CN1587943A - 基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置。该方法以中低压容器为对象，以瑞利表面波传播速度与容器压力的关系模型为基础，在一个由瑞利表面波换能器，超声波接收发射装置，采样装置和计算机构成的测量系统中，通过提取在待测容器表面传播的瑞利表面波信号来得到压力值的大小。本发明不仅避免了在容器上开孔侧压的麻烦，减少了容器使用过程中由于开孔引起的各种安全隐患，同时本发明扩大了现有容器压力测量的应用场合，为实现容器压力的遥测奠定了基础。

Description

基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置

技术领域

本发明涉及压力容器无损压力测量技术，尤其涉及一种基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置。

背景技术

压力容器是现代工业生产过程中不可缺少的一种特殊设备，它广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、能源工业、外层空间、科研及军事工业等方面。随着国民经济的迅速发展，压力容器的数量和使用范围也日益增加。大多数压力容器是在高温、高压、深冷、强腐蚀介质或交变载荷作用下运行，需要随时监测容器内工作压力的大小，以获得生产所需的信息，同时也可及时避免由于压力过高而引起的爆炸事故，因此对压力容器的压力进行检测是压力容器设计和运行中必不可少的重要组成部分。

目前工业用的压力测量几乎均为接触式测量，如：液柱式压力计，弹性式压力计等，这类仪表在使用时需要在容器壁上开孔接引压管，这就不可避免地会对容器带来一些负面的影响，主要表现在：(1)开孔破坏了容器原有的应力分布并引起了应力集中；(2)接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力；(3)壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡(即小圆角)而引起应力集中。而应力集中是产生裂纹的主要原因之一，实践证明，压力容器的爆炸事故绝大多数起源于裂纹或其他缺陷的扩展。此外由于开孔，还需要考虑密封、安装等问题，给设计和使用也带来了不便。因此研究非接触式的压力测量方法，对于提升像压力容器这样量大面广的工业装置的性能，保障设备安全运行具有特别重要的经济和社会意义。

非接触式测量技术是近年来国内外研究的热点，属于前沿学科，也是传感器技术中的一个难点。在非接触式压力测量的研究方面，已有一些方法，如电阻式压力传感器采用电阻应变片作为检测元件，在构件表面指定点上粘贴电阻应变片，电阻应变片随着构件一起变形，把感受到的机械量转换成电量，再通过专门仪器转换成电压或电流，并加以放大，经过调制、解调、计算，然后转化成压力值给予指示。这种方法虽然不用开孔，但作为检测元件的电阻应变片易受环境(如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等)的影响，寿命较短，其应用受到一定的限制。

超声波是指频率大于20kHz以上的声波，它不仅可以作为一种无损探伤的媒介，而且还能灵敏的反映出材料内部的应力信息[1～2]。从1967年Crecraft提出可以利用超声波来测量构件中的应力状态以来，这一发展引起了国内外学者的关注，用超声波参量来表征应力的研究在近几十年里得到了迅速地发展，一些实用的超声波应力测试技术及仪器也相继出现。铁路工业是首家把无损超声波应力检测转化为实际应用的行业，其应用主要有三个方面：。①检测被调直机调直后钢轨内的纵向残余应力；②检测整体车轮轮辋内的应力；③检测焊接长钢轨内的温差应力，从而在提高行车安全上发挥了重要作用，开发出的仪器已在美国、欧洲及日本等地使用。当前比较成熟并有实际应用的另一个实例是螺栓应力的超声波测量，它可以迅速准确的给出螺栓轴向应力的大小，作为分析设备运行状况的主要依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置。

测压方法的步骤为：

标定阶段：

1).采用频率为2.5MHz的压电式一发一收瑞利表面波换能器作为探头，两探头沿待测容器对称轴固定在容器表面，并上下保持在同一直线上，两探头之间的距离为10cm；

2).先测出待测容器在无压力状态下瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，以此作为参考信号；

3).再测出待测容器在不同标准压力状态下的瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，并与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量；

4)通过最小二乘法拟合得到时间差变化量与压力之间的关系式；

测量阶段：

5)当被测容器处于工作状态时，通过瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量，然后代入步骤4)的关系式计算得到待测容器当时的工作压力。

测压装置：发射探头和接收探头依次与超声波接收发射装置、采样装置、计算机相接，发射探头和接收探头采用瑞利表面波换能器，一发一收，频率为2.5MHz，采样装置采用示波器。

本发明以中低压容器为研究对象，以超声波传播时间差与容器内压力的关系模型为基础，通过提取在压力容器表面传播的瑞利表面波信号来计算得到压力值的大小。基于瑞利表面波的压力容器压力测量方法其实质在于通过测量表面波在规定长度上的传播时间变化量，来得到容器内压力值的大小。不仅避免了在容器上开孔的麻烦，减少了容器使用过程中由于开孔引起的各种安全隐患，而且本发明扩大现有容器压力测量的应用场合，为实现容器压力的遥测奠定了基础。

附图说明

图1基于瑞利表面波的无损测压装置方框示意图；

图2本发明超声波接收发射装置方框示意图；

图3采用基于瑞利表面波的无损测压装置测量示意图；

图4本发明采集得到的瑞利表面波信号图；

图5本发明试验中的一组数据拟合关系图；

图6瑞利表面波传播方向与主应力之间的方向示意图；

图7承受内压的压力容器示意图。

具体实施方式

如图1所示，发射探头和接收探头依次与超声波接收发射装置、采样装置、计算机相接，发射探头和接收探头采用瑞利表面波换能器，瑞利表面波换能器采用瑞利表面波探伤换能器，一发一收，频率为2.5MHz，其型号参数为2.5P 13×13MC，可从常州大平超声波仪器有限公司购买。采样装置采用示波器，选用Tektronix公司的TDS430A，采样频率选择为500MHz，采集的数据以dat文件的形式存放在计算机中，供相关计算使用。

如图2所示，超声波接收发射装置具有依次连接的同步电路、发射电路、衰减器、高频放大器；电源电路与直流变换器相接后再分别与同步电路、发射电路、衰减器、高频放大器相接。它主要完成以下功能：以150Hz的频率发射-600伏的脉冲去激励发射探头产生瑞利波，同时对接收探头接收到得瑞利表面波信号进行放大和滤波，放大后的信号经导线直接送入采样装置，超声波接收发射装置也可以从常州大平超声波仪器有限公司购买。

如图3所示，基于瑞利表面波的压力容器压力测量方法的步骤为：

标定阶段：

1).采用频率为2.5MHz的压电式一发一收瑞利表面波换能器作为探头，两探头沿待测容器对称轴固定容器表面，并上下保持在同一直线上，两探头之间的距离为10cm；

2).先测出待测容器在无压力状态下瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，以此作为参考信号；

3).再测出待测容器在不同标准压力状态下的瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，并与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量；

4)通过最小二乘法拟合得到时间差变化量与压力之间的关系式；

测量阶段：

5)当被测容器处于工作状态时，通过瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量，然后代入步骤4)的关系式计算得到待测容器当时的工作压力。

所说的时延计算方法具体步骤如下：

1)令信号A，B始波部分的幅值为零；

2)对A1，B1做互相关计算得到时间变化量。

通过最小二乘法拟合得到时间差变化量与压力之间的关系式为：

                          p＝KΔt

其中p为待测容器的工作压力，Δt为瑞利表面波传播时间的变化量。K为待拟合得到的系数。

由步骤1)，2)可以得到p、Δt的多组样本值[p₁，p₂，p₃…]，[Δt₁，Δt₂，Δt₃…]，通过最小二乘法拟合得到K值，即得到时间差变化量与压力之间的关系式。

下面为一个具体实例：

试验时，压力容器的材料为16MnR，容器内半径为150mm，壁厚3mm，换能器与试样之间的耦合剂选用甘油，实验时环境温度为23℃。标定阶段，图4所示为容器无压力状态下采集到得Rayleigh表面波信号，由步骤1)，2)可以得到p、Δt的多组样本值为[0，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0，2.4，2.8，3.2]，单位Mpa；对应的时间变化量为[0，2，4，6，9，11，14，16，20]，单位ns。由步骤4)，最小二乘法拟合得到的K＝0.162，如图4所示，则时间差变化量与压力之间的关系式为：

                        p＝0.162Δt

测量阶段，通过测量得到的时间变化量Δt，代入上述关系式计算就可以得到待测容器当时的工作压力。

本发明的原理：

应力对超声波的影响主要表现在对波速的改变，文献[3～4]已经给出了瑞利表面波波速与应力关系的完整推导过程，这里直接给出结论。设表面波沿X₁方向传播，主应力σ₁和σ₃方向如图6所示：

当瑞利表面波沿X₁和X₃方向传播时，可得：

$\frac{{\mathrm{\Δv}}_1}{v_1^0}=A_{R1}^1{\mathrm{\σ}}_1+A_{R1}^3{\mathrm{\σ}}_3---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δv}}_3}{v_3^0}=A_{R3}^1{\mathrm{\σ}}_1+A_{R3}^3{\mathrm{\σ}}_3---\left(2\right)$

式中，A_R1 ¹，A_R1 ³，A_R3 ¹，A_R3 ³是与材料的二阶和三阶声弹性常数有关的量，详细的计算公式可见参考文献[3～4]；v₁ ⁰，v₃ ⁰分别表示在无应力状态下瑞利表面波沿X₁和X₃方向传播的速度； ${\mathrm{\Δv}}_1=v_1{-v}_1^0;{\mathrm{\Δv}}_3=v_3-v_3^0;$ 其中，v₁和v₃分别表示在有应力状态下表面波沿X₁和X₃方向传播的速度。

由式(1)和(2)可知，如果已知被测试件材料的二阶和三阶声弹性常数，即能够计算出A_R1 ¹，A_R1 ³，A_R3 ¹，A_R3 ³4个值的大小，进而就可以通过测量瑞利表面波在无应力和有应力情况下传播的速度，联立式(1)和(2)解出主应力σ₁和σ₃。

对于中低压薄壁容器，由薄膜理论可知，压力容器的受力分析可仅考虑轴向应力σ_和切向应力σ_θ，且易于导出σ_和σ_θ与工作压力p之间的关系。如果以σ_和σ_θ为中间变量，就可以导出瑞利表面波传播速度与工作压力p之间的关系。图7所示为承受内压的容器。当内压为p时，由薄膜理论可得[5]：

式中σ_，σ_θ分别表示压力容器受压时的轴向应力和切向应力，R₁，R₂分别表示筒面的第一和第二主曲率半径，δ表示容器的壁厚。

对于圆柱形容器的壳体，因R₁＝∞，R₂＝R，故由式(3)得

式中R表示容器的外径。

径向应力与轴向应力和切向应力相比很小，近似为零即：

                      σ_r＝0

将式(4)代入式(1)，(2)，可以得到

式中A_R ^，A_R ^θ，A_R ^，A_Rθ ^θ表示与材料二阶和三阶声弹性常数有关的量。

Δv_θ＝v_θ-v_θ ⁰

式中v_，v_θ与v_ ⁰，v_θ ⁰分别表示有应力和无应力状态下超声波沿容器轴向和切向的方向传播的波速。

如果令

则

$\frac{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{\θ}}}{v_{\mathrm{\θ}}^0}=K_{\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{Rp}}{\mathrm{\δ}}---\left(7b\right)$

由此，导出了瑞利表面波与被测工作压力p之间的关系模型。由式(7)可知对于给定的压力容器，波速变化与被测工作压力，成正比，只要测出加压状态下瑞利表面波传播速度与无压力状态下传播速度之差，就可以得到相应的被测压力p。

由于超声波波速变化的测量一般比较困难，且传播速度本身不能作为直接量进行测量。考虑到超声波都要在一定距离的材料中传播，可以将波速的变化量转变为超声波传播时间的变化量，通过对超声波信号的处理来确定超声波在试样中传播时间的变化量Δt(有应力和无应力时的传播时间之差)。但是对于一定体积的材料，由于应力的作用，必然会引起应变，从而导致超声波传播距离上的变化，进一步影响到对超声波传播时间的测量。虽然距离的变化量ΔL很小，但在实验中发现，由应力引起的超声波波速的变化也相当小，因此必须对应变进行修正。以表面波沿压力容器轴向传播为例，在弹性应变范围内有

式中E和μ分别表示材料的杨氏模量和泊松比。

瑞利表面波在有应力状态下和无应力状态传播所用的时间为

而

式中t_和t_ ⁰分别表示超声波在材料有应力和无应力状态下传播的时间。

将式(9)代入式(8)，并进一步代入式(7)整理后得

式中

一般情况下K_很小，在材料的屈服强度内有K_σ_＜＜1，因此式(10)可进一步简化为：

同理还可以得到超声波沿压力容器切向传播时，Δt_θ与p之间的简化关系式为

$\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{\θ}}=(\frac{2-\mathrm{\μ}}{2E}-K_{\mathrm{\θ}})t_{\mathrm{\θ}}^0\frac{\mathrm{Rp}}{\mathrm{\δ}}---\left(12\right)$

式中

${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{\θ}}=t_{\mathrm{\θ}}-t_{\mathrm{\θ}}^0$

t_θ和t_θ ⁰分别表示超声波沿切向方向，材料中有应力和无应力状态下传播的时间。

由此，式(11)，(12)分别给出了瑞利表面波沿压力容器轴向和切向传播一定距离时的时间变化量与被测压力p之间对应变修正过的关系模型。由模型可知，只要测得Δt_θ或Δt_，在声弹性系数已知的情况下，就可以得到被测压力p。但是对于材料弹性常数的测定通常需要测量几种不同波型沿不同方向传播和偏振的波速[6]，对于工程应用而言过于复杂且实用性不强。但可以把((2-μ)/2E-K_θ)作为一个整体，通过试验的方法来确定，从而确定出Δt_θ与p之间的关系。然后利用这种关系，对现场采集的数据通过计算先得到在各种情况下的时间差，然后代入关系式计算得到压力值的大小。

                            参考文献

(1)M-Duquennoy，M.Ouanouh，M.Ourak.Ultrasonic Evaluation of Stress inOrthotropic Materials Using Rayleigh Waves.NDT&E International，1999，32：189～199.

(2)M.Hirao，H.Fukuoka，K.Hori，Acoustoelastic Effect of Rayleigh Surface Wavein Isotropic Material.Joumal of Applied Mechanics，1981，48：119～124.

(3)Y.H.Pao，W.Sachse，H.Fukuoka.Acoustoelasticity and Ultrasonic Measurementsof Residual Stress.Physical Acoustics，Mason and Thurston edit 17(1984)：61～143.

(4)M.Duquennoy，M.Ouaftouh，M.Ourak，etc.Theoretical Determination ofRayleigh Wave Acoustoelastic Coefficients：Comparison with Experimental Values.Ultrasonics，2002，39：575～583.

(5)王志文.化工容器设计.化学工业出版社，1993.

(6)Sato H，Nishino H，Cho H，et al.Estimation of Elastic Constants from SurfaceAcoustic Wave Veloctity by Inverse Analysis Using the Downhill Simplex Method.Janpanese Journal of Applied Physics，Partl，1998，37(5B)：3116～3119.

Claims (5)

1、一种基于瑞利表面波的无损测压方法，其特征在于：方法的步骤为：

标定阶段：

1).采用频率为2.5MHz的压电式一发一收瑞利表面波换能器作为探头，两探头沿待测容器对称轴固定在容器表面，并上下保持在同一直线上，两探头之间的距离为10cm；

2).先测出待测容器在无压力状态下瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，以此作为参考信号；

3).再测出待测容器在不同标准压力状态下的瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，并与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量；

4)通过最小二乘法拟合得到时间差变化量与压力之间的关系式；

测量阶段：

5)当被测容器处于工作状态时，通过瑞利表面波接收探头接收到的超声信号，与步骤2)的参考信号作时延计算得到传播时间的变化量，然后代入步骤4)的关系式就可以计算得到待测容器当时的工作压力。

2、根据权利要求1所述的一种基于瑞利表面波的无损测压方法，其特征在于：所说的时延计算方法具体步骤如下：

1)令信号A，B始波部分的幅值为零；

2)对A1，B1做互相关计算得到时间变化量。

3、根据权利要求1所述的一种基于瑞利表面波的无损测压方法，其特征在于：步骤4)所说的通过最小二乘法拟合得到时间差变化量与压力之间的关系式为：

                           p＝KΔ_t

其中p为待测容器的工作压力，Δt为瑞利表面波传播时间的变化量。K为待拟合系数，由步骤1)，2)可以得到p、Δt的多组样本值[p₁，p₂，p₃…]，[Δt₁，Δt₂，Δt₃…]，通过最小二乘法拟合得到K值，即得到时间差变化量与压力之间的关系式。

4、一种基于瑞利表面波的无损测压装置，其特征在于：发射探头和接收探头依次与超声波接收发射装置、采样装置、计算机相接，发射探头和接收探头采用瑞利表面波换能器，一发一收，频率为2.5MHz，采样装置采用示波器。

5、根据权利要求4所述的一种基于瑞利表面波的无损测压装置，其特征在于：所说的超声波接收发射装置具有依次连接的同步电路、发射电路、衰减器、高频放大器；电源电路与直流变换器相接后再分别与同步电路、发射电路、衰减器、高频放大器相接。

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