基于反射纵波的压力容器压力检测方法和测量系统

摘要

本发明公开了一种基于反射纵波的压力容器压力检测方法和测量系统。测量系统包括圆柱形压力容器、手动加压泵、恒温箱、超声波激发与接收装置、高速示波器、计算机。检测方法的基本原理是根据超声波声弹性原理和板壳理论，经过推导和简化处理，建立了基于反射纵波的压力测量模型，即得到压力容器内压与超声波传播时延之间的关系；然后基于FIR数字滤波器与互相关算法获取精确的传播时延；最后为了减小温度的干扰，提出一种带温度补偿的测量模型，使压力测量误差控制在一个较小的范围内。测试结果表明，本发明较之其他类似的测量方法灵敏度和精度更高，抗干扰能力更强。

主权项

一种基于反射纵波的压力检测方法，其特征在于它的步骤如下：1)入射纵波在界面发生波型转换，选择第四反射纵波作为压力检测的波形当入射纵波以第一临界角入射时，在超声波探头和压力容器管壁界面处发生波型转换，并在外管壁处产生临界折射纵波和折射横波，临界折射纵波沿外管壁传播至接收探头处被接收；折射横波在压力容器管壁中传播，并在内管壁处发生反射，产生反射纵波‑I和反射横波‑I；根据Snell定律，反射纵波‑I的反射角为90°，沿内管壁传播；反射横波‑I继续在压力容器管壁中传播，并在外管壁处再次发生反射，产生第一反射纵波和反射横波‑II，第一反射纵波沿外管壁传播至接收探头，反射横波‑II继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生反射纵波‑II和反射横波‑III，反射纵波‑II沿着内管壁传播，而反射横波‑III继续在压力容器管壁中传播，按照这种传播方式，在压力容器管壁中传播的横波会在外管壁以及内管壁发生多次反射，产生多个沿着内管壁传播的反射纵波以及多个沿着外管壁传播的反射纵波，因此，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波、第一反射纵波、第二反射纵波、第三反射纵波、第四反射纵波等超声波信号；由于入射纵波产生的折射横波能量要明显强于临界折射纵波，故接收探头接收到的信号中，由折射横波所产生的一系列反射纵波能量普遍大于临界折射纵波，且随着传播距离的增加，临界折射纵波的衰减程度相比于反射纵波更为明显，因此反射纵波作为感受应力、压力变化的理想检测波形，按照高信噪比和易于识别的原则，选择第四反射纵波作为检测波形；2)建立基于反射纵波的压力测量模型，获得压力容器内压与超声波传播时延之间的关系；所述的步骤2)具体为：根据超声波声弹性原理和板壳理论，得到压力测量模型为：$p=-\frac{E}{(L_1{t}_L^0+L_2{t}_S^0)}\frac{d}{R}\Delta t---\left(1\right)$其中，p为压力容器内压；L₁、L₂分别为管壁中传播的纵波和横波的声弹性常数，由材料的二、三阶弹性常数以及泊松比确定；E为压力容器材料的弹性模量；d为压力容器壁厚；R为压力容器平均半径；分别为纵波和横波的参考传播时间，即在零压力状态下的传播时间；Δt为反射纵波的传播时延，即在承压状态下，测量的传播时间与参考时间的差值；3)基于FIR数字滤波器与互相关算法获取精确的传播时延；4)对压力测量模型进行温度补偿，完成基于反射纵波的压力检测。