一种管道内液体介质压力的超声波测量装置及测量方法与流程

本发明属于计量检测的，具体涉及一种管道内液体介质压力的超声波测量装置及测量方法。

背景技术：

1、液压系统运行监测与故障诊断需要检测系统的各类参数，而压力是最重要的参数之一。国内多数液压系统并没有在需要测量的部位留下检测接口，使得目前广泛采用的介入式测量方法在进行故障定位和排除时受到很大的限制。

2、非介入式压力测量主要包括电阻应变法和超声波法。电阻应变法对应变片的安装要求高，检测信号弱，故通用性和可靠性都不高。超声波管外测量通过检测超声波回波即可得到油液压力信息，具有不破坏流体流场、没有机械惯性、瞬态响应快、动态测量能力强、安装方便等优点。目前超声波非介入测压的研究主要分为两种：一种是通过超声波纵波研究管内液体在不同压力下的声学特性不同，通过大量试验数据建立压力与超声声速的关系；一种是研究管壁在不容压力下的声学特性，最终通过测量超声波在管壁中的传播速度推算出管道液体中的压力值。

3、目前现有超声非介入式测量研究中，由于纵波的发射比较简单，基本都采用超声纵波进行测量，但由于纵波在固液界面见发生反射与折射，导致接受信号噪音较大，测量精度低；同时由于金属管在使用过程中容易腐蚀减薄或者污垢沉淀变厚，会导致固液中的声程发生变化，致使压力测量结果发生严重漂移。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种管道内液体介质压力的超声波测量装置及测量方法，旨在解决上述的问题。本发明基于管壁应力与管道内液体压力在一定范围内成线性关系，而管壁应力又与超声波在管壁中的声速在一定范围内成线性关系，最终通过测量管壁横截面中超声波横波的传播时间来检测管道内部液体介质的压力值。

2、本发明主要通过以下技术方案实现：

3、一种管道内液体介质压力的超声波测量装置，包括楔块、温度探头、超声波阵列换能器、超声波阵列收发器、温度变送器、主控机，所述主控机分别与超声波阵列收发器、温度变送器连接，所述楔块的顶部安装有超声波阵列换能器，且底部为弧形结构；所述楔块一侧的管道上设置有温度探头，所述超声波阵列收发器、温度变送器分别与超声波阵列换能器、温度探头连接。

4、所述测试装置在测试过程中，所述温度探头贴装于管壁表面，超声波阵列换能器通过楔块安装于管壁表面，主控机控制超声波阵列收发器激发超声波阵列换能器，以发射特定角度的超声纵波，实现在待测管道的管壁中产生超声横波，经过多边形路径返回到超声波阵列换能器中，超声波阵列收发器将接收到的横波回波的数据以及温度变送器将检测的温度数据分别发送给主控机，主控机通过自相关算法和温度补偿算法，计算得到超声波横波在管壁中的传播时间。

5、本发明主要通过以下技术方案实现：

6、一种管道内液体介质压力的超声波测量方法，采用上述的测量装置进行，包括以下步骤：

7、步骤s100：根据待测管道和楔块的材质，计算出超声波的第一临界角和第二临界角，确定超声波阵列换能器的产生横波的发射角度范围；

8、步骤s200：通过超声波阵列换能器发射垂直于待测管道管壁表面的纵波，并计算出管壁厚度；

9、步骤s300：根据待测管道的管壁外径和步骤s200中计算的管壁厚度，调整步骤s100中超声波阵列换能器的产生横波的发射角度，使得超声波阵列换能器在管壁中产生的横波以多边形的路径进行传播；

10、步骤s400：选取与待测管道的材质、外径相同且壁厚不同的多种测试管道进行测试；

11、步骤s500：在零应力下，选取测试管道的某一截面作为超声测量区域；通过步骤s200的方法测得测试管道的管壁厚度b，测量不同壁厚的测试管道在零应力下所对应的超声折射横波的传播时间，拟合得到在温度t0下，零应力下超声折射横波在管壁的传播时间与管壁厚度的关系式t0＝a*b+b，进而得到在温度t0下，零应力超声横波在待测管道的管壁中的传播时间t0；

12、步骤s600：在待测管道上任选一截面作为超声横波的测量区域，同理，测试得到超声横波在待测管道的管壁中的传播时间t；

13、步骤s700：基于管道内部压力p与管壁内部应力σ之间理论上呈线性关系：

14、p＝k1*σ

15、其中，k1为管道内部压力与管道内部应力之间的相关系数；

16、根据声弹理论：

17、σ-σ0＝k2(t-t0)

18、其中，k2为超声横波在管壁中的传播时间与管壁应力之间的相关系数，

19、σ0为零应力，

20、σ为管壁应力，

21、t为超声横波在管壁中的传播时间；

22、最终可得出：

23、p＝k(t-t0)+b

24、其中：k为管道液体压力系数，b为超声传播系数；

25、步骤s800：在测试管道中进行打压测试试验，通过改变内部液压p的大小，获取多组超声横波在管壁中的传播数据，通过最小二乘法进行线性拟合，获得步骤s700中管道液体压力与超声传播声时的系数k和b的值，进而计算获得待测管道内液体的压力值。

26、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s200中，通过以下公式计算出管壁厚度：

27、

28、其中，t1为接收到的第一次回波时间点，t2为接收到的第二次回波的时间点；

29、c为超声纵波在该管壁材质中的声速。

30、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s500中，将测量装置安装在测试管道上，控制超声波阵列收发器激励超声波阵列换能器产生一定角度超声纵波，在零应力试块中转化为横波；横波通过多边形传播，最终被超声波阵列换能器接收，超声波阵列收发器将接收到的横波回波数据发送给主控机，主控机通过自相关算法和温度补偿算法，计算得到获得超声折射横波在管壁中的传播时间。

31、为了更好地实现本发明，进一步地，所述温度补偿算法步骤如下：

32、超声波横波在管壁内的传播时间和管壁的温度呈线性关系：

33、t＝t'+r*δt

34、其中，r为温度补偿系数；

35、δt为实际进行测量时，被测管道的温度与进行标定时的温度的差值；

36、t'为实际进行测量时，通过自相关算法计算出来的超声横波在管壁中传播的时间。

37、为了更好地实现本发明，进一步地，在设定的温度范围内，在管壁上选取均匀分布的16个点作为测试点，更改恒温箱温度，待恒温箱温度达到设定点后，继续等待，使管壁温度和温箱内部温度达到一致，测量超声波横波再管壁中的传播时间；通过循环改变恒温箱温度三次，记录每个温度点下超声波横波传播的时间，拟合得到超声波横波在管壁内的传播时间和管壁的温度的线性关系公式。

38、为了更好地实现本发明，进一步地，所述待测管道的管壁厚度大于2mm。

39、本发明的有益效果如下：

40、(1)本发明基于超声波横波进行管道内液体压力的测量，传播速度相对超声波纵波速度慢，提高了测量精度；超声波横波只能在固体中传播，避免超声波投射到管道介质中产生反射和散射等杂波信号，提高了测量的可靠性；

41、(2)本发明通过测量超声波横波在管壁整个横截面的传播时间来计算管道内液体的压力值，避免了管壁应力分布不均导致的测量误差；

42、(3)本发明使用超声线性阵列换能器，通过相控阵技术，更改内置晶片的发射时间相位，可在一定范围内任意调试超声波纵波的发射角度，在使用一个换能器的情况下可以进行测量管壁厚度和超声横波的传播时间。