專利名稱：圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
圓柱形壓力容器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石化、能源、輕工、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，常常需要隨時監(jiān)測壓力容器的表面溫度和壓力。
瑞利波是沿材料表面?zhèn)鞑サ亩S彈性表面波。它不僅可以作為一種無損探傷的媒介，而且還能靈敏地反映出材料內(nèi)部的應(yīng)力與溫度等信息。根據(jù)瑞利波速與傳輸介質(zhì)中承受的應(yīng)力有關(guān)的特性，可建立了超聲波測量壓力的模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力的無損檢測以克服因侵入式壓力測量而帶來的各種弊端。但是，該模型沒有考慮溫度的影響，因此只適用在容器溫度不變的環(huán)境中。當(dāng)容器溫度發(fā)生變化時，每變化1℃與壓力變化1MPa引起的超聲波傳播時間變化量同一數(shù)量級，約為總傳播時間的萬分之幾。實(shí)際應(yīng)用中，由于外界環(huán)境或容器內(nèi)部物質(zhì)的影響，容器表面溫度一般都是變化的，因此必須同時考慮溫度和壓力對超聲波傳播時間的影響。
現(xiàn)有的溫度測量方法多采用接觸式方法測量。使用接觸式溫度儀表，在被測表面安裝傳感器后，會引起表面溫度場的破壞，因此，測量精度難以保證，而現(xiàn)有的非接觸式的儀表存在設(shè)備復(fù)雜，價格較高等缺點(diǎn)。因此開發(fā)一種能夠同時且無損地獲得壓力容器表面溫度和壓力的方法將具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法及裝置。
圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法利用超聲瑞利波在壓力容器軸向和切向傳播距離內(nèi)的渡越時間與壓力容器表面溫度和壓力值的關(guān)系進(jìn)行測量，切向和軸向的超聲瑞利波渡越時間與壓力容器的壓力和表面溫度的關(guān)系式為tθ(σ,T)=kθp+gθT+hθ]]>
其中tθ(σ，T)、t(σ，T)分別為超聲波切向和軸向的渡越時間，p為待測容器的工作壓力，T為待測容器的表面溫度，kθ、gθ、hθ、k、g、h為系數(shù)。
所述的超聲瑞利波是采用四個相同的瑞利波探頭分成兩組進(jìn)行發(fā)射和接收，發(fā)射和接收的工作頻率為1.0～5.0MHz，第一組探頭安裝在待測圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米；另一組探頭安裝在待測壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米。
所述的kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的獲得方法為改變待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值，測量相應(yīng)狀態(tài)下的軸向和切向超聲波渡越時間，在獲得待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值以及軸向和切向超聲波渡越時間這四個值的多組數(shù)據(jù)后，通過函數(shù)逼近的方法得到kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的值。
圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置中的單片機(jī)分別與存儲模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊、超聲波發(fā)射電路、循環(huán)控制電路、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相連接，循環(huán)控制電路與超聲波發(fā)射電路、軸向超聲波接收電路、切向超聲波接收電路、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相連接，超聲波發(fā)射電路與軸向瑞利波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭相連接，軸向超聲波接收電路與軸向瑞利波接收探頭相連接，切向超聲波接收電路與切向瑞利波接收探頭相連接。
所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭、軸向瑞利波接收探頭、切向瑞利波接收探頭的工作頻率為1.0～5.0MHz。
所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭、軸向瑞利波接收探頭、切向瑞利波接收探頭中軸向瑞利波發(fā)射探頭和軸向瑞利波接收探頭安裝在待測圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米；切向瑞利波發(fā)射探頭和切向瑞利波接收探頭安裝在待測壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米。
本發(fā)明提出了瑞利波軸向和切向的渡越時間與圓柱形壓力容器表面溫度、壓力的關(guān)系式，不僅避免了傳統(tǒng)的溫度和壓力測量方法因容器開孔引起的各類安全隱患，而且提供了一種更為方便、更加靈活的壓力容器表面溫度和壓力測量方法，能滿足在役壓力容器新增檢測點(diǎn)及某些壓力容器不宜在容器壁開孔直接引壓或者無法實(shí)現(xiàn)安裝測溫點(diǎn)等需求。基于該方法的測量裝置操作簡單，成本低廉，能夠在線檢測溫度和壓力，有助于更加有效地監(jiān)控壓力容器的安全運(yùn)行。


圖1是圓柱形壓力容器示意2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框3是本發(fā)明的超聲波接收電路圖4是本發(fā)明的循環(huán)控制電路圖5是本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的測量時序圖6是本發(fā)明試驗(yàn)中容器壓力不變時溫度與超聲波渡越時間關(guān)系7是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中容器壓力與超聲波渡越時間變化的關(guān)系8是本發(fā)明測量流程示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示是待測圓柱形壓力容器的示意圖。超聲波波速受到應(yīng)力與溫度的共同影響，根據(jù)這一原理，可以建立波速變化與容器壓力、溫度之間的關(guān)系。但是速度變化本身不能直接測量，本發(fā)明將波速的變化量轉(zhuǎn)換為超聲波傳播時間的變化量。瑞利波傳播時間等于傳播距離與傳播速度之比，因此必須同時考慮溫度與壓力對瑞利波傳播距離和速度的影響。
1)溫度與應(yīng)力對波速的影響設(shè)定壓力為0、溫度為某一特定溫度To時的狀態(tài)為初始狀態(tài)。當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)相比，溫度與壓力都發(fā)生了變化。作為一種機(jī)械波，由于溫度變化的影響，當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)相比，瑞利波的傳播速度會發(fā)生變化。在一定溫度范圍內(nèi)，波速與介質(zhì)溫度可近似認(rèn)為是線性關(guān)系v(0,T)=v(0,To)(1-αΔT).---(1)]]>式中溫度變化量ΔT＝T-To，To為初始狀態(tài)溫度，T為當(dāng)前溫度，v(0，T)表示壓力為0、溫度為T時超聲波波速，v(0，To)表示初始狀態(tài)時波速，α為溫度對波速的影響系數(shù)。
對于如圖1所示的壓力容器，當(dāng)容器承受內(nèi)壓時，因瑞利波只在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，可以直接取切向?yīng)力為容器壁表面切向應(yīng)力。則對于只受內(nèi)壓p的圓柱形壓力容器有
σθ=2a2pb2-a2---(3)]]>式中σ，σθ分別表示壓力容器受壓時的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力；α為壓力容器的內(nèi)半徑；b為壓力容器的外半徑。
當(dāng)瑞利波沿軸向和切向方向傳播時，可得 式中，AR，ARθ，ARθ，ARθθ是與材料的二階和三階聲彈性常數(shù)有關(guān)的量；v(0，To)，vθ(0，To)分別表示在無應(yīng)力狀態(tài)下溫度為To時瑞利表面波沿軸向和切向傳播的速度； Δvθ=vθ(σ,To)-vθ(0,To);]]>其中，v(σ，To)、vθ(σ，To)分別表示受應(yīng)力σ影響后溫度為To時沿φ、θ方向波速將(2)式和(3)式代入(4)式和(5)式可以得到vθ(σ,To)=(Kθ2a2pb2-a2+1)vθ(0,To)---(6)]]> 式中Kφ、Kθ是與材料聲彈性常數(shù)有關(guān)的參數(shù)。
受溫度和應(yīng)力同時影響后表面波傳播速度為vθ(σ,T)=vθ(σ,To)(1-αθΔT)---(8)]]> 2)溫度與應(yīng)力對超聲傳播距離的影響超聲的傳播距離同時受到溫度和壓力的影響，溫度變化會引起材料的熱脹冷縮，從而使超聲波傳播距離發(fā)生變化，以切向?yàn)槔軠囟扔绊懞笞儞Q量可表示為ΔLθ(0,T)=βΔTLθ(0,To)---(10)]]>其中，β為線膨脹系數(shù)，Lθ(0，To)表示初始狀態(tài)下沿θ方向的傳播距離，ΔLθ(0，T)表示應(yīng)力為零時受溫度T影響后沿θ方向的傳播距離變化量。
另一方面，壓力在容器壁產(chǎn)生的應(yīng)力會引起應(yīng)變，導(dǎo)致超聲波切向傳播距離發(fā)生變化 式中E為楊氏模量，μ為泊松比，σφ為容器壓力在軸向產(chǎn)生的應(yīng)力，σθ為切向應(yīng)力，ΔLθ(σ，To)表示溫度為To時受應(yīng)力影響后沿θ方向的應(yīng)變。
因此，將公式(2)、(3)代入(11)，可得ΔLθ(σ,To)=(1-μ2)2a2Lθ(0,To)p(b2-a2)E---(12)]]>傳播距離的總變化量是溫度、應(yīng)力共同作用的結(jié)果ΔLθ(σ,T)=ΔLθ(0,T)+ΔLθ(σ,To)+βΔTΔLθ(σ,To)---(13)]]>線膨脹系數(shù)β非常小，一般數(shù)量級只有10-5，因此，βΔTΔLθ(σ，To)不超過ΔLθ(σ，To)的千分之一，可以省略，則公式(13)化簡為 將式(10)、(12)代入式(14)，得ΔLθ(σ,T)=[(1-μ2)2a2p(b2-a2)E+βΔT]Lθ(0,To)---(15)]]>同理可得軸向傳播距離受溫度與應(yīng)力共同影響后的變化量 3)溫度和壓力對傳播時間的影響以瑞利波切向傳播為例，推導(dǎo)傳播時間與溫度變化量和壓力的關(guān)系模型tθ(0,To)=Lθ(0,To)vθ(0,To)---(17)]]>式中，tθ(0，To)表示初始狀態(tài)下傳播時間。
溫度與壓力變化后，表面波切向傳播時間為tθ(σ,T)=Lθ(0,To)+ΔLθ(σ,T)vθ(σ,T)]]>將公式(8)、(15)代入(18)式，進(jìn)一步代入公式(6)，整理可得tθ(σ,T)=[(2-μ2E-Kθ)2a2pb2-a2+βΔT+αθΔT(1+2Kθa2pb2-a2)]c+tθ(0,To)---(19)]]>
公式(19)中c為一合適的常數(shù)。2Kθa2p/(b2-a2)約為萬分之幾，遠(yuǎn)小于1，因此可以省略掉此項(xiàng)，可得切向傳播時間、壓力與溫度之間的關(guān)系式tθ(σ,T)=(2-μ2E-Kθ)2a2cb2-a2p+(β+αθ)cT+[tθ(0,To)-βcTo-αθcTo]---(20)]]>同理，經(jīng)推導(dǎo)可得軸向關(guān)系式 從公式(20)、(21)可看出，壓力p和表面溫度T前的系數(shù)由楊氏模量E、泊松比μ、線膨脹系數(shù)β等參數(shù)組成，這些參數(shù)根據(jù)材料的不同而不同，即使同一種材料，由于加工過程的差異也會有微小的差別，因此很難單獨(dú)確定各參數(shù)的值，實(shí)際使用中，可將各系數(shù)看作一個整體，將公式寫成如下形式切向tθ(σ,T)=kθp+gθT+hθ---(22)]]>軸向 因此圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法為利用超聲瑞利波在壓力容器軸向和切向傳播距離內(nèi)的渡越時間與壓力容器表面溫度和壓力值的關(guān)系進(jìn)行測量，切向和軸向的超聲瑞利波渡越時間與壓力容器的壓力和表面溫度的關(guān)系式為tθ(σ,T)=kθp+gθT+hθ]]> 其中tθ(σ，T)、t(σ，T)分別為超聲波切向和軸向的渡越時間，p為待測容器的工作壓力，T為待測容器的表面溫度，kθ、gθ、hθ、k、g、h為系數(shù)。
其中kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的獲得方法為改變待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值，測量相應(yīng)狀態(tài)下的軸向和切向超聲波渡越時間，在獲得待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值以及軸向和切向超聲波渡越時間這四個值的多組數(shù)據(jù)后，通過函數(shù)逼近的方法得到kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的值。
如圖2所示，圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置中的單片機(jī)15分別與存儲模塊6、顯示模塊7、鍵盤模塊8、通訊模塊9、超聲波發(fā)射電路10、循環(huán)控制電路12、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14相連接，循環(huán)控制電路12與超聲波發(fā)射電路10、軸向超聲波接收電路11、切向超聲波接收電路13、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14相連接，超聲波發(fā)射電路10與軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切向瑞利波發(fā)射探頭3相連接，軸向超聲波接收電路11與軸向瑞利波接收探頭4相連接，切向超聲波接收電路13與切向瑞利波接收探頭5相連接。
軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切向瑞利波發(fā)射探頭3、軸向瑞利波接收探頭4、切向瑞利波接收探頭5的工作頻率為1.0～5.0MHz。軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切向瑞利波發(fā)射探頭3、軸向瑞利波接收探頭4、切向瑞利波接收探頭5中軸向瑞利波發(fā)射探頭2和軸向瑞利波接收探頭4安裝在待測圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米；切向瑞利波發(fā)射探頭3和切向瑞利波接收探頭5安裝在待測壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米。
瑞利波探頭可以選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)表面波超聲探頭，PZT探頭的機(jī)電耦合系數(shù)約為70％，阻抗特性優(yōu)越，工作頻率為2.5MHz，尺寸為13×13(mm2)，可從常州大平超聲波儀器有限公司購買。
時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)采用高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2，工作在第二量程模式。高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2可向acam公司購買。
單片機(jī)可以選用microchip公司的PIC16F877A整個儀器的工作原理為在單片機(jī)控制下發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)300伏的脈沖同時激發(fā)兩個發(fā)射探頭，經(jīng)過一段時間后，兩個接收探頭分別收到瑞利波信號，利用兩路接收電路進(jìn)行信號放大和濾波，在單片機(jī)控制線和程序的控制下，循環(huán)控制電路首先處理軸向信號，其輸出信號一路連接到發(fā)射電路進(jìn)行超聲的再激發(fā)；一路連接到單片機(jī)進(jìn)行循環(huán)計數(shù)；一路連接到時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)超聲循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，單片機(jī)將改變控制線信號使得超聲發(fā)射終止并改變TDC的輸入電平進(jìn)行時間計時。當(dāng)軸向測量完成后單片機(jī)讀取TDC寄存器獲取超聲波軸向渡越時間并存入存儲模塊，之后單片機(jī)修改控制線并重新激發(fā)超聲進(jìn)行超聲波切向渡越時間的測量。在獲取超聲波軸向和切向渡越時間之后單片機(jī)利用存貯器中保存的計算公式進(jìn)行壓力容器表面溫度和壓力的計算，并通過顯示模塊和通訊模塊進(jìn)行信息交互。
如圖3所示，軸向超聲波接收電路11或切向超聲波接收電路13的電路為軸向瑞利波接收探頭4或切向瑞利波接收探頭5接收到的超聲波信號接到第六電容C6的一端，第六電容C6的另一端接到第十四電阻R14和第十五電阻R15，第十四電阻R14的另一端接地，第十五電阻R15的另一端連接到第一放大器A1的負(fù)端，第一放大器A1的正端接地，第一放大器A1的輸出端通過第十六電阻R16連接到第一放大器A1的負(fù)端，第一放大器A1的輸出端連接第七電容C7的一端，第七電容C7的另一端連接第五電阻R5和第六電阻R6，第五電阻R5的另一端接地，第六電阻R6的另一端連接同時連接第十七電阻R17、第四電容C4、第三電容C3的一端，第十七電阻R17的另一端接地，第四電容C4的另一端接第二放大器A2的負(fù)端，第三電容C3的另一端接第二放大器A2的輸出端，第七電阻R7的兩端分別接在第二放大器A2的負(fù)端和輸出端，第二放大器A2的正端通過第八電阻R8接地，第二放大器A2的輸出端連接第五電容C5的一端，第五電容C5的另一端連接第九電阻R9和第十電阻R10，第九電阻R9的另一端接地，第十電阻R10的另一端連接到第三放大器A3的負(fù)端，第三放大器A3的正端接地，第三放大器A3的輸出端通過第十二電阻R12和第十一電阻R11連接到第三放大器A3的負(fù)端，第三放大器A3的輸出端通過第十三電阻R13連接至循環(huán)控制電路12。
第一放大器A1和第三放大器A3可以采用高速寬頻帶的放大器AD8091，第二放大器A2可以采用寬頻帶的放大器AD8092。整個電路通過第十一電阻R11使得總放大倍數(shù)1000～3000倍，由第六電容C6與第十四電阻R14、第七電容C7與第六電阻R5、第五電容C5與第九電阻R9組成的前置、中置和后置RC無源高通濾波電路截止頻率可以設(shè)置為0.8～0.9Mhz，由第二放大器A2、第七電阻R7、第十七電阻R17、第八電阻R8、第三電容C3、第四電容C4組成的有源帶通濾波電路中心頻率設(shè)置為瑞利波工作頻率。
如圖4所示，循環(huán)控制電路12的電路為第一高速比較器U11和第二高速比較器U12的負(fù)端分別連接軸向超聲波接收電路11或者切向超聲波接收電路13，第一高速比較器U11和第二高速比較器U12正端連接相同的比較電壓；第一高速比較器U11的正輸出端連接第一JK觸發(fā)器U1的C端，第一JK觸發(fā)器U1的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其Q端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的B端，第一JK觸發(fā)器U1的 端分別連接到第二JK觸發(fā)器U2的C端和第三與門U9的一端；第二電阻R2的一端連接電源VCC，另一端連接第一電阻R1，第一電阻R1的另一端同時連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的CX/RX端和第一電容C1的一端，第一電容C1的另一端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的CX端，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的 端連接單片機(jī)第五控制線cp5，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的 端接地，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的 端和單片機(jī)第一控制線cp1連接在第一與門U7的兩個輸入端，第一與門U7的輸出端連接在第一JK觸發(fā)器U1的R端，第二JK觸發(fā)器U2的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第三控制線cp3，其 端連接到第四與門U10的一個輸入端；第二高速比較器U12的正輸出端連接第三JK觸發(fā)器U3的C端，第三JK觸發(fā)器U3的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其Q端連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的B端，第三JK觸發(fā)器U3的 端分別連接到第四JK觸發(fā)器U4的C端和第三與門U9的另一端；第四電阻R4的一端連接電源VCC，另一端連接第三電阻R3，第三電阻R3的另一端同時連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的CX/RX端和第二電容C2的一端，第二電容C2的另一端連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的CX端，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的 端連接單片機(jī)第六控制線cp6，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的 端接地，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的 端和單片機(jī)第二控制線cp2連接在第二與門U8的兩個輸入端，第二與門U8的輸出端連接在第三JK觸發(fā)器U3的R端，第四JK觸發(fā)器U4的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第四控制線cp4，其 端連接到第四與門U10的另一個輸入端；與門U9的輸出端分成兩路，一路連接到單片機(jī)15，一路連接到發(fā)射電路10；與門U10的輸出端連接時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14。
高速比較器可以選用美信公司的MAX912，JK觸發(fā)器可以選用74LS112，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以選用74LS123，與門可以選用74LS00。第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5和第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的脈沖寬度分別通過第一電容C1、第一電阻R1、第二電阻R2和第二電容C2、第三電阻R3、第四電阻R4進(jìn)行調(diào)節(jié)，要求其脈沖寬度大于全部比較脈沖的通過時間，小于單程表面波的總傳播時間，以壓力容器的材料為16MnR鋼，超聲波傳播距離約為15cm為例，其脈沖寬度可以設(shè)置在14～28μs。
整個電路的工作原理是當(dāng)接收到經(jīng)過放大濾波之后的超聲信號后，第一高速比較器和第二高速比較器會輸出脈沖信號進(jìn)入具有置1功能的第一JK觸發(fā)器U1和第三JK觸發(fā)器U3，并進(jìn)一步激發(fā)第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5和第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6，在第一單片機(jī)控制線cp1和第二單片機(jī)控制線cp2的控制下，第一與門U7和第一與門U8可以使得第一JK觸發(fā)器U1和第三JK觸發(fā)器U3的 端產(chǎn)生一個下降沿脈沖后又回復(fù)到高電平，利用此脈沖通過第三與門U9可以促使超聲波發(fā)射電路再次激發(fā)超聲，同時連接到單片機(jī)用于循環(huán)計數(shù)。當(dāng)軸向或者切向超聲循環(huán)計算完成后，單片機(jī)利用第三控制線cp3和第四控制線cp4改變第二JK觸發(fā)器U2和第四JK觸發(fā)器U4的 端信號，并通過第四與門U10把此信號變化用于TDC計時。
如圖5所示，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14采用高精度時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2，工作在第二量程模式，圖5為TDC-GP2的測量時序。t1表示超聲波循環(huán)一次的傳播時間，tn-1表示循環(huán)n-1次的總傳播時間。TDC-GP2將計算出超聲循環(huán)n次后的總傳播時間，單片機(jī)讀取相應(yīng)的寄存器，計算后就可以獲得所需的超聲波渡越時間。
圖6是本發(fā)明試驗(yàn)中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，超聲波探頭選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)表面波超聲探頭，工作頻率為2.5MHz。軸向與切向探頭的距離都設(shè)為約150mm，容器的材料為16MnR鋼，內(nèi)半徑為162mm，外半徑為165mm。保持容器的壓力p＝0，當(dāng)容器壁表面溫度在0～100℃變化時，分別測量出軸向和切向的表面溫度以及對應(yīng)的超聲波傳播時間，然后作曲線擬合。圖6中軸向直線的斜率為0.0191，截距為29.177；切向直線的斜率為0.0197，截距為30.254。因此，公式(22)、(23)中的系數(shù)為gφ＝1.91×10-8；hφ＝2.9177×10-5gθ＝1.97×10-8；hθ＝3.0254×10-5圖7是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中在不同溫度下，容器壓力與超聲波渡越時間變化的關(guān)系圖。當(dāng)切向和軸向傳播距離相等時，系數(shù)gφ＝gθ，hφ＝hθ。進(jìn)一步對容器施加壓力，以切向?yàn)槔?，?dāng)溫度為T1＝5.1℃時測量傳播時間以及對應(yīng)的壓力值，將該溫度下不同壓力時的傳播時間減去零壓力下的傳播時間，即Δtθ(σ,T1)=tθ(σ,T1)-tθ(0,T1)=kθp---(24)]]>由公式(24)可得系數(shù)kθ。同理可得系數(shù)kφ。
分別在溫度為5.1℃，12℃，25℃，33℃時測量出軸向和切向的時間變化量以及對應(yīng)的壓力p，曲線擬和結(jié)果如圖7所示。
由圖7可得軸向比例系數(shù)為4.9，切向比例系數(shù)為8.4，則公式(22)、(23)中的系數(shù)為kφ＝4.9×10-15；kθ＝8.4×10-15將kφ、kθ以及前面得到的gφ、gθ、hφ、hθ分別代入公式(22)、(23)，可得tθ(σ,T)=8.4×10-15p+1.97×10-8T+3.0254×10-5---(25)]]> 測量出切向與軸向傳播時間后，代入公式(25)與(26)，計算可得容器表面溫度T和壓力p。
對于不同容器、結(jié)構(gòu)、探頭等，其系數(shù)是不一樣的，但測量過程是一樣的。
如圖8所示是本發(fā)明測量流程示意圖。在整定完儀表系數(shù)后，將壓力容器表面溫度和壓力的測量公式保存在存儲模塊中，儀表上電后，在單片機(jī)程序的控制下獲得軸向和切向超聲波渡越時間，然后計算出所求的壓力容器表面溫度和壓力的值，用于數(shù)據(jù)顯示和通訊。
權(quán)利要求
1.一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法，其特征在于利用超聲瑞利波在壓力容器軸向和切向傳播距離內(nèi)的渡越時間與壓力容器表面溫度和壓力值的關(guān)系進(jìn)行測量，切向和軸向的超聲瑞利波渡越時間與壓力容器的壓力和表面溫度的關(guān)系式為tθ(σ,T)=kθp+gθT+hθ]]> 其中tθ(σ，T)、t(σ，T)分別為超聲波切向和軸向的渡越時間，p為待測容器的工作壓力，T為待測容器的表面溫度， kθ、gθ、hθ、k、g、h為系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法，其特征在于所述的超聲瑞利波是采用四個相同的瑞利波探頭分成兩組進(jìn)行發(fā)射和接收，發(fā)射和接收的工作頻率為1.0～5.0MHz，第一組探頭安裝在待測圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米；另一組探頭安裝在待測壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法，其特征在于所述的kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的獲得方法為改變待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值，測量相應(yīng)狀態(tài)下的軸向和切向超聲波渡越時間，在獲得待測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值以及軸向和切向超聲波渡越時間這四個值的多組數(shù)據(jù)后，通過函數(shù)逼近的方法得到kθ、gθ、hθ、k、g、h系數(shù)的值。
4.一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于單片機(jī)(15)分別與存儲模塊(6)、顯示模塊(7)、鍵盤模塊(8)、通訊模塊(9)、超聲波發(fā)射電路(10)、循環(huán)控制電路(12)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)相連接，循環(huán)控制電路(12)與超聲波發(fā)射電路(10)、軸向超聲波接收電路(11)、切向超聲波接收電路(13)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)相連接，超聲波發(fā)射電路(10)與軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)相連接，軸向超聲波接收電路(11)與軸向瑞利波接收探頭(4)相連接，切向超聲波接收電路(13)與切向瑞利波接收探頭(5)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)、軸向瑞利波接收探頭(4)、切向瑞利波接收探頭(5)的工作頻率為1.0～5.0MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)、軸向瑞利波接收探頭(4)、切向瑞利波接收探頭(5)中軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)和軸向瑞利波接收探頭(4)安裝在待測圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米；切向瑞利波發(fā)射探頭(3)和切向瑞利波接收探頭(5)安裝在待測壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5～50厘米。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于所述的軸向超聲波接收電路(11)或切向超聲波接收電路(13)的電路為軸向瑞利波接收探頭(4)或切向瑞利波接收探頭(5)接收到的超聲波信號接到第六電容(C6)的一端，第六電容(C6)的另一端接到第十四電阻(R14)和第十五電阻(R15)，第十四電阻(R14)的另一端接地，第十五電阻(R15)的另一端連接到第一放大器(A1)的負(fù)端，第一放大器(A1)的正端接地，第一放大器(A1)的輸出端通過第十六電阻(R16)連接到第一放大器(A1)的負(fù)端，第一放大器(A1)的輸出端連接第七電容(C7)的一端，第七電容(C7)的另一端連接第五電阻(R5)和第六電阻(R6)，第五電阻(R5)的另一端接地，第六電阻(R6)的另一端連接同時連接第十七電阻(R17)、第四電容(C4)、第三電容(C3)的一端，第十七電阻(R17)的另一端接地，第四電容(C4)的另一端接第二放大器(A2)的負(fù)端，第三電容(C3)的另一端接第二放大器(A2)的輸出端，第七電阻(R7)的兩端分別接在第二放大器(A2)的負(fù)端和輸出端，第二放大器(A2)的正端通過第八電阻(R8)接地，第二放大器(A2)的輸出端連接第五電容(C5)的一端，第五電容(C5)的另一端連接第九電阻(R9)和第十電阻(R10)，第九電阻(R9)的另一端接地，第十電阻(R10)的另一端連接到第三放大器(A3)的負(fù)端，第三放大器(A3)的正端接地，第三放大器(A3)的輸出端通過第十二電阻(R12)和第十一電阻(R11)連接到第三放大器(A3)的負(fù)端，第三放大器(A3)的輸出端通過第十三電阻(R13)連接至循環(huán)控制電路(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于所述的循環(huán)控制電路(12)的電路為第一高速比較器(U11)和第二高速比較器(U12)的負(fù)端分別連接軸向超聲波接收電路(11)或者切向超聲波接收電路(13)，第一高速比較器(U11)和第二高速比較器(U12)正端連接相同的比較電壓；第一高速比較器(U11)的正輸出端連接第一JK觸發(fā)器(U1)的C端，第一JK觸發(fā)器(U1)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其Q端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的B端，第一JK觸發(fā)器(U1)的 端分別連接到第二JK觸發(fā)器(U2)的C端和第三與門(U9)的一端；第二電阻(R2)的一端連接電源VCC，另一端連接第一電阻(R1)，第一電阻(R1)的另一端同時連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的CX/RX端和第一電容(C1)的一端，第一電容(C1)的另一端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的CX端，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的 端連接單片機(jī)第五控制線(cp5)，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的 端接地，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的 端和單片機(jī)第一控制線(cp1)連接在第一與門(U7)的兩個輸入端，第一與門(U7)的輸出端連接在第一JK觸發(fā)器(U1)的R端，第二JK觸發(fā)器(U2)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第三控制線(cp3)，其 端連接到第四與門(U10)的一個輸入端；第二高速比較器(U12)的正輸出端連接第三JK觸發(fā)器(U3)的C端，第三JK觸發(fā)器(U3)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其Q端連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的B端，第三JK觸發(fā)器(U3)的 端分別連接到第四JK觸發(fā)器(U4)的C端和第三與門(U9)的另一端；第四電阻(R4)的一端連接電源VCC，另一端連接第三電阻(R3)，第三電阻(R3)的另一端同時連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的CX/RX端和第二電容(C2)的一端，第二電容(C2)的另一端連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的CX端，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的 端連接單片機(jī)第六控制線(cp6)，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的 端接地，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的 端和單片機(jī)第二控制線(cp2)連接在第二與門(U8)的兩個輸入端，第二與門(U8)的輸出端連接在第三JK觸發(fā)器(U3)的R端，第四JK觸發(fā)器(U4)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第四控制線(cp4)，其 端連接到第四與門(U10)的另一個輸入端；與門(U9)的輸出端分成兩路，一路連接到單片機(jī)(15)，一路連接到發(fā)射電路(10)；與門(U10)的輸出端連接時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量裝置，其特征在于所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)采用高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2，工作在第二量程模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于瑞利波的圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測量方法及裝置。本發(fā)明建立了瑞利波渡越時間與壓力容器的表面溫度和壓力的關(guān)系模型，利用由四個瑞利波探頭、超聲波收發(fā)電路、循環(huán)控制電路、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)組成的測量裝置，通過測量傳播距離內(nèi)的瑞利波的渡越時間，計算得到壓力容器的表面溫度和壓力值。本發(fā)明不僅避免了傳統(tǒng)的溫度和壓力測量方法因容器開孔引起的各類安全隱患，而且能滿足在役壓力容器新增檢測點(diǎn)及某些壓力容器不宜在容器壁開孔直接引壓或者無法實(shí)現(xiàn)安裝測溫點(diǎn)等需求。基于該方法的測量裝置操作簡單，成本低廉，能夠在線檢測溫度和壓力，有助于更加有效地監(jiān)控壓力容器的安全運(yùn)行。
文檔編號G01L11/06GK101093170SQ200710069419
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者張宏建, 凌張偉, 賀慶 申請人:浙江大學(xué)