CN106017554B - 同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力容器温度和压力的测试技术，旨在提供一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置。多条导电纤维敷设于被测容器器壁的金属内衬层和增强纤维层之间，其外侧涂覆有粘结树脂，中间段沿环向缠绕金属内衬层多圈，且两端沿轴向延伸至容器出口端或尾部并引出，端部均通过电路切换单元分别接至电容测量单元和电阻测量单元；分析输出单元分别与电阻测量单元和电容测量单元相接，分析输出单元具有数据输出端口。本发明导电纤维柔性高、厚度小；相容性好，对原有结构影响小；可同时测量温度、压力，系统集成度高；无需进行专门密封和占用容器内部空间；温度和压力测量相互影响和干扰较小；可以实现温度和压力的快速、实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力容器温度和压力的测试技术，特别是同时测试纤维缠绕金属内衬压力容器温度和压力的装置及方法。
背景技术
纤维缠绕金属内衬压力容器以其质量轻、强度高、可设计性强等优点已经广泛应用于航空航天、军事及工业领域，并逐渐商业化，这就对其可靠性、安全性提出了更高的要求。在此类压力容器使用过程中，内部介质温度和压力是两个重要的参数。过高的温度会使得粘结树脂出现性能劣化的现象，产生安全隐患；过快的压力变化会增加复合材料脆性断裂的倾向。因此，对于温度和压力的准确、实时监测意义重大。此外，此类压力容器已经应用于燃料电池汽车的高压储氢气瓶和天然气气瓶领域，为了监测气瓶内部气体余量，对于压力的实时测试也必不可少。
现有的温度测试方法主要有两种：一是针对容器外表面温度，需在容器外壁布置热电偶，过程繁琐但并不困难；二是针对容器内部介质温度，通常采用铂电阻传感器，此类传感器可以安装于容器尾部，以探针的方式深入气瓶测得温度，缺点是只能测得容器尾部附近的温度值。由于多数复合材料在垂直纤维方向上导热系数很小，因而在缠绕复合材料容器外部测量温度相对于容器内部的实际温度具有较大的滞后性和差异性。此外，还可以布置于容器内壁，通过容器外部的强磁装置吸附固定，传感器的信号线经由容器尾部出口与信号收集装置相连，再通过树脂浇铸密封技术实现密封。这种方法可以测得容器内部温度的分布情况，但是过程复杂，且传感器的存在挤占了容器内部空间，同时破坏了结构的一致性，造成应力分布不均甚至应力集中的现象，形成结构强度的薄弱点。现有的压力测试方法是在容器出口处安装压力传感器，可以测得容器内介质压力值。而现有的温度、压力同时测试方法是在容器出口处安装组合阀，组合阀集成温度、压力传感器等，可以同时测量出口处的介质温度、压力，缺点是无法得到容器内部的温度分布情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置，包括电阻测量单元；该装置还包括：电容测量单元、电路切换单元、分析输出单元和多根导电纤维；
金属内衬压力容器的容器壁由内向外依次为金属内衬层和增强纤维层，各导电纤维均敷设于金属内衬层和增强纤维层之间；导电纤维的外侧涂覆有粘结树脂，其长度的中间段沿环向缠绕金属内衬层多圈，且两端沿轴向延伸至容器出口端或尾部并引出；
各导电纤维的端部均通过电路切换单元分别接至电容测量单元和电阻测量单元，以实现电路的连接与切换；分析输出单元分别与电阻测量单元和电容测量单元相接，分析输出单元具有数据输出端口。
本发明中，还包括显示器终端，通过信号线接至所述数据输出端口。
本发明中，各导电纤维的环向缠绕位置呈等间距布置。
本发明还提供了利用前所述装置同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的方法，包括：
(一)对压力容器内部温度的测量
利用电路切换单元和电阻测量单元，测量得到各导电纤维的电阻值变化情况；然后根据传感器测温原理，通过电阻值变化计算得到各导电纤维的温度值；对多根导电纤维的温度值数据取平均值，以此作为压力容器内部的温度数值；
(二)对压力容器内部压力的测量
导电纤维与粘结树脂、金属内衬层共同构成了电容器结构，压力容器内部压力的变化会导致容器环向周长的变化，并使位于导电纤维和金属内衬层之间的粘结树脂产生形变，进而使电容值发生变化；利用电路切换单元和电容测量单元，测量得到各导电纤维对应的电容值数据；然后根据下式得到相应的压力值数据：
式中，p是某根导电纤维所处位置的压力值，当为负值时其数值大小代表相对压力，为正值时其数值大小代表真空度；C0是压力容器内相对压力为零(即大气压力)时的初始电容值，C是压力容器内压力变化后的电容值，ET是粘结树脂的弹性模量，与粘接树脂的温度值相关(由于粘结树脂很薄，在本发明中直接将粘接树脂的温度值取值为导电纤维的温度值)，对应温度条件下粘结树脂的弹性模量数值可以很容易通过查阅粘结剂手册或复合材料手册等资料获取，对于特殊开发的粘结剂，也可以通过不同温度下的静力拉伸试验方便地测得；对多根导电纤维的压力值数据取平均值，作为压力容器内部压力值的最终结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)导电纤维和粘结树脂位于内衬层、增强纤维层之间，柔性高、厚度小，可以根据被测对象要求调整形状或厚度，对于常见的碳纤维缠绕增强复合材料容器，可以选择与容器中相同牌号的碳纤维，相容性好，对原有结构影响小；
(2)通过多根导电纤维和电路切换装置可同时测量温度、压力，系统集成度高；
(3)相较传统测内部温度分布的方式，无需进行专门密封和占用容器内部空间；
(4)温度和压力测量分别由电阻测量和电容测量两套独立电路实现，相互影响和干扰较小；
(5)通过电路切换装置，可以实现温度和压力的快速、实时测量；
附图说明
图1本发明具体实施例的系统逻辑框图；
图2本发明具体实施例的纤维缠绕金属内衬压力容器的结构示意图；
图3本发明具体实施例的导电纤维的铺设示意图；
图中的附图标记：导电纤维11，电路切换单元12，电阻测量单元13，电容测量单元14，分析输出单元15，显示器16；增强纤维层21，金属内衬层22，粘结树脂23。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明涉及电阻、电容测试技术和数字电路控制技术，是电子电路技术在测量控制技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件及硬件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件及硬件功能模块包括但不限于：电阻测量单元、电容测量单元，以及由单片机或其他微处理器控制的电路切换单元、分析输出单元、数据输出端口等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
具体实施例：
本发明中同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置，其系统逻辑如图1所示，具体结构如图2、3所示。
该装置包括：电阻测量单元13、电容测量单元14、电路切换单元12、分析输出单元15和多根导电纤维11；金属内衬压力容器的容器壁由内向外依次为金属内衬层22和增强纤维层21，各导电纤维11均敷设于金属内衬层22和增强纤维层21之间；导电纤维11的外侧涂覆有粘结树脂23，其长度的中间段沿环向缠绕金属内衬层22多圈，且两端沿轴向延伸至容器出口端(或尾部)并引出；各导电纤维11的环向缠绕位置呈等间距布置；各导电纤维11的端部均通过电路切换单元12分别接至电容测量单元14和电阻测量单元13，以实现电路的连接与切换；分析输出单元15分别与电阻测量单元13和电容测量单元14相接，分析输出单元15具有数据输出端口。显示器终端16则通过信号线接至所述数据输出端口，实现对测量数据和计算结果的显示与读取。当然，也可以根据常规技术手段，利用通讯接口与数据输出端口相接，实现数据的本地或远程传递以及后续数据深度加工。
电阻测量单元13和电容测量单元14分别用于对各导电纤维11对应的电阻值和电容值的测量。分析输出单元15根据“电阻-温度”、“电容-距离”、“压力-应变”关系分别将电阻、电容数据转化为温度、压力信息，具体实施原理叙述于后文。
图2是本发明具体实施例的纤维缠绕金属内衬压力容器的结构示意图，以缠绕四根导电纤维为例，包括：导电纤维11，每根导电纤维分别在容器的不同位置缠绕多圈，以达到测量不同位置压力、温度的目的，图2每根导电纤维中以缠绕五圈为例。导电纤维11在容器制造过程中预先浸渍粘结树脂23后缠绕在金属内衬层22的外壁，其形状、大小、材料可根据被测容器进行调整，如材料可以选择为碳纤维，形状为导线状。所述粘结树脂23为绝缘材料(如环氧树脂)，它与导电纤维11和金属内衬层22共同构成微型电容器，在不同压力下对应着不同的电容变化。
图3是本发明具体实施例的导电纤维铺设示意图，所述导电纤维11紧贴容器金属内衬层22外壁沿轴向引至不同轴向位置处，环向缠绕多圈后再沿轴向引出至容器出口，二者通过粘结树脂23相连。图3中四根导电纤维可以分别测量容器四个轴向位置处的介质温度值。
分析输出单元15根据下述原理实现压力和温度测量：
一、温度的测量
温度变化情况是通过导体的电阻与温度成一定关系测得。
图3中每根导电纤维11在容器内衬层外壁的不同位置沿环向缠绕多圈，导电纤维11的温度值与该轴向位置处的容器内介质温度近似。导电纤维11的温度可以用常规传感器测温原理，通过其电阻值变化测出，本发明对此不再赘述。
二、压力的测量
压力变化情况是通过压力变化导致导电纤维和金属内衬层间的距离变化进而导致其组成的电容器电容变化测得的。
导电纤维11具有一定宽度，与金属内衬层22和粘结树脂23共同构成了一个微型电容器。不同的压力将使粘结树脂23产生不同的变形，进而使得电容值发生不同变化。
电容表达式其中ε0和εr分别代表真空介电常数(8.85×10-12法拉/米)和粘接树脂的相对介电常数，S是电容器上下极板面积，在本电容器中不发生变化，εr是粘结树脂的相对介电常数，在本电容器中粘结树脂采用环氧树脂胶，其相对介电常数稳定。实际应用中，多数类似材料的介电常数可从电工手册中查得，即便是对于特殊材料也可以按照GB/T 1409-2006测量电气绝缘材料在工频、音频、高频下电容率和介质损耗因数的推荐方法测量得到。d是电容器上下极板间距，是本电容器中的变量，可以推出电容C与间距d成反比关系。因此有应变表达式d0和C0代表容器内介质相对压力是零时电容器的初始距离、初始电容，d和C代表电容器受压后的距离和电容。结合胡克定律p＝Eε可以得到压力与电容的关系式其中，C0是容器内介质相对压力为零(即大气压力)时的初始电容，C是介质压力变化后的电容，ET是粘结树脂的弹性模量，与粘接树脂的温度值相关(由于粘结树脂很薄，在本发明中直接将粘接树脂的温度值取值为导电纤维的温度值)，对应温度条件下粘结树脂的弹性模量数值可以很容易通过查阅粘结剂手册或复合材料手册等资料获取，对于特殊开发的粘结剂，也可以通过不同温度下的静力拉伸试验方便地测得；p是待测点压力值，负值时其数值大小代表相对压力，正值时其数值大小代表真空度。由于容器内介质压力处处相等，对多根导电纤维11的测量压力值取平均值，作为最终的压力测量结果。
考虑到粘结树脂的弹性模量与温度相关，应当先计算出导电纤维11的温度值，再根据温度值对应的弹性模量计算压力值。弹性模量与温度的对应关系和相应的算法可以一并内置于分析输出单元15中。
具体应用实例：
本发明中所述装置的设置过程包括以下步骤：
(1)在纤维缠绕金属内衬压力容器的制造过程中，金属内衬层22制作好后，将多根导电纤维11紧贴容器外壁沿轴向引至不同位置处(最好是等间距)，环向缠绕多圈后再沿轴向引出至容器出口，所述导电纤维11预先浸渍粘结树脂，加热固化在金属内衬层22外壁后再进行增强纤维层21的缠绕、固化；
所述导电纤维11选用材料尽可能与增强纤维层21一致，如碳纤维。由于其柔性高、厚度小的特点，不会影响原有压力容器的结构强度。同时，由于其与增强纤维层21相容性好，可以实现“免取出”的效果；
所述粘结树脂23为绝缘材料，如环氧树脂，与导电纤维11、金属内衬层22构成微型电容器；
(2)测量电阻、电容
通过电阻测量单元和电容测量单元可以实现对所述导电纤维11的电阻、微型电容器的电容进行测量，通过电路切换单元12可以实现电阻、电容数据间的测量选择，由于电阻和电容测量均可以实现在毫秒级的测量响应，因而通过电路切换单元12，可以实现温度和压力的快速测量，从而达到实时测量的效果；
(3)计算温度、压力
分析装置读取电阻、电容数据，并根据下述方法计算温度、压力：
①对电阻数据进行分析
所述导电纤维11的电阻在不同温度时对应不同数值，根据“电阻-温度”关系可以计算得到每根导电纤维11的温度值；
本发明中，由于金属内衬层22很薄，所述导电纤维11的测量温度值可视为容器内介质温度；
本发明中，每根导电纤维11在容器不同的轴向位置处缠绕多圈，每根导电纤维11的阻值由缠绕位置处的温度决定；
②对电容数据进行分析
所述粘结树脂23和导电纤维11、金属内衬层22构成微型电容器，在不同压力时对应不同电容，根据“电容-距离”关系以及“压力-应变”关系可以计算每个微型电容器承受的压力值；
本发明中，由于金属内衬层22承担压力很小，所述导电纤维的测量压力值可视为容器内部介质压力；
根据压力与电容的关系式，计算获得各导电纤维11处的压力值：
该公式中，p是导电纤维处11的相对压力值，C0是容器内介质为大气压时的初始电容值，C是容器内介质压力改变后的电容值；ET是粘结树脂23的弹性模量，其值是一个与温度相关的常量；
本发明中，由于容器内介质压力处处相等，所以取各根导电纤维11的压力平均值作为最终的压力值；
(4)显示结果并输出
分析装置计算得到的压力温度值可以直接显示并输出用于后续处理。
最后，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，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 (3)
1.一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置，包括电阻测量单元；其特征在于，该装置还包括：电容测量单元、电路切换单元、分析输出单元和多根导电纤维；
金属内衬压力容器的容器壁由内向外依次为金属内衬层和增强纤维层，各导电纤维均敷设于金属内衬层和增强纤维层之间；导电纤维的外侧涂覆有粘结树脂，其长度的中间段沿环向缠绕金属内衬层多圈，且两端沿轴向延伸至容器出口端或尾部并引出；各导电纤维的环向缠绕位置呈等间距布置；
各导电纤维的端部均通过电路切换单元分别接至电容测量单元和电阻测量单元，以实现电路的连接与切换；分析输出单元分别与电阻测量单元和电容测量单元相接，分析输出单元具有数据输出端口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括显示器终端，通过信号线接至所述数据输出端口。
3.利用权利要求1所述装置同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的方法，其特征在于，包括：
(一)对压力容器内部温度的测量
利用电路切换单元和电阻测量单元，测量得到各导电纤维的电阻值变化情况；然后根据传感器测温原理，通过电阻值变化计算得到各导电纤维的温度值；对多根导电纤维的温度值数据取平均值，以此作为压力容器内部的温度数值；
(二)对压力容器内部压力的测量
导电纤维与粘结树脂、金属内衬层共同构成了电容器结构，压力容器内部压力的变化会导致容器环向周长的变化，并使位于导电纤维和金属内衬层之间的粘结树脂产生形变，进而使电容值发生变化；利用电路切换单元和电容测量单元，测量得到各导电纤维对应的电容值数据；然后根据下式得到相应的压力值数据：
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<mn>0</mn>
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<mi>C</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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式中，p是某根导电纤维所处位置的压力值，当为负值时其数值大小代表相对压力，为正值时其数值大小代表真空度；C0是压力容器内与大气压力相对为零时的初始电容值，C是压力容器内压力变化后的电容值，ET是粘结树脂的弹性模量，与导电纤维的温度值相关；
对多根导电纤维的压力值数据取平均值，作为压力容器内部压力值的最终结果。
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