基于表面波的薄壁容器压力测量方法

摘要

薄壁压力容器是一种常见的工业设备，为了保证生产过程的顺利进行，经常需要检测它们的压力。现有的压力测量方法大部分需要在被测对象上开孔接引压管，因此对设备制造和后期维护带来了诸多安全隐患。表面波传播速度与传播介质的应力、温度有关。基于这个原理，本文建立了Rayleigh波传播时间与温度、压力之间的详细关系模型，在此基础上，提出了轴向与切向参比式压力测量方法；探讨了表面温度与压力共同测量方法；提出了基于希尔波特黄变换的互相关时延估计方法，并开发了双路可循环超声波时间测量装置。本文的主要研究成果有： 1.推导了表面波传播时间变化量与容器压力、温度之间的关系模型。表面波传播速度受应力、温度、温度应力和曲率的影响；表面波传播距离受到应变、温度影响。本文详细分析了这些影响因素，发现压力与温度对表面波传播时间的影响最大，且同一数量级，其余因素相对于这两个因素影响很小，因此，忽略影响较小的因素，推导建立了表面波传播时间变化量和薄壁圆柱容器压力、温度之间的关系模型。 2.设计了基于TDC(Time-to-Digital Converter)的双路可循环表面波传播时间测量系统。该系统结构简单，价格低廉；实现了表面波传播时间的在线测量；采用回振法提高了时间测量精度；可以同时测量两路脉冲输入的时间差。很好的满足了参比式压力测量以及表面温度、压力同时测量的要求。 3.提出了基于希尔波特黄的广义互相关时延估计方法，提高了互相关时延估计精度。当超声波信号有较大的变形和衰减时，在互相关函数方法作时延估计之前，需要采用信号处理的方法降噪以提高时间测量精度。通过实验比较了希尔波特黄变换法与小波变换法，最终选择了希尔波特黄变换。实验结果表明，希尔波特黄变换法有更好的降噪效果，且运算过程更简单，运算速度更快，有效的提高了超声波检测压力的精度。 4.提出了参比式压力测量方法，并对容器压力与表面温度同时测量作了初步研究。在中低压范围内，针对钢铁材料容器，分析了表面波传播时间变化量和容器压力、温度之间的关系模型的各项数量级，并以此为基础对关系模型进行了简化，得到更易实用的简化模型；根据简化模型，提出了轴向与切向参比式压力测量方法，该方法减少了温度与温度应力的影响；最后，对容器表面温度与压力的同时测量方法作了初步研究。选择水压力罐和气稳压罐为实验对象。实验结果表明，简化模型正确；轴向与切向参比式压力测量方法克服了容器温度变化和温度应力的影响，具有较高的精度。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2压力容器

1.2.1压力容器的主要参数

1.2.2压力容器的分类

1.3非侵入式压力检测方法

1.3.1应变片

1.3.2压阻式压力传感器

1.4侵入式压力检测方法及其缺点

1.4.1常用侵入式压力检测方法

1.4.2侵入式压力检测方法的缺点

1.5本文的主要研究内容及意义

第2章超声波检测技术综述

2.1超声波的特点及主要应用

2.2表面波简介

2.2.1表面波的激发与接收

2.2.2表面波的传播特性

2.2.3表面波的主要应用

2.3超声波应力检测技术

2.3.1应力检测理论基础

2.3.2超声波螺栓应力测量方法

2.3.3超声波应力测量在铁路工业中的应用

2.3.4构件载荷应力的超声波测量方法

2.4超声波压力检测

2.4.1声表面波压力传感器

2.4.2纵波测量管道内液体压力

2.5超声波温度检测

2.6小结

第3章基于表面波的薄壁圆柱容器压力测量模型

3.1影响表面波传播速度的各种因素

3.1.1应力对传播速度的影响

3.1.2温度对表面波速度的影响

3.1.3温度应力对表面波速度的影响

3.1.4曲率对表面波速度的影响

3.2影响超声波传播距离的各种因素

3.2.1应变对传播距离的影响

3.2.2温度对传播距离的影响

3.3表面波传播时间变化量与压力、温度关系模型的推导

3.3.1影响传播时间的各种因素分析

3.3.2关系模型推导

3.4轴向、切向参比式压力测量模型

3.4.1传播时间与压力、温度关系模型的简化

3.4.2轴向与切向参比式压力测量模型

3.5小结

第4章表面波传播时间测量方法与装置

4.1基于互相关函数的时延估计方法

4.2互相关函数法实验装置与实验方案

4.2.1互相关函数法实验装置

4.2.2互相关函数法实验方案

4.3基于希尔波特黄变换的互相关时延估计方法

4.3.1希尔波特黄变换简介

4.3.2与小波变换对比实验及分析

4.4基于TDC的时间测量系统

4.4.1系统总体设计

4.4.2系统实现

4.5小结

第5章压力与温度测量的实验研究

5.1轴向、切向参比式压力测量实验

5.1.1水罐压力测量实验

5.1.2气罐压力测量实验

5.1.3误差分析

5.2表面温度与压力同时测量方法

5.2.1固体表面温度测量的困难

5.2.2常用的表面温度传感器

5.2.3表面温度与压力测量模型推导

5.3表面温度与压力同时测量实验

5.4基于HHT的互相关时延估计方法实验

5.5基于TDC的时间测量系统实验

5.5.1时间测量流程

5.5.2实验结果及分析

5.6小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者攻读博士期间发表和录用论文

致谢