[發(fā)明專利]同時(shí)測(cè)量纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的溫度和壓力的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610330128.3
• 申請(qǐng)日: 2016-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN106017554B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶新宇;施建峰;鄭津洋;張春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02;G01K7/00;G01L9/12
• 代理公司: 杭州中成專利事務(wù)所有限公司33212
• 代理人: 周世駿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壓力容器溫度和壓力的測(cè)試技術(shù)，特別是同時(shí)測(cè)試?yán)w維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器溫度和壓力的裝置及方法。

背景技術(shù)

纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事及工業(yè)領(lǐng)域，并逐漸商業(yè)化，這就對(duì)其可靠性、安全性提出了更高的要求。在此類壓力容器使用過程中，內(nèi)部介質(zhì)溫度和壓力是兩個(gè)重要的參數(shù)。過高的溫度會(huì)使得粘結(jié)樹脂出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，產(chǎn)生安全隱患；過快的壓力變化會(huì)增加復(fù)合材料脆性斷裂的傾向。因此，對(duì)于溫度和壓力的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義重大。此外，此類壓力容器已經(jīng)應(yīng)用于燃料電池汽車的高壓儲(chǔ)氫氣瓶和天然氣氣瓶領(lǐng)域，為了監(jiān)測(cè)氣瓶內(nèi)部氣體余量，對(duì)于壓力的實(shí)時(shí)測(cè)試也必不可少。

現(xiàn)有的溫度測(cè)試方法主要有兩種：一是針對(duì)容器外表面溫度，需在容器外壁布置熱電偶，過程繁瑣但并不困難；二是針對(duì)容器內(nèi)部介質(zhì)溫度，通常采用鉑電阻傳感器，此類傳感器可以安裝于容器尾部，以探針的方式深入氣瓶測(cè)得溫度，缺點(diǎn)是只能測(cè)得容器尾部附近的溫度值。由于多數(shù)復(fù)合材料在垂直纖維方向上導(dǎo)熱系數(shù)很小，因而在纏繞復(fù)合材料容器外部測(cè)量溫度相對(duì)于容器內(nèi)部的實(shí)際溫度具有較大的滯后性和差異性。此外，還可以布置于容器內(nèi)壁，通過容器外部的強(qiáng)磁裝置吸附固定，傳感器的信號(hào)線經(jīng)由容器尾部出口與信號(hào)收集裝置相連，再通過樹脂澆鑄密封技術(shù)實(shí)現(xiàn)密封。這種方法可以測(cè)得容器內(nèi)部溫度的分布情況，但是過程復(fù)雜，且傳感器的存在擠占了容器內(nèi)部空間，同時(shí)破壞了結(jié)構(gòu)的一致性，造成應(yīng)力分布不均甚至應(yīng)力集中的現(xiàn)象，形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)?，F(xiàn)有的壓力測(cè)試方法是在容器出口處安裝壓力傳感器，可以測(cè)得容器內(nèi)介質(zhì)壓力值。而現(xiàn)有的溫度、壓力同時(shí)測(cè)試方法是在容器出口處安裝組合閥，組合閥集成溫度、壓力傳感器等，可以同時(shí)測(cè)量出口處的介質(zhì)溫度、壓力，缺點(diǎn)是無法得到容器內(nèi)部的溫度分布情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同時(shí)測(cè)量纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的溫度和壓力的裝置。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種同時(shí)測(cè)量纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的溫度和壓力的裝置，包括電阻測(cè)量單元；該裝置還包括：電容測(cè)量單元、電路切換單元、分析輸出單元和多根導(dǎo)電纖維；

金屬內(nèi)襯壓力容器的容器壁由內(nèi)向外依次為金屬內(nèi)襯層和增強(qiáng)纖維層，各導(dǎo)電纖維均敷設(shè)于金屬內(nèi)襯層和增強(qiáng)纖維層之間；導(dǎo)電纖維的外側(cè)涂覆有粘結(jié)樹脂，其長度的中間段沿環(huán)向纏繞金屬內(nèi)襯層多圈，且兩端沿軸向延伸至容器出口端或尾部并引出；

各導(dǎo)電纖維的端部均通過電路切換單元分別接至電容測(cè)量單元和電阻測(cè)量單元，以實(shí)現(xiàn)電路的連接與切換；分析輸出單元分別與電阻測(cè)量單元和電容測(cè)量單元相接，分析輸出單元具有數(shù)據(jù)輸出端口。

本發(fā)明中，還包括顯示器終端，通過信號(hào)線接至所述數(shù)據(jù)輸出端口。

本發(fā)明中，各導(dǎo)電纖維的環(huán)向纏繞位置呈等間距布置。

本發(fā)明還提供了利用前所述裝置同時(shí)測(cè)量纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的溫度和壓力的方法，包括：

(一)對(duì)壓力容器內(nèi)部溫度的測(cè)量

利用電路切換單元和電阻測(cè)量單元，測(cè)量得到各導(dǎo)電纖維的電阻值變化情況；然后根據(jù)傳感器測(cè)溫原理，通過電阻值變化計(jì)算得到各導(dǎo)電纖維的溫度值；對(duì)多根導(dǎo)電纖維的溫度值數(shù)據(jù)取平均值，以此作為壓力容器內(nèi)部的溫度數(shù)值；

(二)對(duì)壓力容器內(nèi)部壓力的測(cè)量

導(dǎo)電纖維與粘結(jié)樹脂、金屬內(nèi)襯層共同構(gòu)成了電容器結(jié)構(gòu)，壓力容器內(nèi)部壓力的變化會(huì)導(dǎo)致容器環(huán)向周長的變化，并使位于導(dǎo)電纖維和金屬內(nèi)襯層之間的粘結(jié)樹脂產(chǎn)生形變，進(jìn)而使電容值發(fā)生變化；利用電路切換單元和電容測(cè)量單元，測(cè)量得到各導(dǎo)電纖維對(duì)應(yīng)的電容值數(shù)據(jù)；然后根據(jù)下式得到相應(yīng)的壓力值數(shù)據(jù)：

式中，p是某根導(dǎo)電纖維所處位置的壓力值，當(dāng)為負(fù)值時(shí)其數(shù)值大小代表相對(duì)壓力，為正值時(shí)其數(shù)值大小代表真空度；C₀是壓力容器內(nèi)相對(duì)壓力為零(即大氣壓力)時(shí)的初始電容值，C是壓力容器內(nèi)壓力變化后的電容值，E_T是粘結(jié)樹脂的彈性模量，與粘接樹脂的溫度值相關(guān)(由于粘結(jié)樹脂很薄，在本發(fā)明中直接將粘接樹脂的溫度值取值為導(dǎo)電纖維的溫度值)，對(duì)應(yīng)溫度條件下粘結(jié)樹脂的彈性模量數(shù)值可以很容易通過查閱粘結(jié)劑手冊(cè)或復(fù)合材料手冊(cè)等資料獲取，對(duì)于特殊開發(fā)的粘結(jié)劑，也可以通過不同溫度下的靜力拉伸試驗(yàn)方便地測(cè)得；對(duì)多根導(dǎo)電纖維的壓力值數(shù)據(jù)取平均值，作為壓力容器內(nèi)部壓力值的最終結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：