CN105021342A - 基于多个转换波形信息融合的超声波非介入式压力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多个转换波形信息融合的非介入式压力检测方法。本方法选择临界折射纵波、第一反射纵波、第四反射纵波、第五反射纵波四个波形作为压力检测的波形；利用超声波声弹性原理和板壳理论推导出容器内压力与超声波波速之间的关系，然后再根据波速与时延的关系，建立了时延与容器压力之间关系的测量模型。本方法基于信息融合的思想，采用多个波形作为检测波形，在单个超声波的时延测量精度不高的情况下，仍然可以实现较高的压力测量精度。本方法将包含了压力信息和温度信息的各波形的传播时延作为测量模型的输入变量，不需要另外测量容器壁的温度参数，避免了温度测量过程产生的误差。经实验验证，本方法具有较高的测量精度。

Description

基于多个转换波形信息融合的超声波非介入式压力检测方法

技术领域

本发明属于非介入式压力检测技术领域，尤其涉及一种基于多个转换波形信息融合的超声波非介入式压力检测方法。

背景技术

压力容器的应用广泛，它几乎涉及到整个工业领域，并与人们的日常生活密切相关。压力容器数量巨大，它往往承载着易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质，具有爆炸危险性。一旦发生事故，容易导致火灾、中毒、污染等灾难发生。为了避免该类安全事故的发生，最有效方法就是定期检验容器，并对压力容器的内压进行实时监控。

按敏感元件和测量原理的不同，传统的压力检测的方法一般可分为四类：液柱式压力检测方法、弹性式压力检测方法、电远传式压力检测方法和物性型压力检测方法。传统的压力检测方法大多数属于介入式类型，往往需要在容器壁开孔引压。因此普遍存在以下弊端：

1)容易引起应力集中，开孔后的应力峰值一般可达薄膜应力的3～6倍，易使容器产生裂缝。2)不便于增加临时监测点。3)许多压力容器不允许开孔。

在非介入式压力检测技术领域，主要有以下几种方法：1)应变法，即把应变片或光纤光栅直接粘贴在压力容器外壁上，通过对其应变的测量来实现压力的检测。2)电容法，即将电极置于管壁外侧，通过测量由压力变化引起的介电常数变化来实现压力的检测。3)超声检测法，根据超声波在被测介质中的传播、反射、透射等行为，通过对传播速度、信号幅值等超声波特征量的测量，实现对压力的无损检测。根据超声波敏感参数的不同，超声波测压法又可以分为两大类：基于波幅衰减的方法和基于波速变化的方法。

应变法、电容法实现原理相对简单，但都存在诸多弊端。应变法的主要弊端是：输出信号微弱，抗干扰能力较差；存在塑性变形，在大应变状态下具有较大的非线性；存在零漂，测量准确度低。电容法的主要弊端是：介电常数受其中的介质组分和温度的影响较大；随着极板间距增大，电容值急剧下降，由于压力变化导致的电容值变化量很微弱，只适合小管径的测量；容易受周围电磁环境影响，测量精度不高。而基于超声幅值衰减的压力测量方法存在如下弊端：1)反射系数受容器内介质的影响，不同的介质会产生影响，因此该方法不能通用；2)波的幅值受探头加固方式的影响，探头需要借助一定的夹具固定在容器表面，而探头的加固力度会影响到其接触特性，影响信号幅值，引入干扰；3)存在测量盲区，当容器管壁较薄时，入射信号会与反射信号发生重叠，无法辨别出真实的接收信号。

基于波速变化的超声波测压法相比于基于幅值衰减的超声测压法，超声波波速的变化不再受容器内的介质影响。技术人员在这方面开展了有益的研究，代表性成果如下：

发明专利″基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置″(申请号：CN200410066996.2)，提出了一种基于瑞利表面波的非介入式测压方法。

发明专利″基于反射纵波的压力容器压力检测方法和测量系统″(申请号：CN201410318440.1)提出了一种基于反射纵波的压力容器压力检测方法和带温度补偿的测量模型。

文献″基于临界折射纵波和表面波的压力容器压力测量方法研究″提出了将临界折射纵波和表面波进行参比的压力容器压力测量方法。

上述有益探索的技术路线、方向是正确的，但仍存在亟待改进，进一步完善的不足之处。首先，基于表面波、临界折射纵波和反射纵波的测量方法，其灵敏度与精度都不高，压力引起的传播时延的变化都很小，这些方法都过度依赖于单一超声波时延测量的准确性，在时延测量精度不高的情况下，压力测量精度低。其次，在这些测量方法中，温度的变化都会引起传播时延的变化，而且影响程度比压力还显著，因此，这些方法都要考虑温度的影响，需要测量温度并进行温度补偿。第三，利用两波参比的方法，虽然可以一定程度上减小温度的影响，但仍然无法消除温度对测量的影响，而且由于额外增加的探头，测量装置变得复杂化。

发明内容

本发明的目的是针对现有非介入式压力检测方法的不足，提出了一种基于多个转换波形信息融合的超声波非介入式压力检测方法。它是基于信息融合的思想，采用多个波形作为检测波形，在单个超声波的时延测量精度不高的情况下，仍然可以实现较高的压力测量精度。另外，该方法利用各个波形的时延中都包含了压力和温度对时延的贡献，测量模型中不包含温度变量，不需要测量温度即可实现压力测量。

基于多个转换波形信息融合的非介入式压力检测方法是：选择临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形,来建立基于多个转换波形信息融合的压力测量模型；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L_CR和折射横波，临界折射纵波L_CR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，产生第一内壁反射纵波L_re-I1 ^st和第一反射横波S_re-1 ^st；根据Snell定律，第一内部反射纵波L_re-I1 ^st的反射角为90°，沿内管壁传播；第一反射横波S_re-1 ^st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L_re-1 ^st和第二反射横波S_re-2 ^nd，第一反射纵波L_re-1 ^st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波S_re-2 ^nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd和第三反射横波S_re-3 ^rd，第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd沿着内管壁传播，而第三反射横波S_re-3 ^rd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，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th超声波信号；容器内压力的变化会引起临界折射纵波L_CR和反射纵波的波速变化，即其传播时延会发生变化，根据高信噪比、波形易于识别的原则，选择信噪比较高的临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形。

所述的基于多个转换波形信息融合的压力测量模型为：根据超声波声弹性原理和板壳理论，以及波速与时延的关系，临界折射纵波、反射纵波的传播时延与压力之间都具有线性关系。但由于传播时延的变化量很小，导致压力测量精度不高。基于信息融合的思想，将临界折射纵波和反射纵波的传播时延均作为输入变量，可以得到基于多个转换波形的压力测量模型：

$p=A_0\·t_{L_{CR}}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_1\·t_{Lre-1}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_4\·t_{Lre-4}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_5\·t_{Lre-5}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}---\left(1\right)$

其中，p为压力容器内压，分别为临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th在压力为p，温升为ΔT时的传播时延，A₀、A₁、A₄、A₅分别为时延权系数。采用多元回归分析方法可以确定各权系数。在实验条件下，可得压力测量模型如下式所示：

$\begin{array}{c}p=0.0272{\mathrm{\Δt}}_{L_{CR}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}-0.1935{\mathrm{\Δt}}_{Lre-1^{st}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}+0.1334{\mathrm{\Δt}}_{Lre-4^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}\\ +0.6136{\mathrm{\Δt}}_{Lre-5^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}t\right)}-0.1813\end{array}---\left(2\right).$

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

基于多个转换波形的压力检测方法基于信息融合的思想，采用多个波形作为检测波形，在单个超声波的时延测量精度不高的情况下，仍然可以实现较高的压力测量精度。压力容器的内压和温度都会影响超声波传播的波速，一般的压力测量方法中都需要将温度作为输入变量。基于多个转换波形的压力检测方法利用包含了压力信息和温度信息的临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_{re- 4} ^th的传播时延作为测量模型的输入变量，不需要另外测量容器壁的温度参数，避免了温度测量过程产生的误差。

附图说明

图1是本发明实施采用的实验系统；

图2是超声波以临界角入射时在压力容器管壁的传播路径

具体实施方式

基于多个转换波形信息融合的非介入式压力检测方法是：选择临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形,来建立基于多个转换波形信息融合的压力测量模型；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L_CR和折射横波，临界折射纵波L_CR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，产生第一内壁反射纵波L_re-I1 ^st和第一反射横波S_re-1 ^st；根据Snell定律，第一内部反射纵波L_re-I1 ^st的反射角为90°，沿内管壁传播；第一反射横波S_re-1 ^st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L_re-1 ^st和第二反射横波S_re-2 ^nd，第一反射纵波L_re-1 ^st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波S_re-2 ^nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd和第三反射横波S_re-3 ^rd，第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd沿着内管壁传播，而第三反射横波S_re-3 ^rd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，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th超声波信号；容器内压力的变化会引起临界折射纵波L_CR和反射纵波的波速变化，即其传播时延会发生变化，根据高信噪比、波形易于识别的原则，选择信噪比较高的临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形。

所述的基于多个转换波形信息融合的压力测量模型为：根据超声波声弹性原理和板壳理论，以及波速与时延的关系，临界折射纵波、反射纵波的传播时延与压力之间都具有线性关系。但由于传播时延的变化量很小，导致压力测量精度不高。基于信息融合的思想，将临界折射纵波和反射纵波的传播时延均作为输入变量，可以得到基于多个转换波形的压力测量模型：

$p=A_0\·t_{L_{CR}}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_1\·t_{Lre-1}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_4\·t_{Lre-4}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_5\·t_{Lre-5}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}---\left(1\right)$

其中，p为压力容器内压，分别为临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th在压力为p，温升为ΔT时的传播时延，A₀、A₁、A₄、A₅分别为时延权系数。采用多元回归分析方法可以确定各权系数。在实验条件下，可得压力测量模型如下式所示：

$\begin{array}{c}p=0.0272{\mathrm{\Δt}}_{L_{CR}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}-0.1935{\mathrm{\Δt}}_{Lre-1^{st}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}+0.1334{\mathrm{\Δt}}_{Lre-4^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}\\ +0.6136{\mathrm{\Δt}}_{Lre-5^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}-0.1813\end{array}---\left(2\right).$

实施例：

如图1所示，超声波由超声波激发装置(CUT-2000A型探伤仪)产生，然后以临界角入射到压力容器的外管壁，其在压力容器的管壁中传播的路径如图2所示。具体的传播过程是：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L_CR和折射横波，临界折射纵波L_CR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，产生第一内壁反射纵波L_re-I1 ^st和第一反射横波S_re-1 ^st；根据Snell定律，第一内部反射纵波L_re-I1 ^st的反射角为90°，沿内管壁传播；第一反射横波S_re-1 ^st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L_re-1 ^st和第二反射横波S_re-2 ^nd，第一反射纵波L_re-1 ^st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波S_re-2 ^nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd和第三反射横波S_re-3 ^rd，第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd沿着内管壁传播，而第三反射横波S_re-3 ^rd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，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_{re- 4} ^th等等超声波信号。

在容器壁中传播一定距离之后，超声波信号进入接收探头，然后被高速采集示波器采集。实验采用安捷伦DSOS254A型高速采样示波器，其采样频率最高达20GHz。实验中通过手动试压泵改变压力，利用恒温箱改变温度并保持温度恒定，记录标准压力表的示数、热电偶温度计示数以及高速示波器所采集的相应波形。

将高速采样示波器采集的波形送入计算机进行滤波，通过互相关算法计算出各个波形相应的时延值。最后通过多元统计分析对数据进行处理，确定模型相应的系数，得到最终的压力测量模型。

Claims (2)

1.一种基于多个转换波形信息融合的非介入式压力检测方法，其特征在于选择临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形，来建立基于多个转换波形信息融合的压力测量模型；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L_CR和折射横波，临界折射纵波L_CR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，产生第一内壁反射纵波L_re-I1 ^st和第一反射横波S_re-1 ^st；根据Snell定律，第一内部反射纵波L_re-I1 ^st的反射角为90°，沿内管壁传播；第一反射横波S_re-1 ^st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L_re-1 ^st和第二反射横波S_re-2 ^nd，第一反射纵波L_re-1 ^st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波S_re-2 ^nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd和第三反射横波S_re-3 ^rd，第二内壁反射纵波L_re-I2 ^nd沿着内管壁传播，而第三反射横波S_re-3 ^rd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，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th超声波信号；容器内压力的变化会引起临界折射纵波L_CR和反射纵波的波速变化，即其传播时延会发生变化，根据高信噪比、波形易于识别的原则，选择信噪比较高的临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第四反射纵波L_re-4 ^th、第五反射纵波L_re-5 ^th四个波形作为压力检测的波形。

2.根据权利要求1所述的一种基于多个转换波形信息融合的非介入式压力检测方法，其特征在于：所述的基于多个转换波形信息融合的压力测量模型为：根据超声波声弹性原理和板壳理论，以及波速与时延的关系，临界折射纵波、反射纵波的传播时延与压力之间都具有线性关系。但由于传播时延的变化量很小，导致压力测量精度不高。基于信息融合的思想，将临界折射纵波和反射纵波的传播时延均作为输入变量，可以得到基于多个转换波形的压力测量模型：

$p=A_0\·t_{L_{CR}}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_1\·t_{Lre-1}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_4\·t_{Lre-4}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}+A_5\·t_{Lre-5}^{(p,\mathrm{\Δ}T)}---\left(1\right)$

其中，p为压力容器内压，分别为临界折射纵波L_CR、第一反射纵波L_re-1 ^st、第二反射纵波L_re-2 ^nd、第三反射纵波L_re-3 ^rd、第四反射纵波L_re-4 ^th在压力为p，温升为ΔT时的传播时延，A₀、A₁、A₄、A₅分别为时延权系数。采用多元回归分析方法可以确定各权系数。在实验条件下，可得压力测量模型如下式所示：

$\begin{array}{c}p=0.0272{\mathrm{\Δt}}_{L_{CR}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}-0.1935{\mathrm{\Δt}}_{Lre-1^{st}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}+0.1334{\mathrm{\Δt}}_{Lre-4^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}\\ +0.6136{\mathrm{\Δt}}_{Lre-5^{th}}^{\left(p,\mathrm{\Δ}T\right)}-0.1813\end{array}---\left(2\right).$