СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CALIBRATION METHOD FOR ACOUSTIC EMISSION DETECTORS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для калибровки датчиков акустической эмиссии, применяемых при эксплуатации газовых скважин.
Известен способ аналогичного назначения, реализуемый в имитаторе сигналов акустической эмиссии, заключающийся в воспроизведении на входе калибруемого датчика акустической эмиссии (ДАЭ) тестового сигнала с помощью специального имитатора сигналов акустической эмиссии.
При помощи крепежного элемента имитатор крепится непосредственно на контролируемом изделии, являясь калибрующим узлом для калибровки измерительных трактов (а.с. ССС №1363057, кл. G01 №29/04, 1987).
Известно устройство аналогичного назначения, включающее волновод в виде упругого элемента с линейным законом деформации и концентраторов, а также хрупкое покрытие из регенерируемого материала (а.с. СССР №1363057, G01N 29/04, 1987).
Недостатком известных аналогов способа и устройства является невысокая точность калибровки ДАЭ, связанная с хаотичностью воспроизведения тестового сигнала.
Известен способ калибровки ДАЭ, заключающийся в воспроизведении на входе калибруемого датчика на различных частотах тестового акустического сигнала, подаваемого на чувствительный элемент через акустическую проставку, и измерении отклика датчика на тестовые сигналы на различных частотах с последующей обработкой результатов измерений на компьютере (Патент РФ №2321849, кл. G01N 29/04, G01N 29/30, 2008).
Данный способ принят за прототип.
В прототипе амплитуда тестового сигнала измеряется с помощью интерферометра.
Известно устройство для калибровки ДАЭ, содержащее блок управления, подключенный к задатчику тестового сигнала, измеритель амплитуды отклика калибруемого датчика на тестовый сигнал на различных частотах и блок обработки, включающий в себя усилитель, соединенный через плату аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с компьютером с подключенными к нему монитором и принтером (Патент РФ №2321849, кл. G01N 29/04, G01N 29/30, 2008).
Данное устройство принято за прототип устройства для калибровки ДАЭ.
Недостатком прототипов способа и устройства является невысокая точность калибровки. Это связано в случае способа с хаотичностью воспроизводимого акустического сигнала, а в случае устройства - с отсутствием прямого акустического сигнала на входе чувствительного элемента ДАЭ.
Техническим результатом, получаемым от внедрения способа и устройства, является повышение точности калибровки ДАЭ за счет воспроизведения четко выраженного тестового акустического сигнала, непосредственно воздействующего на чувствительный элемент калибруемого датчика без промежуточных акустических контактов.
Данный технический результат в части способа достигают за счет того, что в известном способе калибровки ДАЭ, заключающемся в воспроизведении на входе калибруемого датчика на различных частотах тестового акустического сигнала и измерении отклика на тестовые сигналы на различных частотах при последующей обработке результатов измерений на компьютере, воспроизведение на входе калибруемого датчика на различных частотах тестового акустического сигнала проводят путем сбрасывания с фиксированной высоты на чувствительный элемент калибруемого датчика калиброванных по размеру частиц песка, причем сбрасывание калиброванных по размеру частиц песка на чувствительный элемент датчика проводят последовательно отдельными частицами с периодом их падения на чувствительный элемент датчика, не менее чем в 2÷3 раза превышающем максимальное значение измеренной длительности отклика калибруемого датчика на заданной частоте.
В части устройства данный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве для калибровки ДАЭ, содержащем блок управления, подключенный к задатчику тестового акустического сигнала, измеритель амплитуды отклика калибруемого датчика на тестовый сигнал на различных частотах и блок обработки, включающий в себя усилитель, соединенный через плату АЦП с компьютером с подключенными к нему монитором и принтером, задатчик тестового акустического сигнала выполнен в виде накопителя песка с отверстием внизу, управляемого дозатора калиброванных по размеру частиц песка, расположенного на фиксированной высоте над чувствительным элементом калибруемого датчика, при этом управляемый дозатор выполнен в виде механически связанных наклонного желоба и ортогонально ориентированных вибраторов, причем с верхней частью желоба состыкован накопитель песка с отверстием внизу и вибратор, работающий в горизонтальной плоскости поперек желоба, а с нижней - вибратор, работающий в вертикальной плоскости, а управляемые входы вибраторов подключены к выходу блока управления.
Причем угол наклона желоба дозатора к горизонту равен (5÷15)°.
Калибруемый ДАЭ установлен на сильфоне.
Сверху чувствительного элемента ДАЭ установлена вертикально направляющая воронка.
Изобретения поясняются чертежами.
На фиг.1а, б представлены диаграммы, поясняющие существо способа, на фиг.2 - схема устройства для реализации способа, на фиг.3 - диаграмма, поясняющая существо способа и работу устройства.
Длительность отклика на отдельный удар зависит от выбора частоты в широком спектре выходного сигнала с калибруемого ДАЭ (см. фиг.1а, частоты А, В, С), а совпадение предыдущего отклика на удар с передним фронтом последующего удара искажает амплитудное распределение зарегистрированных откликов (см. фиг.1б, удары под номерами 2, 3 и 4).
Устройство (фиг.2) содержит блок 1 управления, подключенный к задатчику тестового акустического сигнала, выполненного в виде накопителя 2 песка, расположенного на фиксированной высоте. Внизу накопителя 2 выполнено отверстие. Задатчик также содержит дозатор калиброванных по размеру частиц песка, выполненный в виде наклонного желоба 3 и механически связанных с ним двух ортогонально ориентированных вибраторов 4 и 5. С верхней частью дозатора состыкован накопитель 2 песка и вибратор 4, вибрирующий шток которого работает поперек желоба 3 в горизонтальной плоскости. С нижней частью дозатора состыкован вибратор 5, работающий в вертикальной плоскости.
Управляемые входы вибраторов 4 и 5 соединены с выходом блока управления.
Калибруемый датчик обозначен под позицией 6. Выход датчика 6 подключен через усилитель и АЦП к компьютеру, осуществляющему статистическую обработку амплитуды откликов на удары частиц, соединенному с монитором и принтером (Блоки вторичной аппаратуры датчика 6 на фиг.2 не показаны).
Угол α наклона желоба 3 дозатора к горизонту равен (5÷15)° и вместе с вибратором 4 они определяют дебит подачи песка. Вибратор 5 осуществляет равномерное распределение частиц по желобу. Датчик 6 может быть установлен на сильфоне (на фиг.2 не показан) с целью акустической развязки.
Сверху чувствительного элемента датчика 6 может быть установлена направляющая воронка 7, юстирующая поток частиц на поверхность чувствительного элемента.
Способ калибровки ДАЭ реализуется следующим образом.
С помощью задатчика тестового акустического сигнала на входе калибруемого датчика воспроизводится последовательность акустических сигналов - откликов на удары частиц на различных частотах. При этом из накопителя 2 калиброванных по размеру частиц песка на наклонный желоб 3 поступают частицы песка. Скорость движения частиц песка по желобу 3 задается наклоном желоба, а равномерность следования частиц и дебит потока частотой и амплитудой вибраций желоба 3.
Вверху наклонный желоб 3 вибрируют с помощью вибратора 4 в горизонтальной плоскости поперек желоба. Это позволяет задавать и стабилизировать дебит потока частиц в желобе. Внизу наклонный желоб 3 вибрирует в вертикальной плоскости, разделяя поток песка на отдельные частицы. Равномерность подачи частиц в юстировочную воронку 7 обеспечивает вибратор 5.
Как показали эксперименты, оптимальным материалом для изготовления желоба 3 является нержавеющая фольга толщиной (0,1÷0,2) мм, оптимальным углом его наклона к горизонту является угол (5÷15)°C, а оптимальный диапазон частот при этих условиях составляет (100÷1000) Гц, если длина желоба не превышает (10÷15) см.
Для устранения влияния от внешних фиксирующих устройств датчик 6 располагают на сильфоне, выполняющем роль акустической развязки (на фиг.2 не показан).
Поскольку перед вводом в эксплуатацию все ДАЭ проходят метрологическую аттестацию, включая градуировку, то длительность отклика калибруемого датчика 6 на тестовый сигнал приблизительно известна. С помощью описанного устройства добиваются того, чтобы период следования падения отдельных частиц калиброванного песка на чувствительный элемент ДСП-АКЭ превышал не менее чем в 2-3 раза максимальную длительность отклика датчика.
Это позволяет получать при калибровке единичные удары частиц о чувствительный элемент датчика 6 и исключить искажения Гауссового распределения амплитуд откликов, задаваемого высотой падения калиброванных частиц. При этом среднее значение амплитуды откликов зарегистрированных ударов, как и положение максимума в распределении амплитуд на шкале интенсивности, не зависит от дебита потока и определяется только высотой падения частиц (см. фиг.3).
Акустические отклики ударов частиц песка преобразуются датчиком 6 в переменное напряжение, которое после усилителя подается на плату быстрого АЦП (на фиг.2 не показаны).
Далее с помощью компьютера в реальном времени осуществляется быстрое Фурье-преобразование, цифровая запись сигнала калибровки на заданных частотах, анализ статистики амплитуд откликов распределения откликов по амплитуде с определением среднего значения зарегистрированных ударов и положения максимума в их распределении на шкале интенсивности. При этом разница между средним значением амплитуды зарегистрированных ударов и положением их максимума в распределении на шкале интенсивности (т.е. асимметрия самого распределения) позволяет контролировать степень однородности калиброванных частиц по размеру. Чем больше разница, тем менее однороден калиброванный песок.
На фиг.3 дано распределение интенсивности откликов ДАЭ при калибровке отдельных калиброванных частиц песка. Кривая 1 - реальное распределение; 2 - сглаженная функция распределения; 3 - положение максимума распределения на шкале интенсивности; 4 - положение средней величины откликов за период калибровки).
Четко разделенные по времени тестовые акустические сигналы, подаваемые на вход калибруемого датчика, позволяют повысить точность калибровки, достигая поставленный технический результат.
Способ и устройство внедрены в цикл производства акустических датчиков - сигнализаторов песка и капельной влаги в потоке газа в трубопроводах на подземных хранилищах газа и на газодобывающих предприятиях ОАО «Газпром».