用超聲波識別材料和設備的方法及裝置的制作方法

專利名稱：用超聲波識別材料和設備的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明的目的是材料和設備的識別，特別適用于那些由于其特別惡劣的工作條件而實際上可不能使用傳統的識別裝置來識別的材料和設備。
在本說明書中，我們以石油鉆探設備為對象，更確切地講，本發明的方法和裝置可以用于其它工業部門的別的材料和設備，只要其識別的要求與采礦業，尤其是石油工業相似。
石油鉆探設備的識別，由于其設備工作條件的惡劣以及構成該設備的數量巨大的零配件，使之成為本發明最困難的應用之一，盡管如此，為保證其設備運行的可靠性，不得不需要識別系統，否則在經濟上會造成十分嚴重的后果。在采礦業，石油鉆臺，不論是勘探還是開采，所用設備都包括由大量依次相連的鉆桿和鉆頭構成的鉆機，它由地面上的設備在一定距離內驅動，通常有幾千米長。轉動的力矩在構成鉆機的鉆桿上產生巨大的扭矩，向前的推力由鉆機自身重量和懸掛系統產生，它可能是一部分或全部施加到鉆頭上，由鉆桿組件的長度可知所說重量是十分巨大的。
鉆桿上還包括鉆探機構，當鉆探向深處進行時，可以逐漸地增加其長度。
鉆機是在十分惡劣的條件下，如極大的機械和環境應力，逐漸增高的溫度和壓力，以及振動等條件下操作的。在鉆探過程中，鉆桿組件要廢棄和重新鉆入許多次，為了能連續鉆探，就要在鉆桿斷裂之前重新裝配。
如果鉆機的某一部分鉆桿毀壞了，就會產生嚴重的后果，在斷掉的鉆桿以下的部分完全報廢，還要放棄已鉆探了一部分的鉆孔。
構成鉆機的各個部分是彼此不同的，除前面已提到的鉆頭以外，鉆桿除具有的標準長度，其類型，重量、材料、直徑、以及補接管、異徑接頭，配重件等都是不同的。所有的配件，均根據要鉆的孔的技術要求，按非常精確的順序，依次連接構成鉆機。
這些組件在不同的井和不同地點上要使用多次，其間要進行周期性的檢查，可能的再分類和維修。
已經在較“艱難”的地方可鉆探使用過的設備就用在條件較好的地可再使用，而同時，那些尚未強烈受力的設備則會被用在“艱難”的鉆探工作中。
這些配件的每個都必須準確地識別，不僅要測量上述的參數，而且要了解其使用和維修方面的完整的既往歷史。
每個配件的工作壽命以內的所有經歷及其結構新征都被記錄在已在計算機中的文件里。
當需要使用它時，在安裝在鉆床上之前先從庫中提出，這個材料必須加以識別以確定它是否符合其將要擔負的新的工作的要求。識別滿足各種要求識別的結果既要確保所有配件在鉆機上的順序滿足要求，還要將各組件的詳細數據貯存起來，終歸它對于鉆探工程的管理是有益的。
識別和記錄的工作可以在檢查和任何維修的時候進行，很顯然，傳統的識別裝置，例如留割痕帶有數標的識別板或外用條形識別裝置，雖然它們是放在不易損毀的位置，但在鉆探過程中，設備要經受沖擊，振動、腐蝕、積垢，因此，在使用一定時期后，不再可能識別它們，在這種情況下，傳統的識別方法是不實用的。而鉆桿使用鋼鐵材料又意味著使用磁性特性來識別它們是無法實現的。
根據本發明，設備和材料的識別是這樣完成的，在設備和材料上附加一個小板，在它的內藏表面上作標記，然后用超聲波傳感器來“閱讀”它。
下面將結合

圖1，2和3來描述該識別裝置和方法，這些附圖描述了一個典型的實施例，但只是一種圖解，而不起任何限制的作用。
識別板1最好是但并不必須是一個規則的形狀，例如它可以是圓角的矩形，可由某一種能耐工作條件的材料制成，諸如不銹鋼或具有類似機械和工作特性的金屬合金。
在所示的板1的某一表面，作出了一系列一樣的和在預定位置2上的刻痕，如用機加工的方式或別的方法，在每個位置2上制出刻痕3，在圖1所示的實施例中，刻痕3是盲孔的形式，但它與任何其它形式，如直線銑槽作用是一樣的。然而盲孔是一最佳實施方式，它易于機加工，而且在板1上可以有較大的密度。
標志位置2之間的距離，如后面將圖示的取決于構成記錄裝置的傳感器的大小和精確度、孔3的軸間距為幾毫米。
孔的底部最好是錐形、球面或其它不是平面的形住，在位置2上的一系列孔3，其有或無構成一個用于識別該材料或設備的二進制碼數據。對于N個有效的位置，可能的組合等于2N個，舉例來說16位二進制數的十進制值相當于序數從0到65535，若是32位，則其十進制數值將超過40億。
板1加以標志后固定到材料4上，材料4上有一空腔5，它的形狀正與板1的形狀匹配。空腔5的底部必須與板1的表面盡可能平行，以使板被刻記的表面能與空腔5底部平行放置。板1刻有標記的表面向內放置以保護之，而未刻有標記的表面則朝外。
板要固定在空腔內不能移動。可以采用傳統焊接，或利用激光產生許多小焊點的方式來固定，也可以在空腔加熱狀態下用力將板壓入或用在鉆探過程中能承受這些工作條件的膠來固定。既使由于各部分接合處的不嚴密而滲入一些液體、固體或懸浮物到空隙中，對記錄數據也不會產生本質的影響。空腔5的深度大于板的1的厚度，使其在裝配板1之后，仍留有一導向口以準確地為記錄裝置定位。
在空腔5邊沿上還可以設置一隆起的部分7從而提供了更深的保護濃度。
如上所述，對于板1或空腔5，并不必須是具有規則的形狀，盡管這是使本發明構造簡單、容易實現的條件。采用非對移形式，使從機械方面避免不同部分的鏡面位置需加以識別成為可能，而在對稱形板的情況，就需要測試儀器測試板上一個或多個有效的位置或標志位來加以區分。
根據本發明，“閱讀”固定在空腔5中的板1是利用可發射超聲波并記錄從空腔中反對的回聲的傳感器發射的超聲波，一個位置挨著一個位置地進引掃描而完成的。
在沒有鉆孔處-不論孔是槽形或任何其它種類的刻痕現象是相同的-信號反射到板的平坦的內藏表面又返回傳感器產生一很強的回聲，而如果有鉆孔，孔的錐形或球面形底部向各個方面發散信號，因此返回到傳感器的回聲強度僅比本底“噪聲”大一點。
超聲波傳感器一記錄儀在本領域是熟知的，可以用于本發明，例如，意大利專利第1148549號和歐洲原子能聯營申請的法國專利第2570533號中所說的傳感器，可能被作為舉例提到。圖2A所示為用于本發明的裝置的超聲波傳感器8的框圖。
超聲波傳感器8的芯部包括一壓電陶瓷片9，當它接受一個電脈沖信號時能夠產生一個超聲波信號，反過來，當接收到一個超聲波脈沖時可以產生一個電信號。舉例來說，這種材料可以是鉛絡鹽，諸如鋯酸鉛和鈦酸鉛，現在稱之為PZT。與片9的一個面相接觸處，圖2A中的上表面，有一層導電金屬粉未涂層，諸如鎢粉。外層用樹脂，如環氧樹脂覆蓋，該涂層金屬密度很高，從而有很好的導電性能。涂層10的作用既是導電體又作為回聲阻尼，使信號尖銳而又不會產生不必要的延時。
插入涂層10的是帶有連接器12的導電體11，以引出和輸入電信號，它被封裝在不導電的合成樹脂，如環氧樹脂構成的一棱柱形體13中，從中，并從片9的反面引出導體11的端頭。另一方面，在片9的另一面，圖2A的下面，有一導電金屬板14，它是接地的。
根據本發明的優選實施例，在金屬板14上還有一樹脂涂層15，并經過機加工，使其外凹面形成一超聲波透鏡，從而將由片9產生的超聲波信號聚焦到任何希望的距離。
傳感器是由板14接地的，并由連接器12與一電脈沖產生器相連，以使傳感器8產生超聲波，還通過連接器12與一儀器相連，以測量當傳感器接收到一反射的超聲波信號時所產生的電信號的電壓-或電勢。
板的內藏表面的“閱讀”，如上所述，是基于傳感器發射的超聲波的反射或其它，并將大于某一特定值的反饋信號記錄為沒有孔洞，而將一弱信號視為有孔洞，有孔洞時回聲的幅值小于沒有孔洞時回聲幅值的十分之一。
這個現象圖示在圖3中，其中分別表示了沒有孔洞和有孔洞時反射信號的波形。
這個“閱讀”方法包括按預定的時序，對每個單個的傳感器記錄在時間門內得到的信號幅度，時間門的設定是指聲波從兩個方向通過中間的傳播時間，現在以“飛行”時間對應于反射列板內藏表面的時間。
所說幅值與傳感器標定時預設的一個閾值比較，每一“位”或位置對于回聲大于閾值(無孔洞)賦予0值，而對于弱回聲(有孔洞)賦予1值，或者反過來。
另一時間門是從回聲從片的可視表面輻射開始設定，以檢驗在第一時間門內沒有信號不是由于傳感器中的任何錯誤或是與板的連接問題。
在第二時間門內的信號的幅度是噪聲水平的50-60倍。
在日常用語上時間門-被理解為進行記錄的時間間隔-在這里表示超聲波信號從兩個板表面，可視表面和內藏表面反射的時間信號，那是兩個反射信號以相同連度通過不同長度路徑的時差。因此反射信號返回傳感器的時間是不同的，首先返回的信號是從板的可視表面反射回來的，而第二個返回的信號是從內藏表面返回的，這個時間延遲量可以作為所穿透的板的厚度的函數。在出現兩個連續的反射信號的文件中，它們所表示的含義是十分明顯的，首先出現的反射信號就是通過最短距離的那一個，當然，是通過同一種介質。
在超聲波記錄技術中，現在使用‘時間門’技術，它是記錄僅在一所說信號具有所要求的含義的時間間隔人的信號，而同時濾去在這一時間間隙內出現的具有其它特征的所進行的測量無關的信號。
在本發明中，如圖3所示，使用了兩個時間門。
按照時序，第一個時間門對應于由板的可視表面反射的超聲波信號的反饋;根據本發明的一個優選實施例，這個信號被用來確認系統在正確地工作，確保其它記錄能夠提供可靠的數據，換句話說，意味著按照出現時間而設定的第二個時間門對應于從板的內藏表面反射的超聲波信號的反饋。
但是并沒有說兩次記錄仍以相同順序進行處理，事實上，首先記錄相應于第二時間門的信號，然后才是相應于第一時間門的信號也是可能的，按照控制邏輯，先與后是沒有區別的，正確地記錄從可視表面反射的信號可被用作限制方式或是數據認可。
在圖3的反射信號圖中，上面的圖相當于0值位，換言之即表示沒有鉆孔，其中相應于第一個時間門，從板的可視表面反射信號被記錄，與此同時，從內藏表面反射的信號則在第二時間門被記錄下來。
另一方面下面的圖表示1值位，即有鉆孔在第一時間門內總是被可視表面反射的信號，而在第二時間門內沒有明顯的信號，在兩個時間門中間，還有可能觀察到一個小幅度的干擾，這是由于入射信號被鉆孔的錐形底部發散形成的。
如果使用的孔或標志的底部是平的，且平行于板表面，孔底部將構成一個壁以反射聲波，鉆孔的存在將增強一反射信號，這個信號將在某一時間門進入傳感器，并出現在相應于板的兩個表面反射回來的信號的兩個時間門中間。使用具有擴散型底部的鉆孔構成了一個本發明的非常簡單經濟的實施例。
記錄既可以使用一單焦點傳感器，用一機械掃描裝置，這就是說，使用一個能夠按預定的順序對各個可能的位置進行探測的傳感器，還可以使用一個電掃描多元傳感器，這就是說用與待測位置數相等的記錄元件同時探測所有位置，然后，按予定的順序，收集所有有效位置的數據，也是使用目前稱之為“多路復用”的技術。
在以下的描述中，我們要談及電掃描技術，但明確指出，機械掃描只是本發明方法的概念上等價的方案。
多元傳感器由許多對超聲波敏感的單個的傳感器構成-如前所述的類型，其數量等于有效位置數，并按同樣方法處理數據，這就是說，所說的多元傳感器與板相對放置，每個單傳感器與一個鉆孔位置對應，并能記載板下面是否有隱藏的鉆孔。
傳感器定位誤差及鉆孔深度的變化不超過零點幾毫米的量級，則不影響識別的準確度。
參見圖2B，其中所示為與圖1所示板匹配的傳感器，這個多元傳感器包括三排平行的，每排分別有11個，13個和11個的單個傳感器，這些單個傳感器一個挨一個放置，使之能夠記錄在標志板相應的行列有無孔洞。
傳感器的橫向尺度可以是頗能被容納的。可以假定這些值是十分之一英時(2.54mm)-這相應于鉆孔間距-這樣32個鉆孔位置才能被容納在一個小于10cm2的矩形中，該矩形大小為35×15mm。這個尺度還可以通過縮小配件減小，但這樣的孔間距值已保證標志裝置的體積較小。
圖2A中的單個傳感器8被按照圖1中的板上的位置一個挨一個定好位，在各個傳感器之間留有縫隙16，其中充滿樹脂從而形成一個穩定的傳感器塊、其中各個傳感器都在固定的位置。
根據本發明的優選實施例，金屬板14被膠粘到用上述方法構成的傳感器塊的整個表面上并接地，從而使塊中的所有傳感器都具有相同的電勢。
多元傳感器的平面配置與板1上的標志位置是一致的。在它的四個角上有墊片17倚靠在板的可視表面上以確保所有的傳感器8的聚焦透鏡15都位于板1的可視表面外預定的距離上。
在多元傳感器和板1的可視表面之間的間隙18中充滿凝膠，這種凝膠具有良好的超聲波透過特性。扣邊19的表面可與圖1中空腔5的邊沿配合，以保留住聲導凝膠。如前面所解釋的，傳感器既起一個信號發射器的作用，又起一個信號接收器的作用，它能將電信號轉變成超聲波信號，或反過來將一個超聲波信號轉變成電信號。
傳感器與板之間的耦合是利用幾毫米厚的凝膠涂層實現的。為此，多元傳感器是通過勢片17在四個邊點上與板的可視平面接觸的。
透鏡15將超聲波束從每個傳感器聚焦列標志孔洞底部的深度上。多元傳感器的各個單元兼作發射器和接收器。
測量可以通過掃描未完成或利用所謂的多路復用技術，即不同的單元被順序選擇到。
各種“多路復用”方法，或者基于多元傳感器的每個單元的發射一接受開關，或者基于純接收開關，都是可行的，所有單元要電并聯連接。
閱讀過程包括簡單地的收集信號和將收集到的回聲譯碼成有區別的0值和1值。這樣規則的值就構成了所要的數據，并貯存在存貯器中，成為對使用者有用的值。
這些裝置與微電腦或其它電子器件一起使用是有利的，這樣就能將關于鉆探材料和設備的所收集的數據存貯起來，顯示和重新送回記錄文件。
在這裝置上使用位置傳感器也可能是有利的，它可以告訴操作者，閱讀頭-由多元傳感器構成-是否正確地放置在板上，也可能使用監視傳感器以確保相對于第一監視門信號能指示傳感器在正常工作，也可能使用傳感器確保收集數據的存貯，以及使用其它附加件。這裝置進一步還可與監視鉆機部件性能、完成順序的儀器相連、以保證它們是依據計劃的，完成上沒有錯誤，并依據記錄極據。記憶數據的矯正可以是周期性的或實時的。
例1識別裝置已經通過某些鉆探材料和設備進行了測試，尤其是對-輕重量鉆桿，需要-根據連接類型有8個編碼數 (3位)-根據直徑和單位長度重量有5個編碼數 (3位)-根據材料區分，有4個編碼數 (2位)-重鉆桿，需要-根據標稱直徑、有5個編碼數 (3位)-鉆頭的配重桿，需要-22個編碼數每種配件需識別的樣品數量是60，000，所以序數限制為16位，還需2位用來識別設備的類型，另兩位用來監視閱讀頭的正確定位。總起來說，對于輕重量鉆桿，除了定位需要的位數，最多需用26位。包含所說數據的板如圖4所示。它包含三排平行的分別為8個，12和8的有效孔位置。
板由4.5mm厚的AISI 316號鋼制成，是一個尺度為36×16mm的有倒角的矩形，其矩邊呈圓形。
兩個數據點A和B是用來檢驗閱讀頭的定位是否正確，特別是在點A有一個錐形底的鉆孔而在點B則沒有標志。閱讀是按照各位置的數碼順序進行的。
各行孔相隔5.08mm(十分之二英時)，孔的間距是2.54mm，孔徑2mm，深度2.5mm錐角為120。這可以容易地采用數控自動鏜床進行加工，它能夠將鉆孔位置排成程序以加工出不同的標志板。
本發明的裝置和方法有利于利用專用微機或微電腦。
例2圖5所示為識別程序的邏輯框圖，其中的古英文涉及石油技術-drill pipe 表示 輕重量鉆桿-drill collar 表示 配重套管-hevy wate 表示 重鉆桿-sub 表示 重鉆桿其它項目都是在程序框圖中常用的術語。
這些符號具有下列含義-S1 在時間門1的信號幅值
-S2 在時間門2的信號幅值-M1 在時間門1的信號閾值-M2 在時間門2的信號閾值-A、B 傳感器位置的校準在例1中，連接頭沒有被加以考慮，但它只需建立2個識別位就能識別4種類型，因此對于連接頭，也是足夠的。
程序的第一部分是一輔助“循環”以檢驗閱讀頭是否已正確地定位在識別板上或者第一傳感器是否已定位在點A上(如定位在點B就錯了)如果這些條件滿足，那么第二部分自動執行。
對于26個信息點的每一個，按照時序，都會得到相應位的0值或1值，如果不是由于傳感器單元出錯或其耦合不成功，在時間門1內總能監測到沒有回聲(這一位的值等于1)。
確定了連接頭的可靠性之后，就可以進入程序的第三部分，其中首先識別配件的類型、然后閱讀表征色的編碼、再計算出表征色的編碼序數(從11位到26位)。
本發明的裝置和方法適用于需要標志和識別材料和設備的工業中，在應用時，除了認真使用它們，還必須只能由擁有一套閱讀儀器并掌握相關編碼的有資格的人員來閱讀。
本發明也可用于保安領域的識別應用，如果需要，還可記錄標志板的載體，可能的話，還包括閱讀儀器的載體。
權利要求
1.一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，包括一裝設在所說材料上的標志件和一臺所說標志的記錄裝置，其特征在于該標志件包括一個板1，在其一個表面上予定的位置用鉆孔或其它方式刻出標志，對應于這些位置上有無刻痕形成一個0或1符號位序列或者反過來表示，其中標志的記錄裝置由一個或許多超聲波傳感器8構成，放置在板的標志的相對位置上，由一個電信號激勵以產生一個超聲波信號，該信號從板1的內藏表面反射，并返回傳感器產生一個不同的反饋電信號，該信號作為所說的每個位置有無標志的函數，從而得到一組二進制數或是能夠識別板的內藏表面上的所作標志的電信號。
2.如權利要求1所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于板1的內藏表面上的標志是一組盲孔形成的，最好是其有凹形底部。
3.如權利要求2所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于其中的盲孔底部是錐形或球面形的。
4.如在前的一個或多個權利要求所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于其中板1是固定在所要識別的材料體上的5中的，該空腔的形狀與板1一致并可容納它，其深度至少等于，最好是大于板1的厚度，以構成一個有效的空間，使傳感器8得以根據標志位置定位。
5.如在前的一個或多個權利要求所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于其中傳感器8按照圖2A的設計構成一單塊形式，傳感器的芯部包括壓電片9，導電金屬粉末的樹脂涂層10，封閉在不導電棱柱形體13的導體11，導體11從棱柱體13中露出作為連接器12的一端，另一端則與涂層10電連接，金屬板14則作為壓電片的一部分并構成接地導體，從壓電片涂層10的相對一面引出。
6.如權利要求5所述的一種利用超聲波識別材料和設備的裝置，其特征在于其中設置在所說金屬板14上的是透鏡15，它將傳感器8發射的超聲波聚焦到孔3底部的深度。
7.如在前的一個或多個權利要求所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于其中多個傳感器8按照與板1上的標志位置一致的設計組合成一個多元傳感器，從而使每個傳感器8對著每個標志位置，如圖2B所示。
8.如權利要求7所述的一種利用超聲波方法識別材料和設備的裝置，其特征在于其中在多元傳感器的周邊部分有分隔元件17，倚靠在板1的可視表面上以確保板1和聚焦透鏡15之間有所要求的距離。
9.利用在前的一個或多個權利要求所說的裝置對材料和設備進行超聲波識別方法，其特征在于其中傳感器或傳感器8首先被放置到對應于板1的每個標志位置2的位置，進而傳感器8被一個電信號激勵以向板1發射一個超聲波信號，超聲波信號在板的主體之間反射并返回傳感器，在一特定的并根據是否有標志而區分時間門內，重現一個電信號，所說的被測電信號是每個傳感器末端12和板14之間的電壓差或電勢差。
10.如權利要求9所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于其中值1被規定為信號或二進制數的幅值大于一傳感器標定時碇定的閾值的情況，而值0則被規定為信號或二進制數的幅值小于所說閾值的情況。
11.如權利要求10所述的利用超聲波方法識別材料和設備的方法，其特征在于當所用標志有一凹底時，超聲波信號被發散，從而使反射信號的幅值小于該的值。
12.如權利要求9所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于其中使用平底標志和標志底部平行于板的表面的標志，在孔底部反射的超聲波信號形成反饋信號被在與又從板的內藏表面反射的信號不同的時間門內記錄下來，從而有可能根據信號出現的時間門識別出信號反射的表面，并用二進制數1和0加以的區別。
13.如權利要求9到12中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于;其中傳感器8的正常工作狀態，是通過監視對應于從板的可視表面反射的時間門內的反饋信號來檢驗的，設定該信號幅值大于所說閾值。
14.如權利要求9到13中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于;其中多元傳感器相對于板1的位置確定后，在透鏡15和板的可視表面之間留有一自由空間18，其中充滿能傳播超聲波的凝膠，所說凝的在傳感器放置前就施加加到板上。
15.如權利要求9到14中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于;其中一個或多個標志位置被用來監視多元傳感器相對于板的正確定位。
16.如權利要求9到15中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于其中反射信號的記錄是按順序采用電掃描方式進行的。
17.如權利要求9到15中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于其中反射信號采用多路復用技術進行記錄，即對構成多元傳感器的傳感器進行開關轉換。
18.如權利要求9到15中的一個或多個所述的利用超聲波識別材料和設備的方法，其特征在于;其中反射信號的記錄是采用適當的定時采集傳感器的反饋信號的方式進行的。以建立材料的識別程序。
全文摘要
一個識別材料和設備的系統，包括許多小的金屬板，識別是通過測試裝設到材料上的板的內表面進行的，識別裝置包括刻痕或盲孔，采用掃描方法或多路復用技術用超聲波傳感器進行探測，該傳感器發射超聲波并接收被內藏表面反射回來的超聲波信號，并將反饋信號作為裝設到材料上的小板的內藏表面上的標志的函數，從而為其建立一個不同的二進制編碼序列。
文檔編號G01V1/00GK1057110SQ9110371
公開日1991年12月18日 申請日期1991年6月4日 優先權日1990年6月4日
發明者阿得莫·斯肯托, 馬西莫·普拉左利, 里內·丹尼斯, 菲爾頓·拉克斯塔尼, 賈內·皮絡·巴它根, 勞奪魏考·伯它尼 申請人:阿吉普公司