SU1746297A1 - Ультразвуковое устройство дл измерени контактных давлений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к активным ультразвуковым информационно-измерительным системам и может быть использовано в бурильной технике, в машиностроении и других отрасл х промышленности дл  повышени  точности измерени  контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений или других напр женных контактирующих пар. достигаетс  за счет снабжени  устройства блоком фильтрации с задатчиком и двухканальным аналого-циф- ровь-м преобразователем Устройство в процессе сборки контролируемого соединени  корректирует текущее измеренное значение контактного давлени  с учетом уровн  и характера шумов что обеспечивает повышение точности измерени  2 ил

Description

Изобретение относитс  к активным информационно-измерительным системам и может быть использовано в бурильной технике , на стендах дл  сборки замков с буриль- иы&.и трубами и муфт с обсадными трубами, используемых при бурении нефт ных и газовых скважин, а также в машиностроительной и других отрасл х промышленности дл  контрол  контактных давлений в напр женных контактирующих парах по сопр гаемым поверхност м узлов машин и механизмов

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

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

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

а

ю ю

лени , блок регистрации дефектов, блок эталонного сигнала и блок сравнени . Кроме того, он снабжен последовательно соединенными блоком электронных ключей, блоком пам ти, дополнительным блоком электронных ключей, сумматором, блоком компаратров, блоком управлени  и блоком датчиков положени .

В этом устройстве с целью уменьшени  погрешностей, вызванных колебани ми параметров узлов электронно-акустического тракта, предусмотрено выполнение процедуры калибровки в промежутках между операци ми контрол . Однако така  калибровка не может быть выполнена при измерении измен ющегос  во времени параметра .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство , в котором дл  того, чтобы исключить динамические погрешности, которые получаютс  за счет неравномерной спектральной характеристики пьезоэлектрических преобразователей, примен ют корректирующие цепи, Сущность этих корректирующих цепей, которые называютс  инверсными фильтрами, заключаетс  в использовании в измерительной цепи устройства с передаточной функцией, равней обратной передаточной функции канала излучатель - объект измерени  - приемник. Таким образом, инверсный фильтр компенсирует динамику рассматриваемого канала, а следовательно, и динамические ошибки, которые могли бы возникнуть в этом канале.

Однако применение такого устройства затруднительно из-за сложности технической реализации передаточной функции самого корректирующего фильтра, а также в св зи с возникновением проблемы обеспечени  устойчивости всей измерительной системы. Кроме того, отсутствие в нем технических средств подавлени  неконтролируемых флуктуационных помех, которыми дл  случа  контрол  контактных давлений резьбовых соединений труб  вл ютс  качество акустического контакта, шероховатость поверхностей соедин емых деталей, неоднородность химического и структурного состава материала этих деталей , степень их упругой и пластической деформации , наличие дефектов в контролируемых детал ), изменени  температурного режима оезьбоього соединени  и др. Эти помехи аддитивно накладываютс  на величину полезного выходного сигнала и искажают его.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений .

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

На фиг. 1 представлена функциональ5 на  схема ультразвукового устройства дл  измерени  контактных давлений, на фиг 2 - схема блока фильтрации.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов излучающий 2 и

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

5Генератор 1 зондирующих импульсов

предназначен дл  получени  кратковременных импульсов высокочастотных электрических колебаний, которые используютс  дл  возбуждени  изл/чающего электрического

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

0 поступающий F- d дгзухканальный АЦП 5. Излучающим 2 г принимающий 3 электроакустический пр. эбразователи предназначены соответствен1 ю дл  возбуждени  и преобразовани  у- ырззвуковых волн, т.е. дл  со5 здани  деформаций при возникновении в г /ззоэлементе туеменного эпект: ическо- го пол  и создани  электрической , у.укции в  лектр зкустичес/ом преобразователе в результате мох .ьмеских напр  . и пре .фззовзтс-v .юпсиь- э; ютс 

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

Усилитель 4 служит дл  усилени  и выпр млени  электрических сигналов и содержит электронный ключ, предусилитель, 5 измеритель амплитуды сигналов, усилитель высокой частоты, детектор, видеоусилитель и интегратор, Электронный ключ по сигналу с временного селектора 10 соедин ет вход предусилител  с приемным электроаку- 10 стическим преобразователем 3 на врем  действи  последнего. Предусилитель обеспечивает электрическое согласование усилительного тракта с приемным электроакустическим преобразователем 3. Дл  из- 15 мерени  отношений сигналов на входе усилител  высокой частоты имеетс  калиброванный делитель напр жени , который  вл етс  основной составной частью измерител  амплитуд сигналов. Усилитель высо- 20 кой частоты усиливает полученный сигнал. Последний поступает на детектор, который выдел ет однопол рную огибающую радиоимпульса . Продетектированные импульсы поступают на видеоусилитель, а затем на 25 интеграторе преобразовываютс  в непрерывный аналоговый сигнал.

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

Блок 6 фильтрации предназначен дл  выработки оптимальной оценки напр жени , снимаемого с усилител  4, которое ха- 40 рактеризует амплитуду ультразвуковых колебаний.

Индикатор 7 предназначен дл  индикации величины контактного давлени , 45 выраженного в мегапаскал х и содержит масштабирующее устройство, преобразующее полученную в блоке 6 фильтрации оптимальную оценку амплитуды ультразвуковых колебаний в величину кон- 50 тактного давлени , возникающего по сопр женным поверхност м резьбового соединени  или в напр женных слоистых средах, и, собственно, цифровой индикатор. Индикатор 7 может быть выполнен на базе 55 однокристалльной микроЭВМ КМ1816ВЕ- В, микросхем КР514ИД2 и цифровых индикаторов типа АЛСЗЗЗБ,

С помощью задатчика 8 блоку 6 фильтрации задают следующие константы:

Персию шумов состо ни  Oq, дисперсию шумов измерени  сг, параметр ультразвуковой измерительной системы (р и начальное значение ошибки фильтрации , За- датчик 8 может быть собран с помощью программируемых переключателей типа ПП-10 и элементов пам ти с трехстабильны- ми состо ни ми на выходе. При условии наличи  разрешающего сигнала с усилител  4 на выходе программируемых переключателей образуютс  двоично-дес тичные коды выставленных цифр.

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

Дл  выделени  полезного сигнала, поступающего на вход усилител  4, служит временной селектор 10. С этой целью в нем содержитс  калиброванна  схема временной задержки синхронизирующего импульса. В момент окончани  задержки во временном селекторе 10 формируетс  импульс , который используетс  дл  запуска ге- нератора стробирующего импульса, позвол ющего выполнить временную селекцию в усилителе 4.

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

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

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

В блоке 6 фильтрации новое значение оптимальной оценки напр жени  хк, снимаемого с усилител  4, которое характеризует контактное давление в резьбовом соединении в дискретный момент времени tk. вычисл етс  из предыдущего значени  оценки напр жени  xVi. полученного в момент времени tk-1, путем прибавлени  взвешенной разности между измеренным значением этого напр жени  Zk в момент времени tk и его оценкой в момент времени tk-1 и прибавлением детерминированного воздействи  (зондирующего сигнала) Uk. т.е. новое значение оценки вычисл етс  по следующему алгоритму:

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

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

Kk - коэффициент коррекции ошибки фильтрации, который определ етс  следующим образом:

Kk

-1/k -1 +0q $ Щ k - 1/k - 1 + Oq O

где Oq - дисперси  шумов состо ни , т.е. суммарной помехи, котора  аддитивно накладываетс  на полезный сигнал;

а - дисперси  шумов измерени , т.е. неконтролируемых шумов регистрирующей аппаратуры;

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

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

В свою очередь k/k определ етс  из следующей формулы:

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

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

Устройство работает следующим образом .

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

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

значени  дисперсии шумов состо ни  Oq, дисперсии шумов измерени  о§, параметра

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

5 через замыкающий контакт реле 6.15 вводитс  в умножитель 6.12 блока 6 фильтрации . После этого включают генератор 1 зондирующих импульсов. Последний с частотой задаваемой ему генератором синх0 ронизирующих импульсов, возбуждает пьезопластину излучающего электроакустического преобразовател  2. Ультразвуковые колебани , проход  через сопр женные поверхности витков резьбового соединени ,

5 отражаютс  от донной поверхности соединени  и попадают на приемный электроакустический преобразователь 3, где они преобразуютс  в электрические сигналы, поступающие на вход усилител  4. Послед0 ний включаетс  только на врем  действи  стробирующего импульса, поступающего с временного сзлектора 10. Усиленный и про- детектированный сигнал напр жени  с усилител  4 поступает на вход двухканального

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

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

П ko АО

В блоке 6 фильтрации задержанное на один такт на элементе 6.1 задержки значение оптимальной оценки напр жени  хы, снимаемого с усилител  4, в умножителе 6.2 перемножаетс  со значением параметра (р. Полученное значение вычитаетс  в сумматоре 6.4 из текущего значени  напр жени  zk и умножаетс  на коэффициент коррекции ошибки фильтрации Kk в умножителе 6.5. Выходное значение последнего складываетс  в сумматоре 6.3 с выходным значением умножител  6.2 и величиной зондирующего сигнала Uk- Полученна  величина  вл етс  новым значением Xk оптимальной оценки напр жени , снимаемого с ;силител  4 в момент времени tk. Одновременно значение параметра f, поступающее от задатчика 8, умножаетс  само на себ  в квадраторе 6.13. Полученное значение у в умножителе 6.12 умножаетс  на величину начального значени  ошибки фильтрации rj k0A0 (B Г1(ЭР вый момент времени ti) или на величину ошибки фильтрации j/k-1/k-i в последующие моменты времени tk-1. Значение произведени  yr k-1/k-i в сумматоре 6.10 складываетс  с поступающей от задатчика 8 величиной Oq. Полученна  сумма

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

f Jjk-iA i+ Oq+ подаетс  на делитель 6.7. Выходом последнего  вл етс  значение коэффициента коррекции ошибки фильтрации Kk в момент времени tk.. которое получаетс  в результате делени  величины

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

5

0

5

0

5

0

5

0

5

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

Вычисленное в блоке 6 фильтрации новое значение xk оптимальной оценки напр жени , снимаемого с усилител  4 в момент времени tk, поступает на индикатор 7, на котором осуществл етс  индикаци  величины контактного давлени , возникающего в резьбовом.соединении в процессе сборки обсадных труб в момент времени tk.

Таким образом, предлагаемое устройство в темпе с процессом измерени  на основании априорной информации о статических характеристиках шумов состо ни 

Claims (1)

1. Oq и шумов измерени  oj, а также параметра р, корректирует текущее значение напр жени , снимаемого с приемника, по принципу формировани  оптимальной оценки, тем самым повыша  точность измерени  контактных давлений в процессе сборки резьбоБы-с соединений или других напр женных контактирующих пар. Формула изобретени  Ультразвуковое устройство дл  измерени  контактных давлений, содержащее последовательно соединенные синхронизатор , генератор зондирующих импульсов и излучающий электроакустический преобразователь , приемный электроакустический преобразователь и подключенный к его выходу усилитель, подключенный к выходу синхронизатора временной селектор, выход которого подключен к управл ющему входу усилител , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  контактных давлений в процессе сборки резьбовых соединений, оно снабжено последовательно соединенными задат- чикоми блоком фи-ьтргции, выход которого подключен к индикатору, двухканальным аналого-цифрогым преобразователем, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу усилител  и второму выходу генератора зондирующих импульсов , а выход - к второму входу блока фильтрации, при этом выход усилител  соединен с входом задатчика.

   реэА&обое c0edv#Ј#t/e

   б

   г . /

   .-