CN201096547Y - 圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于瑞利波的圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量方法及装置。本实用新型建立了瑞利波渡越时间与压力容器的表面温度和压力的关系模型，利用由四个瑞利波探头、超声波收发电路、循环控制电路、时间数字转换电路、单片机系统组成的测量装置，通过测量传播距离内的瑞利波的渡越时间，计算得到压力容器的表面温度和压力值。本实用新型不仅避免了传统的温度和压力测量方法因容器开孔引起的各类安全隐患，而且能满足在役压力容器新增检测点及某些压力容器不宜在容器壁开孔直接引压或者无法实现安装测温点等需求。基于该方法的测量装置操作简单，成本低廉，能够在线检测温度和压力，有助于更加有效地监控压力容器的安全运行。

Description

圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置。

背景技术

圆柱形压力容器已经广泛应用于石化、能源、轻工、冶金等现代工业生产过程中，为了保证工业生产的正常运行，常常需要随时监测压力容器的表面温度和压力。

瑞利波是沿材料表面传播的二维弹性表面波。它不仅可以作为一种无损探伤的媒介，而且还能灵敏地反映出材料内部的应力与温度等信息。根据瑞利波速与传输介质中承受的应力有关的特性，可建立了超声波测量压力的模型，进而实现压力的无损检测以克服因侵入式压力测量而带来的各种弊端。但是，该模型没有考虑温度的影响，因此只适用在容器温度不变的环境中。当容器温度发生变化时，每变化1℃与压力变化1MPa引起的超声波传播时间变化量同一数量级，约为总传播时间的万分之几。实际应用中，由于外界环境或容器内部物质的影响，容器表面温度一般都是变化的，因此必须同时考虑温度和压力对超声波传播时间的影响。

现有的温度测量方法多采用接触式方法测量。使用接触式温度仪表，在被测表面安装传感器后，会引起表面温度场的破坏，因此，测量精度难以保证，而现有的非接触式的仪表存在设备复杂，价格较高等缺点。因此开发一种能够同时且无损地获得压力容器表面温度和压力的方法将具有重大的意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置。

圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置中的单片机分别与存储模块、显示模块、键盘模块、通讯模块、超声波发射电路、循环控制电路、时间数字转换电路相连接，循环控制电路与超声波发射电路、轴向超声波接收电路、切向超声波接收电路、时间数字转换电路相连接，超声波发射电路与轴向瑞利波发射探头、切向瑞利波发射探头相连接，轴向超声波接收电路与轴向瑞利波接收探头相连接，切向超声波接收电路与切向瑞利波接收探头相连接。

所述的轴向瑞利波发射探头、切向瑞利波发射探头、轴向瑞利波接收探头、切向瑞利波接收探头的工作频率为1.0～5.0MHz。

所述的轴向瑞利波发射探头、切向瑞利波发射探头、轴向瑞利波接收探头、切向瑞利波接收探头中轴向瑞利波发射探头和轴向瑞利波接收探头安装在待测圆柱形压力容器外表面的轴向，并在垂直方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米；切向瑞利波发射探头和切向瑞利波接收探头安装在待测压力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米。

本实用新型提出了瑞利波轴向和切向的渡越时间与圆柱形压力容器表面温度、压力的关系式，不仅避免了传统的温度和压力测量方法因容器开孔引起的各类安全隐患，而且提供了一种更为方便、更加灵活的压力容器表面温度和压力测量方法，能满足在役压力容器新增检测点及某些压力容器不宜在容器壁开孔直接引压或者无法实现安装测温点等需求。基于该方法的测量装置操作简单，成本低廉，能够在线检测温度和压力，有助于更加有效地监控压力容器的安全运行。

附图说明

图1是圆柱形压力容器示意图

图2是本实用新型的结构框图

图3是本实用新型的超声波接收电路

图4是本实用新型的循环控制电路

图5是本实用新型的时间数字转换电路的测量时序

图6是本实用新型试验中容器压力不变时温度与超声波渡越时间关系图

图7是本实用新型实验中容器压力与超声波渡越时间变化的关系图

图8是本实用新型测量流程示意图

具体实施方式

如图1所示是待测圆柱形压力容器的示意图。超声波波速受到应力与温度的共同影响，根据这一原理，可以建立波速变化与容器压力、温度之间的关系。但是速度变化本身不能直接测量，本实用新型将波速的变化量转换为超声波传播时间的变化量。瑞利波传播时间等于传播距离与传播速度之比，因此必须同时考虑温度与压力对瑞利波传播距离和速度的影响。

1)温度与应力对波速的影响

设定压力为0、温度为某一特定温度T_o时的状态为初始状态。当前状态与初始状态相比，温度与压力都发生了变化。作为一种机械波，由于温度变化的影响，当前状态与初始状态相比，瑞利波的传播速度会发生变化。在一定温度范围内，波速与介质温度可近似认为是线性关系：

$v^{(0,T)}=v^{(0,T_o)}(1-\mathrm{\α\ΔT}).---\left(1\right)$

式中：温度变化量ΔT＝T-T_o，T_o为初始状态温度，T为当前温度，v^(0，T)表示压力为0、温度为T时超声波波速，

表示初始状态时波速，α为温度对波速的影响系数。

对于如图1所示的压力容器，当容器承受内压时，因瑞利波只在介质表面传播，可以直接取切向应力为容器壁表面切向应力。则对于只受内压p的圆柱形压力容器有：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{2a}^{2}p}{b^2-a^2}---\left(3\right)$

式中σ_θ分别表示压力容器受压时的轴向应力和切向应力；a为压力容器的内半径；b为压力容器的外半径。

当瑞利波沿轴向和切向方向传播时，可得：

式中，

A_Rθ ^θ是与材料的二阶和三阶声弹性常数有关的量；

分别表示在无应力状态下温度为T_o时瑞利表面波沿轴向和切向传播的速度；

${\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{\θ}}=v_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}-v_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)};$ 其中，

分别表示受应力σ影响后温度为T_o时沿φ、θ方向波速

将(2)式和(3)式代入(4)式和(5)式可以得到：

$v_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}=(K_{\mathrm{\θ}}\frac{2a^{2}p}{b^2-a^2}+1)v_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}---\left(6\right)$

式中K_φ、K_θ是与材料声弹性常数有关的参数。

受温度和应力同时影响后表面波传播速度为：

$v_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=v_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\ΔT})---\left(8\right)$

2)温度与应力对超声传播距离的影响

超声的传播距离同时受到温度和压力的影响，温度变化会引起材料的热胀冷缩，从而使超声波传播距离发生变化，以切向为例，受温度影响后变换量可表示为：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(0,T)}=\mathrm{\β\Δ}{\mathrm{TL}}_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}---\left(10\right)$

其中，β为线膨胀系数，

表示初始状态下沿θ方向的传播距离，ΔL_θ ^(0，T)表示应力为零时受温度T影响后沿θ方向的传播距离变化量。

另一方面，压力在容器壁产生的应力会引起应变，导致超声波切向传播距离发生变化：

式中E为杨氏模量，μ为泊松比，σ_φ为容器压力在轴向产生的应力，σ_θ为切向应力，表示温度为T_o时受应力影响后沿θ方向的应变。

因此，将公式(2)、(3)代入(11)，可得：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}=(1-\frac{\mathrm{\μ}}{2})\frac{{2a}^2{L}_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}p}{(b^2-a^2)E}---\left(12\right)$

传播距离的总变化量是温度、应力共同作用的结果：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}={\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(0,T)}+{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}+\mathrm{\β\ΔT\Δ}{L}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_o)}---\left(13\right)$

线膨胀系数β非常小，一般数量级只有10^-5，因此，

不超过

的千分之一，可以省略，则公式(13)化简为：

将式(10)、(12)代入式(14)，得：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=[(1-\frac{\mathrm{\μ}}{2})\frac{2a^{2}p}{(b^2-a^2)E}+\mathrm{\β\ΔT}]L_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}---\left(15\right)$

同理可得轴向传播距离受温度与应力共同影响后的变化量：

3)温度和压力对传播时间的影响

以瑞利波切向传播为例，推导传播时间与温度变化量和压力的关系模型：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}=\frac{L_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}}{v_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}}---\left(17\right)$

式中，

表示初始状态下传播时间。

温度与压力变化后，表面波切向传播时间为：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=\frac{L_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}+{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}}{v_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}}---\left(18\right)$

将公式(8)、(15)代入(18)式，进一步代入公式(6)，整理可得：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=[(\frac{2-\mathrm{\μ}}{2E}-K_{\mathrm{\θ}})\frac{{2a}^{2}p}{b^2-a^2}+\mathrm{\β\ΔT}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\ΔT}(1+\frac{{2K}_{\mathrm{\θ}}{a}^{2}p}{b^2-a^2})]c+t_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}---\left(19\right)$

公式(19)中c为一合适的常数。2K_θa²p/(b²-a²)约为万分之几，远小于1，因此可以省略掉此项，可得切向传播时间、压力与温度之间的关系式：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=(\frac{2-\mathrm{\μ}}{2E}-K_{\mathrm{\θ}})\frac{{2a}^{2}c}{b^2-a^2}p+(\mathrm{\β}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}})\mathrm{cT}+[t_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_o)}-\mathrm{\βc}{T}_o-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}}c{T}_o]---\left(20\right)$

同理，经推导可得轴向关系式：

从公式(20)、(21)可看出，压力p和表面温度T前的系数由杨氏模量E、泊松比μ、线膨胀系数β等参数组成，这些参数根据材料的不同而不同，即使同一种材料，由于加工过程的差异也会有微小的差别，因此很难单独确定各参数的值，实际使用中，可将各系数看作一个整体，将公式写成如下形式：

切向： $t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=k_{\mathrm{\θ}}p+g_{\mathrm{\θ}}T+h_{\mathrm{\θ}}---\left(22\right)$

轴向：

因此圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量方法为：利用超声瑞利波在压力容器轴向和切向传播距离内的渡越时间与压力容器表面温度和压力值的关系进行测量，切向和轴向的超声瑞利波渡越时间与压力容器的压力和表面温度的关系式为：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=k_{\mathrm{\θ}}p+g_{\mathrm{\θ}}T+h_{\mathrm{\θ}}$

其中t_θ ^(σ，T)、分别为超声波切向和轴向的渡越时间，p为待测容器的工作压力，T为待测容器的表面温度，k_θ、g_θ、h_θ、

为系数。

其中k_θ、g_θ、h_θ、系数的获得方法为：改变待测压力容器的标准压力和表面温度值，测量相应状态下的轴向和切向超声波渡越时间，在获得待测压力容器的标准压力和表面温度值以及轴向和切向超声波渡越时间这四个值的多组数据后，通过函数逼近的方法得到k_θ、g_θ、h_θ、系数的值。

如图2所示，圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置中的单片机15分别与存储模块6、显示模块7、键盘模块8、通讯模块9、超声波发射电路10、循环控制电路12、时间数字转换电路14相连接，循环控制电路12与超声波发射电路10、轴向超声波接收电路11、切向超声波接收电路13、时间数字转换电路14相连接，超声波发射电路10与轴向瑞利波发射探头2、切向瑞利波发射探头3相连接，轴向超声波接收电路11与轴向瑞利波接收探头4相连接，切向超声波接收电路13与切向瑞利波接收探头5相连接。

轴向瑞利波发射探头2、切向瑞利波发射探头3、轴向瑞利波接收探头4、切向瑞利波接收探头5的工作频率为1.0～5.0MHz。轴向瑞利波发射探头2、切向瑞利波发射探头3、轴向瑞利波接收探头4、切向瑞利波接收探头5中轴向瑞利波发射探头2和轴向瑞利波接收探头4安装在待测圆柱形压力容器外表面的轴向，并在垂直方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米；切向瑞利波发射探头3和切向瑞利波接收探头5安装在待测压力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米。

瑞利波探头可以选用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)表面波超声探头，PZT探头的机电耦合系数约为70％，阻抗特性优越，工作频率为2.5MHz，尺寸为13×13(mm²)，可从常州大平超声波仪器有限公司购买。

时间数字转换电路(14)采用高精度时间-数字转换器TDC-GP2，工作在第二量程模式。高精度时间-数字转换器TDC-GP2可向acam公司购买。

单片机可以选用microchip公司的PIC16F877A

整个仪器的工作原理为：在单片机控制下发射电路产生负300伏的脉冲同时激发两个发射探头，经过一段时间后，两个接收探头分别收到瑞利波信号，利用两路接收电路进行信号放大和滤波，在单片机控制线和程序的控制下，循环控制电路首先处理轴向信号，其输出信号一路连接到发射电路进行超声的再激发；一路连接到单片机进行循环计数；一路连接到时间数字转换电路。当超声循环次数达到设定值后，单片机将改变控制线信号使得超声发射终止并改变TDC的输入电平进行时间计时。当轴向测量完成后单片机读取TDC寄存器获取超声波轴向渡越时间并存入存储模块，之后单片机修改控制线并重新激发超声进行超声波切向渡越时间的测量。在获取超声波轴向和切向渡越时间之后单片机利用存贮器中保存的计算公式进行压力容器表面温度和压力的计算，并通过显示模块和通讯模块进行信息交互。

如图3所示，轴向超声波接收电路11或切向超声波接收电路13的电路为：轴向瑞利波接收探头4或切向瑞利波接收探头5接收到的超声波信号接到第六电容C₆的一端，第六电容C₆的另一端接到第十四电阻R₁₄和第十五电阻R₁₅，第十四电阻R₁₄的另一端接地，第十五电阻R₁₅的另一端连接到第一放大器A1的负端，第一放大器A1的正端接地，第一放大器A1的输出端通过第十六电阻R₁₆连接到第一放大器A1的负端，第一放大器A1的输出端连接第七电容C₇的一端，第七电容C₇的另一端连接第五电阻R₅和第六电阻R₆，第五电阻R₅的另一端接地，第六电阻R₆的另一端连接同时连接第十七电阻R₁₇、第四电容C₄、第三电容C₃的一端，第十七电阻R₁₇的另一端接地，第四电容C₄的另一端接第二放大器A2的负端，第三电容C₃的另一端接第二放大器A2的输出端，第七电阻R₇的两端分别接在第二放大器A2的负端和输出端，第二放大器A2的正端通过第八电阻R₈接地，第二放大器A2的输出端连接第五电容C₅的一端，第五电容C₅的另一端连接第九电阻R₉和第十电阻R₁₀，第九电阻R₉的另一端接地，第十电阻R₁₀的另一端连接到第三放大器A3的负端，第三放大器A3的正端接地，第三放大器A3的输出端通过第十二电阻R₁₂和第十一电阻R₁₁连接到第三放大器A3的负端，第三放大器A3的输出端通过第十三电阻R₁₃连接至循环控制电路12。

第一放大器A1和第三放大器A3可以采用高速宽频带的放大器AD8091，第二放大器A2可以采用宽频带的放大器AD8092。整个电路通过第十一电阻R₁₁使得总放大倍数1000～3000倍，由第六电容C₆与第十四电阻R₁₄、第七电容C₇与第六电阻R₅、第五电容C₅与第九电阻R₉组成的前置、中置和后置RC无源高通滤波电路截止频率可以设置为0.8～0.9Mhz，由第二放大器A2、第七电阻R₇、第十七电阻R₁₇、第八电阻R₈、第三电容C₃、第四电容C₄组成的有源带通滤波电路中心频率设置为瑞利波工作频率。

如图4所示，循环控制电路12的电路为：第一高速比较器U11和第二高速比较器U12的负端分别连接轴向超声波接收电路11或者切向超声波接收电路13，第一高速比较器U11和第二高速比较器U12正端连接相同的比较电压；第一高速比较器U11的正输出端连接第一JK触发器U1的C端，第一JK触发器U1的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其Q端连接到第一单稳态触发器U5的B端，第一JK触发器U1的Q端分别连接到第二JK触发器U2的C端和第三与门U9的一端；第二电阻R₂的一端连接电源VCC，另一端连接第一电阻R₁，第一电阻R₁的另一端同时连接到第一单稳态触发器U5的CX/RX端和第一电容C₁的一端，第一电容C₁的另一端连接到第一单稳态触发器U5的CX端，第一单稳态触发器U5的CLR端连接单片机第五控制线cp5，第一单稳态触发器U5的A端接地，第一单稳态触发器U5的Q端和单片机第一控制线cp1连接在第一与门U7的两个输入端，第一与门U7的输出端连接在第一JK触发器U1的R端，第二JK触发器U2的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其R端连接单片机第三控制线cp3，其Q端连接到第四与门U10的一个输入端；第二高速比较器U12的正输出端连接第三JK触发器U3的C端，第三JK触发器U3的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其Q端连接到第二单稳态触发器U6的B端，第三JK触发器U3的Q端分别连接到第四JK触发器U4的C端和第三与门U9的另一端；第四电阻R₄的一端连接电源VCC，另一端连接第三电阻R₃，第三电阻R₃的另一端同时连接到第二单稳态触发器U6的CX/RX端和第二电容C₂的一端，第二电容C₂的另一端连接到第二单稳态触发器U6的CX端，第二单稳态触发器U6的CLR端连接单片机第六控制线cp6，第二单稳态触发器U6的A端接地，第二单稳态触发器U6的Q端和单片机第二控制线cp2连接在第二与门U8的两个输入端，第二与门U8的输出端连接在第三JK触发器U3的R端，第四JK触发器U4的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其R端连接单片机第四控制线cp4，其Q端连接到第四与门U10的另一个输入端；与门U9的输出端分成两路，一路连接到单片机15，一路连接到发射电路10；与门U10的输出端连接时间数字转换电路14。

高速比较器可以选用美信公司的MAX912，JK触发器可以选用74LS112，单稳态触发器可以选用74LS123，与门可以选用74LS00。第一单稳态触发器U5和第二单稳态触发器U6的脉冲宽度分别通过第一电容C₁、第一电阻R₁、第二电阻R₂和第二电容C₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄进行调节，要求其脉冲宽度大于全部比较脉冲的通过时间，小于单程表面波的总传播时间，以压力容器的材料为16MnR钢，超声波传播距离约为15cm为例，其脉冲宽度可以设置在14～28μs。

整个电路的工作原理是：当接收到经过放大滤波之后的超声信号后，第一高速比较器和第二高速比较器会输出脉冲信号进入具有置1功能的第一JK触发器U1和第三JK触发器U3，并进一步激发第一单稳态触发器U5和第二单稳态触发器U6，在第一单片机控制线cp1和第二单片机控制线cp2的控制下，第一与门U7和第一与门U8可以使得第一JK触发器U1和第三JK触发器U3的Q端产生一个下降沿脉冲后又回复到高电平，利用此脉冲通过第三与门U9可以促使超声波发射电路再次激发超声，同时连接到单片机用于循环计数。当轴向或者切向超声循环计算完成后，单片机利用第三控制线cp3和第四控制线cp4改变第二JK触发器U2和第四JK触发器U4的Q端信号，并通过第四与门U10把此信号变化用于TDC计时。

如图5所示，时间数字转换电路14采用高精度时间-数字转换器TDC-GP2，工作在第二量程模式，图5为TDC-GP2的测量时序。t₁表示超声波循环一次的传播时间，t_n-1表示循环n-1次的总传播时间。TDC-GP2将计算出超声循环n次后的总传播时间，单片机读取相应的寄存器，计算后就可以获得所需的超声波渡越时间。

图6是本实用新型试验中一组实验数据图，超声波探头选用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)表面波超声探头，工作频率为2.5MHz。轴向与切向探头的距离都设为约150mm，容器的材料为16MnR钢，内半径为162mm，外半径为165mm。保持容器的压力p＝0，当容器壁表面温度在0～100℃变化时，分别测量出轴向和切向的表面温度以及对应的超声波传播时间，然后作曲线拟合。图6中轴向直线的斜率为0.0191，截距为29.177；切向直线的斜率为0.0197，截距为30.254。因此，公式(22)、(23)中的系数为：

g_φ＝1.91×10^-8；h_φ＝2.9177×10^-5

g_θ＝1.97×10^-8；h_θ＝3.0254×10^-5

图7是本实用新型实验中在不同温度下，容器压力与超声波渡越时间变化的关系图。当切向和轴向传播距离相等时，系数g_φ＝g_θ，h_φ＝h_θ。进一步对容器施加压力，以切向为例，当温度为T₁＝5.1℃时测量传播时间以及对应的压力值，将该温度下不同压力时的传播时间减去零压力下的传播时间，即：

${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_1)}=t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T_1)}-t_{\mathrm{\θ}}^{(0,T_1)}=k_{\mathrm{\θ}}p---\left(24\right)$

由公式(24)可得系数k_θ。同理可得系数k_φ。

分别在温度为5.1℃，12℃，25℃，33℃时测量出轴向和切向的时间变化量以及对应的压力p，曲线拟和结果如图7所示。

由图7可得轴向比例系数为4.9，切向比例系数为8.4，则公式(22)、(23)中的系数为：

k_φ＝4.9×10^-15；k_θ＝8.4×10^-15

将k_φ、k_θ以及前面得到的g_φ、g_θ、h_φ、h_θ分别代入公式(22)、(23)，可得：

$t_{\mathrm{\θ}}^{(\mathrm{\σ},T)}=8.4\×{10}^{-15}p+1.97\×{10}^{-8}T+3.0254\×{10}^{-5}---\left(25\right)$

测量出切向与轴向传播时间后，代入公式(25)与(26)，计算可得容器表面温度T和压力p。

对于不同容器、结构、探头等，其系数是不一样的，但测量过程是一样的。

如图8所示是本实用新型测量流程示意图。在整定完仪表系数后，将压力容器表面温度和压力的测量公式保存在存储模块中，仪表上电后，在单片机程序的控制下获得轴向和切向超声波渡越时间，然后计算出所求的压力容器表面温度和压力的值，用于数据显示和通讯。

Claims (6)

1. 一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于单片机(15)分别与存储模块(6)、显示模块(7)、键盘模块(8)、通讯模块(9)、超声波发射电路(10)、循环控制电路(12)、时间数字转换电路(14)相连接，循环控制电路(12)与超声波发射电路(10)、轴向超声波接收电路(11)、切向超声波接收电路(13)、时间数字转换电路(14)相连接，超声波发射电路(10)与轴向瑞利波发射探头(2)、切向瑞利波发射探头(3)相连接，轴向超声波接收电路(11)与轴向瑞利波接收探头(4)相连接，切向超声波接收电路(13)与切向瑞利波接收探头(5)相连接。

2. 根据权利要求1所述的一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于所述的轴向瑞利波发射探头(2)、切向瑞利波发射探头(3)、轴向瑞利波接收探头(4)、切向瑞利波接收探头(5)的工作频率为1.0～5.0MHz。

3. 根据权利要求1所述的一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于所述的轴向瑞利波发射探头(2)、切向瑞利波发射探头(3)、轴向瑞利波接收探头(4)、切向瑞利波接收探头(5)中轴向瑞利波发射探头(2)和轴向瑞利波接收探头(4)安装在待测圆柱形压力容器外表面的轴向，并在垂直方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米；切向瑞利波发射探头(3)和切向瑞利波接收探头(5)安装在待测压力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直线上，两探头之间的距离为5～50厘米。

4. 根据权利要求1所述的一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于所述的轴向超声波接收电路(11)或切向超声波接收电路(13)的电路为：轴向瑞利波接收探头(4)或切向瑞利波接收探头(5)接收到的超声波信号接到第六电容(C₆)的一端，第六电容(C₆)的另一端接到第十四电阻(R₁₄)和第十五电阻(R₁₅)，第十四电阻(R₁₄)的另一端接地，第十五电阻(R₁₅)的另一端连接到第一放大器(A1)的负端，第一放大器(A1)的正端接地，第一放大器(A1)的输出端通过第十六电阻(R₁₆)连接到第一放大器(A1)的负端，第一放大器(A1)的输出端连接第七电容(C₇)的一端，第七电容(C₇)的另一端连接第五电阻(R₅)和第六电阻(R₆)，第五电阻(R₅)的另一端接地，第六电阻(R₆)的另一端连接同时连接第十七电阻(R₁₇)、第四电容(C₄)、第三电容(C₃)的一端，第十七电阻(R₁₇)的另一端接地，第四电容(C₄)的另一端接第二放大器(A2)的负端，第三电容(C₃)的另一端接第二放大器(A2)的输出端，第七电阻(R₇)的两端分别接在第二放大器(A2)的负端和输出端，第二放大器(A2)的正端通过第八电阻(R₈)接地，第二放大器(A2)的输出端连接第五电容(C₅)的一端，第五电容(C₅)的另一端连接第九电阻(R₉)和第十电阻(R₁₀)，第九电阻(R₉)的另一端接地，第十电阻(R₁₀)的另一端连接到第三放大器(A3)的负端，第三放大器(A3)的正端接地，第三放大器(A3)的输出端通过第十二电阻(R₁₂)和第十一电阻(R₁₁)连接到第三放大器(A3)的负端，第三放大器(A3)的输出端通过第十三电阻(R₁₃)连接至循环控制电路(12)。

5. 根据权利要求1所述的一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于所述的循环控制电路(12)的电路为：第一高速比较器(U11)和第二高速比较器(U12)的负端分别连接轴向超声波接收电路(11)或者切向超声波接收电路(13)，第一高速比较器(U11)和第二高速比较器(U12)正端连接相同的比较电压；第一高速比较器(U11)的正输出端连接第一JK触发器(U1)的C端，第一JK触发器(U1)的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其Q端连接到第一单稳态触发器(U5)的B端，第一JK触发器(U1)的Q端分别连接到第二JK触发器(U2)的C端和第三与门(U9)的一端；第二电阻(R₂)的一端连接电源VCC，另一端连接第一电阻(R₁)，第一电阻(R₁)的另一端同时连接到第一单稳态触发器(U5)的CX/RX端和第一电容(C₁)的一端，第一电容(C₁)的另一端连接到第一单稳态触发器(U5)的CX端，第一单稳态触发器(U5)的CLR端连接单片机第五控制线(cp5)，第一单稳态触发器(U5)的A端接地，第一单稳态触发器(U5)的Q端和单片机第一控制线(cp1)连接在第一与门(U7)的两个输入端，第一与门(U7)的输出端连接在第一JK触发器(U1)的R端，第二JK触发器(U2)的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其R端连接单片机第三控制线(cp3)，其Q端连接到第四与门(U10)的一个输入端；第二高速比较器(U12)的正输出端连接第三JK触发器(U3)的C端，第三JK触发器(U3)的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其Q端连接到第二单稳态触发器(U6)的B端，第三JK触发器(U3)的Q端分别连接到第四JK触发器(U4)的C端和第三与门(U9)的另一端；第四电阻(R₄)的一端连接电源VCC，另一端连接第三电阻(R₃)，第三电阻(R₃)的另一端同时连接到第二单稳态触发器(U6)的CX/RX端和第二电容(C₂)的一端，第二电容(C₂)的另一端连接到第二单稳态触发器(U6)的CX端，第二单稳态触发器(U6)的CLR端连接单片机第六控制线(cp6)，第二单稳态触发器(U6)的A端接地，第二单稳态触发器(U6)的Q端和单片机第二控制线(cp2)连接在第二与门(U8)的两个输入端，第二与门(U8)的输出端连接在第三JK触发器(U3)的R端，第四JK触发器(U4)的S端和J端接电源VCC，其K端接地，其R端连接单片机第四控制线(cp4)，其Q端连接到第四与门(U10)的另一个输入端；与门(U9)的输出端分成两路，一路连接到单片机(15)，一路连接到发射电路(10)；与门(U10)的输出端连接时间数字转换电路(14)。

6. 根据权利要求1所述的一种圆柱形压力容器表面温度和压力的无损测量装置，其特征在于所述的时间数字转换电路(14)采用高精度时间-数字转换器TDC-GP2，工作在第二量程模式。

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