CN114414136A - 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动态压力测量方法及系统，该测量方法及系统采用与感压介质相隔离的非接触测量方式，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)，同时加入动态压力修正，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动态变化的实时测量，实现非接触式动态压力测量的目的。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。
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。
中国专利2020105845917公开一种基于应变、温度传感器测量的非接触压力测量方法，该方法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。
但是上述方法基于的测量系统只能实现静态压力测量，针对动态压力测量误差较大。
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，以克服现有检测系统针对动态压力测量误差较大的问题。
在泄压过程中，泄压压力回路内温度会快速下降，利用管壁上的温度传感器测量压力回路的温度时，由于表面温度的测量在内外壁面有较大温差(温度梯度)，导致利用直接测量的温度数据取修正压力数据是存在误差。本发明通过大量试验，摸索出泄压过程中，温度参数引入的温度修正来减小该因素引入的误差。
本发明的技术方案是提供一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特殊之处在于，包括验证试验过程、压力标定过程与压力测量过程：
验证试验过程包括：
静态验证试验，通过静态验证试验获得应变与测量温度T测、压力的对应拟合公式：
P＝f1(ε)+f2(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)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；
压力标定过程包括：
1)静态压力标定：
通过静态压力标定过程获得标定管道各个测点位置的具体静态压力标定方程：
Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)
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测)为第n个测点位置处，压力与温度的具体函数关系；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)动态压力标定：
通过动态压力标定试验获得以下两个解析数据：
a、获得压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系，即不同泄压速率下对应的应变和温度的变化情况；
b、得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力P标在时间域内的偏差曲线，其中实际动态标准压力P标通过测点位置处的动态压力传感器测得；将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)；
3)存储压力标定方程：
在测量系统的地面解析模块中，存储各测点位置的具体静态压力标定方程：Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)；并存储动态压力标定过程获得的解析数据；
压力测量过程包括：
1)将静态压力标定过程中的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，并存储至测量系统的采集存储器模块中；
2)采集完成后，将测量系统的采集存储器模块中的数据写入测量系统的地面解析模块中；
3)根据对应测点位置处的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)，计算出该测点位置处管路中压力动态变化开始前的静态压力值；
4)以上述静态压力值为基线压力，通过分析压力动态变化过程中，设定时间域内，应变值与温度值的变化情况，基于动态压力标定试验的解析数据a，计算该时间段内的泄压速率；
5)根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝f1n(ε)+f2n(T实际)，解算出当前时间域的压力值；
6)重复步骤4)与步骤5)的操作，获得整个动态变化过程所有时间域内的压力值，即可获得整个动态变化过程的动态压力测量曲线。
进一步地，静态压力标定过程具体为：
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P＝f1(ε)+f2(T测)，分别得到每个测点位置处具体静态压力标定方程：Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)为压力与温度的函数关系。
进一步地，动态压力标定试验具体包括以下步骤：
①在静态验证试验所用管道每个的测点位置处，均布置一个动态压力测量传感器，每隔设定时间进行一次模拟泄压试验，利用动态压力测量传感器测量相应测点位置处管道的压力值，该压力值即为实际动态标准压力P标；
②以压力动态变化开始前的应变值与温度值为基础，采集模拟泄压试验过程中，各测点位置处应变传感器与温度传感器所测得应变值与温度值的变化量；建立压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系；
③基于P＝f1(ε)+f2(T测)，获取多次模拟泄压试验下计算的压力值；
④绘制多次模拟泄压试验下，步骤③的压力值与动态压力测量传感器测得的实际动态标准压力P标曲线，得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力在时间域内的偏差曲线，将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)。
进一步地，针对不锈钢与钛合金两种材质的管道，所述应变与测量温度T测、压力的对应拟合公式为：
P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+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；
各测点位置的具体静态压力标定方程为：
Pn＝anε+bnT测 3+cnT测 2+dnT测+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；
压力测量过程，步骤5)具体为：
根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝anε+bn T实际 3+cn T实际 2+dn T实际+e1n+e2n，解算出当前时间域的压力值。
进一步地，所述静态验证试验过程为：
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：
P＝f1(ε)+f2(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)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，所述静态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；
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，所述静态压力标定过程具体包括以下步骤：
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测)，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测)。
进一步地，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。
进一步地，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。
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：包括传感器模块、采集存储器模块与地面解析模块；
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，修正压力动态变化开始前应变传感器受温度影响引入的偏移量；
采集存储器模块用于采集并存储传感器模块测量数据；
地面解析模块用于存储各个测点位置的具体静态压力标定方程与动态压力标定过程获得的解析数据；并根据采集存储器模块采集的传感器模块测量数据基于静态压力标定方程与动态压力标定过程获得的解析数据解析出当前管路中的压力。
进一步地，采集存储器模块包括供电单元、信号采集单元与数据存储单元；
供电单元用于给信号采集单元及数据存储单元供电；
信号采集单元包括多组采集模块，每组采集模块用于按照一定的采样速率进行对应传感器的数据采集；
数据存储单元用于将信号采集单元采集数据进行存储。
进一步地，每组采集模块包括1/4桥电路、放大电路、跟随电路及AD转换器；传感器模拟信号经过1/4桥电路、放大电路及AD转换器，最终将模拟信号转换为电压数字量输出到系统控制单元进行处理；AD转换器输出的2.5V参考电压经过跟随电路的有效隔离和降低前端噪声后，作为1/4桥电路的电压基准源。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过静态压力标定试验获得标定管道各个测点位置的具体静态压力标定方程静态标定公式，基于动态压力标定试验获得两类解析数据，并将静态标定公式及两类解析数据存储在测量系统的地面解析模块中。在实际测量过程中将测得数据存储在存储卡里，解析前通过静态压力测量的方法进行动态变化前的第一个基线压力解析，在这个基线压力的基础上，基于解析数据，通过应变、温度采集值可以得到实时的泄压速率，进而获得实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝f1n(ε)+f2n(T实际)，解算出当前时间域的压力值；依次按照此方法对测得值进行连续解析就可以得到准确的动态压力测量结果。主要用于航空航天领域产品飞行试验过程中的压力动态测量，解决产品动态过程中驱动气瓶压力的动态测量，为产品的优化提供数据支撑。
2、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测)，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测)，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。
3、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。
4、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为本发明实施例的采集存储器模块框图；
图3为本发明实施例的采集存储器模块原理框图；
图4为本发明实施例的信号采集单元其中采集模块的原理框图；
图5为本发明实施例的四分之一桥电路电路图；
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为本发明实施例一中非接触式传感器测得值与接触式传感器测得值的偏差曲线；
图14为本发明实施例一中特定泄压速率下，非接触式传感器测得值与接触式传感器测得值的偏差曲线，以及泄压过程曲线；其中a为特定泄压速率下，非接触式传感器测得值与接触式传感器测得值的偏差曲线；b为泄压过程曲线；
图15为本发明实施例一中另一泄压速率下，非接触式传感器测得值与接触式传感器测得值的偏差曲线，以及泄压过程曲线；其中a为特定泄压速率下，非接触式传感器测得值与接触式传感器测得值的偏差曲线；b为泄压过程曲线；
图16为本发明实施例二验证试验的应变传感器粘贴方式；
图17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18至图27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
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
本实施例测量系统如图1所示，主要包括传感器模块、采集存储器模块及地面解析模块。适用于压力气瓶及管路内压力的动态监测，为动态设备设施中压力的动态变化数据分析提供数据支撑。按照传感器模块和采集存储器模块配置在设备实施中的模式进行设计，可实现多个传感器模块和采集存储器模块配置一个地面解析模块的配置模式。
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，修正动态压力开始前应变传感器受温度影响引入的偏移量。本实施例可包括四个应变传感器和四个温度传感器，四组应变传感器对应温度输入值，可测得4组应变值，为了保证压力输出的准确，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4组值的平均值输出，如有异常值，按照剩余的压力值的平均值进行输出。)
多个传感器模块的测量性能在出厂时通过采集存储器模块已经写入对应的地面解析模块中，静态压力标定方程及动态解析数据也一并写入地面解析模块。
静态压力标定方程可通过下述过程获得：
首先，通过静态验证试验获得应变与测量温度T测、压力的对应拟合公式：
P＝f1(ε)+f2(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)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；
之后进行静态压力标定：
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P＝f1(ε)+f2(T测)，分别得到每个测点位置处具体静态压力标定方程：Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)；其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)为压力与温度的函数关系。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。
动态解析数据为两类，分别为：
a、获得压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系，即不同泄压速率下对应的应变和温度的变化情况；
b、得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力P标在时间域内的偏差曲线，其中实际动态标准压力P标通过测点位置处的动态压力传感器测得；将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)；
具体通过下述过程获得：
①在静态验证试验所用管道每个的测点位置处，均布置一个动态压力测量传感器，每隔设定时间进行一次模拟泄压试验，利用动态压力测量传感器测量相应测点位置处管道的压力值，该压力值即为实际动态标准压力P标；
②以压力动态变化开始前的应变值与温度值为基础，采集模拟泄压试验过程中，各测点位置处应变传感器与温度传感器所测得应变值与温度值的变化量；建立压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系；
③基于P＝f1(ε)+f2(T测)，获取多次模拟泄压试验下计算的压力值；
④绘制多次模拟泄压试验下，步骤③的压力值与动态压力测量传感器测得的实际动态标准压力P标曲线，得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力在时间域内的偏差曲线，将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)。
在需要测量某设置的压力测量点时，将该测量点的温度和应变测量值直接存储在采集存储器模块的数据存储卡中，采集存储器模块的采样速率与地面解析模块的设置一致，常规设置为10Hz。在动态压力测量完成后，取出采样存储器模块中的数据存储卡，在地面解析模块中进行解析可以分析出动态压力变化曲线。
采集存储器模块设计框图如图2所示。主要由供电单元、信号采集单元、数据存储单元组成。其工作原理如图3所示，供电单元用于给信号采集单元、数据存储单元供电，经信号采集单元按照一定的采样速率(通常10Hz)采集的数据在数据存储单元进行存储。供电单元可以通过电池和外部供电两种形式实现。信号采集单元包括多组采集模块，每组采集模块用于按照一定的采样速率进行对应传感器的数据采集；如图4所示，每组采集模块主要由1/4桥电路、放大电路、跟随电路、AD转换器组成。传感器模拟信号分别经过1/4桥电路、放大电路、AD转换器，最终将采集转换后的电压数字量输出到系统控制单元进行处理。同时，为了保证采样数据的稳定性，AD转换器输出的2.5V参考电压经过跟随电路的有效隔离和降低前端噪声后，作为1/4桥电路的电压基准源，如图5所示。本实施例信号采集单元共有5个独立的采集模块，分别对应4路压力传感器和1路温度传感器。
地面解析模块主要用于对采集存储器模块中数据存储卡中的动态过程的数据进行解析，得到动态压力过程的动态压力曲线图和单测点在指定时间的压力值。
具体解析过程如下：
1)根据对应测点位置处的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)，计算出该测点位置处管路中压力动态变化开始前的静态压力值；
2)以上述静态压力值为基线压力，通过分析压力动态变化过程中，设定时间域内，应变值与温度值的变化情况，基于动态压力标定试验的解析数据a，计算该时间段内的泄压速率；
3)根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝f1n(ε)+f2n(T实际)，解算出当前时间域的压力值；
4)重复步骤1)与步骤3)的操作，获得整个动态变化过程所有时间域内的压力值，即可获得整个动态变化过程的动态压力测量曲线。
本实施例具体的验证试验过程如下：
静态验证试验：
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 BDA0003448900160000111
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测)，本实施例为：P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+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。
(9)测量电路：四分之一桥。
静态验证试验验证结论
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+bT测 3+cT测 2+dT测+e1+e2(其中：P为压力，ε为应变，T测为测量温度)。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：
静态压力标定过程：
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测)，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测)；并将其写入解调器模块。本实施例具体为：Pn＝anε+bn T测 3+cnT测 2+dnT测+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+b1T测 3+c1T测 2+d1T测+e11+e21，针对第二个测点位置，P2＝a2ε+b2T测 3+c2T测 2+d2T测+e12+e22。动态压力标定过程：
首先，在初始阶段，即还未进行泄压时，根据测点位置处的应变和温度值，利用P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2解算初始时的压力值；
其次，在静态验证试验管道各个测点位置处设置动态压力测量传感器，进行每隔五分钟进行一次模拟泄压的试验，每一次的泄压速率均不相同；试验过程中，泄压压力回路内温度会快速下降，测量温度时由于表面温度的测量在内外壁面有较大温差(温度梯度)的情况下无法准确测量，如果利用P＝aε+bT3+cT2+dT+e1+e2解算压力值，则会带入因温度下降而带来的误差；本实施例利用动态压力测量传感器测量相应测点位置处管道的压力值，该压力值即为实际动态标准压力P标；以压力动态变化开始前的应变值与温度值为基础，采集模拟泄压试验过程中，各测点位置处应变传感器与温度传感器所测得应变值与温度值的变化量；建立压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系；基于P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+e1+e2，获取多次模拟泄压试验下计算的压力值；绘制多次模拟泄压试验下，步骤③的压力值与动态压力测量传感器测得的实际动态标准压力P标曲线，如图13所示。其中，接触式传感器测得值即为直接在管路上利用压力传感器测得的压力数据，为实际动态标准压力P标。非接触式传感器测得值即为利用P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+e1+e2解算后获得的压力值。从图中可以看出，二者具有一定的偏差，本发明将二者的偏差认为是由于泄压压力回路内温度测量偏差引起的。本实施例对不同泄压速率下二者的误差进行分析，同时对泄压过程进行误差分析，如图14与图15，推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)。
动态标定试验验证结论
1.该方法在动态压力测量过程中存在可行性；
2.在气瓶放气过程中存在较大的温降，且温度降低是由气瓶内壁到外壁的一个传导过程，造成一个温度或温度梯度引入的误差，可以通过后续大量试验摸索放气过程中的温度参数引入的温度修正来减小该因素引入的误差。
3.停止放气后，气瓶内温度上升导致气体膨胀，压力在停止放弃后还有一个升高，为客观现象。
压力测量过程：
1)将静态压力标定过程中的标定管道(不包括动态压力测量传感器)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，并存储至测量系统的采集存储器模块中；
2)采集完成后，将测量系统的采集存储器模块中的数据写入测量系统的地面解析模块中；
3)根据对应测点位置处的拟合公式P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+e1+e2，计算出该测点位置处管路中压力动态变化开始前的静态压力值；
4)以上述静态压力值为基线压力，通过分析压力动态变化过程中，设定时间域内，应变值与温度值的变化情况，基于动态压力标定试验的解析数据a，计算该时间段内的泄压速率；
5)根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，P＝aε+bT实际 3+cT实际 2+dT实际+e1+e2，解算出当前时间域的压力值；
6)重复步骤3)与步骤5)的操作，获得整个动态变化过程所有时间域内的压力值，即可获得整个动态变化过程的动态压力测量曲线。
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静态验证试验。
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16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16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17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18-27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：
Figure BDA0003448900160000161
Figure BDA0003448900160000171
从图18至27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+bT测 3+cT测 2+dT测+e1+e2，其中，a、b、c、d、e1、e2为常数，P为压力，ε为应变，T测为测量温度。
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+bnT测 3+cnT测 2+dnT测+e1n+e2n，在测量试验中根据具体拟合公式Pn＝anε+bnT测 3+cnT测 2+dnT测+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 (12)

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，包括验证试验过程、压力标定过程与压力测量过程：
验证试验过程包括：
静态验证试验，通过静态验证试验获得应变与测量温度T测、压力的对应拟合公式：
P＝f1(ε)+f2(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)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；
压力标定过程包括：
1)静态压力标定：
通过静态压力标定过程获得标定管道各个测点位置的具体静态压力标定方程：
Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)
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测)为第n个测点位置处，压力与温度的具体函数关系；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)动态压力标定：
通过动态压力标定试验获得以下两个解析数据：
a、获得压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系；
b、得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力P标在时间域内的偏差曲线，其中实际动态标准压力P标通过测点位置处的动态压力传感器测得；将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)；
3)存储静态压力标定方程及动态压力标定过程获得的解析数据：
在测量系统的地面解析模块中，存储各测点位置的具体静态压力标定方程：Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)；并存储动态压力标定过程获得的解析数据；
压力测量过程包括：
1)将静态压力标定过程中的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，并存储至测量系统的采集存储器模块中；
2)采集完成后，将测量系统的采集存储器模块中的数据写入测量系统的地面解析模块中；
3)根据对应测点位置处的拟合公式Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)，计算出该测点位置处管路中压力动态变化开始前的静态压力值；
4)以上述静态压力值为基线压力，通过分析压力动态变化过程中，设定时间域内，应变值与温度值的变化情况，基于动态压力标定试验的解析数据a，计算该时间段内的泄压速率；
5)根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝f1n(ε)+f2n(T实际)，解算出当前时间域的压力值；
6)重复步骤3)与步骤5)的操作，获得整个动态变化过程所有时间域内的压力值，即可获得整个动态变化过程的动态压力测量曲线。
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，静态压力标定过程具体为：
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P＝f1(ε)+f2(T测)，分别得到每个测点位置处具体静态压力标定方程：Pn＝f1n(ε)+f2n(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)为压力与温度的函数关系。
3.根据权利要求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，动态压力标定试验具体包括以下步骤：
①在静态验证试验所用管道每个的测点位置处，均布置一个动态压力测量传感器，每隔设定时间进行一次模拟泄压试验，利用动态压力测量传感器测量相应测点位置处管道的压力值，该压力值即为实际动态标准压力P标；
②以压力动态变化开始前的应变值与温度值为基础，采集模拟泄压试验过程中，各测点位置处应变传感器与温度传感器所测得应变值与温度值的变化量；建立压力动态变化过程中应变值和温度值变化量与对应泄压速率的关系；
③基于P＝f1(ε)+f2(T测)，获取多次模拟泄压试验下计算的压力值；
④绘制多次模拟泄压试验下，步骤③的压力值与动态压力测量传感器测得的实际动态标准压力P标曲线，得到直接调用静态压力标定方程计算的压力值与实际动态标准压力在时间域内的偏差曲线，将二者的偏差作为当前泄压速率下温度测量偏差对压力的影响，根据所述偏差曲线推导出某一范围泄压速率下实际温度T实际在间域内针对实测温度T测的修正公式f3(T测)。
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，针对不锈钢与钛合金两种材质的管道，所述应变与测量温度T测、压力的对应拟合公式为：
P＝aε+bT测 3+cT测 2+dT测+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；
各测点位置的具体静态压力标定方程为：
Pn＝anε+bnT测 3+cnT测 2+dnT测+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；
压力测量过程，步骤5)具体为：
根据泄压速率，基于动态压力标定试验的解析数据b，解算出实际温度T实际，将实际温度T实际代入静态压力标定方程，Pn＝anε+bn T实际 3+cn T实际 2+dn T实际+e1n+e2n，解算出当前时间域的压力值。
5.根据权利要求4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，所述静态验证试验过程为：
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：
P＝f1(ε)+f2(T测)；
其中P为压力，ε为应变，T测为实际测量温度，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T测)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。
6.根据权利要求5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，所述静态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；
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。
7.根据权利要求6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，所述静态压力标定过程具体包括以下步骤：
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测)，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测)。
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：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。
9.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：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。
10.一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特征在于：包括传感器模块、采集存储器模块与地面解析模块；
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，修正压力动态变化开始前应变传感器受温度影响引入的偏移量；
采集存储器模块用于采集并存储传感器模块测量数据；
地面解析模块用于存储各个测点位置的具体静态压力标定方程与动态压力标定过程获得的解析数据；并根据采集存储器模块采集的传感器模块测量数据基于静态压力标定方程与动态压力标定过程获得的解析数据解析出当前管路中的压力。
11.根据权利要求10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：采集存储器模块包括供电单元、信号采集单元与数据存储单元；
供电单元用于给信号采集单元及数据存储单元供电；
信号采集单元包括多组采集模块，每组采集模块用于按照一定的采样速率进行对应传感器的数据采集；
数据存储单元用于将信号采集单元采集数据进行存储。
12.根据权利要求11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：每组采集模块包括1/4桥电路、放大电路、跟随电路及AD转换器；传感器模拟信号经过1/4桥电路、放大电路及AD转换器，最终将模拟信号转换为电压数字量输出到系统控制单元进行处理；AD转换器输出的2.5V参考电压经过跟随电路的有效隔离和降低前端噪声后，作为1/4桥电路的电压基准源。
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