基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融合的超聲波非介入式壓力檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非介入式壓力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融 合的超聲波非介入式壓力檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓力容器的應(yīng)用廣泛，它幾乎涉及到整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，并與人們的日常生活密切相 關(guān)。壓力容器數(shù)量巨大，它往往承載著易燃、易爆、劇毒或腐蝕介質(zhì)，具有爆炸危險(xiǎn)性。一旦 發(fā)生事故，容易導(dǎo)致火災(zāi)、中毒、污染等災(zāi)難發(fā)生。為了避免該類安全事故的發(fā)生，最有效方 法就是定期檢驗(yàn)容器，并對(duì)壓力容器的內(nèi)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0003] 按敏感元件和測(cè)量原理的不同，傳統(tǒng)的壓力檢測(cè)的方法一般可分為四類：液柱式 壓力檢測(cè)方法、彈性式壓力檢測(cè)方法、電遠(yuǎn)傳式壓力檢測(cè)方法和物性型壓力檢測(cè)方法。傳統(tǒng) 的壓力檢測(cè)方法大多數(shù)屬于介入式類型，往往需要在容器壁開(kāi)孔引壓。因此普遍存在以下 弊端：
[0004] 1)容易引起應(yīng)力集中，開(kāi)孔后的應(yīng)力峰值一般可達(dá)薄膜應(yīng)力的3~6倍，易使容器 產(chǎn)生裂縫。2)不便于增加臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。3)許多壓力容器不允許開(kāi)孔。
[0005] 在非介入式壓力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，主要有以下幾種方法：1)應(yīng)變法，即把應(yīng)變片或 光纖光柵直接粘貼在壓力容器外壁上，通過(guò)對(duì)其應(yīng)變的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。2)電容法， 即將電極置于管壁外側(cè)，通過(guò)測(cè)量由壓力變化引起的介電常數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。3) 超聲檢測(cè)法，根據(jù)超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播、反射、透射等行為，通過(guò)對(duì)傳播速度、信號(hào)幅 值等超聲波特征量的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的無(wú)損檢測(cè)。根據(jù)超聲波敏感參數(shù)的不同，超聲波測(cè) 壓法又可以分為兩大類：基于波幅衰減的方法和基于波速變化的方法。
[0006] 應(yīng)變法、電容法實(shí)現(xiàn)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但都存在諸多弊端。應(yīng)變法的主要弊端是：輸 出信號(hào)微弱，抗干擾能力較差；存在塑性變形，在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大的非線性；存在零 漂，測(cè)量準(zhǔn)確度低。電容法的主要弊端是：介電常數(shù)受其中的介質(zhì)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(dǎo)致的電容值變化量很微弱，只適合小 管徑的測(cè)量；容易受周圍電磁環(huán)境影響，測(cè)量精度不高。而基于超聲幅值衰減的壓力測(cè)量 方法存在如下弊端：1)反射系數(shù)受容器內(nèi)介質(zhì)的影響，不同的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，因此該方 法不能通用；2)波的幅值受探頭加固方式的影響，探頭需要借助一定的夾具固定在容器表 面，而探頭的加固力度會(huì)影響到其接觸特性，影響信號(hào)幅值，引入干擾；3)存在測(cè)量盲區(qū)， 當(dāng)容器管壁較薄時(shí)，入射信號(hào)會(huì)與反射信號(hào)發(fā)生重疊，無(wú)法辨別出真實(shí)的接收信號(hào)。
[0007] 基于波速變化的超聲波測(cè)壓法相比于基于幅值衰減的超聲測(cè)壓法，超聲波波速的 變化不再受容器內(nèi)的介質(zhì)影響。技術(shù)人員在這方面開(kāi)展了有益的研究，代表性成果如下：
[0008] 發(fā)明專利"基于瑞利表面波的無(wú)損測(cè)壓方法及其裝置"（【申請(qǐng)?zhí)枴?CN200410066996. 2)，提出了一種基于瑞利表面波的非介入式測(cè)壓方法。
[0009] 發(fā)明專利"基于反射縱波的壓力容器壓力檢測(cè)方法和測(cè)量系統(tǒng)"（【申請(qǐng)?zhí)枴?CN201410318440. 1)提出了一種基于反射縱波的壓力容器壓力檢測(cè)方法和帶溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè) 量模型。
[0010] 文獻(xiàn)"基于臨界折射縱波和表面波的壓力容器壓力測(cè)量方法研究"提出了將臨 界折射縱波和表面波進(jìn)行參比的壓力容器壓力測(cè)量方法。
[0011] 上述有益探索的技術(shù)路線、方向是正確的，但仍存在亟待改進(jìn)，進(jìn)一步完善的不足 之處。首先，基于表面波、臨界折射縱波和反射縱波的測(cè)量方法，其靈敏度與精度都不高，壓 力引起的傳播時(shí)延的變化都很小，這些方法都過(guò)度依賴于單一超聲波時(shí)延測(cè)量的準(zhǔn)確性， 在時(shí)延測(cè)量精度不高的情況下，壓力測(cè)量精度低。其次，在這些測(cè)量方法中，溫度的變化都 會(huì)引起傳播時(shí)延的變化，而且影響程度比壓力還顯著，因此，這些方法都要考慮溫度的影 響，需要測(cè)量溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第三，利用兩波參比的方法，雖然可以一定程度上減小 溫度的影響，但仍然無(wú)法消除溫度對(duì)測(cè)量的影響，而且由于額外增加的探頭，測(cè)量裝置變得 復(fù)雜化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有非介入式壓力檢測(cè)方法的不足，提出了一種基于多個(gè)轉(zhuǎn) 換波形信息融合的超聲波非介入式壓力檢測(cè)方法。它是基于信息融合的思想，采用多個(gè)波 形作為檢測(cè)波形，在單個(gè)超聲波的時(shí)延測(cè)量精度不高的情況下，仍然可以實(shí)現(xiàn)較高的壓力 測(cè)量精度。另外，該方法利用各個(gè)波形的時(shí)延中都包含了壓力和溫度對(duì)時(shí)延的貢獻(xiàn)，測(cè)量模 型中不包含溫度變量，不需要測(cè)量溫度即可實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。
[0013] 基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融合的非介入式壓力檢測(cè)方法是：選擇臨界折射縱波Lcr、 第一反射縱波^、第四反射縱波4th、第五反射縱波 5th四個(gè)波形作為壓力檢測(cè)的 波形，來(lái)建立基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融合的壓力測(cè)量模型；當(dāng)入射縱波以第一臨界角入射 時(shí)，在超聲波探頭和壓力容器管壁界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，并在外管壁處產(chǎn)生臨界折射縱波 LCR和折射橫波，臨界折射縱波LeR沿外管壁傳播至接收探頭處被接收；折射橫波在壓力容器 管壁中傳播，并在內(nèi)管壁處發(fā)生反射，產(chǎn)生第一內(nèi)壁反射縱波:廣和第一反射橫波 根據(jù)Snell定律，第一內(nèi)部反射縱波nst的反射角為90°，沿內(nèi)管壁傳播；第一反射橫波 廣繼續(xù)在壓力容器管壁中傳播，并在外管壁處再次發(fā)生反射，產(chǎn)生第一反射縱波L廣 和第二反射橫波，，第一反射縱波^沿外管壁傳播至接收探頭，第二反射橫波S2nd 繼續(xù)在壓力容器管壁中傳播，并在內(nèi)管壁處再次發(fā)生反射，產(chǎn)生第二內(nèi)壁反射縱波LraI2nd 和第三反射橫波/d，第二內(nèi)壁反射縱波12<沿著內(nèi)管壁傳播，而第三反射橫波S"，繼 續(xù)在壓力容器管壁中傳播，按照這種傳播方式，在壓力容器管壁中傳播的橫波會(huì)在外管壁 以及內(nèi)管壁發(fā)生多次反射，產(chǎn)生多個(gè)沿著內(nèi)管壁傳播的反射縱波以及多個(gè)沿著外管壁傳播 的反射縱波，固定在外管壁的接收探頭會(huì)接收到臨界折射縱波LeR、第一反射縱波^、第 二反射縱波2 nd、第三反射縱波，、第四反射縱波4th超聲波信號(hào)；容器內(nèi)壓力的變 化會(huì)引起臨界折射縱波LeR和反射縱波的波速變化，即其傳播時(shí)延會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)高信噪 比、波形易于識(shí)別的原則，選擇信噪比較高的臨界折射縱波LeR、第一反射縱波Lralst、第四反 射縱波4 th、第五反射縱波5th四個(gè)波形作為壓力檢測(cè)的波形。
[0014] 所述的基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融合的壓力測(cè)量模型為：根據(jù)超聲波聲彈性原理和 板殼理論，以及波速與時(shí)延的關(guān)系，臨界折射縱波、反射縱波的傳播時(shí)延與壓力之間都具有 線性關(guān)系。但由于傳播時(shí)延的變化量很小，導(dǎo)致壓力測(cè)量精度不高?；谛畔⑷诤系乃枷?， 將臨界折射縱波和反射縱波的傳播時(shí)延均作為輸入變量，可以得到基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形的壓 力測(cè)量模型：
[0015]
[0016] 其中，p為壓力容器內(nèi)壓
分別為臨界折射縱波LCR、第一反 射縱波^、第二反射縱波2nd、第三反射縱波/d、第四反射縱波4th在壓力為p，溫 升為AT時(shí)的傳播時(shí)延，慫、4、~、A5分別為時(shí)延權(quán)系數(shù)。采用多元回歸分析方法可以確定 各權(quán)系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)條件下，可得壓力測(cè)量模型如下式所示：
[0017]
[0018] 本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比，具有的有益效果是：
[0019] 基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形的壓力檢測(cè)方法基于信息融合的思想，采用多個(gè)波形作為檢測(cè) 波形，在單個(gè)超聲波的時(shí)延測(cè)量精度不高的情況下，仍然可以實(shí)現(xiàn)較高的壓力測(cè)量精度。壓 力容器的內(nèi)壓和溫度都會(huì)影響超聲波傳播的波速，一般的壓力測(cè)量方法中都需要將溫度作 為輸入變量。基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形的壓力檢測(cè)方法利用包含了壓力信息和溫度信息的臨界 折射縱波LeR、第一反射縱波^、第二反射縱波2 nd、第三反射縱波/d、第四反射縱波 Lra4th的傳播時(shí)延
f乍為測(cè)量模型的輸入變量，不需要另外測(cè)量容器 壁的溫度參數(shù)，避免了溫度測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；
[0021] 圖2是超聲波以臨界角入射時(shí)在壓力容器管壁的傳播路徑
【具體實(shí)施方式】
[0022] 基于多個(gè)轉(zhuǎn)換波形信息融合的非介入式壓力檢測(cè)方法是：選擇臨界折射縱波