专利名称：用于水泥的无损检测的声换能器系统的制作方法
技术领域：
一种用于向水泥样品发射声能的系统，其中，该系统包括容纳在端塞的容器中 的超声端口。更具体地，该超声端口限定用于接触压电陶瓷换能器的平面，在 不使用耦合剂的情况下进行声激励。
背景技术：
10超声7jC泥分析仪("UCA")在本领域中是公知的。在具体的水泥样品特征的测
量或者评估方面，典型的UCA相比可选方法提供大量的优点。 一个具体的引人 注目的优点是,在例如可在油田应用中发现的高温高压下UCA进行无损测量的 能力。
开发UCA以在7]C泥装置受到油田温度和压力时对水泥浆的耐压强度进行测量。 15典型的UCA由高温高压管，和每分钟加热速度肯^)多达5.6。C (10°F)、直到204 °C (400°F)并且压力达138.0MPa (20,000psi)的加热套组成。 当设置时，典型的UCA禾,一对超声波换能器来测量声信号传输舰泥浆的传 送时间。凭借经验幵发的等式，根据测量的传送时间来计算规定时间和耐压强 度。美国专利No.4,259,868和4,567,765详细公开了多个UCA，并且这些专利在 20此弓间其中作为参考。
但是，典型的UCA的工作、，受使用的陶瓷的限制，该陶瓷具有典型的300°C 的居里温度、0.71的耦合系数和35xl(^MKSRayls的阻抗。标准UCA的工作 温度典型限制在20(TC。如果需要评估纟鹏高达316。C (600叩)的水泥，希望 一种不同类型的压电陶瓷。 25可利用具有高居里温度的压电陶瓷。但是，与将压电陶瓷使用在UCA中有关的 问题是，当居里、鹏增加时，通常这个陶瓷的耦合系数下降。由于已经樹氐的 信号电平以及更低的高温压电陶瓷的灵敏度，希望对UCA的机械设计进行改 进，以提高信号幅度。
在平底孔的底部大约2.5英寸深的地方，典型UCA中的压电陶瓷与塞的内部配 30对。为了得到测量中的良好信号幅度，该孔的底部应非常地平，以将声能从换能器耦合入水泥中。制造和保持这个平蹈瞎困难。通常使用高温润滑油来补 偿声耦合的不足。由于受热的原因，这个润滑剂会随着时间退化，这导致信号 丢失。将压电陶瓷与水泥分幵的金属的厚度担当窄带滤波器的作用，使得测量 P蹄赃很窄的频率范围内。 5因此，希望生产一种用于UCA中的换能器，其工作在更高、鹏下，并生成更高 的信号幅度，以获得精确的传送时间测量。
发明内容
本发明的声换能器系统用于测量保持在高温高压状态下的水泥样品中的纵向声
WM度。该声换能器系统适于和常规的超声7jC泥分析仪(UCA) —起使用，但 10是与UCA的端塞分开以优化该系统的各单独元件间的声学耦合,从而增加该声 信号的幅度和一致性，并提供将换能器作为分离组件替换的能力。本发明的换 能器组件包括声学传输线，并利用压力隔离法(pressure isolation method)， 优化材料和制造过程，以增强测量必需的声信号。该换能器组件包括高温压电 陶瓷和负载体(loadmass),该负载体改善信号幅度， 供必需的电连接。该 15换能器组件改进在高温高压下测量水泥样品中纵向波速的能力，以确定该样品 的耐压强度。
更具体地，本发明涉及用于超声水泥分析仪的换能器组件，包括声端口、压电 陶瓷、背面体(back mass)和拉力螺栓，其中该声端口具有上平面，该压电陶 瓷具有上平面和下平面，该下平面与所述声端口的上平面连通，该背面体具有
20上平面和下平面，该下平面与所述陶瓷换能器的上平面连通，该拉力螺栓用于 将所述声端口、所述陶瓷换能器和所述背面体紧紧地固定在一起。在《继实施 例中，该声端口起到负电极的作用，该背面体起到正电极的作用。 电M器，例如弹簧，位于电连接器和背面体之间，并与二者电连通。这些平 面具有最小表面差异，优选为20 或者更小，以在不需要耦合齐啲情况下促
25进所述声端口、所述压电陶瓷和所述背面体之间的声学耦合。
该声端口适于容纳在压力管的端塞中。该声端口限定将信号与该端塞声学隔离 的环面。
该声端口的夕卜表面是逐渐变细的，用于形成和该端塞的金属对金属密封。 本发明的声换能器通过将关键部件布置在它们能够被适当处理的地方来改善信
30号质量。本发明考虑具有最佳声学特性材料的容易使用。传输线的使用极大地增加了可利用声信号的带宽，例如，不仅 500kHz的可用于标准UCA中，而
且低得多的频率也可用在传送时间的测量中。
图1是具有装配在其中的换能器组件的超声水泥分析仪单元的侧剖视图。 5图2是图1所示的换能器组件的放大侧剖视图。
具体实施例方式
在详细介绍本发明之前，要了解的重要一点是，本发明并不将其应用限于这里 举例说明的结构细节和描述的步骤。本发明具有其他实施例，并且能够以各种 方式实施或者执行。要了解的是，这里f糊的措词和术语都是为了说明的目的，
io而不是限制的目的。
首先参考图l，所示的是用于优选超声7jC泥分析仪的压力管10的示例。水泥被 限制在腔12中，腔12由单元室或者圆筒壁或者管壁14、上部端塞16和下部端 塞18限定。压力管10可以利用手柄22提升。密封件24和26通常由弹性体和 金属构成，在壁14和端塞16与18之间形成密封。上部电连接28位于上部端
15塞16的上表面上。下部电连接30位于下部端塞18的下端上。上部电连接28 通常用作接收机，下部电连接30用作划寸机。
声能从下部声端口 32传播，经过水泥到达上部声端口 34。利用工业上接受的关 于传送时间和水泥耐压强度的等式，这个信号的传送时间用于计算该水泥的耐 压强度。声能还从下部端口 32传播，穿过下部端塞18、 iKl管壁14，到处
20部端塞16，并i3A上部声端口34。管的这种设计使得这个M足够长，并且具 有足够的衰减，从而沿这个通道传播的任何信号都不会破坏经过水泥的信号的 测量。在以前的UCA设计中，由声端口32和34执行的声学作用简单地用厚度 大约为0.3英寸的隔板突出到7jC泥中来抵抗压力，其具有插入到与水泥相对的塞 内气室中并压靠该隔板的纵向波换能器。
25图2中所示的是换能器组件与上部声端口 34的放大视图。包括下部声端口 32 的下部部件在作用上是相同的。因此，应该理解，所有涉及"上部"组件的附 图标记也都适用于"下部"组件。压电陶瓷由歸表示。本申请中使用的一类 陶瓷是K-81 (Keramos)，其为居里温度为40(TC的改进偏铌酸铅(lead metaniobate)材料。其声阻抗为19xl06MKSRayls，平面耦合系数为0.3。根据
30温度的要求，可使用各种其他材料。如该压电陶瓷100的上表面103和背面体104的下表面118，接触声端口 34的 上表面101的压电陶瓷100上的下部接角嫁面102将平直地研磨(lapped)大约 20p英寸。当发现表面平滑度的变化IOOji英寸到500ji英寸为可接受时，在表面 101、 102、 103和118平坦时达到最佳结果，，表面具有大约20p英寸或者更
5小的表面变化。接触表面102的精确度排除对任何^ia组件间的声学耦合的耦
合剂的需要。
对陶瓷换能器100来说，上部声端口 34担当接地电极的作用。背面体104起正 电极的作用。声信号穿处部声端口 34的中心106，对该声信号来说，上部声 端口 34担当传输线的作用。M环面雨将这个声学通道与上部声端口 36的
io外部隔离，优选利用电子放电加工技术来产生。环面108将信号与上部端塞16 声学隔离，直到信号传播到上部声端口 34的末端，该上部声端口 34与水泥接 触。要求这个隔离在时间和幅度上将该信号分开，该信号能够传播通过压力管 10的管壁20。这个隔离还降低被允许泄漏至腿力管10的总信号。MffiE旋螺 纹件110将上部声端口 34保持在上部端塞16内的适当位置。金属对金属密封
15件112维持腔12内的压力。
由于其强度和其声学阻抗的原因，上部声端口34优选由诸如钛的金属制成。钛 具有27.3x106 MKS Rayls的声学阻抗，相比之下不锈钢的阻抗为45.7x106 MKS Rayls。较低的阻抗不仅改善从陶瓷换能器100到上部声端口 34的能量耦合，还 改善从上部声端口 34到水泥浆的信号耦合。改善的耦合增加了测量中的信号电
20平。
背面体104的上表面114和下表面118都具有一个切口，即上表面114的上部 切口 116和下表面118的下部切口 120，从压电陶瓷100的直径开始，其为到背 面体104边缘的距离的一半，大约0.01英寸深。这个切口，即切口116、 118减 少了在研磨(lapping)过程中必需去除的金属，并提供外部边缘以在研磨时稳
25定该部分以便更加容易获得平滑表面。虽然也可使用其他高密度材料，但背面 体104通常由不锈钢制成。利用拉力螺栓或者具有绝缘套管124的螺杆122将 上部声端口 34、陶瓷换能器100和背面体104紧紧地夹在一起。由于背面体104 用作正电极而螺杆122用作接地，因此需要电气绝缘。背面体104的上表面114 { 研磨(lap)至伏约20 u英寸的表面平滑度，如陶瓷绝缘体126的两个表面
30和负载分布垫圈128的下表面。双螺母130a和130b被用来施加张力到部件组并防止随时间的任何移动。弹簧132既向上部电连接28提供支撑，又作为正极 连接到陶瓷换肖旨器100的电导体。弹簧132接角4±部垫圈136，该上部垫圈136 优选为锁紧垫圈，并通过锁紧螺母138接触。锁紧螺母138将上部电连接器28 保持在陶瓷绝缘体140上。接地M通过的是上部声端口 34和上部端塞16。
5除了M在正确处理的位置布置关键部件提供改善信号质量的能力外，本发明 改进的设计允许对具有最佳声学特性的材料的方便应用。通过将声端口 32、 34 从隔板改进为传输线，极大地提高了声信号的带宽。本发明允许在标准UCA中 使用的从500kHz至低到113kHz的频率范围内测量传送时间。 因而，本发明良好地适于实现很多目的并获得上面提到的以及那些其固有的结
10果和优点。为了公开的目的，虽然描述了目前的优选实施例，但是对那些本领 域的技术人员来说众多的改变和变形是显而易见的。这些改变和变形都包含在 由权利要求书限定的本发明的精神之内。
权利要求
1、 一种用于向7]C泥样品中传送声能的系统，包括压力管，该压力管包括管壁和端塞，所述压力管限定用于容纳水泥样品的腔； 5其中，所述端塞限定容器；在所述端塞的所述容器中容纳有超声端口，所述超声端口用于传送声能，所述 超声端口限定用于接触压电陶瓷换能器的平面，以在不使用耦合剂的情况下进 行声觸。
2、 根据权利要求1的用于传送声能的系统，其中10所述超声端口限定环面，该环面用于将所述超声端口的中心部分与所述超声端 口的外部部分分开。
3、 根据权利要求1的用于传送声能的系统，其中.-所述超声端口禾,左旋螺纹件以附接至U所述端塞。
4、 根据权利要求1的用于传送声能的系统，其中15所述超声端口禾,与所述端塞的金属对金属密封进行压力隔离。
5、 根据权利要求1的用于传送声能的系统，其中 所述超声端口的所述平面具有大约20微米或者更小的表面差异。
6、 一种用于超声水泥分析仪的换能器组件，包括 声端口，具有上平面；20陶瓷换能器，具有上平面和与所述声端口的所处平面M的下平面； 背面体，具有上平面和与所述陶瓷换能器的上平面舰的下平面； 拉力螺栓，用于将所述声端口、所述陶瓷换能器和所述背面体紧紧地固定在一 起；陶瓷绝缘体，围绕电连接器； 25电M器，位于所述电连接器和所述背面体之间并与所述电连接器和所述背面 体电连通；并且其中，所述平面具有最小的表面差异，以在不需要耦合剂的情况下促进所 述声端口 、所述陶瓷换能器和所述背面体之间的声学耦合。
7、 根据权利要求6的换能器组件，其中30所述平面具有大约20 或者更小的表面差异。
8、 根据权利要求6的换能器组件，其中所述声端口起到负电极的作用，并且所述背面体起到正电极的作用。
9、 根据权利要求6的换能器组件，其中所述电魏器是弹簧。 5
10、根据权利要求6的换能器组件，其中所述声端口适于容纳在压力管的端塞内；以及所述声端口限定环面，该环面将信号与所述端塞声学隔离。
11、根据权禾腰求10的换能器组件，其中所述声端口的外部表面逐渐变细以与所述端塞形成金属对金属密封。 10
12、 一种利用超声水泥分析仪测量7K泥样品特性的方法，包括 设置上部声端口，用于产生声信号；设置传输线，用于以与所^Lt部声端口的外部隔离的方式传输所述声信号; 设置下部声端口，用于接收所述声信号。 13、根据权利要求12的方法，其中 15所述声信号低于500kHz。
全文摘要
一种用于测量保存在高温高压下的水泥样品中的纵向声速的声换能器系统。该声学部件与端塞分离，以最优化该部件的单独元件之间的声学耦合，提高声信号的幅度和一致性，并提供将该换能器作为分离部件替换的能力。该换能器包括声学传输线，并利用压力隔离方法来最优化材料和制造过程，以增强测量所需的声信号。该换能器组件包括高温压电陶瓷和负载体，其改善信号幅度并提供所要求的电连接。该换能器改善高温高压下测量水泥样品中纵向波速的能力，以确定样品的耐压强度。
文档编号G01N29/24GK101311716SQ20071016469
公开日2008年11月26日 申请日期2007年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者J·J·小穆恩, V·E·小马基 申请人:钱德勒仪器有限责任公司