CN107884114B - 基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构 - Google Patents

基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，包括紧贴管道外壁的卡箍环体、菱形检测单元和光纤光栅；卡箍环体包括第一卡箍体和第二卡箍体，第一卡箍环体和第二卡箍环体为两个对称的半环形结构，第一卡箍环体和第二卡箍环体的相对的一端设有与菱形检测单元相连接的卡环，另一端设有用于将第一卡箍环体和第二卡箍环体进行连接与紧固的耳部，耳部设有通孔，通孔内设有紧固件。本发明结构简单，装卸方便，测量时卡箍环体紧贴测量管道外壁，并与菱形检测单元卡扣相连，在不损伤被测管壁的前提下具有对管道管壁应变良好的传递和放大作用，达到增敏效果，同时基于光纤光栅的高分辨率、高灵敏度特征，能实现对管道内部压力的非侵入式检测。

Description

基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构
技术领域
本发明涉及管道压力检测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构。
背景技术
当前，管道压力检测技术的研究涉及管道结构健康检测、管道腐蚀情况监测、以及传输管道泄漏检测等方面。
传统的管道压力测量主要基于机械式的测量方法或者电测量方法。常见的有机械式压力表或者电阻式压力传感器。这些方法的优点是理论技术成熟、设备成本较低，但是由于其存在稳定性和耐久性差、传输距离短、抗干扰能力不足等缺点，逐渐无法满足工程应用的需要。同时，传统的管道压力检测方式很多时候需要在管道上开口，破环管道的整体性，在管上开孔会出现应力集中的现象，降低管道强度，影响系统安全性，特别的，在复杂的压力管道系统中安装检测装置相当困难甚至在某些情况下不被允许，这也就使得管道系统侵入式压力检测在实际应用中陷入困境。
针对非侵入式管道压力检测，光纤光栅凭借诸多优势，例如其本质安全、质量轻、体积小、不受电磁干扰、易于复用、可远距离遥测等优点已成为目前的主流方向之一。因此，光纤光栅常被作为基材与其它传感元件及封装技术相结合，开发了多种应用于管道压力检测监测的传感技术。
中国专利申请，公开号为CN 104776808 A，申请日2014年1月10日，申请公布日2015年7月15日，发明创造的名称为一种高温压力管道外壁应变在线监测的光纤光栅传感器，该申请公开了一种压力管道外壁应变的检测传感器，首次提出了一种简易的菱形结构，将光纤光栅两端固定于菱形横向间接传感臂的橄榄槽中，之后将纵向直接传感臂两端焊接到管壁上实现应变的测量。但是此种焊接结构的应变测量会一定程度受到焊接效果的影响，同时对管壁应力应变的传递仅限于传感臂之间的一部分，同时此处关于菱形的放大机理是基于菱形四条边应变量为零的假设，存在一定局限性。
中国专利申请，公开号为CN 105890534 A，申请日2015年01月19日，申请公布日2016年08月24日，发明创造的名称为一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，该申请公开了一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，核心结构为二级导杆形式的一体化结构，利用杠杆原理进行增敏，但是这种结构在中间横梁的部分容易产生应力集中，杠杆增敏效果会减弱。同时，焊接对管壁有一定的伤害，容易造成应力集中，此外，该器件安装拆卸不太方便。
中国专利申请，公开号为CN 104949780 A，申请日2015年07月16日，申请公布日2016年09月30日，发明创造的名称为一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，该申请公开了一种管道压力监测的光纤光栅压力传感器，包括压力传导器件、压力测试器件、密封壳体、固定结构等，压力传导器件将外界压力转换为膜片中心挠度的压缩变化，压力测试器件将挠度的变化施加在测力光栅上，导致光栅收缩，反射波长减小，达到测试目的，但是这种结构设计略显复杂，成本相对较高。
发明内容
根据上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构。通过本机构，可以实现不损伤管壁的前提下，对管道管壁的应变进行一定程度的放大检测，从而实现对管道内部压力的检测。
本发明的技术方案在于：一种基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，包括紧贴管道外壁的卡箍环体，所述的卡箍环体与菱形检测单元相连，所述的菱形检测单元与光纤光栅相连；所述的卡箍环体包括第一卡箍体和第二卡箍体，所述的第一卡箍体和第二卡箍体为两个对称的半环形结构，所述第一卡箍体和第二卡箍体的相对的一端设有与所述菱形检测单元相连接的卡环，所述的第一卡箍体和第二卡箍体的另一端设有用于将第一卡箍体和第二卡箍体进行连接与紧固的耳部，所述的耳部设有通孔，所述的通孔内设有紧固件。
优选的是：所述菱形检测单元包括菱形基体和设置在菱形基体内部的长对角线方向上的应变梁和温度补偿梁，所述应变梁的两端均与菱形基体相连，所述温度补偿梁仅一端与菱形基体相连；所述菱形检测单元的短对角线方向上的两端设有卡臂，所述的卡臂设有与卡箍环体的卡环相连接的卡扣；所述的菱形基体、应变梁和温度补偿梁靠近管道的一侧表面不与管道外壁接触。
优选的是：所述菱形基体的长对角线的长度为短对角线的长度的2-4倍。
优选的是：所述菱形基体的厚度为2-4毫米，所述菱形基体的各边宽度为1-2毫米。
优选的是：所述的卡臂靠近管道外壁的一侧设有凹台。
优选的是：所述的光纤光栅包括分别固定于应变梁和温度补偿梁上的两个传感器。
本发明还提供一种非侵入式管道压力检测机构的检测方法，按照如下公式计算管道内部压力p：
Figure GDA0002138018900000041
其中，εy为应变梁的应变，hy、z和E分别为所述菱形检测单元的应变梁厚度、宽度和弹性模量，ks为应变补偿系数，kp为耦合系数，u和h分别为所述菱形单元卡臂的宽度和厚度，x和y分别为所述菱形检测单元的菱形基体的短对角线和长对角线长度。
优选的是：引入修正系数k，得到修正的应变值ε′y＝kεy，用于修正所述卡箍环体、所述菱形检测单元和测量管道安装误差的影响。
本发明的有益效果在于：本发明结构简单，装卸方便，其独特的环状卡箍以及与环状卡箍相连的菱形检测单元组成的检测机构，在不损伤被测管壁的前提下具有对管道管壁应变良好的传递和放大作用，达到增敏效果，并基于光纤光栅应变传感器的高分辨率、高灵敏度特征，能实现对管道内部压力的非侵入式检测。
附图说明
图1是本发明的总体安装示意图；
图2是本发明的检测机构的结构示意图；
图3是本发明的环状卡箍的结构示意图；
图4是本发明的菱形检测单元结构的正面示意图；
图5是本发明的菱形检测单元结构的反面示意图；
图6是本发明的管道外壁应变传递和放大作用计算模型示意图。
图中，1-卡箍环体；2-菱形检测单元；3-光纤光栅；4-光纤光栅解调仪；5-紧固件；6-待测管道；11-第一卡箍体；12-第二卡箍体；13-卡环；14-耳部；15-螺栓孔；21-菱形基体；22-卡臂；23-温度补偿梁；24-应变梁；25-卡扣；26-凹台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步清楚、完整地描述。需要进一步说明的是，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示的一种基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，包括紧贴管道外壁的卡箍环体，所述的卡箍环体与菱形检测单元相连，所述的菱形检测单元与光纤光栅相连；如图3所示，所述的卡箍环体包括第一卡箍体和第二卡箍体，所述的第一卡箍体和第二卡箍体为两个对称的半环形结构，所述第一卡箍体和第二卡箍体的相对的一端设有与所述菱形检测单元相连接的卡环，所述的第一卡箍体和第二卡箍体的另一端设有用于将第一卡箍体和第二卡箍体进行连接与紧固的耳部，所述的耳部设有通孔，所述的通孔内设有紧固件。
其中，卡箍环体内表面做抛光处理。紧固件可以是螺钉和螺母。紧固件的材料强度不小于卡箍环体。
如图4和图5所示，所述菱形检测单元包括菱形基体和设置在菱形基体内部的长对角线方向上的应变梁和温度补偿梁，所述应变梁的两端均与菱形基体相连，所述温度补偿梁仅一端与菱形基体相连；所述菱形检测单元的短对角线方向上的两端设有卡臂，所述的卡臂设有与卡箍环体的卡环相连接的卡扣；所述的菱形基体、应变梁和温度补偿梁靠近管道的一侧表面不与管道外壁接触。
其中，菱形基体的长对角线的长度为短对角线的长度的2-4倍。
其中，菱形基体的厚度为2-4毫米，所述菱形基体的各边宽度为1-2毫米。
其中，卡臂靠近管道外壁的一侧设有凹台。
其中，光纤光栅包括分别固定于应变梁和温度补偿梁上的两个传感器。
其中，菱形检测单元的菱形基体的材料刚度要接近或大于光纤光栅的材料刚度。
其中，卡箍环体的材料刚度不小于管道管壁的材料刚度。
特别的，可通过改变菱形检测单元的长对角线方向的尺寸调节其对管壁应变的放大效果和灵敏程度。
特别的，所述菱形结构具有管壁应变放大作用，推导过程如下：
管道内压p引起管道外壁应变通过线性耦合(应力耦合系数kp)在所述菱形检测单元两端卡臂处分别产生载荷px，将管道外壁应变传递到所述菱形检测单元的应变梁上，由于受摩擦力等因素影响，管道内压力与菱形检测单元卡臂端载荷有如下关系：
px＝kpp
设u和h分别为所述菱形单元的卡臂宽度和厚度，Fx为卡臂处所受拉力，则有：
Fx＝px×u×h
φ为菱形基体的边与卡臂连线的夹角，由于应变传递过程中在菱形检测单元的菱形基体四条边和卡臂处有部分应变损失，则引入应变补偿系数ks，再设所述菱形检测单元的基体厚度为h，所述菱形检测单元的应变梁厚度、宽度和弹性模量分别为hy，z和E，所述菱形检测单元的菱形基体的短对角线和长对角线长度分别为x和y，则可得应变梁所受压力Fy、应力py和应变εy分别：
Figure GDA0002138018900000071
Figure GDA0002138018900000072
Figure GDA0002138018900000073
由上述公式可知，通过测量所述菱形检测单元的应变梁应变εy值，便可间接测量得到所述管道内部压力。
特别的，所述菱形检测单元实际的应变传递放大作用会受到所述卡箍环体、所述菱形检测单元和测量管道安装误差的影响，但是对于已知的整体结构尺寸，这种影响是确定的，引入修正系数k，可得到修正的应变值ε′y为：
ε′y＝kεy
特别的，由光纤光栅的应变测量原理可知，应变ε′y与光纤光栅的中心波长存在线性关系，设光纤光栅的中心波长为λB，应变与光栅波长变化的线性应变耦合系数为kε，则有：
Figure GDA0002138018900000074
也即，光纤光栅中心波长变化与所测管道压力存在如下数学模型：
Figure GDA0002138018900000075
因此，在所有零件尺寸和材料确定时，光纤光栅波长变化与管道内压力有以下线性关系：
Figure GDA0002138018900000076
其中，K为光纤光栅应变测量线性系数。
本发明还提供一种非侵入式管道压力检测机构的检测方法，通过上述公式推导，即可按照如下公式计算管道内部压力p：
Figure GDA0002138018900000081
其中，εy为应变梁的应变，hy、z和E分别为所述菱形检测单元的应变梁厚度、宽度和弹性模量，ks为应变补偿系数，kp为耦合系数，u和h分别为所述菱形单元卡臂的宽度和厚度，x和y分别为所述菱形检测单元的菱形基体的短对角线和长对角线长度。
一种优选的实施例，选取不锈钢管道(壁厚2毫米)、不锈钢环状卡箍1(宽度10毫米，厚度4毫米)、7075铝合金菱形检测单元2、M5的螺栓紧固件5和特定参数光纤光栅3，此处，菱形基体21厚度为4毫米，菱形基体21四条边宽度为2毫米，菱形检测单元2的长对角线长度为短对角线长度的2.5倍，应变梁24和温度补偿梁23厚度和宽度分别为1毫米。
所有部件通过紧固件5连接安装，在所述不锈钢待测管道6内加0-1Mpa的梯度压力，待测管道6受到内部压力的作用，管壁会产生主要分布在环向的应力应变，管壁截面一周的主要应变分量经过耦合引起环状卡箍1应变，第一卡箍体11和第二卡箍体12的应变经过卡环13与卡扣25的耦合，再经菱形基体21放大，最终表现为应变梁24的应变量变化，应变梁上应变约为管壁应变的4倍，在0-1Mpa压力范围内，可以得到较为稳定的线性关系。
应变梁24的应变会传递给光纤光栅3，从而调制光纤光栅的波长参量，通过光纤光栅解调仪4测得数据推导管道内压。
整体上看，本发明所述的一种基于光纤光栅的管道压力非侵入式检测机构可灵活选择测量位置，装卸方便，能将管道管壁应变提取并放大，且不会对管道产生任何机械损伤。
以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，其特征在于：包括紧贴管道外壁的卡箍环体，所述的卡箍环体与菱形检测单元相连，所述的菱形检测单元与光纤光栅相连；所述的卡箍环体包括第一卡箍体和第二卡箍体，所述的第一卡箍体和第二卡箍体为两个对称的半环形结构，所述第一卡箍体和第二卡箍体的相对的一端设有与所述菱形检测单元相连接的卡环，所述的第一卡箍体和第二卡箍体的另一端设有用于将第一卡箍体和第二卡箍体进行连接与紧固的耳部，所述的耳部设有通孔，所述的通孔内设有紧固件；所述菱形检测单元包括菱形基体和设置在菱形基体内部的长对角线方向上的应变梁和温度补偿梁，所述应变梁的两端均与菱形基体相连，所述温度补偿梁仅一端与菱形基体相连；所述菱形检测单元的短对角线方向上的两端设有卡臂，所述的卡臂设有与卡箍环体的卡环相连接的卡扣；所述的菱形基体、应变梁和温度补偿梁靠近管道的一侧表面不与管道外壁接触；
所述非侵入式管道压力检测机构基于如下公式计算管道内部压力p：
Figure FDF0000008316900000011
其中，εy为应变梁的应变，hy、z和E分别为所述菱形检测单元的应变梁厚度、宽度和弹性模量，ks为应变补偿系数，kp为耦合系数，u和h分别为所述菱形单元卡臂的宽度和厚度，x和y分别为所述菱形检测单元的菱形基体的短对角线和长对角线长度。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，其特征在于：所述菱形基体的长对角线的长度为短对角线的长度的2-4倍。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，其特征在于：所述菱形基体的厚度为2-4毫米，所述菱形基体的各边宽度为1-2毫米。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，其特征在于：所述的卡臂靠近管道外壁的一侧设有凹台。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构，其特征在于：所述的光纤光栅包括分别固定于应变梁和温度补偿梁上的两个传感器。
6.根据权利要求1所述的非侵入式管道压力检测机构的检测方法，其特征在于：引入修正系数k，得到修正的应变值ε′y＝kεy，用于修正所述卡箍环体、所述菱形检测单元和测量管道安装误差的影响。
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