[發明專利]基于反射縱波的壓力容器壓力檢測方法和測量系統

有效

• 申請號: 201410318440.1
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104062062A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 周洪亮;周漢華;畢瑤;趙延杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L11/06
• 分類號: G01L11/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本專利屬非介入式壓力檢測技術領域，尤其涉及一種基于反射縱波的壓力容器壓力檢測方法和測量系統。

背景技術

壓力容器是一種承受壓力載荷的密閉容器，其主要作用是存儲、運輸高壓的氣體或液體，或者是為熱量交換、物質反應提供一個密閉的空間，廣泛應用于石油化工、醫藥、冶金、航空航天、輕工紡織等行業。

由于壓力容器往往工作在高溫、高壓環境，承載的介質多為易燃、劇毒或腐蝕性介質，因此壓力容器是一種具有較高危險性的特種設備。一旦發生泄漏、爆炸等事故，將會造成人員傷亡和重大財產損失。通過對壓力容器安全事故原因分析，因操作失誤或異常化學反應引起的過壓是壓力容器安全事故的主要原因之一。如果能做到實時檢測并嚴格控制其壓力必將大大減少壓力容器的安全隱患，從而有力地促進安全生產。

傳統的壓力檢測方法均為介入式，即需要在壓力容器上開孔引壓，以便將壓力引導至壓力傳感器處。此種方法的主要弊端為：1)開孔會引起孔邊緣處應力集中，容易引起裂紋等缺陷，造成許多壓力容器爆炸、泄漏等安全事故的發生；2)某些情況下，由于客觀條件限制或結構要求不允許開孔。因此實現壓力的非介入式檢測將會是經濟發展過程中迫切需要解決的科學問題，也是檢測技術學科發展的必然趨勢。

在非介入式壓力檢測技術領域，主要有以下幾種方法：1)應變法，即把應變片或光纖光柵直接粘貼在壓力容器外壁上，通過對其應變的測量來實現壓力的檢測。2)電容法，即將電極置于管壁外側，通過測量由壓力變化引起的介電常數變化來實現壓力的檢測。3)超聲檢測法，根據超聲波在被測介質中的傳播、反射、透射等行為，通過對傳播速度、信號幅值等超聲波特征量的測量，實現對壓力的無損檢測。方法主要有兩種：一種通過建立超聲波波速變化與壓力的測量模型實現壓力檢測；另一種則通過獲得超聲波的振幅與容器壓力的關系來實現壓力測量。

下面為一些關于非介入式壓力檢測研究成果以及相關的發明專利：

1、安驥，張洪朋，張興彪，孫玉清.基于非插入技術的液壓系統壓力傳感器[J].機床與液壓，2008，36(9)：217-219,203,其提出了一種以應變傳感器和計算機數據采集為基礎構成的壓力測量系統。

2、黃姣英，袁海文，安晨亮等.一種電容非介入式壓力測量方法研究[J].儀器儀表學報，2009，30(8)：1773-1777，其提出了一種基于變介電常數電容式的壓力測量方法。

3、發明專利“基于瑞利表面波的無損測壓方法”(申請號：200410066996.2)，其提出了一種利用瑞利表面波來實現待測容器無損測壓的實現方法。

4、發明專利“圓柱形壓力容器表面溫度和壓力無損測量方法和裝置”(申請號：200710069419.2)，其公開了一種基于瑞利波的圓柱形壓力容器的表面溫度和壓力無損測量方法和裝置。

以上方法和探索雖然能實現壓力的無損檢測，但仍然存在著很多局限性。1)應變法：輸出信號微弱，抗干擾能力較差；存在塑性變形，在大應變狀態下具有較大的非線性；在潮濕和腐蝕性氣氛中準確度低，需要經常更換；存在零漂，測量準確度低。2)電容法：介電常數受其中的介質組分和溫度的影響較大；隨著極板間距增大，電容值急劇下降，由于壓力變化導致的電容值變化量很微弱，只適合小管徑的測量；電容式傳感器容易受周圍電磁環境影響，測量精度不高。3)超聲波法：基于波速變化的方法由于需要超聲波穿過容器中介質，導致測量結果與介質類型、介質流動特性、介質溫度等有關；此外超聲波穿過介質后衰減嚴重，不適合應用于大尺寸的對象。基于波幅衰減的方法的測量結果雖不受容器尺寸限制，但與容器內介質類型有關。種種因素都導致了以上的方法達不到測量所需的精度和靈敏度，難以滿足實際要求。

發明內容

本發明在深入研究超聲波在壓力容器管壁傳播機理的基礎上，提出了基于反射縱波的壓力檢測方案，包括其檢測方法和測量系統。相比于臨界折射縱波，反射縱波具有更高的能量和信噪比，提高了壓力測量靈敏度和測量精度。

測量系統是由圓柱形壓力容器、手動加壓泵、恒溫箱、超聲波激發與接收裝置、高速示波器、計算機等部分組成的。為了最大程度地減少因探頭斜楔塊和耦合劑而導致的傳播時間變化，本測量系統中采用了一發兩收的探頭模式。

一種基于反射縱波的壓力檢測方法的步驟如下：

1)入射縱波在界面發生波型轉換，選擇第四反射縱波作為壓力檢測的波形