CN116698267A - 一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，通过非介入压力测量装置实现对管道流体压力的测量，所述非介入压力测量装置包括TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器、超声压力计、标准压力发生器，通过标准压力发生器调控管道内部液体的压力值，通过超声压力计、TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器检测超声纵波在液体中的传播时间，建立超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值的检测模型，建立管道液体压力参数与管道液体压力的计算模型；通过检测模型检测管道液体压力参数，通过计算模型计算管道液体压力差参数和超声波在管壁中的传输时间引起的测量误差。

Description

一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法

技术领域

本发明属于管道流体压力检测的技术领域，涉及一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法。

背景技术

充液管道系统以传递质量流、动量流或能量流在电力、石化等各类工业装置，以及航空领域中得到广泛应用。其中，压力管道是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备。压力是液压系统的基本参数之一，压力值的测量是液压系统状态监测和故障诊断的基础，压力值的测量是液压系统状态监测和故障诊断的基本要求。测压时，当所有流体管通路全部安装好后才可以进行流体管压力测试。通常在测压前要封堵所有的堵头，关闭所有阀门，打开进液总管的阀门，因此进行液体压力试验需要花费较长的时间，影响工程进度。

为了确保压力系统能够安全、可靠的运行，需要针对管道内的流体压力进行检测。在管道内液体的压力检测中。常规的专用压力测量设备是通过在密闭的压力管道上安装压力监控仪器仪表，利用压力仪表的感应压力元件直接进行介入式测量，获得管道中的静态压力值。但是常规的专用压力测量使被测仪器仪表液体介质存在受到交叉污染的隐患，同时管道在生产现场的安装、环境等条件与实验室存在一定差异，即实验室内开展的校准无法完全复现被测量管道的现场使用状态，而且经常拆卸会影响管道的密封性和安全性。且传统的压力测量方法通过连接在管道表面预留测压接口处的压力表进行管道内压力的测量。由于受管道结构的限制，传统的测压技术存在以下几个方面的缺陷：

一是需在被测管道上预留出测压口，增加了加工和焊接的工序，提高了成本。二是对于压力表需要在进行测压时采用螺塞封堵测压接口，测压接口的设置不仅增加了装配工序和零件数量，而且增加了可能出现泄漏的隐患。同时测压接口处的管路强度低。测压接口形成于管道侧壁，会导致测压口处应力集中，而使得测压接口成为强度危险点。对于压力表不需要固定安装在测压接口处的情况，频繁进行压力表或者螺塞与测压接口的切换配合，操作较为复杂，灵活性差。并且，无法对没有预留压力口的位置进行测压。三是对于内部流动压力流体的管道而言，反复的拆装螺塞和压力表，对螺塞、压力表和管道的螺纹都会有磨损影响密封，更加增大了泄漏的可能。

超声测量技术具有快速、无损、定量等一系列优点，因此逐步应用于解决管道压力测量方面的需求。超声的传播速度和液体压力有关，且由于超声波最终都是转换为电信号进行测量，测量时间精度是纳秒级，电信号的延时也会引起测量误差。当前的压力校准通常都在实验室内进行，而实验室校准不能完全复现被测对象的现场使用状态，存在一定的修正误差，因此需要通过现场或在线校准解决这些校准难题。由于超声速度与液体压力、液体温度之间均存在线性相关性，而现场的环境温度一般都会偏离。对需要测量的介质分别进行数据校准，每一种介质对应一组校准数据。如燃油和红油介质需要分别校准，保存两组校准数据，在测量时需人工选择测量介质。由于管道的声弹性效应非常弱且易受干扰，压力所引起超声渡越时间的变化量非常小，并且超声换能器的性质、安装状况、超声发射和接收电路以及耦合等都会对渡越时间有较大影响，而压力的准确测量依赖于渡越时间的高精度测量，因此导致传统的超声测量技术无法高精度的测量管道的压力。

目前基于超声测量技术的管路液体压力仪表非介入式测量方法主要基于超声波在液体中的声速与压力值呈比例的原理实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，能够保证信号稳定、测量效率高、测量更准确、能够响应高速瞬变压力的非介入式检测管道流体压力。

本发明通过下述技术方案实现：

一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，通过非介入压力测量装置实现对管道流体压力的测量，所述非介入压力测量装置包括沿管道直径方向设置在管道外壁上的TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器、与TOFD发射超声换能器以及TOFD接收超声换能器连接的超声压力计、设置在管道横断面水平中心轴线上的标准压力发生器，通过标准压力发生器调控管道内部液体的压力值，通过超声压力计、TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器检测超声纵波在液体中的传播时间，建立超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值的检测模型，建立管道液体压力参数与管道液体压力的计算模型；通过检测模型检测管道液体压力参数，通过计算模型计算管道液体压力差参数和超声波在管壁中的传输时间引起的测量误差。

检测模型是指根据超声纵波在液体中的传播时间与标准压力发生器调控出的内部液体压力值拟合的函数关系式，以时间为自变量，以压力值为因变量。计算模型是指根据检测模型得到的压力值与基准压力值之间的差值，即管道液体压力参数和压力引起超声传播时间变化量之间的函数关系式。

为了更好地实现本发明，进一步的，通过检测模型检测管道液体压力参数之前，将TOFD接收超声换能器、TOFD发射超声换能器、标准压力发生器、管道置于恒温环境中，并将标准压力发生器定位在管道横断面水平中心轴线上，通过标准压力发生器调控管道内液体压力；并通过超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值获取声时差数据，进而构建超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值的检测模型。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述标准压力发生器按照等差数列公式调控管道内液体压力，所述等差数列公式为：

a_n＝a₁+(n-1)×d(1)，

其中：a1＝0Mpa，an为标准压力发生器第n次调控管道内液体压力值；d＝0.5Mpa；n为调控次数，且n＝1，2…N。

为了更好地实现本发明，进一步的，在管道液体密度与温度不变的情况下，建立管道内压力与超声波在液体中的声速的非线性拟合函数：

其中：c为超声纵波在液体中的声速；c₁为管道内液体压力值为0时对应的声速；c_n为管道内压力为a_n时对应的超声波在液体中的声速；p为管道内压力；K为比例系数；A_n为拟合系数。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述超声波在液体中的传播速度的计算公式为：

其中：c为超声纵波在液体中的声速；a为超声纵波在液体中传播的单程距离；t₁为TOFD发射超声换能器发射脉冲与TOFD发射超声换能器接收回波之间的时间间隔；t₂为TOFD接收超声换能器发射脉冲与TOFD接收超声换能器接收回波之间的时间间隔。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述检测模型为：

其中：p为管道内压力；K为比例系数；c为超声纵波在液体中的声速；c₀为常温一个大气压下超声纵波在液体中的声速；T为常温一个大气压下超声纵波在液体中的传播时间；Δt为超声纵波在液体中的传播时间。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器为高阻尼纵波探头。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述管道的外侧包覆有低阻抗保护膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明把压力作为被检对象，将一对TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器布置在管道的外表面，TOFD发射超声换能器和TOFD接收超声换能器都以与管的外部曲率半径相匹配的角度定位连接超声波TOFD探头，并由曲面TOFD楔块管座径向地隔开固定，超声压力计分别与TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器连接，同时将标准压力发生器连接在管道的横断面水平中心线，构成非介入式检测管道液体压力测量系统结构简单，成本低，操作方便；

(2)本发明采用具有阻尼高、分辨率高、频带窄、接收灵敏度高的特点的TOFD超声换能器，同时配有和管道外径相同的曲面TOFD楔块，提高超声的透射率并方便安装；TOFD探头采用高阻尼的纵波探头与专门产生折射纵波的TOFD楔块配合使用的这种组合式的检测方法，除了完全克服了管壁的影响之外，同时还有效地消除了系统误差；在频率从2MHz-15MHz应用中提供了高的分辨率高阻尼的宽带性能和具有更高的分辨率的高频率；同时根据液压作用下金属管道径向产生弹性变形的特性，通过检测管道外径微小变形量即可求出管道内部液体压力，利用脉冲回波-穿透组合式超声波非插入式液压检测，可以通过在管外准确地测定管内油液声速来计算被测压力，消除管壁影响及有效地消除了延时系统误差，提高了测量的准确度和可靠性，从而为准确地确定声速及压力提供了保证；

(3)本发明通过设置超声压力计和一对TOFD超声换能器对超声纵波在管道液体中的传输时间进行测量，建立超声纵波在管道液体中的传输时间与管道内压力值的检测模型，信号稳定，测量效率高，通过本方法消除了TOFD超声换能器安装、耦合和电路延时等因素引起的测量误差，实现了对声时差的精确测量，高频率具有更高的分辨率保证了测量的管道液体压力值具有更高的精度；直接测量超声纵波在管道液体中的传播时间，而不是在管壁内传输的时间变化，用于液压系统的故障诊断，大大缩短了故障定位时间，避免了常规靠更换液压元件方法来查找故障所带来的时间延误和烦琐的操作，有效地降低了经济损失，解决了电路延时、超声发射起振时间不一致、换能器安装、超声耦合、管壁传输时间等引起的测量误差，有效提高了管道液体压力测量的分辨率和准确度；不但完全克服管道壁厚影响，而且有效地消除固有声电延时误差，达到了较高的测量精度；

(4)本发明超声压力计以微处理器为核心控制超声纵波的发射，通过高速ADC数据采集卡采集超声纵波在管道液体中传输时间，并和一对TOFD超声换能器对超声纵波在管道液体中的传输时间实时进行测量，利用超声波纵波在管道内部发生多次透射和反射，通过将测量的反射波在管壁与液体的总反射传播时间和管壁内的反射传播时间相减，计算出超声纵波在管道液体中的传输时间和计算声速时能够响应高速瞬变压力，有效地消除了延时系统误差，解决现有技术管道内进行压力取样以及内管内部流体压力引出不便的问题。

附图说明

图1为非介入压力测量装置的正面剖视图；

图2为非介入压力测量装置的正视图左视图；

图3为超声纵波在管道中的传播示意图；

图4为压力清零的流程图；

图5为压力标定的流程图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，如图1-图5所示，将TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器布置在管道的外表面，TOFD发射超声换能器和TOFD接收超声换能器都以与管道的外部曲率半径相匹配的角度定位连接，并由曲面TOFD楔块管座径向地隔开固定。超声压力计分别与TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器连接，构成分别测量反射波在上下管壁内的反射传播时间和流体在管壁内的总反射传播时间的装置，标定时将标准压力发生器连接在管道的横断面水平中心轴线，构成非介入式检测管道液体压力测量系统。在主控机中，基于超声波的弹性波波速与介质密度、应力相关参数，采用的管路液体超声测压基本原理，建立基于超声波检测管道液体压力参数及管道流体压力值的计算模型和超声纵波在管道液体中传输时间与管道内压力值的检测模型，在标定阶段，将TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器、标准压力发生器和管道放置于恒温环境中，标准压力发生器通过测试接口连接在管道的横断面中心轴线，通过控制标准压力发生器调控管道中液体的压力值；超声压力计以微处理器为核心控制超声纵波的发射，通过高速模数ADC数据采集卡采集超声纵波在管道液体中传输时间，并和TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器对超声纵波在管道液体中的传输时间、测量管道流体压力进行实时测量，将获得的被测管道的超声临界折射纵波传播的时间差数据发送给主控机，并将超声压力计得到的超声纵波在管道流体中的传输时间与管道内压力值写入检测模型；计算模型根据超声纵波在待测管道液体中的传输时间，计算待测管道内的压力值，依据流场压力变化引起流体声速变化计算充液管道流体压力参数和管壁传输时间引起的测量误差，同时利用脉冲回波-穿透组合式超声波非插入式液压检测和管外测定管内油液声速来计算被测压力梯度量，与速度梯度、温度梯度有关的物理参数；检测模型选择超声作为检测源，利用检测介质与被检对象作用产生的多种信号，检测流场介质的参数随被检物体状态变化量，测量超声在流体中声速达到的测量压力，得到管道内流体压力测量系数，通过检测信号检测目标流体的压力参数。

横断截面中心线采用高阻尼纵波探头，高阻尼纵波探头与产生折射纵波的曲面TOFD楔块配合使用，用螺母把保护膜固定于管体外壳上，保护膜探头直接接触低阻抗材料如橡胶、塑料等，以改善声阻抗匹配。

将TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器通过曲面TOFD楔块分别固定于直径为60mm管道的上表面和下表面，并且可以在管道径向方向上对齐TOFD超声换能器的探头：TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器提供了高的分辨率，频率为2MHz-15MHz。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上进行改进，如图5所示，在标定阶段，将TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器、标准压力发生器和管道放置于恒温环境中，标准压力发生器通过测试接口连接在管道的横断断面中心轴线，通过控制标准压力发生器调控管道中液体的压力值，并将超声纵波在管道液体中的传输时间与压力值一同记录，从中获得声时差的数据，构建超声纵波在管道液体中的传输时间与管道内压力值的检测模型：

其中，p为管道内压力；K为比例系数；c为超声纵波在液体中的声速；c₀为常温一个大气压下超声纵波在液体中的声速；T为常温一个大气压下超声纵波在液体中的传播时间；Δt为超声纵波在液体中的传播时间。

在测量阶段，超声压力计、TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器对超声纵波在管道液体中的传输时间进行测量，将超声纵波在管道液体中的传输时间带入检测模型，计算管道液体的压力值和超声纵波在管道液体中的传输时间为超声纵波在管壁与液体的总反射传播时间和管壁内的反射传播时间之差。

超声波纵波在管道内部发生多次透射和反射，计算模型通过将测量的反射波在管壁与液体的总反射传播时间和管壁内的反射传播时间相减，建立的检测模型和超声纵波在待测在管道液体中的传输时间，计算超声纵波在管道液体中的传输时间和待测管道内的压力值。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例1或2的基础上进行改进，在同一管道、液体介质、温度下，超声压力计记录不同压力下超声纵波在管道液体中传输时间的各个时间节点，并将压力值和温度值保存；TOFD发射超声换能器垂直管壁发出入射波A1，根据超声纵波在管道中的传播路径，在经过管道和液体交界处产生透射波A2和反射波A'，透射波A2在液体和管壁交界处产生透射波A3和反射波B1；TOFD发射超声换能器垂直发射纵波，经耦合后进入上管壁，穿透上管壁后折射到油液中继续传播，达到上管壁的内壁时，一部分折射进入上管壁并穿透上管壁，另外一部分从下管壁的内侧反射，在油液中传播到达下管壁的内壁，被TOFD接收超声换能器所接收，根据液压作用下金属管道径向产生弹性变形的特性，通过检测管道外径微小变形量即可求出管道内部液体压力。

超声波透射波A3通过管壁传输到达TOFD接收超声换能器，此时的时间记录为t₀，在管壁与外界空气的交界处产生反射波B2，反射波B2在管壁与液体的交界处产生反射波B3，反射波B3透过管壁传输到换能器的时间记录为t₁；反射波B1经过液体与管壁产生反射波B5，反射波B5通过液体介质传到管壁与液体交界处产生透射波B6，透射波B6通过管壁传到TOFD接收超声换能器的时间记录为t₂；反射波B2、B3的传输时间为t₁-t₀，反射波B1、B5的传输时间为t₂-t₀，则超声纵波在管道液体中的传输时间为Δt＝(t₂-t₀)-(t₁-t₀)/2。TOFD发射超声换能器的发射探头发出超声波，TOFD接收超声换能器的接收探头收到信号后将其整形处理，重新触发发射电路发出超声波，这样循环往复，当达到设定的循环次数n时停止发射，超声波在液体中单次传播的时间为总测量时间T除以n，扩大测量时间，从而提高了测量精度；根据流体在声程幅度扫描模式，声源b和受声点a之间的声程差(b-a)在壁厚中传播的声时t，t＝t₁-t₂，得到：t₁＝2t+2ts，t₂＝t+2t，从而得到我们要求的超声波在油液中的传播速度c＝2a/(t₁-t₂)。

式中，c为超声纵波在液体中的声速；a为超声纵波在液体中传播的单程距离；t₁为TOFD发射超声换能器发射脉冲与TOFD发射超声换能器接收回波之间的时间间隔；t₂为TOFD接收超声换能器发射脉冲与TOFD接收超声换能器接收回波之间的时间间隔，ts为在声程为(b-a)的壁厚中传播的声时。也就是说声程差越大，声波波长λ越小，频率越高，则声屏障的绕射损失越大，声屏障的效果越好。

在标定时，将标准压力发生器与待测管道连接，由标准压力发生器精确调控管道中液体压力值；在20℃下，标准压力发生器按等差数列通项公式a_n＝a₁+(n-1)×d，记录管道压力。

其中，首项a₁＝0MPa，公差d＝0.5MPa，前n项和：S_n＝a₁×n+[n×(n-1)×d]/2，以上n均属于正整数。标准压力发生器在管道压力按照等差公式依次递增直至所测管道压力上限。标准压力发生器在测量前对管道液体压力进行清零，从声速测压传感系统本身特性上提取温度信息，以压力为零时的初始声速作为温度信息输人神经网络，间接地实现管道内液体介质温度的管外测量。TOFD发射超声换能器发射超声波信号，TOFD接收超声换能器采集数据，进行数据融合处理，判断数据是否合理有效，否提示原因，是则保存数据。

超声压力计获取TOFD发射超声换能器和TOFD接收超声换能器的衍射时差TOFD和声时差数据，建立管道航空液压油压力标定的流程，开始标定，检测模型根据超声纵波在管道液体中的传输时间与管道内压力值，在待测在管液体中的超声纵波传输时间，计算待测管道内的压力值，在油液密度和温度不变的情况下得到压力p和声速c呈非线性函数关系拟合公式：

式中，c为超声纵波在液体中的声速；c₁为管道内液体压力值为0时对应的声速；c_n为管道内压力为a_n时对应的超声波在液体中的声速；p为管道内压力；K为比例系数；A_n为拟合系数。

检测模型对标定数据采用最小二乘法统计处理，进行曲线拟合，基于液压系统液体压力变化引起其声速变化这一物理特性，利用安装于管壁上的TOFD发射超声换能器和TOFD接收超声换能器测量出管内液体中的声速，在m次多项式中寻求一个多项式Pm(x)，可以得到多项式回归方程所代表的函数pm(x)＝a0+a1x+...+amxm，式中，Pm(x)是近似测量到的数据，x为管内液体中的超声的传播时间，a0、a1...am通过多项式拟合的常量系数，在具体的超声波测压系统的设计中实现。经过检测模型处理后，即可实现压力的非介入式测量。上述测量原理综合利用了超声波的方向性好、能量高、穿透能力强、遇界面产生反射和折射等重要特性，从根本上突破了传统压力测试仪表的感应压力元件必须和液体相接触这一限制，从而便于实现封闭液压系统多个部位内部压力的外部测量。

标准压力发生器设定前压+N次标定，并等待压力稳定，TOFD发射超声换能器发射超声信号，TOFD接收超声换能器采集超声信号，进行数据融合处理，同时判断循环N次是否结束，是则进行数据保存，否则返回发射超声信号，直到循环N次结束；循环N次结束后，判断压力范围是否覆盖完毕，是则标定结束，否则返回压力源设定前压+N次标定，并等待压力稳定，直到压力范围覆盖完毕。

本实施例的其他部分与实施例1或2相同，故不再赘述

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，通过非介入压力测量装置实现对管道流体压力的测量，所述非介入压力测量装置包括沿管道直径方向设置在管道外壁上的TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器、与TOFD发射超声换能器以及TOFD接收超声换能器连接的超声压力计、设置在管道横断面水平中心轴线上的标准压力发生器，通过标准压力发生器调控管道内部液体的压力值，通过超声压力计、TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器检测超声纵波在液体中的传播时间，建立超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值的检测模型，建立管道液体压力参数与管道液体压力的计算模型；通过检测模型检测管道液体压力参数，通过计算模型计算管道液体压力差参数和超声波在管壁中的传输时间引起的测量误差。

2.根据权利要求1所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，通过检测模型检测管道液体压力参数之前，将TOFD接收超声换能器、TOFD发射超声换能器、标准压力发生器、管道置于恒温环境中，并将标准压力发生器定位在管道横断面水平中心轴线上，通过标准压力发生器调控管道内液体压力；并通过超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值获取声时差数据，进而构建超声纵波在液体中的传播时间与管道内压力值的检测模型。

3.根据权利要求2所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，所述标准压力发生器按照等差数列公式调控管道内液体压力，所述等差数列公式为：

a_n＝a₁+(n-1)×d (1)，

其中：a₁＝0Mpa，a_n为标准压力发生器第n次调控管道内液体压力值；d＝0.5Mpa；n为调控次数，且n＝1，2…N。

4.根据权利要求3所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，在管道液体密度与温度不变的情况下，建立管道内压力与超声波在液体中的声速的非线性拟合函数：

其中：c为超声纵波在液体中的声速；c₁为管道内液体压力值为0时对应的声速；c_n为管道内压力为a_n时对应的超声波在液体中的声速；p为管道内压力；K为比例系数；A_n为拟合系数。

5.根据权利要求4所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，所述超声波在液体中的传播速度的计算公式为：

其中：c为超声纵波在液体中的声速；a为超声纵波在液体中传播的单程距离；t₁为TOFD发射超声换能器发射脉冲与TOFD发射超声换能器接收回波之间的时间间隔；t₂为TOFD接收超声换能器发射脉冲与TOFD接收超声换能器接收回波之间的时间间隔。

6.根据权利要求5所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，所述检测模型为：

其中：p为管道内压力；K为比例系数；c为超声纵波在液体中的声速；c₀为常温一个大气压下超声纵波在液体中的声速；T为常温一个大气压下超声纵波在液体中的传播时间；Δt为超声纵波在液体中的传播时间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，所述TOFD发射超声换能器与TOFD接收超声换能器为高阻尼纵波探头。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种非介入式检测液压系统充液管道流体压力的方法，其特征在于，所述管道的外侧包覆有低阻抗保护膜。