RU2810700C1 - Acoustic sensor and method for its manufacture - Google Patents
Acoustic sensor and method for its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810700C1 RU2810700C1 RU2023116503A RU2023116503A RU2810700C1 RU 2810700 C1 RU2810700 C1 RU 2810700C1 RU 2023116503 A RU2023116503 A RU 2023116503A RU 2023116503 A RU2023116503 A RU 2023116503A RU 2810700 C1 RU2810700 C1 RU 2810700C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- sensor
- acoustic
- piezoelements
- piezoelectric element
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims abstract description 23
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 10
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 15
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 13
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
[1] Заявленное изобретение может применяться в отрасли нефтегазодобывающей промышленности и инженерной геофизике и относится к области электротехники, а также к методам исследования механических и прочностных свойств породы. Настоящее изобретение относится в том числе к акустическим устройствам генерации и приема ультразвуковых волн. [1] The claimed invention can be used in the oil and gas industry and engineering geophysics and relates to the field of electrical engineering, as well as to methods for studying the mechanical and strength properties of rocks. The present invention also relates to acoustic devices for generating and receiving ultrasonic waves.
Уровень техникиState of the art
[2] Исследование механических и прочностных свойств образцов горной породы включает в себя различные методики, направленные в том числе на получение информации о степени неоднородности и анизотропии породы и ее упругих свойствах, характеризуемых модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и другими величинами. Одним из способов получения этих данных является ультразвуковое исследование образцов породы с помощью источника и приемника акустических волн. За счет определения продольной и поперечных скоростей распространяющихся в образце волн становится возможным расчет упругих характеристик по известным функциональным соотношениям. При этом наиболее полная и достоверная информация может быть получена в результате эксперимента, проведенного при пластовых термобарических условиях, заключающихся в воссоздании определенной температуры и давления на образец. [2] The study of the mechanical and strength properties of rock samples includes various techniques aimed, among other things, at obtaining information about the degree of heterogeneity and anisotropy of the rock and its elastic properties, characterized by Young’s modulus, Poisson’s ratio and other quantities. One way to obtain this data is through ultrasonic examination of rock samples using a source and receiver of acoustic waves. By determining the longitudinal and transverse velocities of waves propagating in the sample, it becomes possible to calculate elastic characteristics using known functional relationships. In this case, the most complete and reliable information can be obtained as a result of an experiment conducted under reservoir thermobaric conditions, which consists in recreating a certain temperature and pressure on the sample.
[3] Системы акустических исследований образцов включают в себя устройства обеспечения давления, кернодержатель, систему поддерживания температуры, систему генерации и приема акустического сигнала, электронные узлы для управления системой, а также программный комплекс для обработки и визуализации полученных данных и другие элементы. В системе генерации и приема акустического сигнала входят в том числе датчики, контактирующие с образцом и выступающие в роли источника и приемника сигнала. В процессе воссоздания пластовых условий могут возникать сложности, обусловленные обеспечением высокого давления и температуры. Это накладывает определенные ограничения на используемое оборудование, в частности, на прочностные характеристики используемого материала, способы соединения рабочих элементов и их режим эксплуатации. Эти ограничения касаются и акустических сенсоров, поскольку они играют ключевую роль в сборе данных. Из уровня техники известны несколько датчиков, позволяющих осуществить исследование свойств образцов горных пород.[3] Systems for acoustic research of samples include pressure devices, a core holder, a temperature maintenance system, a system for generating and receiving an acoustic signal, electronic components for controlling the system, as well as a software package for processing and visualizing the obtained data and other elements. The system for generating and receiving an acoustic signal also includes sensors that are in contact with the sample and act as a source and receiver of the signal. In the process of recreating reservoir conditions, difficulties may arise due to the provision of high pressure and temperature. This imposes certain restrictions on the equipment used, in particular, on the strength characteristics of the material used, methods of connecting working elements and their mode of operation. These limitations also apply to acoustic sensors, since they play a key role in data collection. Several sensors are known from the prior art that allow one to study the properties of rock samples.
[4] Известно решение (RU 2 284 413 C1; опубл. 27.09.2006; МПК: E21C 39/00), раскрывающее устройство для определения характеристик образцов горных пород, содержащее камеру с кернодержателем, штуцеры с трубками системы подачи и отвода флюида, штуцер с трубкой подачи жидкости для создания обжимающего давления, блок измерения удельного электрического сопротивления керна, соединенный с трубками подвода и отвода флюида, причем кернодержатель размещен в герметизированной камере и выполнен из герметичной электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод, а другой - неподвижную торцовую втулку, ограниченная ими внутренняя полость соединена каналами с трубками подачи и отвода флюида, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки и внутренними стенками камеры, соединена со штуцером подачи жидкости для создания обжимающего давления, отличающееся тем, что дополнительно введены электронный блок измерения времени распространения продольных и поперечных волн в керне, два вкладыша, выполненные в виде цилиндров ступенчатой формы, причем торцы вкладышей с меньшим диаметром установлены в цилиндрических выемках такого же диаметра в подвижном электроде и неподвижной втулке, а диаметры вторых ступеней равны диаметру керна, причем в них выполнены сквозные отверстия для подвода флюида к керну и отвода от него, а на их торцах выполнены канавки для распределения по ним флюида, причем отверстия проходят через одну из канавок, на торцах вкладышей меньшего диаметра установлены пьезоэлектрические пластины, соединенные с электронным блоком измерения времени распространения упругих волн в керне.[4] There is a known solution (RU 2 284 413 C1; publ. 09/27/2006; IPC: E21C 39/00), a revealing device for determining the characteristics of rock samples, containing a chamber with a core holder, fittings with tubes of the fluid supply and removal system, a fitting with a liquid supply tube to create compressive pressure, a unit for measuring the electrical resistivity of the core, connected to the fluid supply and outlet tubes, wherein the core holder is placed in a sealed chamber and is made of a sealed electrically insulating elastic shell, one end of which covers the movable electrode, and the other - the fixed end sleeve, the internal cavity limited by them is connected by channels with fluid supply and removal tubes, and the cavity limited by the outer surface of the elastic shell and the internal walls of the chamber is connected to the fluid supply fitting to create compressive pressure, characterized in that an electronic unit is additionally introduced for measuring the propagation time of longitudinal and transverse waves in the core, two liners made in the form of stepped cylinders, with the ends of the liners with a smaller diameter installed in cylindrical recesses of the same diameter in the movable electrode and the fixed sleeve, and the diameters of the second stages are equal to the diameter of the core, and through holes are made in them for supplying fluid to the core and removing it from it, and at their ends there are grooves for distributing fluid along them, and the holes pass through one of the grooves; at the ends of the liners of a smaller diameter, piezoelectric plates are installed, connected to an electronic unit for measuring the time of propagation of elastic waves in the core .
[5] К недостаткам указанного устройства относится недостаточно надежное крепление пьезопластин 12 к вкладышам 13, выполняющих функцию волноводов, посредством приклеивания. Такой способ соединения не является достаточно прочным, чтобы переносить влияние высоких температур и давлений, соответствующих пластовым условиям. Кроме того, используемые датчики не позволяют проводить геомеханические исследования предела прочности образца породы ввиду формы волноводов, приводящей к возникновению искажений в ходе измерения, связанных с переотражением сигнала от стенок этого элемента. [5] The disadvantages of this device include the insufficiently reliable fastening of the piezoelectric plates 12 to the inserts 13, which act as waveguides, by gluing. This connection method is not strong enough to withstand the high temperatures and pressures associated with reservoir conditions. In addition, the sensors used do not allow geomechanical studies of the tensile strength of a rock sample due to the shape of the waveguides, which leads to distortions during measurements associated with the re-reflection of the signal from the walls of this element.
[6] Известно другое техническое решение (RU 2 775 462 C1; опубл. 01.07.2022; МПК: G01N 15/08; E21C 39/00), в котором раскрыто устройство для исследования образцов горных пород, содержащее корпус кернодержателя, резиновую манжету, плунжеры для поджатия керна с каналом для подвода и отвода рабочего агента и уплотнительные фланцы, причем с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей в него дополнительно введены верхний и нижний опорные фланцы, разрезные кольца и фиксирующие фланцы, домкрат с корпусом крепления к нижнему опорному фланцу, причем крепление корпуса кернодержателя с опорными фланцами осуществляется при помощи разрезных полуколец, которые фиксируются фланцами, на верхнем торце верхнего плунжера установлен волновод, соединенный с ним при помощи шпильки, а к верхнему торцу волновода при помощи пайки закреплен акустический излучатель, в средней части волновода расположен опорный фланец с диаметром большим, чем диаметр плунжера, к нижнему опорному фланцу при помощи резьбового соединения крепится сварная конструкция, состоящая из трех частей: соединительный фланец, корпусная труба с вырезом и соединительный фланец для соединения с гидравлическим домкратом. [6] Another technical solution is known (RU 2 775 462 C1; publ. 07/01/2022; IPC: G01N 15/08; E21C 39/00), in which a device for studying rock samples is disclosed, containing a core holder body, a rubber cuff, plungers for pressing the core with a channel for supplying and discharging the working agent and sealing flanges, and in order to increase reliability and expand functionality, it additionally includes upper and lower support flanges, split rings and fixing flanges, a jack with a housing attached to the lower support flange, Moreover, the fastening of the core holder body with supporting flanges is carried out using split half-rings, which are fixed by flanges, a waveguide is installed at the upper end of the upper plunger, connected to it with a pin, and an acoustic emitter is attached to the upper end of the waveguide using soldering, in the middle part of the waveguide there is a support a flange with a diameter larger than the diameter of the plunger; a welded structure consisting of three parts is attached to the lower support flange using a threaded connection: a connecting flange, a body pipe with a cutout and a connecting flange for connection with a hydraulic jack.
[7] Приведенное изобретение использует магнитострикиционный акустический излучатель в качестве источника и работает на частотах ниже 100кГц. Данное решение не предназначено для геомеханических исследований, однако использует технологию пайки акустического приемника к волноводу, обеспечивая тем самым их надежное соединение.[7] The above invention uses a magnetostrictive acoustic emitter as a source and operates at frequencies below 100 kHz. This solution is not intended for geomechanical studies, but uses the technology of soldering an acoustic receiver to a waveguide, thereby ensuring their reliable connection.
[8] Изобретение (RU 2 704 086 C1; опубл. 23.10.2019; МПК: E21C 39/00) раскрывает способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий бурение скважины с отбором керна, который подвергают направленному вдоль диаметра возрастающему механическому нагружению, измерение скоростей распространения упругих волн в массиве вдоль скважины и в керне вдоль его оси, по результатам сравнения которых судят о вертикальных напряжениях в массиве, причем керн и исследуемый участок массива дополнительно нагревают в диапазоне температур ΔT, строят зависимость скорости распространения упругих волн в керне в функции от температуры и приложенного напряжения V=ƒ(Т, σ), а также зависимость скорости распространения упругих волн в массиве в функции от температуры, при этом величину вертикальных напряжений в массиве принимают равной величине напряжений в керне, при которой в них наблюдается наибольшее совпадение температурных зависимостей скорости распространения упругих волн.[8] The invention (RU 2 704 086 C1; publ. 10.23.2019; IPC: E21C 39/00) discloses a method for determining the stress state of a rock mass, including drilling a well with core sampling, which is subjected to increasing mechanical load directed along the diameter, measurement the speed of propagation of elastic waves in the massif along the well and in the core along its axis, based on the results of comparison of which the vertical stresses in the massif are judged, and the core and the studied section of the massif are additionally heated in the temperature range ΔT, the dependence of the speed of propagation of elastic waves in the core is plotted as a function of temperature and applied stress V=ƒ(Т, σ), as well as the dependence of the speed of propagation of elastic waves in the massif as a function of temperature, while the magnitude of the vertical stresses in the massif is taken equal to the magnitude of the stresses in the core, at which the greatest coincidence of temperature dependences is observed in them speed of propagation of elastic waves.
[9] Недостатки данного изобретения состоят в размещении пьезокерамических элементов напрямую на исследуемом образце для измерения скоростей распространения упругих волн. Это снижает качество собираемых данных ввиду отсутствия калибровки показаний сенсоров, поскольку отсутствие волноводов не позволяет точно определить время, затрачиваемое на прохождение волны через датчики, что приводит к искажению результатов измерения. Кроме того, во время исследования прочностных характеристик образца при его разрушении при нагружении велика вероятность повреждения пьезокерамических элементов ввиду выбранного способа размещения.[9] The disadvantages of this invention are the placement of piezoceramic elements directly on the test sample to measure the velocities of elastic waves. This reduces the quality of the collected data due to the lack of calibration of the sensor readings, since the absence of waveguides does not allow one to accurately determine the time spent on the passage of the wave through the sensors, which leads to distortion of the measurement results. In addition, during the study of the strength characteristics of the sample when it fails under loading, there is a high probability of damage to the piezoceramic elements due to the chosen placement method.
[10] Известно также другое решение (RU 2 573 620 C1; опубл. 20.01.2016; МПК: G01N 29/07), в котором описан способ определения скорости распространения акустических волн в пористой среде, в соответствии с которым сначала осуществляют облучение по меньшей мере двух образцов пористой среды, имеющих разную длину, акустическими волнами, возбуждаемыми источником; затем для каждого образца регистрируют время прихода волны от источника акустических волн к приемнику; потом по полученному набору зарегистрированных времен прихода волн, каждое из которых соответствует своей длине образца, определяют скорость распространения акустических волн в пористой среде на основе анализа изменений времен прихода волн по отношению к соответствующим изменениям длины образцов.[10] Another solution is also known (RU 2 573 620 C1; publ. 01/20/2016; IPC: G01N 29/07), which describes a method for determining the speed of propagation of acoustic waves in a porous medium, according to which irradiation is first carried out at a lower at least two samples of a porous medium having different lengths, by acoustic waves excited by a source; then, for each sample, the time of arrival of the wave from the source of acoustic waves to the receiver is recorded; Then, from the resulting set of recorded wave arrival times, each of which corresponds to its own sample length, the propagation speed of acoustic waves in a porous medium is determined based on an analysis of changes in wave arrival times in relation to the corresponding changes in the length of the samples.
[11] Недостатки данного изобретения также состоят в размещении пьезокерамических элементов напрямую на исследуемом образце для измерения скоростей распространения упругих волн. Это снижает качество собираемых данных ввиду отсутствия калибровки показаний сенсоров, поскольку отсутствие волноводов не позволяет точно определить время, затрачиваемое на прохождение волны через датчики, что приводит к искажению результатов измерения. Кроме того, во время исследования прочностных характеристик образца при его разрушении при нагружении велика вероятность повреждения пьезокерамических элементов ввиду выбранного способа размещения.[11] The disadvantages of this invention also consist in placing piezoceramic elements directly on the test sample to measure the velocities of elastic waves. This reduces the quality of the collected data due to the lack of calibration of the sensor readings, since the absence of waveguides does not allow one to accurately determine the time spent on the passage of the wave through the sensors, which leads to distortion of the measurement results. In addition, during the study of the strength characteristics of the sample when it fails under loading, there is a high probability of damage to the piezoceramic elements due to the chosen placement method.
[12] Недостатком всех упомянутых решений является недостаточно надежное крепление акустических элементов к волноводам при проведении геомеханических экспериментов и исследовании упругих свойств образцов породы. [12] The disadvantage of all the mentioned solutions is the insufficiently reliable attachment of acoustic elements to the waveguides when conducting geomechanical experiments and studying the elastic properties of rock samples.
Сущность изобретения The essence of the invention
[13] Задачей настоящего изобретения является создание акустических датчиков, осуществляющих качественное измерение скорости прохождения упругих волн в исследуемых образцах и способных продолжительно функционировать при высоких температурах, давлении и условиях нагружения образца до его разрушения, а также разработка способа изготовления таких датчиков. [13] The objective of the present invention is to create acoustic sensors that qualitatively measure the speed of passage of elastic waves in the samples under study and are capable of long-term operation at high temperatures, pressure and loading conditions of the sample until its destruction, as well as to develop a method for manufacturing such sensors.
[14] Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающегося в обеспечении надежности длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях, например, пластовых термобарических условиях. [14] This problem is solved by achieving the technical result of the claimed invention, which consists in ensuring the reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions, for example, reservoir thermobaric conditions.
[15] Более полно технический результат достигается за счет того, что акустический датчик содержит волновод и по крайней мере один пьезоэлемент. При этом в волноводе выполнено по крайней мере одно отверстие для подачи текучей среды в исследуемый образец, волновод выполнен из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана, он также выполнен таким образом, что он исключает фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах, и соединен с по крайней мере одним пьезоэлементом датчика пайкой.[15] A more complete technical result is achieved due to the fact that the acoustic sensor contains a waveguide and at least one piezoelectric element. In this case, at least one hole is made in the waveguide for supplying fluid to the test sample; the waveguide is made of titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium, it is also made in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency vibrations of high amplitude in the piezoelectric elements, and is connected to at least one piezoelectric element of the sensor by soldering.
[16] Волновод представляет собой элемент, служащий для передачи акустического сигнала от источника к целевой среде или от среды к приемнику. Он способствует уменьшению расхождения упругих волн в стороны и их концентрации по направлению к среде, в том числе за счет переотражения от стенок волновода. За счет наличия волновода упругие волны могут достигнуть целевого объекта с минимальными потерями, что напрямую обеспечивает возможность использования акустического датчика. В волноводе выполнено по крайней мере одно отверстие, за счет которого осуществляют подачу текучей среды в исследуемый образец. Это позволяет проводить исследование пористых образцов и подавать через него различные флюиды и газы. Поскольку подача флюида является необходимым этапом в экспериментах, например, по исследованию фильтрационных и упругих свойств образца при пластовых условиях, то наличие по крайней мере одного отверстия обеспечивает достижение технического результата. Выполнение волновода из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас.% титана, обеспечивает требуемую для длительной эксплуатации прочность волновода, а также коррозионную стойкость и низкую плотность, что в совокупности приводит к достижению технического результата, заключающегося в обеспечении надежности длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях. Высокая прочность позволяет использовать датчик при высоких давлениях, подаваемых на него, а коррозионная стойкость препятствует его разрушению при воздействии на него химически активных веществ. Низкая плотность титана в свою очередь делает датчик более легким и в то же время приводит к значению акустического импеданса волновода, равному импедансу пьезоэлементов, приводя таким образом к уменьшению сопротивления передачи сигнала через границу пьезоэлемент-волновод. Волновод также выполнен таким образом, что он исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика при рабочих условиях, поскольку упомянутая фокусировка может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента в результате воздействия упругих волн на него. Таким образом, выполнение волновода с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. В одном из возможных вариантов выполнения волновод может быть выполнен с возможностью его крепления к устройству обеспечения давления. Устройство обеспечения давления осуществляет передачу давления на исследуемую среду. Крепление позволяет осуществить непосредственное соединение волновода датчика с устройством, что приводит к расширению области его применения, в том числе при проведении исследования деформации образцов, например, горной породы. Надежность длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях, обеспечивается в данном случае в том числе за счет надежности и сопрягаемости креплений. В еще одном варианте выполнения волновода на нем выполнены крепления для манжеты с по крайней мере одним исследуемым образцом. Манжета обеспечивает обжимное давление на исследуемый образец за счет того, что она является достаточно эластичной и плотно опоясывает образец без образования промежутков между ними. Таким образом, манжета обеспечивает установление пластовых условий во время экспериментов, что и обеспечивает возможность изучения свойств образцов. Достижение технического результата обеспечивается в данном случае за счет надежности и сопрягаемости крепления манжеты к волноводу и ее упругих свойств. В качестве образцов могут выступать, в том числе образцы керна, естественного и синтетического, а также образцы бетона. В еще одном варианте выполнения волновода на нем выполнены крепления для по крайней мере одного датчика измерения деформации образца. Датчик измерения деформации образца служит для определения уровня деформации образца, в том числе осевую деформацию, и получения результатов при испытаниях образцов на разрушение. Эти датчики позволяют отслеживать воздействие подаваемой нагрузки, и, в случае ее превышения над допустимым для исследуемого образца уровнем, сигнализировать об остановке эксперимента либо о достижении определённого его этапа в случае многостадийного нагружения. Таким образом, наличие датчиков измерения деформации позволяют достигнуть технического результата за счет обеспечения соблюдения рабочих условий, приемлемых для использования акустического датчика. Надежность крепления датчиков измерения деформации к волноводу способствуют обеспечению достижения этого результата.[16] A waveguide is an element that serves to transmit an acoustic signal from a source to a target medium or from a medium to a receiver. It helps to reduce the divergence of elastic waves to the sides and their concentration towards the medium, including due to re-reflection from the walls of the waveguide. Due to the presence of a waveguide, elastic waves can reach the target object with minimal losses, which directly makes it possible to use an acoustic sensor. At least one hole is made in the waveguide, through which fluid is supplied to the test sample. This makes it possible to study porous samples and feed various fluids and gases through it. Since fluid supply is a necessary step in experiments, for example, to study the filtration and elastic properties of a sample under reservoir conditions, the presence of at least one hole ensures the achievement of a technical result. Making the waveguide from a titanium alloy containing at least 85 wt.% titanium ensures the strength of the waveguide required for long-term operation, as well as corrosion resistance and low density, which together leads to the achievement of a technical result consisting in ensuring the reliability of long-term use of the acoustic sensor, in including under extreme working conditions. High strength allows the sensor to be used at high pressures applied to it, and corrosion resistance prevents its destruction when exposed to chemically active substances. The low density of titanium in turn makes the sensor lighter and at the same time leads to a value of acoustic impedance of the waveguide equal to the impedance of the piezoelectric elements, thus leading to a decrease in the signal transmission resistance across the piezoelectric element-waveguide interface. The waveguide is also designed in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency vibrations of high amplitude in the piezoelements. This ensures the possibility of long-term use of the acoustic sensor under operating conditions, since the mentioned focusing can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element itself as a result of the action of elastic waves on it. Thus, the implementation of the waveguide with focusing protection contributes to the achievement of the technical result. In one possible embodiment, the waveguide may be configured to be attached to the pressure providing device. The pressure supply device transfers pressure to the medium under study. The mount allows direct connection of the sensor waveguide to the device, which leads to an expansion of its scope, including when studying the deformation of samples, for example, rock. The reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions, is ensured in this case, among other things, due to the reliability and compatibility of the fastenings. In another embodiment of the waveguide, it has fastenings for a cuff with at least one test sample. The cuff provides crimping pressure on the test sample due to the fact that it is sufficiently elastic and tightly encircles the sample without forming gaps between them. Thus, the cuff ensures the establishment of reservoir conditions during experiments, which makes it possible to study the properties of the samples. Achieving the technical result is ensured in this case due to the reliability and compatibility of the cuff attachment to the waveguide and its elastic properties. Samples can include core samples, natural and synthetic, as well as concrete samples. In another embodiment of the waveguide, it has mounts for at least one sensor for measuring the deformation of the sample. The sample deformation sensor is used to determine the level of sample deformation, including axial deformation, and obtain results when testing samples for destruction. These sensors allow you to monitor the impact of the applied load, and, if it exceeds the permissible level for the sample under study, signal the stop of the experiment or the achievement of a certain stage in the case of multi-stage loading. Thus, the presence of strain measurement sensors makes it possible to achieve a technical result by ensuring compliance with operating conditions acceptable for the use of an acoustic sensor. Reliable attachment of strain measurement sensors to the waveguide helps ensure this result is achieved.
[17] Пьезоэлемент представляет собой электромеханический преобразователь, служащий для генерации упругих волн в среде за счет электричества и, наоборот, генерации электрического сигнала за счет конвертации механической энергии. Работа пьезоэлемента основана на прямом и обратном пьезоэффекте. В конструкции акустического датчика он выполняет основную роль, испуская (источник) или принимая (приемник) упругие волны в волновод или из волновода, что напрямую обеспечивает работоспособность датчика. На основании полученного приемником сигнала можно судить об упругих свойствах исследуемой среды. Крепление пьезоэлемента к волноводу осуществляется с помощью технологии пайки, представляющей собой неразъемное соединение нескольких элементов с помощью слоя расплавленного металла. Такое соединение обеспечивает плотный контакт волновода с пьезоэлементом, стойкость к высоким температурам и давлениям и возможность длительного использования датчика до его замены. Таким образом, соединение пайкой способствует достижению технического результата. В составе одного датчика возможно использование нескольких пьезоэлементов в различной компоновке в зависимости от постановки задачи.[17] A piezoelectric element is an electromechanical transducer that serves to generate elastic waves in a medium due to electricity and, conversely, generate an electrical signal due to the conversion of mechanical energy. The operation of the piezoelectric element is based on the direct and reverse piezoelectric effect. In the design of an acoustic sensor, it plays a major role by emitting (source) or receiving (receiver) elastic waves into or out of the waveguide, which directly ensures the functionality of the sensor. Based on the signal received by the receiver, one can judge the elastic properties of the medium under study. The piezoelectric element is attached to the waveguide using soldering technology, which is a permanent connection of several elements using a layer of molten metal. This connection ensures tight contact between the waveguide and the piezoelectric element, resistance to high temperatures and pressures, and the possibility of long-term use of the sensor before its replacement. Thus, soldering connections contribute to achieving a technical result. As part of one sensor, it is possible to use several piezoelements in different configurations, depending on the formulation of the problem.
[18] В одной из технических реализаций акустического датчика он дополнительно содержит крышку, которая герметично соединена с волноводом таким образом, что крышка закрывает пьезоэлементы. В этом выполнении крышка служит для защиты пьезоэлементов от внешних факторов, способных внести искажения в получаемые результаты, а также для передачи осевой нагрузки на исследуемый образец. Таким образом, крышка способствует достижению технического результата. В еще одной реализации датчика крышка может быть выполнена таким образом, что она исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика при рабочих условиях, поскольку фокусировка упругих волн может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента в результате воздействия упругих волн на него. Таким образом, выполнение крышки с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. Для возможности использования датчика по назначению могут быть использованы провода для передачи электрического сигнала от пьезоэлемента или из него.[18] In one of the technical implementations of the acoustic sensor, it additionally contains a cover, which is hermetically connected to the waveguide in such a way that the cover covers the piezoelements. In this embodiment, the cover serves to protect the piezoelements from external factors that can distort the results obtained, as well as to transfer the axial load to the test sample. Thus, the cover contributes to the achievement of the technical result. In yet another implementation of the sensor, the cover can be designed in such a way that it prevents the focusing of acoustic waves and high-amplitude low-frequency oscillations in the piezoelectric elements. This ensures the possibility of long-term use of the acoustic sensor under operating conditions, since the focusing of elastic waves can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element itself as a result of the action of elastic waves on it. Thus, making the cover anti-focus helps achieve the technical result. To be able to use the sensor for its intended purpose, wires can be used to transmit an electrical signal from or to the piezoelectric element.
[19] Также технический результат достигается с помощью способа изготовления акустического датчика, при котором сначала изготавливают волновод датчика из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана. Для обеспечения надежности длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях, волновод датчика изготавливают из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана. Преимущества данного материала были описаны выше. Также волновод изготавливают таким образом, что он исключает фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика при рабочих условиях, поскольку упомянутая фокусировка может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента в результате воздействия упругих волн на него. Таким образом, выполнение волновода с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. В другом возможном варианте способа волновод изготавливают с возможностью его крепления к устройству обеспечения давления. Устройство обеспечения давления осуществляет передачу давления на исследуемую среду. Крепление позволяет осуществить непосредственное соединения волновода датчика с устройством, что приводит к расширению области его применения, в том числе при проведении исследования деформации образцов, например, горной породы. Надежность длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях, обеспечивается в данном случае в том числе за счет надежности и сопрягаемости креплений. В еще одном варианте способа волновод изготавливают с возможностью крепления на него манжеты с по крайней мере одним исследуемым образцом. Манжета обеспечивает обжимное давление на исследуемые образцы за счет того, что она является достаточно эластичной и плотно опоясывает образец без образования промежутков между ними. Таким образом, манжета обеспечивает установление пластовых условий во время экспериментов, что и обеспечивает возможность изучения свойств образцов. Достижение технического результата обеспечивается в данном случае за счет надежности и сопрягаемости крепления манжеты к волноводу и ее упругих свойств. В еще одном варианте способа волновод изготавливают с возможностью крепления на него по крайней мере одного датчика измерения деформации исследуемого образца. Датчик измерения деформации образца служит для определения уровня деформации образца, в том числе осевую деформацию, и получения результатов при испытаниях образцов на разрушение. Эти датчики позволяют отслеживать подаваемую нагрузку, и, в случае ее превышения над допустимым для акустического датчика уровнем, сигнализировать об остановке эксперимента. Таким образом, наличие датчиков измерения деформации позволяют достигнуть технического результата за счет обеспечения соблюдения рабочих условий, приемлемых для использования акустического датчика. Надежность крепления датчиков измерения деформации к волноводу способствуют обеспечению достижения этого результата.[19] Also, the technical result is achieved using a method for manufacturing an acoustic sensor, in which the sensor waveguide is first made from a titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium. To ensure the reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions, the sensor waveguide is made of titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium. The advantages of this material were described above. Also, the waveguide is made in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency vibrations of high amplitude in the piezoelements. This ensures the possibility of long-term use of the acoustic sensor under operating conditions, since the mentioned focusing can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element itself as a result of the action of elastic waves on it. Thus, the implementation of the waveguide with focusing protection contributes to the achievement of the technical result. In another possible variant of the method, the waveguide is manufactured so that it can be attached to the pressure supply device. The pressure supply device transfers pressure to the medium under study. The mount makes it possible to directly connect the sensor waveguide to the device, which leads to an expansion of its scope, including when studying the deformation of samples, for example, rock. The reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions, is ensured in this case, among other things, due to the reliability and compatibility of the fastenings. In another variant of the method, the waveguide is made with the possibility of attaching a cuff with at least one test sample to it. The cuff provides crimping pressure on the samples under study due to the fact that it is sufficiently elastic and tightly encircles the sample without forming gaps between them. Thus, the cuff ensures the establishment of reservoir conditions during experiments, which makes it possible to study the properties of the samples. Achieving the technical result is ensured in this case due to the reliability and compatibility of the cuff attachment to the waveguide and its elastic properties. In another variant of the method, the waveguide is made with the possibility of attaching at least one sensor for measuring the deformation of the sample under study. The sample deformation sensor is used to determine the level of sample deformation, including axial deformation, and obtain results when testing samples for destruction. These sensors allow you to monitor the applied load, and, if it exceeds the level permissible for the acoustic sensor, signal to stop the experiment. Thus, the presence of strain measurement sensors makes it possible to achieve a technical result by ensuring compliance with operating conditions acceptable for the use of an acoustic sensor. Reliable attachment of strain measurement sensors to the waveguide helps ensure this result is achieved.
[20] Затем выполняют по крайней мере одно отверстие в волноводе для подачи текучей среды в исследуемый образец. Это позволяет проводить исследование пористых образцов и подавать через него различные флюиды и газы. Поскольку подача флюида является необходимым этапом в экспериментах, например, по исследованию фильтрационных и упругих свойств образца при пластовых условиях, то наличие по крайней мере одного отверстия обеспечивает достижение технического результата.[20] At least one hole is then made in the waveguide to introduce fluid into the test sample. This makes it possible to study porous samples and feed various fluids and gases through it. Since fluid supply is a necessary step in experiments, for example, to study the filtration and elastic properties of a sample under reservoir conditions, the presence of at least one hole ensures the achievement of a technical result.
[21] Далее осуществляют крепление волновода с по крайней мере одним пьезоэлементом датчика пайкой. Такое соединение обеспечивает плотный контакт волновода с пьезоэлементом, стойкость к высоким температурам и давлениям и возможность длительного использования датчика до его замен. Таким образом, соединение пайкой способствует достижению технического результата.[21] Next, the waveguide is attached to at least one piezoelectric element of the sensor by soldering. This connection ensures tight contact between the waveguide and the piezoelectric element, resistance to high temperatures and pressures, and the possibility of long-term use of the sensor before replacement. Thus, soldering connections contribute to achieving a technical result.
[22] В одной из технических реализаций способа изготовления акустического датчика дополнительно осуществляют герметичное крепление крышки датчика с волноводом таким образом, что пьезоэлементы располагают под крышкой. В этом выполнении крышка служит для защиты пьезоэлементов от внешних факторов, способных внести искажения в получаемые результаты, а также для передачи осевой нагрузки на исследуемый образец. Таким образом, крышка способствует достижению технического результата. В еще одной реализации датчика крышка может быть выполнена таким образом, что она исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика при рабочих условиях, поскольку фокусировка упругих волн может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента в результате воздействия упругих волн на него. Таким образом, изготовление датчика с крышкой с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата.[22] In one of the technical implementations of the method for manufacturing an acoustic sensor, the sensor cover with the waveguide is additionally sealed in such a way that the piezoelectric elements are placed under the cover. In this embodiment, the cover serves to protect the piezoelements from external factors that can distort the results obtained, as well as to transfer the axial load to the test sample. Thus, the cover contributes to the achievement of the technical result. In yet another implementation of the sensor, the cover can be designed in such a way that it prevents the focusing of acoustic waves and high-amplitude low-frequency oscillations in the piezoelectric elements. This ensures the possibility of long-term use of the acoustic sensor under operating conditions, since the focusing of elastic waves can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element itself as a result of the action of elastic waves on it. Thus, manufacturing the sensor with a focus-protected cover contributes to achieving the technical result.
Описание чертежей Description of drawings
[23] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:[23] The subject matter of this application is described point by point and clearly stated in the claims. The above-mentioned objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
[24] На Фиг. 1 показана структурная схема одного из вариантов выполнения акустического датчика. [24] In FIG. Figure 1 shows a block diagram of one of the embodiments of an acoustic sensor.
[25] На Фиг. 2 показан один из вариантов использования двух акустических датчиков.[25] In FIG. Figure 2 shows one of the options for using two acoustic sensors.
[26] На Фиг. 3 показана структурная схема одной из компоновок пьезоэлементов датчика.[26] In FIG. Figure 3 shows a block diagram of one of the arrangements of the piezoelectric elements of the sensor.
[27] На Фиг. 4 показана структурная схема другой компоновки пьезоэлементов датчика.[27] In FIG. Figure 4 shows a block diagram of another arrangement of piezoelectric elements of the sensor.
[28] Указанные чертежи поясняются следующими позициями: Акустический датчик – 1; Волновод – 2; Пьезоэлемент – 3; Исследуемый образец – 4; Крышка – 5; Устройство обеспечения давления – 6; Манжета – 7.[28] These drawings are illustrated by the following positions: Acoustic sensor – 1; Waveguide – 2; Piezo element – 3; Test sample – 4; Cover – 5; Pressure supply device – 6; Cuff – 7.
Подробное описание изобретения Detailed Description of the Invention
[29] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.[29] The following detailed description of the invention sets forth numerous implementation details designed to provide a clear understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art how the present invention can be used with or without these implementation details. In other cases, well-known methods, procedures and components are not described in detail so as not to unduly obscure the features of the present invention.
[30] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.[30] In addition, from the above discussion it is clear that the invention is not limited to the above implementation. Numerous possible modifications, alterations, variations and substitutions, while retaining the spirit and form of the present invention, will be apparent to those skilled in the art.
[31] На Фиг. 1 показана структурная схема одного из вариантов выполнения акустического датчика. Акустический датчик 1 содержит волновод 2 и по крайней мере один пьезоэлемент 3. При этом волновод 2 выполнен из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана, он также выполнен таким образом, что он исключает фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах, и соединен с по крайней мере одним пьезоэлементом 3 датчика 1 пайкой. В волноводе 2 выполнено отверстие (не показано) для подачи текучей среды в исследуемый образец 4.[31] In FIG. Figure 1 shows a block diagram of one of the embodiments of an acoustic sensor. Acoustic sensor 1 contains a waveguide 2 and at least one piezoelectric element 3. In this case, the waveguide 2 is made of titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium, it is also made in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency vibrations of high amplitude in the piezoelements, and is connected to at least one piezoelement 3 of the sensor 1 by soldering. Waveguide 2 has a hole (not shown) for supplying fluid to the test sample 4.
[32] Волновод 2 представляет собой элемент, служащий для передачи акустического сигнала от источника к приемнику через среду. В качестве среды может выступать исследуемый образец 4, в том числе образцы керна, естественного и синтетического, а также образцы бетона и другое. Волновод 2 способствует уменьшению расхождения упругих волн в стороны и их концентрации по направлению к среде, в том числе за счет переотражения от стенок волновода 2. За счет наличия волновода 2 сигнал от источника упругих волн способен достигнуть целевого объекта, в том числе исследуемой среды, приемника и другого, с минимальными потерями, что напрямую обеспечивает возможность использования акустического датчика 1. В волноводе 2 выполнено по крайней мере одно отверстие (не показано), за счет которого осуществляют подачу текучей среды в исследуемый образец 4. Это позволяет проводить исследование пористых образцов 4 и подавать через него различные флюиды и газы. Поскольку подача флюида является необходимым этапом в экспериментах, например, по исследованию фильтрационных и упругих свойств образца при пластовых условиях, то наличие по крайней мере одного отверстия обеспечивает достижение технического результата. Возможно выполнение, например, трех отверстий, через которые могут быть независимо поданы вытесняемый флюид, например, нефть, вытесняющий флюид, например, вода, и газы, в том числе воздух. В отверстия могут быть поданы различные флюиды, в числе которых нефть, вода, минерализованная вода, керосин, смесь воды с керосином или нефтью, буровой раствор, раствор кислот и другие. Выбор флюида зависит от постановки эксперимента. Возможное расположение отверстий в волноводе 2, их диаметр и метод выполнения очевидны для специалиста. Выполнение волновода 2 из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас.% титана, обеспечивает требуемую для длительной эксплуатации прочность волновода 2, а также коррозионную стойкость и низкую плотность, что в совокупности приводит к достижению технического результата, заключающегося в обеспечении надежности длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях. Высокая прочность позволяет использовать датчик 1 при высоких давлениях, подаваемых на него, включая пластовые давления, составляющие до 100 МПа, и температурах не менее 150 ℃. Коррозионная стойкость препятствует разрушению или деформации волновода 2 при воздействии на него химически активных веществ, в числе которых различные кислоты, растворы и другие соединения. Использование других сплавов и материалов может привести к риску деформации волновода 2, вызванной локальными дефектами, связанными с большими внутренними напряжениями или коррозией материала, в ходе эксплуатации, что негативно сказывается на достоверности получаемых данных. Низкая плотность титана в свою очередь делает датчик 1 более легким и в то же время приводит к значению акустического импеданса волновода 2, равному импедансу пьезоэлементов, приводя таким образом к уменьшению сопротивления передачи сигнала через границу пьезоэлемент-волновод. Многочисленные варианты формы волновода 2, его материала и габаритов очевидны для специалиста. Например, в случае использования нескольких пьезоэлементов 3, генерирующих, например, продольные и поперечные колебания в образце 4, в составе датчика 1 волновод 2 за счет значения длины, превосходящей другие его габаритные размеры, также может выполнять функцию линии задержки, позволяя тем самым разрешить принятый сигнал за счет разности скоростей этих упругих волн. Один из таких вариантов показан на Фиг. 1. Волновод 2 также выполнен таким образом, что он исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах 3. Исключение фокусировки может быть достигнуто за счет выполнения волновода 2 определенной формы, за счёт определённой формы волновода, исключающей наличие угловых отражающих поверхностей, за счет определенного соотношения между его линейными размерами, наличия вспомогательных элементов или покрытий, гасящих переотраженные волны или иначе. Одна из таких реализаций также показана на Фиг. 1. Упомянутые способы приводят к тому, что упругая волна, отразившись от стенок волновода 2, падает не на участок, расположенный в непосредственной близи от пьезоэлементов 3, но в другие участки этого элемента. В результате многочисленных отражений интенсивность переотраженной волны, достигающей пьезоэлементов 3, не приводит к искажению сигнала и/или разрушению рабочих элементов, что предотвращает его выход из строя и обеспечивает надежность длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях. Таким образом, выполнение волновода 2 с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. Другие возможные варианты подавления фокусировки высокоамплитудных колебаний на пьезоэлементах 3 очевидны для специалиста. В другом возможном варианте выполнения волновод 2 может быть выполнен с возможностью его крепления к устройству обеспечения давления 6. Устройство обеспечения давления 6 осуществляет передачу давления на исследуемую среду. В качестве устройства 6 могут быть использованы плунжеры, гидродомкрат и плунжер, насос и другие устройства, известные из уровня техники. Крепление позволяет осуществить непосредственное соединение волновода 2 датчика 1 с устройством 6, что приводит к расширению области его применения, в том числе при, например, проведении исследования деформации образцов горной породы 4, как показано на Фиг. 2. Надежность длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях, обеспечивается в данном случае в том числе за счет надежности и сопрягаемости креплений к устройству 6. Крепления могут быть выполнены в виде резьбовых, шлицевых и других соединений, обеспечивающих плотный контакт датчика 1 и устройства 6. В еще одном варианте выполнения волновода 2 на нем выполнены крепления для манжеты 7 с по крайней мере одним исследуемым образцом 4. Манжета 7 обеспечивает обжимное давление на исследуемые образцы 4 за счет того, что она является достаточно эластичной и плотно опоясывает образец 4. Таким образом, манжета 7 установление пластовых условий во время экспериментов, что и обеспечивает возможность изучения их свойств. Достижение технического результата обеспечивается в данном случае за счет надежности и сопрягаемости крепления манжеты 7 к волноводу 2 и ее упругих свойств. Крепление манжеты 7 к волноводу 2 может быть выполнено различными способами, в числе которых с помощью хомута, термоусадки и других вариантов, способствующих плотному контакту манжеты 7 с образцом 4 и с волноводом 2. Различные варианты выполнения формы и материала манжеты 7 известны из уровня техники. В еще одном варианте выполнения волновода 2 на нем выполнены крепления для по крайней мере одного датчика измерения деформации образца (не показан). Датчик измерения деформации образца служит для определения уровня деформации образца 4, в том числе осевую деформацию, и получения результатов при испытаниях образцов 4 на разрушение. Эти датчики позволяют отслеживать подаваемую на датчик 1 нагрузку, и, в случае ее превышения над допустимым для образца 4 уровнем, сигнализировать об остановке эксперимента или о достижении определенного его этапа в случае многостадийного нагружения. Таким образом, наличие датчиков измерения деформации позволяют достигнуть технического результата за счет обеспечения соблюдения рабочих условий, приемлемых для использования акустического датчика 1. Надежность крепления датчиков измерения деформации к волноводу 2 способствуют обеспечению достижения этого результата. Крепление может быть осуществлено с помощью вставочных пазов и выступов, шлицевых соединений и иначе. Различные варианты выполнения датчиков известны из уровня техники.[32] Waveguide 2 is an element used to transmit an acoustic signal from a source to a receiver through a medium. The medium under study can be sample 4, including core samples, natural and synthetic, as well as concrete samples and more. Waveguide 2 helps to reduce the divergence of elastic waves to the sides and their concentration towards the medium, including due to re-reflection from the walls of waveguide 2. Due to the presence of waveguide 2, the signal from the source of elastic waves is able to reach the target object, including the medium under study, the receiver and another, with minimal losses, which directly makes it possible to use an acoustic sensor 1. The waveguide 2 has at least one hole (not shown), through which a fluid is supplied to the test sample 4. This allows the study of porous samples 4 and supply various fluids and gases through it. Since fluid supply is a necessary step in experiments, for example, to study the filtration and elastic properties of a sample under reservoir conditions, the presence of at least one hole ensures the achievement of a technical result. It is possible to provide, for example, three openings through which a displacement fluid, for example oil, a displacement fluid, for example water, and gases, including air, can be supplied independently. Various fluids can be supplied to the holes, including oil, water, mineralized water, kerosene, a mixture of water with kerosene or oil, drilling fluid, acid solution and others. The choice of fluid depends on the setup of the experiment. The possible location of the holes in the waveguide 2, their diameter and method of execution are obvious to a specialist. Making the waveguide 2 from a titanium alloy containing at least 85 wt.% titanium ensures the strength of the waveguide 2 required for long-term operation, as well as corrosion resistance and low density, which together leads to the achievement of the technical result of ensuring the reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions. High strength allows the sensor 1 to be used at high pressures applied to it, including reservoir pressures of up to 100 MPa, and temperatures of at least 150 ℃. Corrosion resistance prevents destruction or deformation of the waveguide 2 when exposed to chemically active substances, including various acids, solutions and other compounds. The use of other alloys and materials may lead to the risk of deformation of the waveguide 2 caused by local defects associated with large internal stresses or corrosion of the material during operation, which negatively affects the reliability of the data obtained. The low density of titanium in turn makes the sensor 1 lighter and at the same time leads to a value of the acoustic impedance of the waveguide 2 equal to the impedance of the piezoelements, thus leading to a decrease in the resistance of signal transmission across the piezoelement-waveguide interface. Numerous options for the shape of the waveguide 2, its material and dimensions are obvious to a specialist. For example, in the case of using several piezoelements 3, generating, for example, longitudinal and transverse vibrations in sample 4, as part of sensor 1, waveguide 2, due to a length exceeding its other overall dimensions, can also serve as a delay line, thereby allowing the received signal due to the difference in the speeds of these elastic waves. One such option is shown in FIG. 1. The waveguide 2 is also designed in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency oscillations of high amplitude in the piezoelements 3. The elimination of focusing can be achieved by making the waveguide 2 of a certain shape, due to a certain shape of the waveguide, excluding the presence of angular reflective surfaces, for due to a certain relationship between its linear dimensions, the presence of auxiliary elements or coatings that dampen reflected waves or otherwise. One such implementation is also shown in FIG. 1. The mentioned methods lead to the fact that the elastic wave, reflected from the walls of the waveguide 2, falls not on the area located in the immediate vicinity of the piezoelements 3, but in other areas of this element. As a result of numerous reflections, the intensity of the re-reflected wave reaching the piezoelectric elements 3 does not lead to signal distortion and/or destruction of the working elements, which prevents its failure and ensures the reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions. Thus, the implementation of the waveguide 2 with focusing protection contributes to the achievement of the technical result. Other possible options for suppressing the focusing of high-amplitude oscillations on piezoelectric elements 3 are obvious to a specialist. In another possible embodiment, the waveguide 2 can be configured to be attached to the pressure supply device 6. The pressure supply device 6 transfers pressure to the medium under study. As device 6, plungers, a hydraulic jack and plunger, a pump and other devices known from the prior art can be used. The mount allows direct connection of the waveguide 2 of the sensor 1 with the device 6, which leads to an expansion of its scope, including, for example, when conducting a study of the deformation of rock samples 4, as shown in Fig. 2. The reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions, is ensured in this case, among other things, due to the reliability and compatibility of the fasteners to the device 6. The fastenings can be made in the form of threaded, splined and other connections that ensure tight contact sensor 1 and device 6. In another embodiment of the waveguide 2, it has fastenings for a cuff 7 with at least one test sample 4. The cuff 7 provides crimping pressure on the test samples 4 due to the fact that it is quite elastic and tightly encircles sample 4. Thus, cuff 7 establishes reservoir conditions during experiments, which provides the opportunity to study their properties. Achieving the technical result is ensured in this case due to the reliability and compatibility of the attachment of the cuff 7 to the waveguide 2 and its elastic properties. Attaching the cuff 7 to the waveguide 2 can be done in various ways, including using a clamp, heat shrinking and other options that promote close contact of the cuff 7 with the sample 4 and with the waveguide 2. Various options for the shape and material of the cuff 7 are known from the prior art. In another embodiment of the waveguide 2, it has mountings for at least one sensor for measuring the deformation of the sample (not shown). The sample deformation sensor is used to determine the level of deformation of sample 4, including axial deformation, and to obtain results when testing samples 4 for destruction. These sensors make it possible to monitor the load supplied to sensor 1, and, if it exceeds the permissible level for sample 4, to signal the stop of the experiment or the achievement of a certain stage in the case of multi-stage loading. Thus, the presence of strain measurement sensors makes it possible to achieve a technical result by ensuring compliance with operating conditions acceptable for the use of acoustic sensor 1. The reliability of fastening the strain measurement sensors to the waveguide 2 helps ensure the achievement of this result. Fastening can be carried out using insertion grooves and protrusions, spline joints, and otherwise. Various embodiments of sensors are known from the prior art.
[33] Пьезоэлемент 3 представляет собой электромеханический преобразователь, служащий для генерации упругих волн в среде за счет электричества и, наоборот, генерации электрического сигнала за счет конвертации механической энергии. Работа пьезоэлемента 3 основана на прямом и обратном пьезоэффекте. В конструкции акустического датчика 1 он выполняет основную роль, испуская (источник) или принимая (приемник) упругие волны, в том числе ультразвуковые, в волновод 2 или из волновода 2, что напрямую обеспечивает работоспособность датчика 1. На основании полученного приемником сигнала можно судить об упругих свойствах исследуемой среды. Размещение по крайней мере одно пьезоэлемента 3 позволяет использовать акустический датчик 1. В других вариантах изготовления датчика 1 возможно использование нескольких пьезоэлементов 3, размещенных различными способами, часть из которых представлена на Фиг. 3 и 4. Например, возможно размещение трех пьезоэлементов, генерирующих упругие колебания одной продольной и двух поперечных волн, в составе одного датчика 1. По результатам принятых от пьезоэлементов 3 сигналов возможно определение упругих характеристик исследуемого образца 4, в том числе модуля Юнга и коэффициента Пуассона, с помощью подсчета времени прохождение упругих волной различного вида. Различные варианты состава пьезоэлементов 3, их форма и другие рабочие характеристики известны из уровня техники. В частности, могут быть применены керамические пьезоэлементы 3 различного состава ввиду своих электромеханических свойств, очевидных для специалиста. Крепление пьезоэлемента 3 к волноводу 2 осуществляется с помощью технологии пайки, представляющей собой неразъемное соединение нескольких элементов, в данном случае волновода 2 и пьезоэлемента 3, с помощью слоя расплавленного металла. Такое соединение обеспечивает плотный контакт волновода 2 с пьезоэлементом 3, стойкость к высоким температурам и давлениям и возможность длительного использования датчика 1 до его замены. Использование пайки также позволяет функционировать датчику 1 при высоких рабочих термобарических условиях, поскольку оно является стойким к высоким температурам и давлениям, а также прочнее, например, соединения с помощью компаунда или клея. Кроме того, при использовании такого соединения обеспечивается более хорошая электромеханическая связь между пьезоэлементом 3 и титановым волноводом 2, способствующая более надежной передаче сигналов как от упругих, так и от электрических волн при использовании металлических припоев. Таким образом, соединение пайкой способствует достижению технического результата. Из уровня техники известно множество видов технологии пайки, в числе которых капиллярная, печная, контактно-реакционная, с использованием электрореактивной фольги и другие. Методы нанесения паяемого покрытия также известны из уровня техники и могут включать гальванические техники, наплавку и прочие. Паяемое покрытие может включать легкопаяемые металлы, в числе которых никель, медь, серебро и другие. Например, одним из, но не единственным, вариантом пайки является нанесение слоев никеля и медьсодержащего сплава на волновод 2 и пьезоэлемент 3, обеспечивающее надежный контакт упомянутых элементов и износостойкость соединения, что способствует достижению результата. Для возможности использования датчика по назначению могут быть использованы провода для передачи электрического сигнала от пьезоэлемента или из него.[33] Piezo element 3 is an electromechanical transducer that serves to generate elastic waves in a medium due to electricity and, conversely, generate an electrical signal due to the conversion of mechanical energy. The operation of piezoelectric element 3 is based on the direct and reverse piezoelectric effect. In the design of acoustic sensor 1, it plays the main role by emitting (source) or receiving (receiver) elastic waves, including ultrasonic ones, into waveguide 2 or from waveguide 2, which directly ensures the functionality of sensor 1. Based on the signal received by the receiver, one can judge elastic properties of the medium under study. Placing at least one piezoelectric element 3 allows the use of an acoustic sensor 1. In other embodiments of the sensor 1, it is possible to use several piezoelements 3 placed in different ways, some of which are shown in Fig. 3 and 4. For example, it is possible to place three piezoelements generating elastic vibrations of one longitudinal and two transverse waves in one sensor 1. Based on the results of signals received from piezoelements 3, it is possible to determine the elastic characteristics of the test sample 4, including Young’s modulus and Poisson’s ratio , by calculating the time of passage of elastic waves of various types. Various compositions of piezoelements 3, their shape and other performance characteristics are known from the prior art. In particular, ceramic piezoelements 3 of various compositions can be used due to their electromechanical properties, obvious to a specialist. The piezoelement 3 is attached to the waveguide 2 using soldering technology, which is a permanent connection of several elements, in this case the waveguide 2 and the piezoelement 3, using a layer of molten metal. This connection ensures tight contact of the waveguide 2 with the piezoelectric element 3, resistance to high temperatures and pressures, and the possibility of long-term use of the sensor 1 before replacing it. The use of soldering also allows the sensor 1 to function under high temperature and pressure operating conditions, since it is resistant to high temperatures and pressures, and is also stronger than, for example, connections using a compound or adhesive. In addition, when using such a connection, a better electromechanical connection is provided between the piezoelectric element 3 and the titanium waveguide 2, facilitating more reliable transmission of signals from both elastic and electrical waves when using metal solders. Thus, soldering connections contribute to achieving a technical result. Many types of soldering technology are known from the prior art, including capillary, furnace, contact-reaction, using electroreactive foil and others. Methods for applying a solderable coating are also known from the prior art and may include electroplating techniques, surfacing, and others. The soldered coating may include easily solderable metals, including nickel, copper, silver and others. For example, one of, but not the only, soldering options is the application of layers of nickel and copper-containing alloy to the waveguide 2 and the piezoelectric element 3, ensuring reliable contact of the mentioned elements and wear resistance of the connection, which helps achieve the result. To be able to use the sensor for its intended purpose, wires can be used to transmit an electrical signal from or to the piezoelectric element.
[34] В одной из технических реализаций акустического датчика 1 он дополнительно содержит крышку 5, которая герметично соединена с волноводом 2 таким образом, что крышка 5 закрывает пьезоэлементы 3. В этом выполнении крышка 5 служит для защиты пьезоэлементов 3 от внешних факторов, способных внести искажения в получаемые результаты, а также для передачи осевой нагрузки на исследуемый образец, что в совокупности способствует надежности длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях. Различные формы, материал и прочие характеристики этого элемента очевидны для специалиста. Герметичность соединения, обеспечивающего защиту пьезоэлементов 3, может быть достигнута использованием винтового, резьбового или иного соединения, обеспечивающего надежность крепления крышки 5 к волноводу 2. Таким образом, наличие крышки 5 способствует достижению технического результата. В еще одной реализации датчика 1 крышка 5 может быть выполнена таким образом, что она исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах 3. Исключение фокусировки может быть достигнуто за счет выполнения крышки 5 определенной формы, за счёт определённой формы волновода, исключающей наличие угловых отражающих поверхностей, за счет наличия вспомогательных элементов или покрытий, гасящих переотраженные волны или иначе. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика 1 при рабочих условиях, поскольку фокусировка упругих волн может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента 3 в результате воздействия упругих волн на него, о чем было сказано ранее. Один из вариантов выполнения крышки 5 показан на Фиг. 1. Таким образом, выполнение крышки 5 с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. [34] In one of the technical implementations of the acoustic sensor 1, it additionally contains a cover 5, which is hermetically connected to the waveguide 2 so that the cover 5 covers the piezoelements 3. In this embodiment, the cover 5 serves to protect the piezoelements 3 from external factors that can introduce distortion in the results obtained, as well as to transfer the axial load to the test sample, which together contributes to the reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions. The various shapes, materials and other characteristics of this element are obvious to a specialist. The tightness of the connection that protects the piezoelements 3 can be achieved by using a screw, threaded or other connection that ensures reliable fastening of the cover 5 to the waveguide 2. Thus, the presence of the cover 5 contributes to the achievement of the technical result. In another implementation of the sensor 1, the cover 5 can be made in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency oscillations of high amplitude in the piezoelements 3. The elimination of focusing can be achieved by making the cover 5 of a certain shape, due to a certain shape of the waveguide, eliminating the presence angular reflective surfaces, due to the presence of auxiliary elements or coatings that dampen reflected waves or otherwise. This makes it possible to use the acoustic sensor 1 for a long time under operating conditions, since the focusing of elastic waves can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element 3 itself as a result of the action of elastic waves on it, as mentioned earlier. One embodiment of the cover 5 is shown in Fig. 1. Thus, providing the cover 5 with focus protection helps achieve the technical result.
[35] Также технический результат достигается с помощью способа изготовления акустического датчика 1, при котором сначала изготавливают волновод 2 датчика 1 из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана. Для обеспечения надежности длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях, волновод 2 датчика 1 изготавливают из титанового сплава, содержащего не менее 85 мас. % титана. Преимущества данного материала были описаны выше. Многочисленные варианты формы волновода 2, его материала, габаритов и способов изготовления очевидны для специалиста. Волновод 2 также изготавливают таким образом, что он исключает фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах 3. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика 1 при рабочих условиях по раскрытым ранее причинам. Исключение фокусировки может быть достигнуто за счет выполнения волновода 2 определенной формы, за счет определенного соотношения между его линейными размерами, наличия вспомогательных элементов или покрытий, гасящих переотраженные волны или иначе. Таким образом, выполнение волновода 2 с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата. В другом возможном варианте способа волновод 2 изготавливают с возможностью его крепления к устройству обеспечения давления 6. Надежность длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях, обеспечивается в данном случае в том числе за счет надежности и сопрягаемости креплений, что было раскрыто ранее. Крепления могут быть выполнены в виде резьбовых, шлицевых и других соединений, обеспечивающих плотный контакт датчика 1 и устройства 6. В еще одном варианте способа волновод 2 изготавливают с возможностью крепления на него манжеты 7 с по крайней мере одним исследуемым образцом 4. Манжета 7 обеспечивает обжимное давление на исследуемые образцы, т.е. способствует установлению пластовых условий во время экспериментов. Достижение технического результата обеспечивается в данном случае за счет надежности и сопрягаемости крепления манжеты 7 к волноводу 2 и ее упругих свойств. Крепление манжеты 7 к волноводу 2 может быть выполнено различными способами, в числе которых с помощью хомута, термоусадки и других вариантов, способствующих плотному контакту манжеты 7 с образцом 4 и с волноводом 2. В еще одном варианте способа волновод 2 изготавливают с возможностью крепления на него по крайней мере одного датчика измерения деформации исследуемого образца. Как было сказано ранее, наличие датчиков измерения деформации позволяет достигнуть технического результата за счет обеспечения соблюдения рабочих условий, приемлемых для использования акустического датчика 1. Крепление может быть осуществлено с помощью вставочных пазов и выступов, шлицевых соединений и иначе.[35] Also, the technical result is achieved using a method for manufacturing an acoustic sensor 1, in which the waveguide 2 of the sensor 1 is first made from a titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium. To ensure the reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions, the waveguide 2 of the sensor 1 is made of titanium alloy containing at least 85 wt. % titanium. The advantages of this material were described above. Numerous options for the shape of the waveguide 2, its material, dimensions and manufacturing methods are obvious to a specialist. The waveguide 2 is also manufactured in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency oscillations of high amplitude in the piezoelectric elements 3. This allows the acoustic sensor 1 to be used for a long time under operating conditions for the reasons previously disclosed. Elimination of focusing can be achieved by making the waveguide 2 of a certain shape, due to a certain ratio between its linear dimensions, the presence of auxiliary elements or coatings that dampen reflected waves or otherwise. Thus, the implementation of the waveguide 2 with focusing protection contributes to the achievement of the technical result. In another possible variant of the method, the waveguide 2 is made with the possibility of attaching it to the pressure supply device 6. The reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions, is ensured in this case, among other things, due to the reliability and compatibility of the fasteners, which was disclosed previously. Fastenings can be made in the form of threaded, splined and other connections that ensure tight contact between the sensor 1 and the device 6. In another variant of the method, the waveguide 2 is made with the possibility of attaching a cuff 7 to it with at least one test sample 4. The cuff 7 provides crimping pressure on the samples under study, i.e. helps establish reservoir conditions during experiments. Achieving the technical result is ensured in this case due to the reliability and compatibility of the attachment of the cuff 7 to the waveguide 2 and its elastic properties. Attaching the cuff 7 to the waveguide 2 can be done in various ways, including using a clamp, heat shrinking and other options that promote close contact of the cuff 7 with the sample 4 and with the waveguide 2. In another version of the method, the waveguide 2 is made with the possibility of being attached to it at least one sensor for measuring the deformation of the test sample. As mentioned earlier, the presence of strain measurement sensors makes it possible to achieve a technical result by ensuring compliance with operating conditions acceptable for the use of acoustic sensor 1. Fastening can be carried out using insertion grooves and protrusions, spline connections, and otherwise.
[36] Затем выполняют по крайней мере одно отверстие в волноводе 2 для подачи текучей среды в исследуемый образец 4. Это позволяет проводить исследование пористых образцов 4 и подавать через него различные флюиды и газы. Преимущества выполнения отверстия были раскрыты ранее. Различные способы выполнения отверстий в волноводе 2 известны из уровня техники.[36] At least one hole is then made in the waveguide 2 to supply fluid to the test sample 4. This allows porous samples 4 to be examined and various fluids and gases passed through it. The benefits of making a hole have been revealed previously. Various methods for making holes in the waveguide 2 are known in the art.
[37] Далее осуществляют крепление волновода 2 с по крайней мере одним пьезоэлементом 3 датчика 1 пайкой. Такое соединение обеспечивает плотный контакт волновода с пьезоэлементом, стойкость к высоким температурам и давлениям и возможность длительного использования датчика 1 до его замены по указанным ранее причинам. Таким образом, соединение пайкой способствует достижению технического результата, заключающегося в обеспечении надежности длительного использования акустического датчика 1, в том числе при экстремальных рабочих условиях. Из уровня техники известно множество видов технологии пайки, в числе которых капиллярная, печная, контактно-реакционная, с использованием электрореактивной фольги и другие. Методы нанесения паяемого покрытия также известны из уровня техники и могут включать гальванические техники, наплавку и прочие. Например, одним из, но не единственным, вариантом пайки является нанесение слоев никеля и медьсодержащего сплава на волновод 2 и пьезоэлемент 3, обеспечивающее надежный контакт упомянутых элементов и износостойкость соединения, что способствует достижению результата.[37] Next, the waveguide 2 is attached to at least one piezoelectric element 3 of the sensor 1 by soldering. This connection ensures tight contact between the waveguide and the piezoelectric element, resistance to high temperatures and pressures, and the possibility of long-term use of sensor 1 before it is replaced for the previously stated reasons. Thus, the solder connection helps achieve the technical result of ensuring the reliability of long-term use of the acoustic sensor 1, including under extreme operating conditions. Many types of soldering technology are known from the prior art, including capillary, furnace, contact-reaction, using electroreactive foil and others. Methods for applying a solderable coating are also known from the prior art and may include electroplating techniques, surfacing, and others. For example, one of, but not the only, soldering options is the application of layers of nickel and copper-containing alloy to the waveguide 2 and the piezoelectric element 3, ensuring reliable contact of the mentioned elements and wear resistance of the connection, which helps achieve the result.
[38] В одной из технических реализаций способа изготовления акустического датчика 1 дополнительно осуществляют герметичное крепление крышки 5 датчика 1 с волноводом 2 таким образом, что пьезоэлементы 3 располагают под крышкой 5. В этом выполнении крышка 5 служит для защиты пьезоэлементов 3 от внешних факторов, способных внести искажения в получаемые результаты, а также для передачи осевой нагрузки на исследуемый образец. Различные формы, материал и прочие характеристики этого элемента очевидны для специалиста. Герметичность соединения, обеспечивающего защиту пьезоэлементов 3, может быть достигнута использованием винтового, резьбового или иного соединения, обеспечивающего надежность крепления крышки 5 к волноводу 2. В результате, как было сказано выше, крышка 5 способствует достижению технического результата. В еще одной реализации датчика 1 крышка 5 может быть выполнена таким образом, что она исключают фокусировку акустических волн и низкочастотных колебаний высокой амплитуды в пьезоэлементах 3. Это обеспечивает возможность длительного использования акустического датчика при рабочих условиях, поскольку фокусировка упругих волн может привести к искажению генерируемого и получаемого сигналов, а также к разрушению самого пьезоэлемента 3 в результате воздействия упругих волн на него. Исключение фокусировки может быть достигнуто за счет выполнения крышки 5 определенной формы, за счет наличия вспомогательных элементов или покрытий, гасящих переотраженные волны или иначе. Таким образом, изготовление датчика 1 с крышкой 5 с защитой от фокусировки способствует достижению технического результата по раскрытым ранее причинам.[38] In one of the technical implementations of the method for manufacturing an acoustic sensor 1, the cover 5 of the sensor 1 is additionally sealed with the waveguide 2 in such a way that the piezoelements 3 are located under the cover 5. In this embodiment, the cover 5 serves to protect the piezoelements 3 from external factors that can introduce distortions into the results obtained, as well as to transfer the axial load to the sample under study. The various shapes, materials and other characteristics of this element are obvious to a specialist. The tightness of the connection that protects the piezoelements 3 can be achieved by using a screw, threaded or other connection that ensures reliable fastening of the cover 5 to the waveguide 2. As a result, as mentioned above, the cover 5 contributes to the achievement of the technical result. In yet another implementation of the sensor 1, the cover 5 can be designed in such a way that it eliminates the focusing of acoustic waves and low-frequency vibrations of high amplitude in the piezoelements 3. This allows for long-term use of the acoustic sensor under operating conditions, since the focusing of elastic waves can lead to distortion of the generated and received signals, as well as to the destruction of the piezoelectric element 3 itself as a result of the action of elastic waves on it. Elimination of focusing can be achieved by making the cover 5 of a certain shape, due to the presence of auxiliary elements or coatings that dampen reflected waves or otherwise. Thus, the manufacture of the sensor 1 with a cover 5 with focusing protection contributes to the achievement of the technical result for the reasons previously disclosed.
[39] В представленной наилучшей реализации акустический датчик работает следующим образом. Исследуемый образец 4 помещают в манжету 7 и зажимают с противоположных сторон устройство обеспечения давления 6, выполненного в виде двух плунжеров. Каждый плунжер 6 соединен с крышкой 5 соответствующего ему датчика 1, под которой расположены керамические пьезоэлементы 3. Один из датчиков 1 настроен на генерацию упругих волн, а другой на их прием, причем генерация происходит с помощью трех пьезоэлементов 3, настроенных на генерацию одной продольной и двух поперечных ультразвуковых волн. Каждый из пьезоэлементов 3 соответствующего датчика 1 соединен с соответствующим ему волноводом 2 из титанового сплава с помощью пайки паяемого металлического покрытия, а также к пьезоэлементам 3 подведены провода для передачи электрического сигнала. К одному из волноводов 2 прикреплен датчик измерения деформации образца. На генерирующие пьезоэлементы 3 подается электрический сигнал, в результате которого происходит его конвертация электрической энергии в механическую. Упругие волны распространяются по ближайшему к источникам ультразвукового сигнала волноводу 2 таким образом, что его переотражения не вызывают возникновение колебаний избыточной амплитуды пьезоэлементов 3 в результате подобранной формы волноводов 2 и крышек 5, а затем проходят через образец 4. Образец 4 находится под заданными термобарическими условиями, не нарушающими работоспособность датчиков 1, что контролируется с помощью датчика, а также образец 4 является насыщенным каким-либо флюидом посредством его подачи через отверстия в волноводе 2. Затем упругие волны достигают другого волновода 2, попадают на по крайней мере один пьезоэлемент 3 и преобразуются в результате прямого пьезоэффекта в электричество. Электрический сигнал детектируется системой, причем, ввиду того, что волноводы выполняют функцию линий задержки, происходит регистрация продольной и поперечных волн независимо. В результате рассчитывается скорость движения волн, за счет которых вычисляется упругие характеристики образца, в числе которых модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Датчики готовы к повторному использованию, в том числе при термобарических экстремальных условиях, без их замены. [39] In the best-case implementation presented, the acoustic sensor operates as follows. The test sample 4 is placed in the cuff 7 and the pressure supply device 6, made in the form of two plungers, is clamped on opposite sides. Each plunger 6 is connected to the cover 5 of the corresponding sensor 1, under which ceramic piezoelements 3 are located. One of the sensors 1 is configured to generate elastic waves, and the other to receive them, and generation occurs using three piezoelements 3, configured to generate one longitudinal and two transverse ultrasonic waves. Each of the piezoelements 3 of the corresponding sensor 1 is connected to its corresponding waveguide 2 made of titanium alloy by soldering a soldered metal coating, and wires are connected to the piezoelements 3 for transmitting an electrical signal. A sensor for measuring sample deformation is attached to one of the waveguides 2. An electrical signal is supplied to the generating piezoelements 3, resulting in its conversion of electrical energy into mechanical energy. Elastic waves propagate along the waveguide 2 closest to the sources of the ultrasonic signal in such a way that its reflections do not cause oscillations of the excess amplitude of the piezoelements 3 as a result of the selected shape of the waveguides 2 and covers 5, and then pass through sample 4. Sample 4 is under specified thermobaric conditions, without disturbing the functionality of the sensors 1, which is controlled using a sensor, and also the sample 4 is saturated with any fluid by feeding it through holes in the waveguide 2. Then the elastic waves reach another waveguide 2, fall on at least one piezoelectric element 3 and are converted into resulting from the direct piezoelectric effect. The electrical signal is detected by the system, and, due to the fact that the waveguides act as delay lines, longitudinal and transverse waves are recorded independently. As a result, the velocity of the waves is calculated, due to which the elastic characteristics of the sample are calculated, including Young’s modulus and Poisson’s ratio. The sensors are ready for reuse, including under extreme thermobaric conditions, without replacement.
[40] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в обеспечении надежности длительного использования акустического датчика, в том числе при экстремальных рабочих условиях. [40] Thus, the mentioned elements directly affect the technical result, which is to ensure the reliability of long-term use of the acoustic sensor, including under extreme operating conditions.
[41] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.[41] These application materials provide a preferred disclosure of the implementation of the claimed technical solution, which should not be used as limiting other, private embodiments of its implementation, which do not go beyond the scope of the requested scope of legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Claims (17)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2810700C1 true RU2810700C1 (en) | 2023-12-28 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU512602A1 (en) * | 1974-10-30 | 1976-04-30 | Московское Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Высшее Техническое Училище Имени Н.Э.Баумана | Aperiodic sensor for recording acoustic signals |
| WO1992000507A1 (en) * | 1990-06-29 | 1992-01-09 | Panametrics, Inc. | Improved flow measurement system |
| RU127455U1 (en) * | 2012-09-18 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" | DEVICE FOR MEASURING OIL-WATER-GAS FLOW WATERFLOW |
| JP6288996B2 (en) * | 2013-09-11 | 2018-03-07 | キヤノンメディカルシステムズ株式会社 | Ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic imaging program |
| RU2664346C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-08-16 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Method for producing titanium alloy billets for products experiencing variable mechanical loads |
| RU2664665C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-08-21 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Method of selecting titanium alloy for ultrasound waveguide |
| RU2675673C2 (en) * | 2017-05-12 | 2018-12-21 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Titanium-based alloy |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU512602A1 (en) * | 1974-10-30 | 1976-04-30 | Московское Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Высшее Техническое Училище Имени Н.Э.Баумана | Aperiodic sensor for recording acoustic signals |
| WO1992000507A1 (en) * | 1990-06-29 | 1992-01-09 | Panametrics, Inc. | Improved flow measurement system |
| RU127455U1 (en) * | 2012-09-18 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" | DEVICE FOR MEASURING OIL-WATER-GAS FLOW WATERFLOW |
| JP6288996B2 (en) * | 2013-09-11 | 2018-03-07 | キヤノンメディカルシステムズ株式会社 | Ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic imaging program |
| RU2664346C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-08-16 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Method for producing titanium alloy billets for products experiencing variable mechanical loads |
| RU2664665C1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-08-21 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Method of selecting titanium alloy for ultrasound waveguide |
| RU2675673C2 (en) * | 2017-05-12 | 2018-12-21 | Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ | Titanium-based alloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4297607A (en) | Sealed, matched piezoelectric transducer | |
| Gautschi et al. | Piezoelectric sensors | |
| EP2635901B1 (en) | Method for producing a flexible ultrasonic transducer assembly | |
| US4382377A (en) | Pressure sensor for an internal combustion engine | |
| US6757948B2 (en) | Method for manufacturing an ultrasonic array transducer | |
| CN109781332A (en) | Method based on axle power and elongation control bolt pretightening | |
| McNab et al. | Ultrasonic transducers for high temperature applications | |
| SG190790A1 (en) | Chordal gas flowmeter with transducers installed outside the pressure boundary, housing and method | |
| US20070007862A1 (en) | Ultrasonic vibrator and ultrasonic flowmeter employing the same | |
| US10854941B2 (en) | Broadband waveguide | |
| CN108613644B (en) | Ultrasonic probe for wall thickness reduction measurement in extreme environment | |
| RU2810700C1 (en) | Acoustic sensor and method for its manufacture | |
| CN111595952A (en) | Ultrasonic phased array ring array probe and bolt detection system | |
| CN215639321U (en) | Piezoelectric ultrasonic sensor and detection system for high-temperature pipeline | |
| JP2005354281A (en) | Ultrasonic probe for high temperature | |
| CN113534114A (en) | High-stability underwater sound standard device and manufacturing method thereof | |
| CN210775337U (en) | Frequency-adjustable ultrasonic probe | |
| US20100042342A1 (en) | Method and Apparatus for Measurement of Mechanical Characteristics of a Cement Sample | |
| JP2008151599A (en) | Ultrasonic probe | |
| Sadeghi et al. | Experimental and FE investigations on the influential parameters in positioning and measurement of strain gauges in adhesively bonded single lap joints | |
| CN109270171A (en) | A kind of probe clamping device and its application | |
| WO2022241855A1 (en) | Ultrasonic probe for on-line measurement of axial force of high-temperature bolt | |
| Yddal et al. | Glass-windowed ultrasound transducers | |
| Kovtun et al. | Acoustic emission application for nondestructive strength diagnostics of printed circuit boards | |
| US4836028A (en) | Pressure transducer |