Датчик акустический эмиссионный резонансного типа

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована, например, в газовой и нефтедобывающей промышленности для обнаружения утечек рабочей среды из полости трубопровода и трубопроводной арматуры.
При эксплуатации трубопроводной арматуры магистральных газопроводов, вследствие воздействия негативных факторов, возникают дефекты, приводящие к утечкам рабочей среды в атмосферу или через затвор трубопроводной арматуры в отсекаемый трубопровод. Одним из методов диагностики утечек рабочей среды является акустико-эмиссионный метод, который заключается в анализе параметров упругих волн напряжения в твердых телах, вызванных утечками рабочей среды.
Известны различные устройства для определения герметичности оборудования магистральных газопроводов, основанные на акустико-эмиссионном методе.
Известен пьезоэлектрический датчик акустической эмиссии, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами и приемник акустических колебаний [патенты на изобретения RU 2110792, кл. G01N 29/14, 1998; US 6923063, кл. 73-587 (кл. G01N 29/14), 2005].
Основным недостатком датчика является низкая чувствительность к сигналам акустической эмиссии.
Известен также датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, причем приемник контактирует с пьезоэлементом, при этом датчик дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за котировочным устройством, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельным с корпусом в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство - в виде плавающей пары, включающей последовательно расположенные плосковыпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, причем первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины, [патент на изобретение RU 2352932, кл. G01N 29/14, 2009].
Последнее техническое решение принято за прототип заявляемой полезной модели. Недостатком прототипа является то, что принимаемые им акустические волны перед попаданием на второй преобразователь преодолевают двойное расстояние, проходя через юстировочное устройство, в результате чего частично затухают, при этом элементы юстировочного устройства не имеют между собой непосредственной связи, что также способствует затуханию, в целом приводя к снижению чувствительности.
Технический результат настоящей полезной модели выражается в повышении чувствительности датчика акустического эмиссионного резонансного типа.
Поставленный технический результат достигается тем, что в известном акустическом датчике, эмиссионно резонансного типа, принятом за прототип, содержащем корпус, пьезоэлементы с электродами, приемник и крепежное устройство, причем приемник контактирует с пьезоэлементами, при этом приемник выполнен в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, который жестко закреплен на первичном пьезоэлементе, дополнительно содержит упорную шайбу, распределяющую нагрузку от приемника на первичный пьезоэлемент, а датчик дополнительно содержит пластинчатую призму, систему подвеса, состоящую из пружины и двух демпфирующих прокладок, установленную со свободной стороны вторичного пьезоэлемента, причем приемник передает продольные, изгибные и крутильные волны на первичный пьезоэлемент, а поперечные волны передает на вторичный пьезоэлемент посредствам пластинчатой призмы, при этом первичный и вторничный пьезоэлементы разделены изолирующей прокладкой, а электрические сигналы от первичного и вторичного пьезоэлементов суммируются и передаются по контактному экранированному проводу на обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру.
Конструктивная схема акустического датчика представлена на фиг. 1; на фиг. 2 показана блок-схема основных узлов акустического датчика с объектом контроля и приемником.
На фиг. 1 обозначено: 1 - корпус, 2 - приемник, 3 - втулка, 4 - кольцевой неодимовый магнит, 5 - крышка, 6 - упорная шайба, 7 - пластинчатая призма, 8 - первичный и вторичный пьезоэлементы, 9 - изолирующая прокладка, 10 - контактный экранированный провод, 11 - гнездо, 12 - система подвеса, состоящая из пружины и двух демпфирующих прокладок, 13 виброизоляция, 14 - звукоизоляция.
На фиг. 2 изображена последовательность прохождения звукового сигнала от объекта контроля к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.
Полезная модель работает следующим образом.
Датчик устанавливают на объект контроля, например, поверхность трубы или колонну удлинителя шпинделя шарового крана (подземного исполнения), таким образом, чтобы приемник 2 был прижат к поверхности объекта контроля. Кольцевой неодимовый магнит 4 при этом фиксирует акустический датчик на объекте контроля. При этом пружина системы подвеса 12 служит для защиты первичного и вторичного пьезоэлементов 8 от воздействия предельных нагрузок при прижатии приемника 2 к объекту контроля. Сигналы акустической эмиссии, возникающие в объекте контроля при утечке рабочей среды, вызывают в приемнике 2 акустический сигнал в виде продольных, изгибных и крутильных волн, способных распространяться в твердых цилиндрических телах, который преобразуется первичным пьезоэлементом 8 в соответствующий по частоте, амплитуде и коэффициенту преобразования электрический сигнал, передаваемый по контактному экранированному проводу 10 на обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру. При этом упорная шайба 6 служит для распределения нагрузки на первичный пьезоэлемент 8 от приемника 2. В пластинчатой призме 7 возникает акустический сигнал в виде поперечных волн, способных распространяться в твердых телах, который преобразуется вторичным пьезоэлементом 8 в электрический сигнал, также передаваемый по контактному экранированному проводу 10 на обрабатывающую и регистрирующую аппаратуру - приемник на фиг. 2.
При этом резонансные частоты приемника 2 совпадают с соответствующими резонансными частотами первичного пьезоэлемента 8, а резонансные частоты пластинчатой призмы совпадают с соответствующими резонансными частотами вторичного пьезоэлемента 8.
Жесткая связь: штыревой волновод - первичный пьезоэлемент - призма - вторичный пьезоэлемент исключает значительное затухание сигнала на вторичном пьезоэлементе, а выбор цилиндрической формы приемника и пластинчатой формы призмы, взаимосвязанных друг с другом через пьезоэлементы позволяет отказаться от процедуры дополнительной настройки датчика. Эффект резонанса при этом максимален.
Таким образом, в результате совпадения резонансных частот первичного и вторичного пьезоэлементов 8 обеспечивается повышение чувствительности датчика акустического эмиссионного резонансного типа по сравнению с прототипом.