CN111649869A - 基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统 - Google Patents

基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非接触压力测量方法，尤其涉及一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统，减少整个压力回路的压力泄露风险点，采用非接触测量即在通过不与传压介质接触的方式测量由于压力引起的应变变化，再进行温度修正即可间接获得压力数据，在管路或容器的材质和性能均匀的基础上(一般都为曲面)，其内部压力变化与感压壁的应变及温度成相应的比例(已经进行了相关的验证试验)，通过对感压壁应变及温度的测量实现对管路或容器内部压力的测量，实现非接触式压力测量的目的。该方法可减少压力回路的风险点，提高高压管路设备的可靠性，通用性、推广性高。

Description

基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种非接触压力测量方法，尤其涉及一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统，通过测量与高压压力容器连接的压力管路内的压力值得到高压压力容器内的压力值，通过管路测量而不是直接对高压压力容器的测量使得该方法的通用性、推广性更高。
背景技术
随着高精密加工和高精度测量技术的迅速发展，在科研生产中对压力测量的要求也越来越高。
传统压力测量普遍使用在待测部位接入压力测量仪表实现，但是针对某些领域，尤其在高压压力测量领域，整个压力回路中增加一个接触式压力测点，就会给整个压力回路引入一个泄漏风险点。在航空航天、精密测量/监测等高风险领域这类问题显得尤为突出；同时在该类领域中，对测量设备小型化、微型化的需求也与日俱增，但是传统方法因引入与传压介质接触式的压力仪表，增加了额外的泄漏风险很难满足该需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于应变传感器的管道压力测量方法及系统，以减少整个压力回路的压力泄露风险点，同时满足测量设备小型化、微型化的需求。
本发明采用非接触测量即在通过不与传压介质接触的方式测量由于压力引起的应变变化，再进行温度修正即可间接获得压力数据，在管路或容器的材质和性能均匀的基础上(一般都为曲面)，其内部压力变化与感压壁的应变及温度成相应的比例(已经进行了相关的验证试验)，通过对感压壁应变及温度的测量实现对管路或容器内部压力的测量，实现非接触式压力测量的目的。
本发明的技术方案是提供一种基于应变、温度传感器测量的非接触压力测量方法，其特殊之处在于，包括压力标定过程与压力测量过程：
所述压力标定过程为：
①对标定管道上不同测点位置，分别测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式1，分别得到每个测点位置处f1n(ε)与f2n(T)函数对应的函数系数K1n与K2n值，n为测点位置序号；其中拟合公式1为：
P＝f1(ε)+f2(T)；
其中P为压力，ε为应变，T为温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系；所述拟合公式1通过验证试验获得，所述标定管道为验证试验中获得的具有确定测点位置及在各测点位置处粘接确定的压力和/或温度传感器的管道；
②在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式：
Pn＝f1n(ε)+f2n(T)
其中f1n(ε)为第n个测点位置处，压力与应力的具体函数关系；f2n(T)为第n个测点位置处，压力与温度的具体函数关系；
所述压力测量过程为：
①将上述标定管道与高压压力容器连接，通过应变传感器和温度传感器采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；
②根据对应测点位置处的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)，计算出该测点位置处管路中的压力值；
③根据所有测点位置处管路中的压力值，计算得到高压压力容器内的实时压力。
进一步地，针对已经试验验证的不锈钢与钛合金材质的管道，压力标定过程步骤①中的拟合公式1为：
P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2
其中a与e1是与K1相关的常数，b、c、d、e2是与K2相关的常数；K1为应变、压力相关函数系数，K2为温度、压力相关函数系数；
压力标定过程步骤②中的各测点位置的具体拟合公式为：
Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n
其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、cn、dn、e2是与K2n相关的常数，n为测点位置序号。
进一步地，所述验证试验过程为：
选取与高压压力容器连接的管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，获得拟合公式1：
P＝f1(ε)+f2(T)；
其中P为压力，ε为应变，T为温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系；并确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力和/或温度传感器。
进一步地，所述验证试验过程具体为：
步骤1a、选取与高压压力容器连接的待测管道作为验证试验管道；
步骤1b、确定验证试验管道上的测点位置、数量及验证条件，其中验证条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、在验证试验管道对应测点位置处粘贴相应的应变传感器和温度传感器；
步骤1d、将验证试验管道放入环境温试验箱中，验证试验管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1e、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对验证试验管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，获得应变与温度、压力的对应拟合公式1：
P＝f1(ε)+f2(T)；
步骤1f、根据试验数据确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力传感器和/或温度传感器。
进一步地，所述压力标定过程中步骤①具体包括以下步骤：
步骤1a、选取验证试验中确定的连接管道作为标定管道；
步骤1b、确定标定管道上的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1d、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝f1(ε)+f2(T)，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)。
进一步地，验证试验确定至少一个测点位置，步骤1b中确定至少一个测点位置，每个测点位置处均分别粘贴应变传感器和温度传感器；其中应变传感器用于测试管路径向的应变量。
进一步地，为了提高测量精度，验证试验确定6N个测点位置，分为N个区域；在每个区域中，四个测点位置处粘贴应变传感器，另外两个测点位置处粘贴温度传感器；且两个应变传感器为一组，每一组中的两个应变传感器沿管道径向顶头排列，两组应变传感器沿管道轴向排布，测试管路径向的应变量。
进一步地，步骤2b中还包括判断应变传感器和温度传感器输出的步骤：
判断每个区域中，测量系统中两个温度传感器输出温度差值是否大于设定值，若是，则需要重新校准温度传感器；否则取两个温度传感器输出值的平均值作为当前温度值；
判断每个区域中，测量系统中四个测点位置处管路中的压力值是否存在异常值，若是采用异常值剔除法剔除出现的异常值，将剩余值的平均值作为当前压力值；否则，将四组压力值的平均值作为当前压力值。
本发明还提供一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特殊之处在于：包括测量系统与校准控制系统，测量系统包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统包括校准仪与控制系统；
传感器模块包括至少一个贴在管路外侧面中部的应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量；
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接。
进一步地，解调器模块包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块、CPU、网络通信模块、隔离电路和电源模块；
应变测量前端调理电路用于将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路用于将温度传感器温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变信号和温度信号的模数转换，CPU通过读取AD模块输出的温度信号，通过查表得到温度值，再通过读取AD模块输出的应变信号，通过写入其内的拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
本发明的有益效果是：
1、本发明经过前期大量的验证试验，根据试验结论获得管路特性拟合公式P＝f1(ε)+f2(T)，通过标定试验获取每个测点位置处温度、压力及应变值的具体拟合公式，在测量过程中，将当前应变值和温度值，带入相应的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)，即可计算当前管路中的压力；采用非接触测量即可获得压力数据，减少压力回路的(因增加一个传统的接触式压力测量点而增加的压力泄露)风险点，提高高压管路设备的可靠性。
2、本发明采用贴片式传感器，只需要将传感器粘贴在待测管道路的外壁即可，满足对测量设备小型化、微型化的需求。
3、本发明通过压力应变试验、温度应变试验、恒温压力应变试验、反复恒温压力应变试验(油介质)及反复恒压应变温度试验验证，证明了该压力测量方法进行压力测量，在管路中应用效果明显，测量精度可控，在管路中能更好的解决随时进行非接触压力测量或持续压力监测的目的，应用前景明朗。
附图说明
图1为本发明实施例的测量系统示意图；
图2为本发明实施例的解调器框图；
图3为本发明实施例的应变测量前端调理电路原理框图；
图4为本发明实施例的应变传感器测量电路图；
图5为本发明实施例的温度传感器测量电路图；
图6为本发明实施例的验证试验连接图；
图7为本发明实施例一验证试验过程中传感器粘贴方式；
图8为本发明实施例一验证试验的试验数据曲线一，为应变测量仪第3通道的数据；
图9为本发明实施例一验证试验的试验数据曲线二，为应变测量仪第4通道的数据；
图10为应变传感器在固定压力下应变与温度曲线一；
图11为应变传感器在固定压力下应变与温度曲线二；
图12为本发明实施例一中一种确定的测量方案传感器粘贴位置示意图；
图13为本发明实施例二验证试验的应变传感器粘贴方式；
图14为本发明实施例二验证试验中测点位置8在压力变化下不同温度的应变变化；
图15至图24为本发明实施例二验证试验中测点位置8分别在-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃-1、20℃-2、20℃-3、25℃、30℃、40℃温度下，应变随压力的变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本发明方法具体包括验证试验、压力标定与压力测量三个过程：
验证试验：
针对待测管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，经过大量验证试验，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，确定了最优的测点位置及获得了拟合公式P＝f1(ε)+f2(T)，其中f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系；对于不同材料、不同曲率半径、不同壁厚的待测管道对应的函数关系及最优测点位置有差异。
在最优测点位置粘贴相应温度及应变传感器的管道可直接用于后续标定过程及测量过程。为了后续便于描述，在压力标定过程中将该管道定义为标定管道。
压力标定过程与压力测量过程：
压力标定过程为：针对标定管道，对当前测点位置，测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式P＝f1(ε)+f2(T)，得到该测点位置处的K1、K2值；其中K1为f1(ε)函数对应的函数系数，K2为f2(T)函数对应的函数系数，P为压力，ε为应变，T为温度；然后，针对每个测点位置重复上述步骤，得到每个测点位置的K1n、K2n值；n为测点位置序号；之后在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)。
压力测量过程为：将上述标定管道与待测高压压力容器连接，采集各测点位置当前应变值和温度值；根据对应测点位置处的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)计算当前测点位置处管路中的压力；根据所有测点位置处管路中的压力值获得最终高压压力容器中的压力。
每个测点位置的温度可以通过粘贴在该测点位置处的温度传感器获得；也可以用两个或两个以上的温度传感器测量整个测量区域的温度，作为该测量区域内所有测点位置处的温度值。
当采用两个或两个以上的温度传感器测量整个测量区域的温度作为该测量区域内所有测点位置处的温度值时：取两个温度传感器输出值的平均值作为当前测点位置处的温度值，当两支温度传感器输出温度差值大于设定值时，如0.4℃时，提示温度传感器需要重新校准后使用(校准或更换传感器)。此方法保证了温度测量准确和测量结果可靠。
根据验证试验，可采用m支应变传感器即确定m个测点位置，m支应变传感器对应温度输入值，可测得m组压力值，为了保证压力值输出的准确，采用异常值剔除法(可采用格拉布斯准则/狄克逊准则)，剔除出现的异常值。无异常值时，按照m组压力值的平均值输出，如有异常值，按照剩余压力值的平均值进行输出，即为高压压力容器中的压力。其中m为大于等于2的正整数。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
本实施例测量系统如图1所示，主要包括测量系统与校准控制系统；其中测量系统主要包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统主要包括校准仪与控制系统。
其中，传感器模块安装于管路的外壁面(可位于中部)，包括至少一个应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量。
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接。
在校准过程时，经标定试验，获得每个测点位置处，压力值温度与应变的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)；其中：P为压力，ε为应变，T为温度，n为测点位置序号，通过校准仪将该拟合公式写入给解调器模块。
在测量过程中，解调器模块根据当前传感器模块的信号，将其转化为数字信号，根据拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)计算当前管路中的压力，通过数字通信口传输给控制系统。
本实施例通过验证试验确定了6个最优测点位置，其中4个粘接应变传感器，另外2个粘接温度传感器，因此该系统总共包括四支应变传感器，两支温度传感器。在其他实施例中，根据验证试验结论，也可以采用四支应变传感器及四组温度传感器，在每个测点位置处均设置应变传感器与温度传感器。
本实施例中四支应变传感器对应温度输入值，可测得四支压力值，为了保证压力值输出的准确，采用异常值剔除法(可采用格拉布斯准则/狄克逊准则)，剔除出现的异常值。无异常值时，按照四支值的平均值输出，如有异常值，按照剩余的压力值的平均值进行输出。当前温度值取两个温度传感器输出值的平均值，当两个温度传感器输出温度差值大于设定值时，本实施例设定值为0.4℃时，通过控制系统提示温度传感器需要重新校准后使用(校准或更换传感器，此处校准可以通过校准仪实现)。此方法保证了温度测量准确和测量结果可靠。
解调器设计框图如图2所示。包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块(模数转换器)、CPU(中央处理器)、网络通信模块、隔离电路和电源模块。应变测量前端调理电路将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路将温度传感器的铂电阻温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变和温度的模数转换，CPU通过读取AD模块将采集到的温度信号通过查表得到温度值，再通过读取AD模块将采集到的应变信号及温度值通过拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
应变测量前端调理电路原理框图如图3所示，由电桥电路、放大电路和基准电压组成。本实施例应变传感器测量电路图如图4所示。
温度测量前端调理电路原理图与图3应变测量前端调理电路原理相同。温度传感器测量电路如图5所示。采用一个运算放大器同时实现温度传感器上信号提取及放大。
电源模块电路设计：主控提供的电源经隔离式DC/DC产生二次电源为调理电路供电。此项目选用隔离式DC/DC，将主控提供的输入电压直接转成解调器需要的二次电源。DC/DC的次级有短路保护电路，防止解调器电路出现短路故障时导致DC/DC模块损坏，避免二次电源损坏影响主电源系统。开关电源的输出电压纹波主要由它本身的开关频率导致的。在次级加入LC滤波器，减小次级供电电压的纹波。通过设定电感L和电容C的参数，令此LC低通滤波器滤波频率为1kHz左右，足以滤除DC/DC开关频率带来的高频噪声。
隔离电路设计：解调器的供电分为模拟电路供电电源与数字电路供电电源两部分，模拟电源为前端模拟电路的运算放大器、基准电压源等器件供电，采用双极性供电，+5V和-5V；数字供电电源统一采用5V供电。数字电路和模拟电路之间的供电相互隔离，二者相关联的信号采用ADuM1400系列四通道数字隔离器实现信号隔离。
网络通讯电路设计：工作时，采用工作用电缆，工作电缆一端与MYJ接口相连，另一端连接主机，通过TCP/IP通讯协议实现与控制系统通讯。控制系统下发测试命令，解调器执行一次测量，并将测量结果反馈给控制系统。
校准时，采用校准电缆，校准电缆一端连接解调器模块的电气接口，另一端连接供电电压和上位机，同样采用TCP/IP通讯协议，当上位机校准软件下发测试指令时，解调器进行一次测量并将测量值上传给上位机，校准软件计算出校准值，并下发给解调器，完成模块的校准。
本实施例具体的验证试验过程如下：
验证试验：
采用材质一(不锈钢，该管道为与待测高压压力容器连接的待测管道)管道进行验证试验，将
Figure BDA0002553026730000091
管道放入高低温试验箱中，管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，应变传感器及温度传感器布置于管道的不同位置，通过调节不同的温度、压力条件，即在每个试验温度下对管路进行升、降压，监测温度变化，待管路温度稳定后记录应变的输出。利用多组温度、压力和应变值的测量数据，在一个温度环境下对0～20MPa所有测点位置进行分析校准，分析出应变与温度、压力的对应关系P＝f1(ε)+f2(T)，本实施例为：P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2，其中a、b、c、d、e1、e2均为常数，不同测点位置具有不同的a、b、c、d、e1、e2值；
验证试验连接图如图6。该试验总共包括8个测点位置，每一个测点位置处均粘贴应变传感器及温度传感器，应变传感器的应变信号通过线缆输送至应变测量仪，通过应变测量仪的不同通道显示不同测点位置的应变值，温度传感器的温度信号通过线缆输送至测温仪。因本实施例选取的应变测量仪只有6个可用通道，所以只选择了8个测点中具有代表性的6个测点位置进行验证试验。
具体条件如下：
(1)温度测量点：-30℃、0℃、20℃、40℃、60℃、75℃。
(2)压力测量点：0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、18MPa、20MPa。
(3)应变传感器：高精度应变传感器。
(4)粘贴工艺：对管道的粘贴表面进行处理，采用H-600双组份环氧树脂胶粘剂，进行固定粘贴，按照使用要求对其进行烘干固化。
(5)粘贴位置选择：两个应变传感器为一组，顶头排列，设计粘贴四支，分别按照测量管路应变方向不同在管路上一次按照“轴向-径向-轴向-径向”顺序进行布点。应变传感器粘贴方式见图7，图中，测点位置1、测点位置2、测点位置5与测点位置6处的应变传感器测试管路轴向的应变量，测点位置3、测点位置4、测点位置7与测点位置8处的应变传感器测试管路径向的应变量。
(6)温度测量：在每一个应变测点位置旁布置一个贴片式温度传感器，用于该测点位置温度的测量，贴片式温度传感器准确度等级为A级。
(7)数据输出设备选择：高精度应变测量仪。
(8)线路连接：电路板焊接方式。
验证试验验证结论
针对不锈钢材质的管道。通过数据分析发现在0～20MPa的压力范围内轴向应变最大约为96με，而径向(或圆周方向)应变最大约为370με，径向变化是轴向变化的4倍左右，因此在具体标定测量试验中，只测试待测管道路的径向应变。取变化较为明显的径向传感器做数据分析，试验数据曲线如图8及图9所示。图8中CH3表示采集的是应变测量仪第3通道的数据；图9中CH4表示采集的是应变测量仪第4通道的数据。
由图8与图9可知应变传感器在每个温度下其线性一致性好，压力与应变成线性关系。
由图10与图11可知应变传感器在固定压力下应变与温度呈现一个曲线特性，其关系可用二次方程来表示，应变传感器温度和应变关系一致性好。通过曲线拟合，压力可表示为P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2(其中：P为压力，ε为应变，T为温度)。在(-30～75)℃，(0～20)MPa条件下，满足测量精度要求。可以用于压力容器的压力实时测量和监测。
通过上述验证试验，获得最优的测点位置，本实施例确定的测点位置如图12所示，箭头代表应变感知方向，其中测点位置1、2、3、4处粘贴应变传感器，两个应变传感器为一组，每一组中的两个应变传感器沿管道径向顶头排列，两组应变传感器沿管道轴向排布，测试管路径向的应变量，测点位置5、6处粘贴两个温度传感器。
本实施例具体的压力标定过程及压力测量过程如下：
压力标定过程：
将上述在最优测点位置粘贴有相应传感器的验证试验管道，作为标定管道，确定标定过程的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，根据确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝f1(ε)+f2(T)，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)；并将其写入解调器模块。本实施例具体为：Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n，其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、cn、dn、e2是与K2n相关的常数，n为测点位置序号，如针对第一个测点位置，P1＝a1ε+b1T3+c1T2+d1T+e11+e21，针对第二个测点位置，P2＝a2ε+b2T3+c2T2+d2T+e12+e22。
压力测量过程：
将上述标定管道(粘贴有相应传感器的标定管道)与待测高压压力容器连接，采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；将其转化为相应的数字信号后，判断两个温度传感器输出温度差值是否大于设定值，若是，则需要重新校准温度传感器；否则取两个温度传感器输出值的平均值作为当前温度值；
根据解调器模块内的拟合公式Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n计算当前测点位置处管路中的压力，判断四个测点位置处管路中的压力值是否存在异常值，若是采用异常值剔除法剔除出现的异常值，将剩余值的平均值作为当前压力值；否则，将四组压力值的平均值作为当前压力值。
实施例二
本实施例测量系统及具体的测量试验与实施例一完全相同，与实施例一不同的是验证试验。
本实施例具体的验证试验如下：
本实施例验证试验采用材质二(钛合金，该管道为与高压压力容器连接的待测管道)的管道进行。
选取应变传感器8支、温度传感器2支及其配套的显示和传输系统，具体连接同实施例一中的图6，不同的是该实施例采用两支温度传感器的温度值作为8个测点位置的温度值。如图13所示。
将管道放入高低温试验箱中，管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，应变传感器及温度传感器布置于管道的不同位置，通过调节不同的温度、压力条件，即在每个试验温度下对管路进行加压，监测温度变化，待管路温度稳定后记录应变的大小。在一个温度环境下对0～20MPa所有试验点进行校准，通过测温仪及应变测量仪进行数据采集，分析出应变与温度、压力的对应关系，拟合出压力关于温度、应变的二元多项式。
具体条件如下：
(1)温度测量点：-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃三次、25℃、30℃、40℃。
(2)压力测量点：0MPa、5MPa、10MPa、13MPa、16MPa、18MPa、20MPa。
(3)应变传感器：高精度应变传感器。
(4)粘贴工艺：对管道的粘贴表面进行处理，采用H-600双组份环氧树脂胶粘剂，进行固定粘贴，按照使用要求对其进行烘干固化。
(5)粘贴位置选择：如图13所示，测点位置1至测点位置8处为应变传感器，测点位置9和测点位置10为温度传感器；测点位置4和测点位置8的应变传感器顶头排列，测点位置1和测点位置5的应变传感器顶头排列，测点位置3和测点位置6的应变传感器顶头排列，均用于测试管路径向的应变量。测点位置2和测点位置7的应变传感器顶头排列，用于测试管路轴向的应变量。
(6)温度测量：在测点位置9和测点位置10处各布置一个贴片式温度传感器，用于该测点位置温度的测量，贴片式温度传感器准确度等级为A级。
(7)数据输出设备选择：高精度应变测量仪。
(8)线路连接：电路板焊接方式。
验证试验结论
主要考察相同测点位置条件、压力变化下不同温度的应变变化，以下以测点位置8为例进行分析。
如图14所示，为测点位置8在压力变化下不同温度(-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃三次、25℃、30℃、40℃)的应变变化(平均值结果显示，将不同温度下相同压力的应变值取平均值)。从图中试验数据可以得到在恒定压力下，压力输出值与温度输入值成三次曲线关系。P＝f(T)(当前试验管路数据显示，T取三次函数时，R2趋近于1，其中R2为试验数据与拟合函数之间的吻合程度的相关系数，R2越接近1，吻合程度越高，越接近0，则吻合程度越低。)。
测点位置8分别在-10℃、-5℃、0℃、10℃、20℃-1、20℃-2、20℃-3、25℃、30℃、40℃温度下，应变随压力的变化曲线图如图15-24所示，图中x轴为压力值，单位为MPa，y轴为应变值，单位为με，各温度值下的均值轨迹方程下表所示：
温度点 均值轨迹方程 R平方值
-10℃ y＝6.3611x-552.27 R<sup>2</sup>＝1
-5℃ y＝6.4095x-448.74 R<sup>2</sup>＝1
0℃ y＝6.3521x-355.89 R<sup>2</sup>＝1
10℃ y＝6.4952x-172.6 R<sup>2</sup>＝0.9999
20℃-1 y＝6.5206x-1.2917 R<sup>2</sup>＝1
20℃-2 y＝6.37x+4.1114 R<sup>2</sup>＝1
20℃-3 y＝6.3604x+16.576 R<sup>2</sup>＝1
25℃ y＝6.4493x+87.377 R<sup>2</sup>＝1
30℃ y＝6.4532x+176.25 R<sup>2</sup>＝1
40℃ y＝6.4195x+328.03 R<sup>2</sup>＝1
从图15至24可以看出，在恒定温度下，压力输出值与应变输入值成线性关系。P＝f(ε)(ε取一次函数时，R2趋近于1)。
在以当前试验管路为例，压力关于温度、应变的拟合公式为：P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2，其中，a、b、c、d、e1、e2为常数，P为压力，ε为应变，T为温度。
利用压力标定过程获得每个测点位置处的具体拟合公式Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n，在测量试验中根据具体拟合公式Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n，计算当前测点位置处管路中的压力，最终得到高压压力容器内的当前压力值。
本发明在针对该发明测量方法的可行性和实用性进行验证，期间进行了大量的验证试验，验证试验包括：压力应变、温度应变、恒温压力应变、反复恒温压力应变、反复恒温压力应变试验(油介质)，每一项验证试验都是对该方法应用的一个进一步印证。将每一项前期验证试验的结论总结如下：
1压力应变试验：
试验结果分析：试验数据表明，管路压力变化会引起管路应变变化，该变化明显可测。管路的径向变化相对轴向变化更为明显。但应变变化无规律，初步考虑存在其他影响因素。
2温度应变试验：
试验结果分析：根据压力应变试验结果，初步确定温度也是一个影响应变变化的一个影响量。通过试验数据分析，温度会对管路引起较大的应变变化。
3恒温压力应变试验：
试验结果分析：通过在恒温箱中进行加压应变试验，在温度恒定，存在温度测量的不确定度，加压(氮气)管路温度急剧上升，恒到标准温度附近时进行应变测量，测量结果表明在恒定温度下，压力与应变的关系几乎成线性关系，虽然还存在一定的偏差，但已经表明该测量方法的可行性。
4反复恒温压力应变试验：
试验结果分析：通过长期的试验摸索，反复的在不同温度下进行压力应变试验，存在线性特别好的数据，也存在个别偏离的测量数据，经对大量试验数据进行分析，并对测量采集数据的条件进行记录，得到测量数据偏离的原因是温度测量不准确引入，从而造成个别测量结果存在偏离，且线性度存在一定的偏差。为了保证温度测量的准确性，一个是保证管路温度在测量状态下相对稳定，一个是提高测量温度仪器仪表的精度。确定后期进行油压试验，做进一步验证。
5反复恒温压力应变试验(油介质)试验
试验结果分析：通过长期反复的试验摸索，反复在不同温度下进行压力应变试验，温度测量数据较好的得到保证的情况下，经对大量试验数据进行分析，并对测量采集数据的条件进行记录，得到应变与压力成明显的线性关系，进程、回程数据差别较小，数据输出稳定。进一步验证了利用应变测量压力的可行性。下一步试验应该进一步研究温度对应变输出的影响进而达到准确测量压力的目的。
6反复恒压应变温度试验
试验结果分析：通过长期反复的摸索试验，反复在不同压力下进行温度应变试验，压力测量数据得到保证的情况下，经对大量试验数据进行分析，并对测量采集数据的条件进行记录，得到应变与温度呈有规律的非线性关系，进程、回程数据差别较小，数据输出稳定。
以上试验结论是支撑该方法形成的测量系统的基础，支撑了本发明在标定试验中对与已研究的两个管路的确定的拟合公式P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2，和本发明方法广谱适用的其他测量管路的拟合公式P＝f1(ε)+f2(T)。

Claims (10)

1.一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，包括压力标定过程与压力测量过程：
所述压力标定过程为：
①对标定管道上不同测点位置，分别测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式1，分别得到每个测点位置处f1n(ε)与f2n(T)函数对应的函数系数K1n与K2n值，n为测点位置序号；其中拟合公式1为：
P＝f1(ε)+f2(T)；
其中P为压力，ε为应变，T为温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系；所述拟合公式1通过验证试验获得，所述标定管道为验证试验中获得的具有确定测点位置及在各测点位置处粘接确定的压力和/或温度传感器的管道；
②在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式：
Pn＝f1n(ε)+f2n(T)
其中f1n(ε)为第n个测点位置处，压力与应力的具体函数关系；f2n(T)为第n个测点位置处，压力与温度的具体函数关系；
所述压力测量过程为：
①将上述标定管道与高压压力容器连接，通过应变传感器和温度传感器采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；
②根据对应测点位置处的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)，计算出该测点位置处管路中的压力值；
③根据所有测点位置处管路中的压力值，计算得到高压压力容器内的实时压力。
2.根据权利要求1所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，针对不锈钢与钛合金两种材质的管道，所述拟合公式1为：
P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2
其中a与e1是与K1相关的常数，b、c、d、e2是与K2相关的常数；
压力标定过程步骤②中的各测点位置的具体拟合公式为：
Pn＝anε+bnT3+cnT2+dnT+e1n+e2n
其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、cn、dn、e2是与K2n相关的常数，n为测点位置序号。
3.根据权利要求1或2所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述验证试验过程为：
选取与高压压力容器连接的管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，获得拟合公式1：
P＝f1(ε)+f2(T)；
其中P为压力，ε为应变，T为温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系；并确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力和/或温度传感器。
4.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述验证试验过程具体为：
步骤1a、选取与高压压力容器连接的待测管道作为验证试验管道；
步骤1b、确定验证试验管道上的测点位置、数量及验证条件，其中验证条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、在验证试验管道对应测点位置处粘贴相应的应变传感器和温度传感器；
步骤1d、将验证试验管道放入环境温试验箱中，验证试验管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1e、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对验证试验管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，获得应变与温度、压力的对应拟合公式1：
P＝f1(ε)+f2(T)；
步骤1f、根据试验数据确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力传感器和/或温度传感器。
5.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述压力标定过程中步骤①具体包括以下步骤：
步骤1a、选取验证试验中确定的连接管道作为标定管道；
步骤1b、确定标定管道上的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1d、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝f1(ε)+f2(T)，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T)。
6.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于：验证试验确定至少一个测点位置，在测点位置处均粘贴应变传感器和温度传感器；其中应变传感器用于测试管路径向的应变量。
7.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于：验证试验确定6N个测点位置，分为N个区域；在每个区域中，四个测点位置处粘贴应变传感器，另外两个测点位置处粘贴温度传感器；且两个应变传感器为一组，每一组中的两个应变传感器沿管道径向顶头排列，两组应变传感器沿管道轴向排布，测试管路径向的应变量。
8.根据权利要求7所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于：步骤2b中还包括判断应变传感器和温度传感器输出的步骤：
判断每个区域中，测量系统中两个温度传感器输出温度差值是否大于设定值，若是，则需要重新校准温度传感器；否则取两个温度传感器输出值的平均值作为当前温度值；
判断每个区域中，测量系统中四个测点位置处管路中的压力值是否存在异常值，若是采用异常值剔除法剔除出现的异常值，将剩余值的平均值作为当前压力值；否则，将四组压力值的平均值作为当前压力值。
9.一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特征在于：包括测量系统与校准控制系统，测量系统包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统包括校准仪与控制系统；
传感器模块包括至少一个贴在管路外侧面的应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量；
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接。
10.根据权利要求9所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特征在于：解调器模块包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块、CPU、网络通信模块、隔离电路和电源模块；
应变测量前端调理电路用于将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路用于将温度传感器温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变信号和温度信号的模数转换，CPU通过读取AD模块输出的温度信号，通过查表得到温度值，再通过读取AD模块输出的应变信号，通过写入其内的拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
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