基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法

摘要

本发明公开了基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法；该方法利用管壁内液体在不同压力、温度下声速不同，来间接测量管道液体的压力值；用超声在管壁内的纵波反射时间来消除了超声换能器安装、耦合剂、电路延时造成的测量误差，实现了对管道内液体传输时间的精确测量，并建立管道内液体传输时间和液体温度与管道内液体压力值的对应数学模型。该测量装置采用MS1030时间数字转换芯片为主，高速ADC数据采集为辅的电路设计结构进行超声传输时间测量，以微处理器为核心，通过控制超声的发送与接收信号的时间与温度的测量，经过相应的数学计算转换为压力值并予以显示，有效的解决特殊场合要求的非介入式压力测量问题。

说明书

技术领域

本发明属于压力计量校准技术领域，具体涉及基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法。

背景技术

压力容器式指盛装气体或液体，承载一定压力的密闭设备。睡着经济的发展和社会进步，压力容器已经深入融合到人们的生产和生活中，如冶金、医药行业的各种过程和反应设备；电力和能源领域的锅炉和煤气液化设施；核工业中的反应堆力壳；日常生活中的高压锅、液化气罐等。一般而言，压力容器都安装在高压、高温等恶劣环境中，承载的介质也多为易燃、易爆和强腐蚀性的物质。一旦在运行过程中由于种种原因发生泄漏、损坏或失效，将会造成人员伤亡和经济损失，直接威胁到广大群众的生命财产安全。因此，压力检测在生产活动中具有特殊的价值和意义，在实际应用中必须实时监测并动态控制压力容器的内部压力，不仅可以及时消除可能出现的安全隐患，而且有利于提高企业生产效益。

传统的压力检测方法均为介入式，其特点式测压元件必须与被测介质充分接触。一般是在被测对象上开孔，然后通过管道将被测的压力引至压力检测仪表的敏感元件处。介入式测压因其可靠、精度高、价格低廉的特得到广泛应用，但存在以下弊端：1)开孔处易产生应力集中，应力峰值可达到薄膜应力的3～6倍，降低容器使用寿命。2)不便于增加额外测试点。3)大多数压力容器不允许开孔。对于上述弊端，非介入式压力检测方法在一定程度上得到了改善。

非介入式测压根据工作原理的不同可分为应变式测压方法、光纤式测压方法、电容式测压方法和超声波测压方法。应变式测压方法的原理是直接把应变片粘贴在压力容器管壁上，其电阻率会随着容器内压变化引起的机械变形而发生相应的变化，从而实现压力测量。该方法态特性好，机械滞后小，可测微小应变，但抗干扰能力交叉，存在塑性变形和零漂、非线性严重、测量准确低。光纤式测压方法的原理是在压力变化的作用下，施加在光纤上垂直于轴线方向的应力会使光纤微弯曲变形，从而改变光的幅值，在光纤的输出端面采用光电检测光强度的变化。该方法不受电磁干扰、响应速度快、耐热等特点，但由于其造价过于昂贵、对安装技术要求高，应用范围十分有限。电容式测压方法的原理是当压力改变时，介电常数也会发生相应变化，然后代入两者之间的关系模型中即可获得压力值。介电常数容易受到介质成分和温度的影响，且容易受电磁环境影响，一般用于小管径对象。基于幅值衰减的超声波法压力检测，由于超声波在介质内传播，容易受到介质性质和温度的影响。此外，换能器的安装方式和耦合剂会引入较大干扰，当容器壁较薄时，入射信号会与反射信号重叠，无法辨别真实的接收信号。基于波速变化的超声波压力检测克服了介质带来的影响，但换能器安装、温度以及耦合剂等因素依然会对压力检测精度带来一定影响。

基于超声波测压方法已经受到了国内外学者的高度重视，不同波形(临界折射纵波、反射纵波、瑞利波等)被用于进行压力检测和应力分析，也取得了丰硕的科研成果，如下:

CN201810113906.2基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法；

吴英思.基于超声导波声弹性效应的非介入式管道压力检测机理研究[D].内蒙古农业大学,2019。

以上方法和探索分别采用不同类型的超声波实现了非介入式压力检测，改善了温度的影响。但仍然存在着一些亟待改善的不足之处。首先，压力容器的声弹性效应非常弱且容易受干扰，压力所引起的渡越时间的变化量非常小，压力的准确测量依赖于渡越时间的高精度测量。但温度、超声波换能器的性质、换能器的安装、超声波激发和接收电路以及耦合剂等都会对渡越时间有较大影响，如何减小或消除这些因素的影响成为迫切需要解决的问题。采用两波参比的测量方式虽然能降低温度的影响，但不能完全消除，而且需要多个超声换能器，测量装置复杂。基于多波融合的建模的方法综合了各个波形的信息，较大程度的提高了测量精度，但耦合剂、换能器的安装、换能器的起振等工作特性、超声波激发和接收电路等对超声波渡越时间都会有较大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法，提出了精确测量管道液体超声波纵波传播速度的方法，基于声速会随液体压力的变化的原理间接测量金属管道液体的压力值。

本发明所采用的技术方案是，基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法，通过压力测量装置实现测量过程，所述装置包括全自动压力校验仪、一对超声换能器、温度传感器、高低温箱和超声时间测量装置，高低温箱和全自动压力校验仪分别用于超声时间测量装置标定时控制管道液体的温度和压力值，超声换能器和温度传感器安装在管道表面，超声时间测量用于激发超声并接收记录多次反射纵波的时间值，并反算出压力值。

本发明的特点还在于：

其中基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，将一对超声波发射、接收换能器和温度传感器布置在压力容器外表面，当超声波发射换能器激发出一次超声波，超声波纵波在管道内部发生多次透射和反射，通过分别测量反射波在管壁内的反射传播时间和管壁与液体的总反射传播时间，计算出反射波在管道液体中的传播时间，同时测量温度值；

步骤2，在同一管道、液体介质下，并在同一温度下，记录不同压力下超声在管道中传输的透射和反射的各个时间节点，并将压力值与温度值一同保存；

步骤3，在同一管道、液体介质下，并在同一压力下，记录不同温度下超声在管道中传输的透射和反射的各个时间节点，并将压力值与温度值一同保存；

步骤4，根据步骤2和步骤3中获取的数据，建立对应的压力测量模型；

步骤5，根据步骤4建立的压力测量模型和待测压力管道液体的传输时间与温度，计算待测管道内的压力值；

其中步骤4中压力预测模型为：用线性插值法计算在温度T下，每个压力对应校准时间点t

t

通过时间点t

P＝P

其中步骤1中所测最终超声传播时间为在管道内液体中管道内壁来回反射的时间；

其中温度传感器紧贴管道表面，温度传感器外还设有保温隔热层。

本发明的有益效果是：

本发明的基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法，采用TOFD超声波换能器，具有阻尼高、分辨率高、频带窄、接收灵敏度高的特点，提高测量的精度和可靠性。同时配有和管道外径相同的曲面楔块，提高超声的透射率并方便安装；采用超声纵波在穿越管壁和液体时多次反射的检测方法来测量超声纵波在液体中的传播时间，有效解决了电路延时、超声发射起振时间不一致、换能器安装、超声耦合剂、管壁传输时间引起测量误差；直接测量超声在液体中的传播速度，而不是在管壁内传输的时间变化，有效提高了压力测量的测量分辨率和准确度；使用外部隔热处理的温度传感器，减小环境温度对测量的影响同时避免管道开孔，使管外测量液体温度最大限度的逼近液体的真实温度，有效减小了测量误差。

附图说明

图1是本发明的基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法中超声波在管路液体中的传播路径；

图2是本发明的基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法中压力测量装置的系统结构图；

图3是本发明的基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法中设备安装位置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明设计了一套基于国产MS1030数字时间转换的带温度测量补偿的超声波压力检测装置，提出了精确测量管道液体超声波纵波传播速度的方法，基于声速会随液体压力的变化的原理间接测量金属管道液体的压力值；该方法使用超声纵波二次反射结合MS1030时间数字芯片时间和温度的测量，可以有效消除换能器固定、超声波换能器的起振时间不一致、耦合剂、电子线路等共模因素对超声波在管道液体中传播时间测量的影响；由于温度对液体的超声声速有较大影响，故本设计使用PT1000的AA级铂电阻在管壁外侧来测量管道内液体温度。

超声在管道中的传播路径如图1所示；发送超声波换能器T垂直管壁发出入射波A1，在经过管道和液体交界处的时候会产生透射波A2和反射波A’，透射波A2在液体和管壁交界处产生透射波A3和反射波B1；透射波A3通过管壁传输到达接收换能器R，此时的时间记录为t0，在管壁与外界空气的交界处产生反射波B2，B2在管壁与液体的交界处产生B3，B3透过管壁传输到换能器的时间记录为t1；反射波B1经过液体与管壁产生反射波B5，B5通过液体介质传到管壁与液体交界处产生透射波B6，B6通过管壁传到接收换能器R的时间记录t2；反射波B2和B3的传输时间为t1-t2，反射波B1、B5、B6的传输时间为t3-t1，则超声波在液体中的准确传输时间为Δt＝(t3-t1)-(t1-t2)/2；

超声的传播速度不仅和液体压力有关，液体温度对超声的传播速度影响比较大；故本系统用AA级的PT1000铂电阻用来测试液体温度，为了使测试温度更好的接近液体的真实温度，温度探头外部除与管道接触面外都做隔热处理。以超声传输时间和液体测量温度作为输入参数，压力为输出，用双线性插值法建立压力计算模型：

式中，f(x,y)为计算除的最终压力值，x为超声传输时间，y为测得的液体温度值，XF、YF分别为校验点对应的超声传输时间和液体温度，f(XF,YF)为校验点对应的压力值；

基于超声纵波反射技术的非介入式管道液体压力测量方法，具体包含如下步骤:

步骤1，将一对超声波发射、接收换能器和温度传感器布置在压力容器外表面，当发射换能器激发出超声波，超声波纵波在管道内部发生多次透射和反射，记录有需要的时间节点。管道内的各个透射和反射时间节点会随温度和压力的变化发生变化；

步骤2，在同一管道、液体介质下，并在同一温度下，记录不同压力下超声在管道中传输的透射和反射的各个时间节点，并将压力值与温度值一同保存；

步骤3，在同一管道、液体介质下，并在同一压力下，记录不同温度下超声在管道中传输的透射和反射的各个时间节点，并将压力值与温度值一同保存；

步骤4，根据步骤2和步骤3中获取的数据，在管道和液体不变的情况下，通过双线性插值法就可构建出在压力的计算模型，通过超声波传播速度和管道液体温度值推算出管道内的液体压力值；

步骤5，在重复进行步骤2和步骤3进行多种管道到和液体介质，并将数据保存；测量时通过程序进行选则，就可测量相应的管道液体压力值。

图2为本发明压力检测装置的具体结构，包括人机交互、微处理器和DSP数字信号处理、数据采集、超声发射与接收电路、MS1030时间数据转换、温度采集和超声发射和接收换能器构成。人机交互系统包括一块5寸的lcd触摸屏，并同过RS232与上位机通信来控制系统的操作，系统功能包括压力测量、压力清零和压力校准功能。微处理器通过PWM波控制超声发射电路发射出110V的高压脉冲来激发发射换能器产生超声波。接收超声换能器将接收到的超声波转换为电信号，通过接收电路滤波、放大，传送给MS1030数字时间转换电路和数据采集电路。数据采集电路将收到的信号进行量化，通过DSP进行FIR滤波处理，并将采集处理后温度数据一并上传到微处理器中；微处理器将MS1030转换的时间信号用DSP处理后的波幅-时间数据进行修正，得到可靠的超声在管道液体中的传播时间与液体温度。通过双线性差值法，使用系统内部保存的校准数据就可计算出当前管道内液体的实时压力值。系统采用2.5MHz的TOFD超声换能器，每次数据以100Hz的频率进行50次的采集，通过FIR低通滤波器、中位值平均滤波法去除每次测量中的异常值，可使系统的时间测量精度达到0.1ns以内。

该装置的校准步骤如下：

校准系统如图3所示，高低温试验箱型号为FBS400L，温控精度在±0.5℃，显示精度在±0.1℃，自动压力泵选用CWY-1060的便携全自动压力校验台，量程为6MPa，压力控制精度为0.05级，都完全满足所需要求；通过恒温箱控制设定温度，在温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃的温度点下，分别测量压力为0MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa下的超声在管道液体的传输时间。每次切换温度需在温度到达设定点后等待半小时，以确保管道液体内的温度与温箱内的温度达到一致，并在系统中将测量超声在液体中传输时间数据、压力数据、温度测量数据予以保存；

以上述保存的数据为校准数据，实时测得的超声在管道液体中的传输时间Δt和温度传感器的数据T为输入数据，通过双线性插入算法模型，计算出实时压力值；

首先通过校准数，用线性插值法计算在温度T下，每个压力对应校准时间点tj：

t

再通过计算出的校准时间点t

P＝P

最后为了验证模型的准确性，将测试管道放置在环境温度下，全自动压力校验台加压到不同的压力值，于超声压力计上显示的数值进行比对，其压力测量误差基本都在2％值的范围内，达到了较高的测量精度。