CN105738028B - 一种非介入式管道内流体压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非介入式管道内流体压力测量方法，解决了在不破坏管路结构的前提下对管道内部流体压力的监测问题，该方法基于选取的拉伸试块和零应力试块获得应力系数K和对应的超声临界折射纵波传播的时间；记数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得被测管道的超声临界折射纵波传播的时间；并获得管道外表面测量位置的服役应力；利用管道试件进行打水压应力测量实验，获得非介入式管道内流体压力测量系数和管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系模型；最终得管道内流体压力的测量值。该方法试验装置不仅结构简单且该方法测量精确度和可靠性均高。

Description

一种非介入式管道内流体压力测量方法

技术领域

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及一种非介入式管道内流体压力测量方法。

背景技术

对液压系统、气体或流体的输送管道内部进行压力测量，是监测管道系统运行状态和管道故障诊断的主要方法和手段。目前液压测量主要采用介入式测量，常用的介入式测量有机械压力表或应变式、压阻式、振弦式等压力测量方法，但所述方法的缺点是它们均属于介入式测量，不但破坏管路结构的整体性即需预留压力的测量接口，且具有可靠性差、故障定位困难等缺点，尤其在高压条件下，容易留下安全隐患，因此急需研究一种可靠的非介入式测量方法。

目前，国内外的非介入式压力测量研究尚处于不成熟、探索阶段，对液压系统的非接触测量的研究方法主要集中在超声波法、热学法、应变法和电容法四个方向。热学法由于加热较困难、测量时间较长，因此现已很少被使用；应变法是基于管路的弹性变形，利用流体对金属管道产生压力，从而使管道径向产生弹性形变的基本原理，通过检测管路外径的微小变形量即可算出管路内部压力。应变法由于应变片安装的夹具安装操作较麻烦，且管道的变形量极其微小，所以导致该测量方法的灵敏度和精度均较低；电容法是根据流体的介电常数会随流体的压力和温度变化而产生变化的原理来进行测量的，该方法由于电容本身的结构限制，所以一般用来测量管径在15mm以下的管道内流体压力，使用范围较小；超声法由于具有无活动感应部件、不破坏流体流场、无机械惯性、动态测量能力强、安装使用方便等优点，因此具有更大的研究价值。

近年来国内外学者虽在超声非介入式测量方面的研究取得了一定的进展，但依然处于不成熟的阶段。上海交通大学彭丹提出的超声非介入式测量方法是将超声波的收发兼用探头布置在管道外表面上，发射超声波穿过上管壁再进入流体，经下管壁反射再次经过流体和上管壁而被探头接收，根据测得的时间可以计算得出超声波的波速，进而根据波速变化确定管道中流体的压力值。由于该方法中超声波在管道与流体之间多次进行反射和折射，所以声衰减大，可靠性较低。

因此，研究一种更为可靠的非介入式管道内流体压力测量的理论和方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种非介入式管道内流体压力测量方法，能够解决在不破坏管路结构的前提下对管道内部流体压力的监测问题，而且该测量方法具有可重复性。

基于一种非介入式管道内流体压力测量的试验装置，进行该测量所利用的试验装置包括超声发射探头、超声接收探头、工控机和温度变送器；所述超声发射探头和超声接收探头均与工控机连接，工控机包括超声收发卡、数据采集卡和主控机；其特征在于，一种非介入式管道内流体压力测量方法的步骤如下：

步骤一，选取与被测管道的金相组织状态和表面粗糙度均相同的材料作为拉伸试块和零应力试块；

步骤二，基于拉伸试块，对其进行拉伸试验，并获得应力系数K；

步骤三，针对零应力试块，在其上选一区域作为服役应力超声测量区域，并对零应力试块进行校准，超声发射探头和超声接收探头均布置在零应力试块的服役应力超声测量区域的两端，主控机激励超声收发卡产生超声波，并通过超声发射探头发射和超声接收探头接收，数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得零应力试块的零应力所对应的超声临界折射纵波传播的时间t₀；

步骤四，在被测管道上任选一区域作为服役应力超声测量区域，温度变送器的探头粘贴于服役应力超声测量区域上，温度变送器的另一端与数据采集卡连接，超声发射探头和超声接收探头均布置在被测管道的服役应力超声测量区域的两端，主控机激励超声收发卡产生超声波，通过超声发射探头发射和超声接收探头接收，数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据和温度变换器的温度补偿数据后均发送给主控机，基于零应力标定的零应力试块的波形函数与被测管道的波形函数的互相关算法和温度补偿算法，主控机通过计算获得被测管道的超声临界折射纵波传播的时间t；

步骤五，基于零应力试块的服役应力σ₀＝0、K、t₀和t，利用σ-σ₀＝K(t-t₀)，获得管道外表面测量位置的服役应力σ；

步骤六，基于管道内部压力p与轴向应力σ_r或管道内部压力p与周向应力σ_t之间理论上呈线性关系，利用与被测管道的金相组织状态和表面粗糙度均相同的管道试件进行打水压应力测量实验，所述测量实验为改变水的内部压力p的大小，并获得多组服役应力数据σ，基于理论获得p和σ的线性关系，作散点图对其进行最小二乘拟合，获得非介入式管道内流体压力测量系数k，从而确定管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系p＝k·σ；

步骤七，基于步骤五获得的σ、步骤六获得的k，利用p＝k·σ，最后获得管道内流体压力的测量值p。

进一步地，所述管道试件取不同直径、不同材料和管壁厚度大于1mm的管道。

进一步地，所述时间t的计算过程为：基于温度标定实验，获得被测管道的温度与超声临界折射纵波传播的时间呈线性关系，即Δt＝μ·ΔT，其中μ为温度补偿系数，Δt为由温度引起的超声临界折射纵波传播时间的变化量，ΔT为实际进行测量时被测管道的温度与零应力标定时零应力试块的温度的温度差，则最终被测管道的超声临界折射纵波传播的时间t＝t′-Δt，其中t′为基于零应力标定的零应力试块的波形函数与被测管道的波形函数的互相关算法获得的超声临界折射纵波传播的时间。

有益效果：

(1)本发明基于管道外表面服役应力，便可测得管道内流体的压力，而测量管道外表面服役应力的技术已经相对成熟，管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系利用打水压实验和零应力试验被精确的建立，因此可靠性和测量精度都相对较高，具有创新性和实用性。

(2)本发明使用超声波进行的非介入式测量，即不用破坏管道结构又可获得管道内流体压力。

(3)本发明使用的试验装置主要由工控机和探头构成，因此该试验不仅简单且设备体积小，便于携带，测量范围广。

附图说明

图1为管道周向服役应力超声测量的装置实用示意图；

图2为管道周向服役应力超声测量系统示意图；

图3为实验测非介入式管道内流体压力测量系数k的数据误差棒图。

其中，1-超声发射探头，2-超声发射探头，3-工控机，4-被测管道，5-服役应力超声测量区域。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种非介入式管道内流体压力测量方法，下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

一种非介入式管道内流体压力测量方法，进行该测量所利用的试验装置包括超声发射探头1、超声接收探头2、工控机3和温度变送器；所述超声发射探头1和超声接收探头2均与工控机3连接，工控机3包括超声收发卡、数据采集卡和主控机；该方法的步骤如下：

步骤一，选取与被测管道4的金相组织状态和表面粗糙度均相同的材料作为拉伸试块和零应力试块；

步骤二，基于拉伸试块，对其进行拉伸试验，并获得应力系数K；

步骤三，针对零应力试块，在其上选一区域作为服役应力超声测量区域，并对零应力试块进行校准，超声发射探头1和超声接收探头2均布置在零应力试块的服役应力超声测量区域的两端，主控机激励超声收发卡产生超声波，并通过超声发射探头1发射和超声接收探头2接收，数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得零应力试块的零应力所对应的超声临界折射纵波传播的时间t₀；

步骤一、二和三的具体试验如下：选择合适的测量区域，设计探头布置方案，同时将超声发射探头1、超声接收探头2、工控机3、超声收发卡和数据采集卡调整到正常工作状态；将超声发射探头1和超声接收探头2稳固在服役应力超声测量区域的两端，按GB/T228.1规定的方法，在常温环境下对拉伸试块进行拉伸试验，在材料弹性范围内，超声收发卡激励产生超声波，通过超声发射探头1发射和超声接收探头2接收，数据采集卡将采集到的数据以及温度变送器的温度补偿数据发送给主控机，主控机通过计算获得声时差Δt和拉伸试验设备输出的拉应力变化Δσ，测量点不少于10点，重复拉伸次数不少于5次，取平均值，绘制出拉伸应力值与声时差的坐标图，对数据进行线性拟合，得到的直线斜率的倒数即为应力系数K；在零应力试块上进行零应力校准，数据采集卡采集到的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得零应力试块的零应力所对应的超声临界折射纵波传播的时间t₀；

步骤四，超声发射探头1和超声接收探头2均布置在被测管道4的服役应力超声测量区域5的两端，超声收发卡激励产生超声波，通过超声发射探头1发射和超声接收探头2接收，数据采集卡将采集到的声时差数据和温度变换器的温度补偿数据均发送给主控机，基于零应力标定的波形函数与被测管道4的波形函数互相关算法和温度补偿算法，主控机通过计算获得被测管道4的超声临界折射纵波传播的时间t；

进一步地，所述时间t的计算过程为：基于温度标定实验，获得被测管道4的温度与超声临界折射纵波传播的时间呈线性关系，即Δt＝μ·ΔT，其中μ为温度补偿系数，Δt为由温度引起的超声临界折射纵波传播时间的变化量，ΔT为实际进行测量时被测管道的温度与零应力标定时零应力试块的温度的温度差，则最终被测管道的超声临界折射纵波传播的时间t＝t′-Δt，其中t′为基于零应力标定的零应力试块的波形函数与被测管道4的波形函数的互相关算法获得的超声临界折射纵波传播的时间。

将超声发射探头1和超声接收探头2稳定耦合在管道外表面上的测量位置，超声收发卡激励产生超声波，通过超声发射探头1发射和超声接收探头2接收，数据采集卡将采集到的数据以及温度变送器的温度补偿数据发送给主控机，主控机3通过计算获得超声临界折射纵波传播时间t，计算服役应力值，其使用装置如图1所示。具体方法参见GB/T 32073-2015。

步骤五，基于零应力试块的服役应力σ₀＝0、K、t₀和t，利用σ-σ₀＝K(t-t₀)，获得管道外表面测量位置的服役应力σ；

根据声弹性理论可得：

Δσ＝σ-σ₀＝K(t-t₀)＝KΔt

其中，σ——管道外表面测量位置的服役应力；σ₀——零应力试块的服役应力；Δσ——服役应力的变化值；Δt——传播时间的变化量(声时差)；K——应力系数，与被检件和探头间距有关，可通过拉伸试验标定获得。

步骤六，基于管道内部压力p与轴向应力σ_r或管道内部压力p与周向应力σ_t之间理论上呈线性关系，利用与被测管道的金相组织状态和表面粗糙度均相同的管道试件进行打水压应力测量实验，所述测量实验为改变水的内部压力p的大小，并获得多组服役应力数据即σ，基于理论获得p和σ的线性关系，作散点图对其进行最小二乘拟合，获得非介入式管道内流体压力测量系数k，从而确定管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系p＝k·σ；

对于厚壁圆筒，通过弹性力学以及材料力学的相关推导，得出以下结论：

式中：p-管道内部压力；r₁-管道内壁半径；r₂-管道外壁半径；r-管道外壁半径减去测量深度后的长度；σ_r-轴向应力；σ_t-周向应力。

基于公式(1)和(2)可得：管道内部压力与外表面周向应力或轴向应力成线性关系。其中，所述的管道外表面测量位置的服役应力σ，可为轴向应力σ_r，。亦可为周向应力σ_t。

非介入式管道内流体压力测量系数k的测定

根据管道的使用环境选择典型地点来进行打水压应力测量实验，以使大气压、温度等环境因素对k值的影响最小，具体测量系统如图2所示，首先进行零应力标定，根据沈阳工业大学弱侧法测量出应力的异常区域，选择5个具有代表性的点测量其在打压过程中的管道外表面测量位置的服役应力σ，即用标定打压试验机向管道试样内注入已知压力的流体，在流体压力的作用下，管道外表面会产生相应的服役应力；超声收发卡激励产生超声波，通过发射探头T发射和接收探头R接收，数据采集卡将采集到的数据以及温度变送器的温度补偿数据发送给主控机，主控机通过计算得到管道外服役应力的大小；改变水压p的大小获得多组服役应力数据即σ，基于理论获得p和σ的线性关系，作散点图对其进行最小二乘拟合，数据误差如图3所示，获得非介入式管道内流体压力测量系数k，从而确定管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系即p＝k·σ。

步骤七，基于步骤五获得的σ、步骤六获得的k，利用p＝k·σ，最后获得管道内流体压力的测量值p。

另外，根据声弹性理论，临界折射纵波在管道外表面的渗透深度是超声激发频率的函数，频率越低渗透深度越深，一般为一个波长左右。所以可以通过改变超声波频率来测量管道外表面不同深度下的平均周向和轴向应力值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非介入式管道内流体压力测量方法，进行该测量所利用的试验装置包括超声发射探头(1)、超声接收探头(2)、工控机(3)和温度变送器；所述超声发射探头(1)和超声接收探头(2)均与工控机(3)连接，工控机(3)包括超声收发卡、数据采集卡和主控机；其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤一，分次选取不同直径、不同材料和管壁厚度大于1mm的被测管道，选取与被测管道(4)的金相组织状态和表面粗糙度均相同的材料作为拉伸试块和零应力试块；

步骤二，基于拉伸试块，对其进行拉伸试验，并获得应力系数K；

步骤三，针对零应力试块，在其上选一区域作为服役应力超声测量区域，并对零应力试块进行校准，超声发射探头(1)和超声接收探头(2)均布置在零应力试块的服役应力超声测量区域的两端，主控机激励超声收发卡产生超声波，并通过超声发射探头(1)发射和超声接收探头(2)接收，数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据发送给主控机，主控机通过计算获得零应力试块的零应力所对应的超声临界折射纵波传播的时间t₀；

步骤四，在被测管道(4)上任选一区域作为服役应力超声测量区域(5)，温度变送器的探头粘贴于服役应力超声测量区域(5)上，温度变送器的另一端与数据采集卡连接，超声发射探头(1)和超声接收探头(2)均布置在被测管道(4)的服役应力超声测量区域(5)的两端，主控机激励超声收发卡产生超声波，通过超声发射探头(1)发射和超声接收探头(2)接收，数据采集卡采集超声收发卡的声时差数据和温度变换器的温度补偿数据后均发送给主控机，基于零应力标定的零应力试块的波形函数与被测管道(4)的波形函数的互相关算法和温度补偿算法，主控机通过计算获得被测管道的超声临界折射纵波传播的时间t；

步骤五，基于零应力试块的服役应力σ₀＝0、K、t₀和t，利用σ-σ₀＝K(t-t₀)，获得管道外表面测量位置的服役应力σ；

步骤六，基于管道内部压力p与轴向应力σ_r或管道内部压力p与周向应力σ_t之间理论上呈线性关系，利用与被测管道(4)的金相组织状态和表面粗糙度均相同的管道试件进行打水压应力测量实验，所述测量实验为改变水的内部压力p的大小，并获得多组服役应力数据σ，基于理论获得p和σ的线性关系，作散点图对其进行最小二乘拟合，获得非介入式管道内流体压力测量系数k，从而确定管道外表面应力与管道内流体压力之间的定量关系p＝k·σ；

步骤七，基于步骤五获得的σ、步骤六获得的k，利用p＝k·σ，最后获得管道内流体压力的测量值p。

2.如权利要求1所述的一种非介入式管道内流体压力测量方法，其特征在于，所述时间t的计算过程为：基于温度标定实验，获得被测管道(4)的温度与超声临界折射纵波传播的时间呈线性关系，即Δt＝μ·ΔT，其中μ为温度补偿系数，Δt为由温度引起的超声临界折射纵波传播时间的变化量，ΔT为实际进行测量时被测管道的温度与零应力标定时零应力试块的温度的温度差，则最终被测管道的超声临界折射纵波传播的时间t＝t′-Δt，其中t′为基于零应力标定的零应力试块的波形函数与被测管道(4)的波形函数的互相关算法获得的超声临界折射纵波传播的时间。