантом выполнения.

На чертежах иллюстрируются только примерные варианты осуществления изобретения, и, поэтому, их не следует рассматривать, как ограничения его объема, поскольку в изобретении могут применяться другие, в равной степени эффективные варианты осуществления.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на способ, устройство и программное обеспечение, для тестирования свойственной прочности, или жесткости твердых или сверхтвердых материалов, используя акустическое излучение. Хотя описание примерных вариантов осуществления представлено ниже в отношении резца PDC, альтернативные варианты осуществления изобретения могут применяться в других типах твердых или сверхтвердых материалов, включающих в себя, но без ограничений, резцы PCBN или другие твердые или сверхтвердые материалы, известные или еще не известные для специалистов в данной области техники. Например, твердые или сверхтвердые материалы включают в себя цементированный карбид вольфрама, карбид кремния, матричные образцы карбида вольфрама, керамику или вставки, покрытые способом осаждения из химических паров ("CVD"). Твердые или сверхтвердые материалы также включают в себя образцы горных пород, которые включают в себя, но не ограничиваются этим, твердые образцы горных пород и/или сцементированные образцы горных пород, полученные из буровой скважины.

Изобретение будет более понятно при чтении следующего описания не ограничительных примерных вариантов выполнения, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одинаковые их части каждой из фигур идентифицированы и обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций, которые кратко описаны ниже. На фиг.5 показан вид в перспективе системы 500 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.6 показан вид в поперечном сечении устройства 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.5 и 6, система 500 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии, соединенное с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных. Устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя резцедержатель 510, резец 100, индентор 550 и акустический датчик 570. В некоторых вариантах осуществления, однако, резцедержатель 510 является необязательным. Хотя резец 100 представлен в примерном варианте осуществления, образец 2300 горной породы (по фиг.23) заменяет резец 100 в альтернативных примерных вариантах осуществления.

На фиг.7 показан вид в перспективе резцедержатель 510 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.5, 6 и 7, резцедержатель 510 включает в себя первую поверхность 712, вторую поверхность 714 и боковую поверхность 716. Первая поверхность 712 расположена в плоскости, которая, по существу, параллельна плоскости, в которой расположена вторая поверхность 714. Боковая поверхность 716 продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 716 расположена, по существу, перпендикулярно, по меньшей мере, одной из первой поверхности 712 и второй поверхности 714. В соответствии с альтернативными примерными вариантами осуществления, боковая поверхность 716 не является, по существу, перпендикулярной ни первой поверхности 712, ни второй поверхности 714. Резцедержатель 510 изготовлен из стали; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, резцедержатель 510 изготовлен из любого металла, древесины или другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники, который позволяет выдерживать нагрузку 580, как описано более подробно ниже, которая может быть приложена. Нагрузка 580 может находиться в диапазоне от приблизительно ноль килоньютонов до приблизительно семидесяти килоньютонов. В некоторых примерных вариантах осуществления соответствующий материал может быть механически обработан или сформован и выполнен с возможностью распространения в нем звука. В определенных примерных вариантах осуществления соответствующий материал выполнен с возможностью распространения в нем звука со скоростью приблизительно 1 километр в секунду или выше.

Резцедержатель 510 выполнен так, что он имеет, по существу, цилиндрическую форму, в которой первая поверхность 712 имеет, по существу, круглую форму, вторая поверхность имеет, по существу, круглую форму, и боковая поверхность 716 имеет, по существу, изогнутую форму. Однако, боковая поверхность 716 включает в себя соединительный участок 730, который является, по существу, плоским, или имеет плоскую поверхность и продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. Соединительный участок 730 предоставляет поверхность для соединения акустического датчика 570 для резцедержателя 510. В некоторых примерных вариантах осуществления соединительный участок 730 не продолжается по всей длине от первой поверхности 712 до второй поверхности 714. В некоторых примерных вариантах осуществления акустический датчик 570 имеет такие размеры, что акустический датчик 570 может быть соединен с боковой поверхностью 716, которая имеет изогнутую форму. Таким образом, соединительный участок 730 является необязательным в таких примерных вариантах осуществления. Хотя одна примерная форма предусмотрена для резцедержателя 510, резцедержатель 510 может иметь любую другую или не геометрическую форму, такую как цилиндр в форма квадрата или цилиндр в форме треугольника, без отступа от объема и сущности примерного варианта осуществления.

Полость 720 сформирована в резцедержателе 510, и ее размеры выбраны так, чтобы в нее можно было устанавливать резец 100 или некоторый другой твердый или сверхтвердый материал, такой как образец 2300 горной породы (фиг.23), что дополнительно описано ниже. Полость 720 имеет размеры, несколько большие в диаметре, чем диаметр резца 100, обеспечивая, таким образом, возможность простой и свободной установки резца 100 внутри полости 720. Полость 720 продолжается от первой поверхности 712 в направлении второй поверхности 714, но не достигает второй поверхности 714. В других примерных вариантах осуществления полость 720 продолжается от первой поверхности 712 до второй поверхности 714 и продолжается через резцедержатель 510, формируя, таким образом, отверстие в резцедержателе 510. Полость 720 выполнена круглой по форме, но имеет любую другую геометрическую или не геометрическую форму в других примерных вариантах осуществления. Полость 720 сформирована путем механической обработки резцедержателя 510 или формования резцедержателя 510, так, чтобы в нем сформировалась полость 720. В качестве альтернативы, полость 720 сформирована с использованием других способов, известных специалистам в данной области техники. В некоторых примерных вариантах осуществления полость 720 сформирована так, чтобы обеспечить правильное выравнивание резца 100 одинаковым образом каждый раз, когда резец 100 вставляют в полость 720.

Резец 100 ранее был описан со ссылкой на фиг.1 и применим для примерных вариантов осуществления. Вкратце, резец 100 включает в себя подложку 110 и пластину 120 резца, которая сформирована или которая соединена с верхней частью подложки 110. В примерном варианте осуществления пластина 120 резца сформована из PDC, но в альтернативных примерных вариантах осуществления пластина 120 резца изготовлена из других твердых или сверхтвердых материалов, таких как PCBN, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Хотя резец 100 имеет плоскую пластину 120 резца, или выполнен цилиндрическим, пластина 120 резца может быть выполнена куполообразной, с вогнутой формой или любой другой формой, известной специалистам в данной области техники.

Резец 100 включает в себя обработанные и/или отшлифованные резцы, а также "необработанные" резцы. "Необработанные" резцы являются необработанными и представляют собой резцы, которые обычно доступны непосредственно из пресс-формы. Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают возможность тестирования обоих этих типов резцов. Поскольку изготовители резцов имеют возможность тестировать "необработанные" резцы, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, изготовители резцов имеют возможность гарантировать, чтобы они удовлетворяют спецификации уже на ранних этапах производства резца. Если изготовители резцов определяют, что "необработанные" резцы 100 не удовлетворяют соответствующим спецификациям, они имеют возможность выполнить необходимые изменения в своих операционных параметрах, для получения "хороших" резцов перед дальнейшим производством резцов. Кроме того, "необработанные" резцы могут тестироваться при более низком уровне килоньютонов или нагрузки, для гарантирования того, что "необработанные" резцы не будут трескаться после определенной нагрузки. Если возникают трещины во время тестирования "необработанных" резцов, изготовители резцов могут отказаться от дополнительных затрат, связанных с окончательной обработкой и шлифовкой этих "необработанных резцов; избегая, таким образом, ненужных затрат. Следовательно, каждый "необработанный" резец может быть тестирован в системе 500 тестирования на основе акустической эмиссии, с использованием более низких уровней нагрузки, для гарантирования того, чтобы резцы 100 являются "хорошими" резцами.

На фиг.6 резец 100 вставлен в полость 720 резцедержателя 510. Резец 100 ориентирован внутри полости 720 так, что пластина 120 резца обращена в направлении первой поверхности 712, или от второй поверхности 714. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления, весь резец 100 вставлен в полость 720. Однако, в альтернативных примерных вариантах осуществления, участок резца 100, который включает в себя всю подложку 110, полностью вставлен в полость 720. Таким образом, в этих альтернативных примерных вариантах осуществления, по меньшей мере, участок пластины 120 резца не вставлен в полость 720. После того, как резец 100 будет вставлен в полость 720, воздушный зазор 610 формируют между внешней кромкой резца 100 и внешней поверхностью полости 720. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, смазку 620 наносят на внешнюю кромку резца 100 или помещают внутрь полости 720. В этих примерных вариантах осуществления, после того, как резец 100 будет помещен в полость 720, смазка 620 заполняет, по меньшей мере, участок воздушного зазора 610 так, что смазка 620 налипает, как на внешнюю поверхность полости 720, так и на внешнюю кромку резца 100 и занимает участок воздушного зазора 610 между ними. В других примерных вариантах осуществления смазка 620 помещена, по меньшей мере, между нижней поверхностью полости 720 и основанием резца 100. Смазка 620 улучшает акустическую передачу между резцом 100 и акустическим датчиком 570. Смазка 620 представляет собой гель, такой как ультразвуковой гель, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. Однако, в альтернативных примерных вариантах осуществления, другие материалы можно использовать в качестве смазки 620, которые включают в себя, но не ограничиваются этим, масла, густую смазку и лосьоны. Эти материалы могут быть распределены с прилипанием их к поверхностям, и медленно высыхают. Хотя резец 100 описан, как используемый в этом примерном варианте осуществления, другие твердые или сверхтвердых материалы, для которых требуется выполнить тестирование жесткости, могут использоваться вместо резца 100.

Как снова показано на фиг.5 и 6, индентор 550 выполнен с куполообразной формой на первом торце 650 и имеет плоскую поверхность на втором торце 652. Индентор 550 изготовлен так, чтобы он был более жестким, чем резец 100 таким образом, что после приложения нагрузки 580 к индентору 550, повреждение возникает в резце 100, а не в инденторе 550. Например, индентор 550 изготовлен из карбида вольфрама и кобальта; однако, другие материалы, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться для изготовления индентора 550. В некоторых примерных вариантах осуществления содержание кобальта индентора 550 находится в диапазоне от приблизительно шесть процентов до приблизительно двадцать процентов. В некоторых примерных вариантах осуществления содержание кобальта в инденторе 550 больше, чем содержание кобальта в пластине 120 резца для резца 100. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления, слой PDC сформирован или установлен на первый торец 650 индентора 550. В этих вариантах осуществления содержание кобальта слоя PDC индентора 550 больше, чем содержание кобальта пластины 120 резца для резца 100. Кроме того, в этих примерных вариантах осуществления, содержание кобальта слоя PDC индентора 550 находится в диапазоне приблизительно от шести процентов до приблизительно двадцати процентов. Хотя кобальт используется в этих примерных вариантах осуществления для того, чтобы сделать индентор более жестким, чем резец 100, другие материалы, известные специалистам в данной области техники, можно использовать в альтернативных примерных вариантах осуществления.

Индентор 550 имеет такие размеры, чтобы он мог помещаться в полости 720 так, что он находится в контакте с резцом 100. В некоторых примерных вариантах осуществления периметр индентора 550 имеет размеры, по существу, аналогичные периметру полости 720. Однако, в примерных вариантах осуществления, когда, по меньшей мере, часть пластины 120 резца не находится внутри полости 720, индентор 550 может иметь такие размеры, чтобы периметр индентора 550 был больше, чем периметр полости 720. Индентор 550 ориентирован так, что первый торец 650 находится в контакте с резцом 100. Таким образом, в этом варианте осуществления, слой PDC индентора 550 находится в контакте со слоем PDC, или пластиной 120 резца для резца 100. Нагрузку 580 прикладывают ко второму торцу 652, который передает эту нагрузку 580 на резец 100. Хотя индентор 550 куполообразной формы используется в этих примерных вариантах осуществления, в других примерных вариантах осуществления могут использоваться инденторы, имеющие другие формы. Кроме того, второй торец 652 может быть сформирован с другой неплоской формой, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления.

Акустический датчик 570 представляет собой пьезоэлектрический датчик, который расположен вдоль соединительного участка 730 резцедержателя 510. Однако, акустический датчик 570 может представлять собой любой другой тип устройства, известный специалистам в данной области техники, в котором устройство выполнено с возможностью детектировать акустические передачи. Акустический датчик 570 детектирует сигналы упругой волны, формируемые в резце 100, который затем преобразует сигнал упругих волн в сигнал напряжения так, что данные могут быть записаны и впоследствии проанализированы. В некоторых примерных вариантах осуществления смазку 620 помещают в области контакта между соединительным участком 730 и акустическим датчиком 570. Как упомянуто выше, смазка 620 улучшает детектирование передачи упругой волны от резца 100 к акустическому датчику 570. В соответствии с некоторыми альтернативными примерными вариантами осуществления, акустический датчик 570 имеет такие размеры, что он выполнен с возможностью его размещения на изогнутой поверхности боковой поверхности 716. Акустический датчик 570 соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных так, что сигнал напряжения, выводимый из упругих волн, возникающих в резце 100, мог быть сохранен и впоследствии проанализирован. Акустический датчик 570 соединен с блоком 590 записи данных, используя кабель 592; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, акустический датчик 570 может быть соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных беспроводно, используя беспроводные технологии, включающие в себя, но без ограничений, инфракрасные и радиочастотные.

Блок 590 записи данных записывает данные, переданные из акустического датчика 570 и сохраняет эти данные. В некоторых примерных вариантах осуществления, устройство (не показано), или механизм, прикладывающий нагрузку 580, также соединено с блоком 590 записи данных, используя кабель 582; однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, устройство, подающее нагрузку 580, может быть соединено с возможностью передачи данных с блоком 590 записи данных по беспроводному каналу передачи, используя беспроводную технологию, включающую в себя, но без ограничений, инфракрасную и радиочастотную. Блок 590 записи данных также обрабатывает и анализируют данные, которые он принимает. Хотя блок 590 записи данных записывает, сохраняет, обрабатывает и анализируют данные, блок 590 записи данных может принимать данные, обрабатывать эти данные и анализировать данные, без сохранения данных в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления. В качестве альтернативы, в других примерных вариантах осуществления, блок 590 записи данных может сохранять данные, но не обрабатывать или не анализировать эти данные. В некоторых примерных вариантах осуществления дополнительное устройство (не показано) используется, для обработки и анализа этих данных.

На фиг.10 схематично показана блок-схема блока 590 записи данных по фиг.5 в соответствии с примерным вариантом осуществления. На фиг.5 и 10 блок 590 записи данных представляет собой компьютерную систему. Блок 590 записи данных включает в себя носитель 1040 сохранения информации, интерфейс 1030 пользователя, процессор 1020 и дисплей 1010.

Носитель 1040 сохранения информации принимает информацию из акустического датчика 570 (фиг.5) и записывает эту информацию. Носитель 1040 сохранения информации представляет собой жесткий диск, в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, носитель 1040 сохранения информации включает в себя, по меньшей мере, один из привода жесткого диска, портативного привода жесткого диска, привода USB, DVD, CD или любое другое устройство, выполненное с возможностью сохранения данных и/или программного обеспечения. В некоторых примерных вариантах осуществления носитель 1040 сохранения информации также включает в себя программное обеспечение для предоставления инструкций в отношении того, как обрабатывать информацию, или данные, принятые из акустического датчика 570 (фиг.5).

Интерфейс 1030 пользователя позволяет пользователю работать с блоком 590 записи данных, и предоставляет инструкции для управления блоком 590 записи данных. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, интерфейс пользователя включает в себя клавиатуру. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, интерфейс пользователя включает в себя, по меньшей мере, одну из клавиатуры, мыши, сенсорного экрана, который может представлять собой часть дисплея 1010, или любой другой интерфейс пользователя, известный специалистам в данной области техники.

Процессор 1020 выполнен с возможностью приема инструкций через интерфейс 1030 пользователя, обращения к информации, сохраненной на носителе 1040 сохранения информации, передачи информации на носитель 1040 сохранения информации, и передачи информации в дисплей 1010. В некоторых примерных вариантах осуществления, процессор 1020 обращается к программному обеспечению, которое записано на носителе 1040 сохранения информации и выполняет набор инструкций, предусмотренных этим программным обеспечением. Более подробное описание этих инструкций предоставлено дополнительно ниже. В некоторых примерных вариантах осуществления процессор 1020 включает в себя механизмы 2200 процессора, которые более подробно описаны ниже со ссылкой на фиг.16, 17, 18 и 22.

Дисплей 1010 принимает информацию из процессора и передает эту информацию пользователю. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, дисплей 1010 включает в себя монитор или экран. Однако, в соответствии с другими примерными вариантами осуществления, дисплей 1010 включает в себя, по меньшей мере, один из экрана, сенсорного экрана, принтера или любого другого устройства, выполненного с возможностью передачи информации пользователю.

Хотя это и не показано на фиг.10, блок 590 записи данных может быть соединен с возможностью обмена информации, либо по кабелю или по беспроводному каналу передачи данных, с внутренней сетью, в которой программное обеспечение и/или данные от акустического датчика 570 (фиг.5) сохранены в центральном сервере (не показан). Кроме того, в соответствии с некоторыми альтернативными примерными вариантами осуществления, блок 590 записи данных может быть соединен с возможностью передачи данных, либо по кабелю, или по беспроводному каналу, с модемом (не показан), в котором модем соединен с возможностью обмена данными с Всемирной сетью. В некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления, программное обеспечение и/или данные из акустического датчика 570 (фиг.5) сохранены в удаленном местоположении, доступ к которому осуществляется через Всемирную сеть.

На фиг.8 показан вид в перспективе устройства 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 с удаленным индентором 550 из резцедержателя 510 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.8, резец 100 полностью вставлен в полость 720 резцедержателя 510. Как показано, диаметр резца 100 меньше, чем диаметр полости 720, что, таким образом, формирует воздушные зазоры 610. Кроме того, слой PDC или пластина 120 резца ориентирован внутри полости 720 таким образом, чтобы слой PDC был обращен в направлении первой поверхности 712. Индентор 550 удален из полости 720 для дополнительной иллюстрации некоторых свойств индентора 550. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления, индентор 550 включает в себя подложку 808 и твердую поверхность 810, которая сформирована или соединена с верхней частью подложки 808. В примерном варианте осуществления твердая поверхность 810 сформирована из PDC, но в альтернативных примерных вариантах осуществления твердая поверхность 810 может быть изготовлена из других твердых или сверхтвердых материалов, таких как PCBN, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Хотя индентор 550 имеет твердую поверхность 810 куполообразной формы, твердая поверхность 810 может быть плоской или может иметь любую другую форму, известную специалистам в данной области техники. Как можно видеть, индентор 550 имеет диаметр, по существу, аналогичный диаметру полости 720, в соответствии с этим примерным вариантом осуществления.

В альтернативном варианте осуществления индентор 550 установлен внутри полости 720, так что его твердая поверхность 810 обращена к первой поверхности 712. Тестируемый резец 100 устанавливают поверх индентора 550 так, что пластина 120 резца находится в контакте с твердой поверхностью 810. Нагрузку 580 прикладывают вниз к задней стороне подложки 110 тестируемого резца 100. Акустическую эмиссию трещин, инициируемых и/или распространяющихся в тестируемом резце 100, передают через индентор 550 и в акустический датчик 570. В этом альтернативном примерном варианте осуществления резцедержатель 510 является необязательным.

На фиг.9 показан вид в перспективе системы 900 тестирования на основе акустической эмиссии в соответствии с альтернативным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.9 система 900 тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя устройство 905 тестирования на основе акустической эмиссии, которое соединено с возможностью обмена данными с блоком 507 записи данных. Устройство 905 тестирования на основе акустической эмиссии аналогично устройству 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5, за исключением того, что акустический датчик 570 непосредственно соединен с резцом 100 и резцедержатель 510 по фиг.5 удален. Резец 100, индентор 550, нагрузка 580, акустический датчик 570 и блок 590 записи данных были ранее описаны со ссылкой на фиг.5, 6, 7, 8 и 10. Кроме того смазку 620 (фиг.6) помещают между акустическим датчиком 570 и резцом 100, в соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления.

Работа системы 500 тестирования на основе акустической эмиссии описана со ссылкой на фиг.5-8. Резец 100 или твердый, или сверхтвердый материал, подвергаемые тестированию, помещают в полость 720 резцедержателя 510. Для улучшения передачи упругой волны через контактирующие поверхности между основанием или нижней поверхностью резца 100 и основанием полости 720, используют гель 620 на основе минерального масла между нижней поверхностью резца 100 и основанием полости 720. Акустический датчик 570 помещают на соединительном участке 730 резцедержателя 510 для детектирования упругих волн, генерируемых резцом 100. Для улучшения передачи упругой волны через контактирующие поверхности между акустическим датчиком 570 и соединительным участком 730 гель 620 на основе минерального масла также используют между акустическим датчиком 570 и соединительным участком 730. Индентор 550 помещают поверх слоя 120 PDC резца 100 и нажимают на этот слой 120 PDC, используя нагрузку 580. Нагрузку 580 устанавливают на индентор 550, используя устройство Instron серии 8500 на 100 килоньютонов. Это устройство (не показано) выполнено с возможностью управления величиной нагрузки, прикладываемой к индентору 550. Устройство подключено к блоку 590 записи данных таким образом, что измеряется зависимость нагрузки от времени. Хотя один пример устройства, способного предоставлять нагрузку 580, был раскрыт, любая система, позволяющая прикладывать измеряемую нагрузку к индентору 550, находится в пределах примерных вариантов осуществления данного изобретения. Например, устройство для подачи измеряемой нагрузки 580 может быть в диапазоне от ручного молота до полностью инструментованного ударного устройства или гидравлического устройства с управляемой нагрузкой постепенного повышающегося или циклического графика приложения нагрузки.

Нагрузку 580 прикладывают к индентору 550 и увеличивают с постоянной скоростью до требуемого уровня нагрузки. После достижения требуемого уровня нагрузки, уровень нагрузки поддерживают в течение заданного периода времени, который может быть в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут, и затем понижают с большей скоростью, чем скорость повышения. Каждый раз, когда новая трещина формируется, или существующая трещина начинает расти в верхнем алмазном слое 130, определенное количество упругой энергии высвобождается практически мгновенно в форме последовательности упругих волн, которые распространяются через слой PDC 120, подложку 110 и резцедержатель 510. Акустический датчик 570 детектирует эти упругие волны и преобразует принятые сигналы в сигнал напряжения. Акустический датчик 570 соединен с возможностью обмена данными с блоком 590 записи данных таким образом, что акустическую эмиссию или данные записывают в зависимости от времени. Такая акустическая эмиссия включают в себя фоновый шум и акустические события. Следовательно, поскольку предисторию акустической эмиссии и предисторию нагрузки записывают в блоке 590 записи данных, можно определить, при какой нагрузке 580 возникли определенные акустические события. Акустическое событие представляет собой событие, при котором формируется новая трещина или когда существующая трещина растет в слое 120 PDC. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, акустический датчик 570 предоставляет данные в блок 590 записи данных со скоростью приблизительно 5000 точек данных в секунду; однако, количество точек данных в секунду может быть увеличено или уменьшено, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.

На фиг.11 показано графическое представление 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, к которому прикладывают нагрузку вплоть до приблизительно двух килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.11, представление 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1110 времени, ось 1120 нагрузки и ось 1130 акустической эмиссии. Ось 1110 времени представлена, как ось X, и обозначена единицами времени в секундах, умноженных на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, численное значение на оси 1110 времени требуется разделить на 5000. Ось 1110 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше проходит времени, тем больше обще энергии прикладывают к резцу или испытуемому образцу. Ось 1120 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в килоньютонах. Ось 1130 акустической эмиссии также представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1130 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1140 нагрузки и кривая 1160 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1100 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1140 нагрузки, нагрузка увеличивалась от нуля килоньютонов до двух килоньютонов с постоянной скоростью 1142, или с определенной скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1143 нагрузки, или два килоньютона в данном примере, в течение некоторого периода времени и затем понижали со скоростью 1144 снижения нагрузки, которая была выше, чем скорость 1142 подъема. Кривая 1160 акустической эмиссии представляет записанный сигнал из акустического датчика. В соответствии с кривой 1160 акустической эмиссии, только единственная записанная акустическая эмиссия представляет собой фоновый шум 1162. При этом не были детектированы какие-либо акустические события. Кроме того, по мере увеличения нагрузки, фоновый шум 1162, также увеличивается.

На фиг.12 показано графическое представление 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, подвергавшегося нагрузке, вплоть до приблизительно пяти килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.12, представление 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1210 времени, ось 1220 нагрузки и ось 1230 акустической эмиссии. Ось 1210 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы в секундах, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси времени 1210 требуется разделить на 5000. Ось 1210 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше времени проходит, тем больше общей энергии прикладывается к резцу или тестовому образцу. Ось 1220 нагрузки представлена осью Y, и на ней предусмотрены единицы в килоньютонах. Ось 1230 акустической эмиссии также представлена осью Y, и на ней предусмотрены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1230 акустической эмиссий требуется разделить на десять. Кривая 1240 нагрузки и кривая 1260 акустической эмиссии обе показаны в представлении 1200 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1240 нагрузки, нагрузка увеличивалась от нуля килоньютонов до пяти килоньютонов с постоянной скоростью 1242 или со скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на уровне 1243 пиковой нагрузки, или пять килоньютонов в данном примере, в течение определенного периода времени и затем понижали со скоростью 1244 снижения, которая была выше, чем скорость 1242 подъема. Кривая 1260 акустической эмиссии представляет записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с кривой 1260 акустической эмиссии, была записана только акустическая эмиссия, представляющая собой фоновый шум 1262. При этом не были детектированы акустические события. Кроме того, по мере увеличения нагрузки также увеличивался фоновый шум 1262.

На фиг.13 показано графическое представление 1300 акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, который подвергали нагрузке вплоть до приблизительно тридцать килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.13, представление 1300 акустической эмиссии нагрузки резца включает в себя ось 1310 времени, ось 1320 нагрузки и ось 1330 акустической эмиссии. Ось 1310 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы секунды, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1310 времени требуется разделить на 5000. Ось 1310 времени также можно считывать, как энергию, передаваемую в образец. Другими словами, чем больше времени проходит, тем больше общее количество энергии прикладывают к образцу. Ось 1320 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы килоньютоны. Ось 1330 акустических эмиссий также представлена осью Y и на ней предусмотрены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1330 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1340 нагрузки и кривая 1360 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1300 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1340 нагрузки, нагрузку прикладывают от нуля килоньютонов до тридцати килоньютонов с постоянной скоростью 1342, или скоростью подъема. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1343 нагрузки, или тридцать килоньютонов в данном примере, в течение определенного периода времени, и затем снижали со скоростью 1344 понижения, которая выше, чем скорость 1342 подъема. Кривая 1360 акустической эмиссии представляет записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с кривой 1360 акустической эмиссии, записанная акустическая эмиссия включает в себя фоновый шум 1362 и одно или больше акустических событий 1364. Фоновый шум 1362 составляет большую часть данных, записанных во время теста. Акустическиe события 1364 показаны, как тонкие вертикальные линии, которые существенно продолжаются вверх от фонового шума 1362. Высота каждого акустического события 1364 над фоновым шумом 1362 пропорциональна величине упругой энергии, высвобождаемой при формировании каждой трещины и/или распространении события на величину постоянной калибровки. Каждое единичное акустическое событие 1364 длится в среднем приблизительно пятьдесят миллисекунд. В соответствии с данным примерным вариантом осуществления, акустический датчик делает выборку приблизительно 5000 точек данных в секунду, что обеспечивает возможность детектирования этих акустических событий 1364. Кроме того, по мере увеличения нагрузки, фоновый шум 1362 также увеличивается. После окончания этого теста визуально исследовали резец. Хотя на нем отсутствовали визуальные признаки какого-либо повреждения на верхней поверхности PDC резца, акустический датчик детектировал акустические события, возникающие внутри резца. Таким образом, акустический датчик позволяет детектировать минимальное повреждение, возникающее в резцах, когда на них воздействует нагрузка, даже при том, что это повреждение еще не видно.

На фиг.14 показано графическое представление акустической эмиссии и нагрузки резца для резца, на который воздействовала нагрузка приблизительно до сорока килоньютонов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Тот же образец резца, использовавшийся в тестах, представленный на фиг.13, использовали в тесте, показанном на фиг.14. На фиг.14 представление 1400 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя ось 1410 времени, ось 1420 нагрузки и ось 1430 акустической эмиссии. Ось 1410 времени представлена осью X, и на ней обозначены единицы в секундах, умноженных на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1410 времени требуется разделить на 5000. По оси 1410 времени также может считать значение энергии, которую прикладывают к образцу. Другими словами, чем больше времени проходит, тем большая общая энергия прикладывается к образцу. Ось 1420 нагрузки представлена осью Y, и на ней обозначены единицы в килоньютонах. Ось 1430 акустической эмиссии также представлена на оси Y, и на ней обозначены единицы милливольты, умноженные на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1430 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Кривая 1440 нагрузки и кривая 1460 акустической эмиссии обе показаны на представлении 1400 акустической эмиссии и нагрузки резца. В соответствии с кривой 1440 нагрузки, нагрузку повышали от нуля килоньютонов до сорока килоньютонов с постоянной скоростью 1442, или со скоростью повышения. Нагрузку выдерживали на пиковом уровне 1443 нагрузки, или сорок килоньютонов в данном примере, в течение определенного времени и затем понижали со скоростью 1444 понижения, которая выше, чем скорость 1442 повышения. Кривая 1460 акустической эмиссии представляет записанный сигнал из акустического датчика. В соответствии с кривой 1460 акустической эмиссии, записанная акустическая эмиссия включает в себя фоновый шум 1462 и одно или более акустических событий 1464. Акустические события 1464 показаны, как вертикальные линии, которые в значительной степени, продолжаются вверх от фонового шума 1462. Высота каждого акустического события 1464 выше фонового шума 1462, пропорциональна величине упругой энергии, высвобождаемой при каждом событии формирования и/или распространения трещины в пропорции, составляющей калибровочную константу. Как показано на фиг.14, акустические события 1464 не возникают в резце до тех пор, пока нагрузка не достигнет или не превысит предыдущую нагрузку, которая была приложена к этому резцу. Например, на данный резец ранее воздействовали нагрузкой вплоть до тридцати килоньютонов, как описано со ссылкой на фиг.13. Таким образом, новые акустические события 1464 не возникают до тех пор, пока нагрузка не достигнет и/или не превысит порог 1466, который составлял приблизительно тридцать килоньютонов в данном примере, которые ранее были приложены к резцу. Основываясь на экспериментах, видно, что для генерирования новых трещин или роста существующих трещин в резце, которые были сформированы в предыдущем испытании, должен быть приложен уровень нагрузки, равный или выше, чем предыдущий пиковый уровень 1343 нагрузки.

На фиг.15А показано графическое представление 1500 акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца изготовителя №1 резца образца №1 резца, на который воздействует нагрузка вплоть до приблизительно сорока пяти килоньютонов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.15В показано графическое представление 1550 акустической эмиссии и нагрузки резца для типа резца изготовителя №2 резца образца №2 резца, на который воздействовали нагрузкой вплоть до приблизительно тридцати килоньютонов, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.15А и 15В представление 1500 акустической эмиссии и нагрузки резца включает в себя кривую 1510 акустической эмиссии, представляющую одно или больше акустических событий 1520, возникающих для типа резца изготовителя №1 образца №1 резца, в то время как представление 1550 акустической эмиссии и нагрузки резца включают в себя кривую 1560 акустической эмиссии, представляющую одно или больше акустических событий 1570, возникающих для типа резца для изготовителя №2 резца и образца №2 резца. Для типа резца №2 изготовителя резца образца №2 резца возникает существенное большее количество акустических событий 1520 и 1570, чем для тип резца изготовителя №1 резца и образца №1 резца. Таким образом, разные типы резца представляют разные акустические структуры на своей соответствующей кривой акустической эмиссии. Основываясь на этих результатах, пользователь может определять, какой тип резца является более прочным, чем другой тип резца, и может, таким образом, ранжировать резцы в соответствии с их прочностью. В данном случае, тип резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца является более прочным, чем тип резца изготовителя №2 резца и образца №2 резца.

На основе экспериментальных результатов, показанных на фиг.11-15, могут быть выполнены, по меньшей мере, несколько наблюдений. Прежде всего, акустический датчик выполнен с возможностью детектировать формирование трещины и рост трещины в пределах алмазной пластины резца, по мере нагрузки индентора и выполнен с возможностью передавать сигналы, которые впоследствии могут быть проанализированы. Во-вторых, разные типы резца представляют разные структуры акустических событий и позволяют пользователю ранжировать прочность резца по сравнению с другим резцом. В-третьих, хотя могут отсутствовать видимые повреждения, детектируемые на поверхности пластины PDC резца, после испытаний, акустический датчик может детектировать любое невидимое повреждение, возникающее на резце.

На фиг.16 показана блок-схема последовательности операций способа 1600, для анализа точек данных, принятых из акустического датчика, в котором способ включает в себя способ 1680 цикла один и способ 1690 цикла два, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Хотя некоторые этапы показаны, как выполняемые в определенном порядке, последовательность этапов может изменяться, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления. Кроме того, хотя определенные функции выполняют на одном или больше этапах, количество этапов для выполнения этой функции может быть увеличено или уменьшено, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.

На фиг.16, на этапе 1605, начинается способ 1600. После этапа 1605, способ 1600 переходит на этап 1610. На этапе 1610 определяют одно или больше минимальных пороговых значений, над уровнем фонового шума, для квалификации точки данных, как возможного акустического события. После окончания этапа 1610, способ 1600 переходит на этап 1615 и этап 1625, которые могут выполняться одновременно в некоторых примерных вариантах осуществления. На этапе 1615 определяют фоновые точки, ограничивающие внешнюю огибающую фонового шума. На этапе 1625 возможные точки акустического события определяют на основе одного или больше пороговых значений, определенных на этапе 1610. Этап 1615 и этап 1625 включены в способ 1680 цикла один, который описан более подробно ниже со ссылкой на фиг.17.

После этапа 1615 способ 1600 переходит на этап 1620. На этапе 1620, фоновые точки, определенные на этапе 1615, интерполируют для получения кривой функции фонового шума. После этапов 1620 и 1625, способ 1600 переходит на этап 1630. На этапе 1630 фактические точки акустического события определяют, используя возможные точки акустического события, определенные на этапе 1680, и кривую функции фонового шума, определенную на этапе 1620. После этапа 1630 способ 1600 переходит на этап 1635. На этапе 1635 определяют амплитуду и длительность каждой фактической точки акустического события. После этапа 1635 способ 1600 переходит на этап 1640. На этапе 1640 рассчитывают площадь под каждой точкой акустического события. После этапа 1640 способ 1600 переходит на этап 1645. На этапе 1645 интегральное распределение областей сравнивают с фактической тестовой нагрузкой для каждой акустического события. Пользователь может использовать это сравнение для определения относительной прочности резца по сравнению с другим резцом. Такое сравнение позволяет получить определение, используя количественные и объективные способы. Длительность, амплитуда и частота точек акустического события и соответствующий уровень энергии или нагрузки, переданные в образец, могут быть скоррелированы непосредственно с рабочими характеристиками ударных воздействий на месте применения PDC, или другого твердого или сверхтвердого материала, тестирование которого производится. Способ 1600 позволяет измерять не только наименьшие величины обработки внешних поверхностей или нагрузки, требуемой для инициирования некоторого повреждения, но также обеспечивает возможность измерять количество дополнительной работы или нагрузки, которая должна быть выполнена для увеличения уровня повреждения. После этапа 1645 способ 1600 переходит на этап 1650, на котором способ 1600 останавливают.

На фиг.19 показано графическое представление 1900 акустической эмиссии резца для резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.20 показан увеличенный вид участка графического представления 2000 акустической эмиссии резца для резца, на который воздействует нагрузка, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.21 показано представление 2100 интегрального распределения для каждого фактического акустического события, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.19-21 представлена большая часть этапов, показанных в способе 1600 на фиг.16.

Как показано на фиг.19, представление 1900 акустической эмиссии резца включает в себя ось 1910 времени и ось 1930 акустической эмиссии. Ось 1910 времени представлена осью х, и на ней обозначены единицы секунды, умноженные на 5000. Таким образом, для получения периода времени в секундах, цифровое значение на оси 1910 времени требуется разделить на 5000. Ось 1930 акустической эмиссии представлена осью y, и на ней обозначены единицы в милливольтах, умноженных на десять. Таким образом, для получения напряжения в милливольтах, цифровое значение на оси 1930 акустической эмиссии требуется разделить на десять. Данные 1960 акустической эмиссии показаны на представлении 1900 акустической эмиссии резца. Данные 1960 акустической эмиссии представляют записанный сигнал от акустического датчика. В соответствии с данными 1960 акустической эмиссии, записанные данные акустической эмиссии включают в себя одну или больше фоновых точек 1962 и одну или больше возможных точек 1964 акустического события. Как показано на фиг.16 и 19, и в соответствии с этапом 1615 и этапом 1625 по фиг.16, данные 1960 акустической эмиссии сортируют так, чтобы они включали в себя фоновые точки 1962 и возможные точки 1964 акустического события. Сортировку данных 1960 акустической эмиссии выполняют, используя алгоритм, который находится в блоке 590 записи данных (фиг.5), в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. Однако, алгоритм может быть сохранен в другом устройстве, в альтернативных примерных вариантах осуществления или может быть выполнен вручную. В качестве альтернативы, другие способы, известные специалистам в данной области техники и на основе преимущества настоящего раскрытия, можно использовать для категоризации данных 1960 акустической эмиссии. Как показано на фиг.19, каждую фоновую точку 1962 отмечают кругом и каждую возможную точку 1964 акустического события отмечают квадратом. Присутствуют некоторые точки, которые не были определены, ни как фоновая точка 1962, ни как возможная точка 1964 акустического события. Эти метки представлены только с целью иллюстрации, и не предназначены для ограничения объема примерных вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг.16 и 19, и в соответствии с этапом 1620 по фиг.16, кривую 1970 функции фонового шума интерполируют, используя определенные фоновые точки 1962. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, кривую 1970 функции фонового шума интерполируют, используя многочлен четвертой степени; однако, многочлены другой степени можно использовать для интерполяции фоновых точек 1962, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.

На фиг.20 представлен увеличенный участок графического представления 2000 акустической эмиссии резца. В соответствии с этой фигурой, каждые данные 1960 акустической эмиссии, которые включают в себя фактические точки 2010 акустического события, имеют длительность 2020 времени, в течение которой они возникают. Кроме того, каждая фактическая точка 2010 акустического события имеет амплитуду 2030, которую измеряют вертикально от кривой 1970 функции фонового шума до положения, где расположена фактическая точка 2010 акустического события. На фиг.16 и 20, и в соответствии с этапом 1635 по фиг.16, рассчитывают амплитуду 2030 и длительность 2020 по времени фактической точки акустического события 2010. После определения амплитуды 2030 и длительности 2020 времени, рассчитывают площадь 2040 под каждой точкой 2010 фактического акустического события, путем умножения амплитуды 2030 на длительность 2020 времени. Этот этап заканчивается на этапе 1640 на фиг.16. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, единицы для площади 2040 составляют милливольт умножить на секунду и умножить на 5000; однако, можно использовать другие единицы, без выхода за пределы объема и сущности примерного варианта осуществления.

На фиг.21 представлено представление 2100 интегрального распределения для каждого фактического акустического события. В соответствии с этой фигурой, представление 2100 интегрального распределения включает в себя ось 2110 нагрузки и ось 2130 площади акустической эмиссии. Ось 2110 нагрузки представлена осью х и на ней предусмотрены единицы в килоньютонах. Ось 2130 площади акустической эмиссии представлена осью y и на ней предусмотрены единицы милливольты умножить на секунды, умножить на пятьдесят тысяч. Эта площадь, которую определяют, как лежащую под каждой фактической точкой акустического события. Таким образом, для получения площади в милливольтах умножить на секунды, цифровое значение на оси 2130 площади акустической эмиссии требуется разделить на пятьдесят тысяч. На фиг.16 и 21, и в соответствии с этапом 1645 на фиг.16, интегральное распределение площадей, которые графически показаны вдоль оси 2130 площади акустической эмиссии, сравнивают с фактической тестовой нагрузкой, которая отмечена по оси 2110 нагрузки для каждого фактического акустического события. Представление 2100 интегрального распределения обеспечивает такое сравнение для графика 2150 резца изготовителя №1 резца и образца №1 резца, и для графика 2160 резца изготовителя №2 резца и образца №2 резца.

Например, на одном из трех графиков 2150 резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца имеется точка фактического акустического события на уровне приблизительно двадцать восемь килоньютонов и со значением 3550 милливольт умножить на секунду, умножить приблизительно на 50000, которая обозначена, как точка А 2152. Это означает, что присутствовала интегральная область 3550 милливольт умножить на секунду, умножить на 50000, которая возникла при всех предыдущих точках фактического акустического события, включая в себя область для точки фактического акустической события, которое возникло при нагрузке приблизительно двадцать восемь килоньютонов. Следующая точка фактического акустического события, точка В 2154, на той же кривой возникает при нагрузке приблизительно 32,5 килоньютонов. Площадь под этой точкой фактического акустического события составляет приблизительно 650 милливольт умножить на секунду, умножить на 50000, что не показано непосредственно на представлении 2100 интегрального распределения. Однако, на уровне приблизительно 32,5 килоньютонов присутствовала интегральная площадь приблизительно 4200 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000. Таким образом, 4200 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000 минус приблизительно 3550 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000 равно приблизительно 650 милливольт, умножить на секунду, умножить на 50000. Твердый резец или резец, который имеет большую свойственную прочность, обеспечивает кривую, которая имеет меньшую интегральную площадь для данной нагрузки. Резец с крутой кривой с большим количеством точек фактических акустических событий с высокой амплитудой, имеет меньшую свойственную прочность, чем резец с менее крутой кривой и меньшими амплитудами точек фактических акустических событий. Таким образом, в соответствии с представлением 2100 интегрального распределения, сравнение между графиком 2150 резца изготовителя резца №1 образца №1 резца и графиком 2160 резца изготовителя №2 образец №2 резца обозначает, что резец изготовителя №1 резца для образца №1 резца имеет большую свойственную прочность, чем резец изготовителя №2 резца для образца №2 резца. Кроме того, на фиг.21 показаны три кривые, которые представляют график 2150 для резца изготовителя №1 резца для образца №1 резца и две кривые, которые представляют график 2160 для резца изготовителя №2 резца для образца №2 резца. Эти графики 2150 и 2160 иллюстрируют, что способ 1600 (фиг.16) имеет высокое разрешение таким образом, что вариации между образцами в одной и той же группе могут быть детектированы. Способ, предусмотренный на фиг.16, обеспечивает для пользователя информацию для ранжирования прочности резца среди других резцов объективным способом.

На фиг.17 иллюстрируется подробная блок-схема последовательности операций способа 1680 цикла один по фиг.16, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.17, на этапе 1705, начинается способ 1680 цикла один. Начиная с этапа 1705, способ 1680 цикла один переходит на этап 1710. На этапе 1710 считывают первую точку данных. После окончания этапа 1710 способ 1680 цикла один переходит на этап 1715, где считывают следующую точку данных. После этапа 1715 способ 1680 цикла один переходит на этап 1720. На этапе 1720 рассчитывают разности между двумя точками данных и сравнивают с первым значением допуска, который используется для определения акустического события. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, первое значение допуска составляет приблизительно 0,5 милливольта. Однако, первое значение допуска может быть выше или ниже в других примерных вариантах осуществления. Если разность между двумя точками данных не меньше, чем первое значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1725. На этапе 1725 определяют вторую из двух точек данных, как точку возможного акустического события. Начиная с этапа 1725, способ 1680 цикла один переходит на этап 1745, где способ 1680 цикла один определяет, присутствует ли другая точка данных. Если на этапе 1745 определяют, что другой точки данных нет, способ 1680 цикла один переходит на этап 1750, где способ 1680 цикла один останавливается. Однако, если на этапе 1745 определяют, что имеется другая точка данных, способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715.

Если на этапе 1720 определяют, что разность между двумя точками данных меньше, чем первое значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1730. На этапе 1730 разность между двумя точками данных сравнивают со вторым значением допуска. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, второе значение допуска составляет приблизительно 0,01 милливольта. Однако, второе значение допуска может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Если разность между двумя точками данных не меньше, чем второе значение допуска, способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715, и вторую точку данных не определяют. Однако, если разность между двумя точками данных меньше, чем второе значение допуска, способ 1680 цикла один переходит на этап 1735.

На этапе 1735 определяют, является ли разность между двумя точками данных отрицательной, и была ли она отрицательной менее, чем “z” раз подряд, или является ли разность положительной, и она была положительна для менее, чем “u” раз подряд. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, “z” рано двум, и “u” равно трем. Однако, ни одно из или оба из значения “u” и значения “z” не может быть выше или ниже в других примерных вариантах осуществления. Если не правда, что разность между двумя точками данных является отрицательной и была отрицательной менее, чем “z” раз подряд, или положительной, и была положительной для менее, чем “u” раз подряд, тогда способ 1680 цикла один переходит обратно на этап 1715, и вторую точку данных не определяют. Однако, если разность между двумя точками данных является отрицательной и была отрицательной меньше, чем “z” раз подряд или положительной и была положительной меньше, чем “u” раз подряд, тогда способ 1680 цикла один переходит на этап 1740.

На этапе 1740 вторая из двух точек данных определена, как точка границы заднего фона. Начиная с этапа 1740, способ 1680 цикла один переходит на этап 1745, где определяют, имеется ли другая точка данных. Способ 1680 цикла один продолжается до тех пор, пока этап 1750 не будет достигнут при выполнении этапов, описанных выше. Таким образом, способ 1680 цикла один обеспечивает способ для определения, какие точки данных должны быть определены, как точка возможного акустического события, точка границы заднего фона, или не определены, как ни один из типов точки.

На фиг.18 иллюстрируется подробная блок-схема последовательности операций способа 1690 цикла два по фиг.16, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.18, на этапе 1805, начинается способ 1690 цикла два. После этапа 1805, способ 1690 цикла два переходит на этап 1810. На этапе 1810 формируют кривую функции фонового шума, используя точки границы фонового шума. После окончания этапа 1810 способ 1690 два цикла переходит на этап 1815, где считывают первую точку возможного акустического события. После этапа 1815 способ 1690 цикла два переходит на этап 1820. На этапе 1820 разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума рассчитывают и определяют, является ли эта разность больше, чем третье значение допуска, которое используется для определения точки фактического акустического события. В соответствии с одним примерным вариантом осуществления, третье значение допуска составляет приблизительно 0,08 милливольт. Однако, это третье значение допуска может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Если разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума не больше, чем третье значение допуска, способ 1690 цикла два переходит на этап 1825. На этапе 1825 считывают следующую точку возможного акустического события, и способ 1690 цикла два переходит обратно на этап 1820. Однако, если разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фонового шума больше, чем третье значение допуска, способ 1690 цикла два переходит на этап 1830.

На этапе 1830 рассчитывают амплитуду, длительность и площадь между точкой фактического акустического события и кривой функции фонового шума. С этапа 1830 способ 1690 цикла два переходит на этап 1840. На этапе 1840 определяют, имеется ли другая точка возможного акустического события. Если присутствует другая точка возможного акустического события, способ 1690 цикла два переходит обратно на этап 1825, где способ 1690 цикла два продолжается. Однако, на этапе 1840, если отсутствует другая точка возможного акустического события, способ 1690 цикла два переходит на этап 1845, где способ 1690 цикла два останавливается. Таким образом, способ 1690 цикла два обеспечивает способ определения, какие точки данных должны быть определены, как точка фактического акустического события, и затем рассчитывают площадь для каждой определенной точки акустического события.

На фиг.22 иллюстрируется блок-схема процессора 1020 по фиг.10 в соответствии с примерным вариантом осуществления. Как упомянуто выше, способ выполнения одного или больше этапов, показанный на фиг.16-18, выполняют в процессоре 1020. Однако, в определенных других примерных вариантах осуществления, эти способы выполняют вручную или используя комбинацию выполнения вручную и в процессоре. Процессор 1020 расположен в блоке 590 записи данных, или в компьютерной системе. Хотя показан один процессор 1020, множество процессоров можно использовать, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления. Процессор 1020 включает в себя один или больше механизмов 2200 процессора.

Механизмы 2200 процессора включают в себя механизм 2210 сбора акустических данных, механизм 2220 определения точек фоновых шумовых, механизм 2230 определения точек возможного акустического события, механизм 2240 интерполяции кривой функции фонового шума, механизм 2250 определения точек фактического акустического события, механизм 2260 расчета площади фактического акустического события, и механизм 2270 кривой интегральной области и нагрузки. Хотя семь механизмов включены в механизмы 2200 процессора, количество механизмов может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. Кроме того, один или больше их этих ранее упомянутых механизмов 2200 процессора могут быть скомбинированы в меньшее количество механизмов 2200 процессора или разделены на дополнительные механизмы 2200 процессора, без выхода за пределы объема и сущности примерных вариантов осуществления.

Механизм 2210 сбора акустических данных собирает данные, по меньшей мере, из акустического датчика, который включает в себя фоновые точки и точки возможного акустического события. Механизм 2210 сбора акустических данных также собирает данные из нагрузки, в некоторых примерных вариантах осуществления, таким образом, чтобы соответствующие фоновые точки и возможные точки акустического события сопоставлены с заданной нагрузкой. Механизм 2220 определения фоновых точек оценивает данные, полученные из акустического датчика, и определяет, является ли эта точка данных фоновой точкой. Механизм 2220 определения фоновых точек выполняет этап 1615 на фиг.16. Возможный механизм 2230 определения точек возможных акустических событий выполняет оценку данных, полученных из акустического датчика, и определяет, является ли точка данных точкой возможного акустического события. Механизм 2230 определения точек возможного акустического события выполняет этап 1625 на фиг.16. Механизм 2220 определения фоновых точек и механизм 2230 определения точек возможного акустического события работают одновременно друг с другом, но могут работать независимо друг от друга в некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления.

Механизм 2240 интерполяции кривой функции фоновых шумов генерирует кривую функции фоновых шумов, используя фоновые точки, которые были определены ранее. Механизм 2240 интерполяции кривой функции фоновых шумов выполняет этап 1620 по фиг.16. Механизм 2250 определения точек фактических акустических событий определяет точки фактических акустических события, используя точки возможных акустических событий, которые были определены ранее, и кривую функции фоновых шумов. Механизм 2250 определения точек фактических акустических событий выполняет этап 1630 по фиг.16. После определения точек фактических акустических событий, механизм 2260 расчета площади фактического акустического события определяет площадь, формируемую между точкой фактического акустического события и кривой функции фонового шума. Механизм 2260 расчета площади фактического акустического события выполняет этап 1635 и этап 1640 на фиг.16. Механизм 2270 интегрированной площади и кривой нагрузки сравнивает интегрированное распределение площадей с фактической испытательной нагрузкой для каждой точки фактического акустического события. Механизм 2270 интегрированной площади и кривой нагрузки выполняет этап 1645 на фиг.16. Хотя механизмы 2200 процессора расположены в процессоре 1020, в некоторых примерных вариантах осуществления, механизмы 2200 процессора могут находиться в носителе сохранения информации, включающем в себя, но без ограничений, один или больше приводов жесткого диска, привод USB, компакт-диск, цифровой видеодиск или любое другое устройство-накопитель, известное или еще не известное специалистам в данной области техники.

Хотя механизмы 2200 процессора описаны в примерных вариантах осуществления, инструкции для определения жесткости резца могут быть предусмотрены в программном обеспечении, которое находится на носителе 1040 сохранения информации (фиг.10). Программное обеспечение включает в себя модули и/или код, которые аналогичны механизмам 2200 процессора, описанным выше.

На фиг.23 показан образец 2300 горной породы, который может быть протестирован в системах 500 и 900 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5 и 9, соответственно, вместо резца 100 по фиг.1, в соответствии с примерным вариантом осуществления. Как показано на фиг.5, 6, 9 и 23, образец 2300 горной породы заменяет резец 100 в системе 500 тестирования на основе акустической эмиссии или в системе 900 тестирования на основе акустической эмиссии. Способ тестирования и анализы результатов аналогичны способам и анализам, описанным выше, и обеспечивают информацию, относящуюся к пределу прочности при неограниченном сжатии и/или прочности образца 2300 горной породы.

Образец 2300 горной породы имеет цилиндрическую форму, которая аналогична резцу 100. Образец горной породы включает в себя первую плоскую поверхность 2310 на одном торце образца 2300 горной породы, вторую плоскую поверхность 2320 на противоположном торце образца горной породы, и окружающую поверхность 2330, продолжающуюся от первой поверхности 2310 до второй поверхности 2320. Однако, в альтернативных примерных вариантах осуществления, образец 2300 горной породы имеет другие геометрические или негеометрические формы, такие, как форма куба. В некоторых примерных вариантах осуществления форма образца горной породы 2300 представляет собой повторяющуюся форму, таким образом, что множество образцов 2300 горной породы сформированы, по существу, с аналогичной формой; обеспечивая, таким образом, сравнимость результатов тестирования.

На фиг.24 показано устройство 505 тестирования на основе акустической эмиссии по фиг.5, вставленное в камеру 2410, выдерживающую давление, в соответствии с примерным вариантом осуществления. Давление в камере 2410, выдерживающей давление, изменяется, и им можно управлять, и его можно измерять. Давление внутри камеры 2410, выдерживающей давление, изменяется от нуля pci до приблизительно 40000 pci в некоторых примерных вариантах осуществления; однако, диапазон давлений может быть больше или меньше в других примерных вариантах осуществления. В этих примерных вариантах осуществления другие компоненты, включающие в себя датчик 570 и индентор 550, выполнены с возможностью противостоять давлениям, формируемым внутри камеры 2410, выдерживающей давление. В соответствии с этими примерными вариантами осуществления, предел прочности при ограниченном сжатии горной породы и прочность могут быть измеримы при разных уровнях гидростатического давления, обеспечивая, таким образом, жизненно важную информацию о свойствах горной породы на разных глубинах ниже поверхности земли. Собранная информация пригодна для улучшения знаний о механизмах разрушения горной породы и также приводит к новым теориям и механическим моделям твердых горных пород. Собранная информация также может использоваться для подтверждения других известных теорий, которые еще не были доказаны. Хотя камера 2410, выдерживающая давление, представляет собой один из способов тестирования твердого материала или сверхтвердого материала 100, такого как образец 2300 горной породы, под давлением, другие механизмы обеспечения давлений для твердого материала или сверхтвердого материала 100 могут использоваться, такие как использование соединительных колец высокой прочности, собранных вместе и вокруг твердого материала или сверхтвердого материала 100, в альтернативных примерных вариантах осуществления.

Знание UCS и прочности образцов 2300 горной породы, используется конструкторами для формирования новых и инновационных конструкций долота, обладающих исключительными рабочими характеристиками, и/или для разработки новых методик конструирования долота, в которых учитывается значение UCS и значение К_1С. Информация, полученная из образцов 2300 горных пород, используется для калибровки программного обеспечения и инструментов в науках о земле и/или в геомеханике.

Хотя выше были описаны некоторые примерные варианты осуществления изобретения, альтернативные примерные варианты осуществления включают в себя использование нагрева твердого или сверхтвердого материала 100. Нагрев твердого или сверхтвердого материала 100 возникает либо по-отдельности или в комбинация из перед, во время, и/или после приложения нагрузки к твердому или сверхтвердому материалу 100. Тепло подают любым одним из множества способов, известных специалистам в данной области техники, которые включают в себя, но без ограничений, пламя, лазер, инфракрасное излучение и/или нагретую жидкость.

Хотя каждый примерный вариант осуществления был описан подробно выше, следует понимать, что любые свойства и модификации, которые применимы к одному варианту осуществления, также применимы к другим вариантам осуществления. Кроме того, хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, эти описания не означают, что их следует рассматривать в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативных вариантов осуществления изобретения будут понятны для специалистов в данной области техники, со ссылкой на описание примерных вариантов осуществления. Для специалистов в данной области техники следует понимать, что концепция и конкретные варианты осуществления, раскрытие здесь, могут непосредственно использоваться как основа для модификации или конструирования других структур или способов, для достижения тех же назначений изобретения. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема изобретения, которые описаны в приложенной формуле изобретения. Таким образом, предусматривается, что формула изобретения охватывает любые такие модификации или варианты осуществления, которые попадают в пределы объема изобретения.

1. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии, содержащее:
образец горной породы, содержащий первую поверхность;
акустический датчик, соединенный с тестируемым образцом с возможностью взаимодействия;
индентор, соединенный с указанной первой поверхностью с возможностью отсоединения, причем индентор является более твердым, чем образец горной породы; и
нагрузку, прикладываемую к индентору, причем индентор передает нагрузку на указанную первую поверхность,
при этом нагрузка увеличивается до пиковой нагрузки со скоростью повышения нагрузки, пиковая нагрузка выдерживается в течение временного периода, и нагрузка уменьшается со скоростью снижения нагрузки, которая больше, чем скорость повышения нагрузки, а
акустический датчик обеспечивает определение акустических событий, возникающих в образце горной породы.

2. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 1, в котором акустический датчик соединен с образцом горной породы.

3. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 2, дополнительно содержащее смазку, помещенную между акустическим датчиком и образцом горной породы.

4. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 1, дополнительно содержащее держатель тестируемого образца, имеющий полость, причем образец горной породы размещен в указанной полости, а акустический датчик соединен с держателем тестируемого образца.

5. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 4, в котором диаметр полости больше, чем диаметр образца горной породы, так что формируется воздушный зазор между наружной поверхностью полости и наружной поверхностью образца горной породы.

6. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 5, дополнительно содержащее смазку, помещенную в воздушный зазор, причем смазка находится в контакте с наружной поверхностью полости, наружной поверхностью образца горной породы и, по меньшей мере, частью воздушного зазора между ними.

7. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 1, в котором индентор содержит торец с PDC, причем торец с PDC находится в контакте с указанной первой поверхностью образца горной породы.

8. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 1, в котором индентор содержит концентрацию кобальта в диапазоне от приблизительно шести процентов до приблизительно двадцати процентов.

9. Устройство тестирования на основе акустической эмиссии по п. 1, в котором индентор содержит первый торец, причем первый торец находится в контакте с образцом горной породы, и первый торец имеет куполообразную форму.

10. Система тестирования на основе акустической эмиссии, содержащая устройство тестирования на основе акустической эмиссии, содержащее:
образец горной породы, содержащий первую поверхность;
акустический датчик, соединенный с тестируемым образцом с возможностью взаимодействия;
индентор, соединенный с указанной первой поверхностью с возможностью отсоединения, причем индентор является более твердым, чем образец горной породы; при этом индентор содержит первый торец, который находится в контакте с образцом горной породы, и указанный первый торец содержит кобальт с концентрацией в диапазоне от приблизительно шести процентов до приблизительно двадцати процентов; и
нагрузку, прикладываемую к индентору, причем индентор передает нагрузку на указанную первую поверхность,
блок записи данных, соединенный с устройством тестирования на основе акустической эмиссии с возможностью обмена данными, причем блок записи данных принимает данные из устройства тестирования на основе акустической эмиссии,
при этом нагрузка увеличивается до пиковой нагрузки со скоростью повышения нагрузки, пиковая нагрузка выдерживается в течение временного периода, и нагрузка уменьшается со скоростью снижения нагрузки, а
акустический датчик обеспечивает определение акустических событий, возникающих в образце горной породы.

11. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п. 10, в которой скорость снижения нагрузки больше, чем скорость повышения нагрузки.

12. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п. 10, в которой акустический датчик соединен с образцом горной породы.

13. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п. 10, дополнительно содержащая держатель тестируемого образца, имеющий полость, причем образец горной породы размещен в указанной полости, а акустический датчик соединен с держателем тестируемого образца.

14. Система тестирования на основе акустической эмиссии по п. 10, в которой образец горной породы подвергается воздействию давления.

15. Способ определения прочности тестируемого образца, характеризующийся тем, что:
предоставляют систему акустической эмиссии, причем система тестирования на основе акустической эмиссии, содержит:
устройство тестирования на основе акустической эмиссии, содержащее:
образец горной породы, содержащий первую поверхность;
акустический датчик, соединенный с образцом горной породы с возможностью взаимодействия;
индентор, соединенный с первой поверхностью с возможностью отсоединения, причем индентор является более твердым, чем образец горной породы; и
нагрузку, прикладываемую к индентору, причем индентор передает нагрузку на указанную первую поверхность, и
блок записи данных, соединенный с возможностью обмена данными с устройством тестирования на основе акустической эмиссии, блок записи данных принимает данные из устройства тестирования на основе акустической эмиссии,
причем к индентору прикладывают нагрузку, а индентор передает нагрузку на образец горной породы;
при этом нагрузку увеличивают до пиковой нагрузки с определенной скоростью повышения нагрузки;
выдерживают пиковою нагрузку в течение временного периода;
уменьшают нагрузку с определенной скоростью снижения нагрузки, которая больше, чем скорость повышения нагрузки;
получают данные от устройства акустической эмиссии;
детектируют акустические события, возникающие в образце горной породы; и
объективно рассчитывают прочность образца горной породы.

16. Способ по п. 15, в котором получение данных от устройства тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя получение данных от акустического датчика и нагрузки.

17. Способ по п. 15, в котором акустический датчик соединяют с образцом горной породы.

18. Способ по п. 15, в котором устройство тестирования на основе акустической эмиссии дополнительно содержит держатель тестируемого образца, имеющий полость, причем образец горной породы помещают в указанную полость, а акустический датчик соединяют с держателем тестируемого образца.

19. Способ по п. 15, в котором дополнительно нагревают тестируемый образец.

20. Способ по п. 15, в котором дополнительно прикладывают давление к образцу горной породы.

21. Способ определения прочности образца горной породы, реализуемый с помощью компьютера, содержащий этапы, на которых:
выполняют сбор акустических данных с помощью механизма сбора акустических данных из акустического датчика, когда нагрузка приложена к образцу горной породы, при этом акустический датчик соединяют с образцом горной породы с возможностью передачи данных;
определяют одну или больше фоновых точек с помощью механизма определения фоновых точек;
определяют одну или больше точек возможного акустического события с помощью механизма определения точек возможного акустического события;
интерполируют кривую функции фоновых шумов с помощью механизма интерполяции кривой функции фоновых шумов, используя фоновые точки;
определяют одну или больше точек фактических акустических событий с помощью механизма определения точек фактических акустических событий, используя точки возможных акустических событий и кривую функции фоновых шумов; и
выполняют расчет с помощью механизма расчета площади фактического акустического события, ограниченной между точкой фактической акустического события и кривой функции фоновых шумов.

22. Способ по п. 21, в котором определение с помощью механизма определения фоновых точек и определение, выполняемое с использованием точек возможного акустического события, выполняют одновременно.

23. Способ по п. 22, в котором фоновую точку определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных меньше, чем первое пороговое значение, причем точку возможного акустического события определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных больше, чем первый порог.

24. Способ по п. 22, в котором фоновую точку определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных меньше, чем второе пороговое значение, причем точку возможного акустического события определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных больше, чем первое пороговое значение.

25. Способ по п. 22, в котором фоновую точку определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных меньше, чем второе пороговое значение и является отрицательной, причем является отрицательной менее чем "z" раз подряд, или когда разность между двумя последовательными точками данных меньше, чем второе пороговое значение и является положительной, причем является положительной менее чем "u" раз подряд, при этом точку возможного акустического события определяют, когда разность между двумя последовательными точками данных больше, чем первое пороговое значение.

26. Способ по п. 21, в котором точку фактического акустического события определяют, когда разность между точкой возможного акустического события и кривой функции фоновых шумов больше, чем третье пороговое значение.

27. Способ по п. 21, в котором каждую площадь акустического события рассчитывают путем умножения амплитуды каждой из точек фактических акустических событий из кривой функции фоновых шумов на соответствующую длительность каждой точки из указанных точек фактических акустических событий.

28. Способ по п. 21, в котором дополнительно с помощью механизма кривой интегральной области и нагрузки генерируют кривую интегральной области и нагрузки, ограниченную между точкой фактического акустического события и кривой функции фоновых шумов для каждой точки фактического акустического события.

29. Способ по п. 28, в котором кривую интегральной области и нагрузки генерируют путем нанесения каждой точки фактического акустического события, используя нагрузку для соответствующей точки фактического акустического события и интегральную площадь для соответствующей фактической точки, при этом интегральная площадь содержит суммарную площадь под соответствующей фактической акустической точкой и под всеми предыдущими фактическими акустическими точками.

30. Способ по п. 28, в котором пользователь объективно определяет прочность образца горной породы, используя указанную кривую интегральной площади и нагрузки.

31. Способ по п. 21, в котором дополнительно подвергают давлению образец горной породы.