專利名稱：圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置。
技術(shù)背景圓柱形壓力容器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石化、能源、輕工、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn) 過程中，為了保證工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，常常需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)壓力容器的表面溫度和壓力。瑞利波是沿材料表面?zhèn)鞑サ亩S彈性表面波。它不僅可以作為一種無損探 傷的媒介，而且還能靈敏地反映出材料內(nèi)部的應(yīng)力與溫度等信息。根據(jù)瑞利波 速與傳輸介質(zhì)中承受的應(yīng)力有關(guān)的特性，可建立了超聲波測(cè)量壓力的模型，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)壓力的無損檢測(cè)以克服因侵入式壓力測(cè)量而帶來的各種弊端。但是，該 模型沒有考慮溫度的影響，因此只適用在容器溫度不變的環(huán)境中。當(dāng)容器溫度發(fā)生變化時(shí)，每變化rC與壓力變化lMPa引起的超聲波傳播時(shí)間變化量同一數(shù) 量級(jí)，約為總傳播時(shí)間的萬分之幾。實(shí)際應(yīng)用中，由于外界環(huán)境或容器內(nèi)部物 質(zhì)的影響，容器表面溫度一般都是變化的，因此必須同時(shí)考慮溫度和壓力對(duì)超 聲波傳播時(shí)間的影響。現(xiàn)有的溫度測(cè)量方法多釆用接觸式方法測(cè)量。使用接觸式溫度儀表，在被 測(cè)表面安裝傳感器后，會(huì)引起表面溫度場(chǎng)的破壞，因此，測(cè)量精度難以保證， 而現(xiàn)有的非接觸式的儀表存在設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格較高等缺點(diǎn)。因此開發(fā)一種能夠 同時(shí)且無損地獲得壓力容器表面溫度和壓力的方法將具有重大的意義。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置。圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置中的單片機(jī)分別與存儲(chǔ)模 塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊、超聲波發(fā)射電路、循環(huán)控制電路、時(shí)間 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相連接，循環(huán)控制電路與超聲波發(fā)射電路、軸向超聲波接收電路、 切向超聲波接收電路、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相連接，超聲波發(fā)射電路與軸向瑞利 波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭相連接，軸向超聲波接收電路與軸向瑞利波 接收探頭相連接，切向超聲波接收電路與切向瑞利波接收探頭相連接。所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭、軸向瑞利波接收探頭、切向瑞利波接收探頭的工作頻率為1. 0 5. OMHz。所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭、切向瑞利波發(fā)射探頭、軸向瑞利波接收探頭、 切向瑞利波接收探頭中軸向瑞利波發(fā)射探頭和軸向瑞利波接收探頭安裝在待測(cè) 圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間 的距離為5 50厘米；切向瑞利波發(fā)射探頭和切向瑞利波接收探頭安裝在待測(cè) 壓力容器外表面的切向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離 為5 50厘米。本實(shí)用新型提出了瑞利波軸向和切向的渡越時(shí)間與圓柱形壓力容器表面溫 度、壓力的關(guān)系式，不僅避免了傳統(tǒng)的溫度和壓力測(cè)量方法因容器開孔引起的 各類安全隱患，而且提供了一種更為方便、更加靈活的壓力容器表面溫度和壓 力測(cè)量方法，能滿足在役壓力容器新增檢測(cè)點(diǎn)及某些壓力容器不宜在容器壁開 孔直接引壓或者無法實(shí)現(xiàn)安裝測(cè)溫點(diǎn)等需求?；谠摲椒ǖ臏y(cè)量裝置操作簡(jiǎn)單, 成本低廉，能夠在線檢測(cè)溫度和壓力，有助于更加有效地監(jiān)控壓力容器的安全 運(yùn)行。

圖1是圓柱形壓力容器示意圖圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖圖3是本實(shí)用新型的超聲波接收電路圖4是本實(shí)用新型的循環(huán)控制電路圖5是本實(shí)用新型的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量時(shí)序圖6是本實(shí)用新型試驗(yàn)中容器壓力不變時(shí)溫度與超聲波渡越時(shí)間關(guān)系圖圖7是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)中容器壓力與超聲波渡越時(shí)間變化的關(guān)系圖圖8是本實(shí)用新型測(cè)量流程示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示是待測(cè)圓柱形壓力容器的示意圖。超聲波波速受到應(yīng)力與溫度 的共同影響，根據(jù)這一原理，可以建立波速變化與容器壓力、溫度之間的關(guān)系。 但是速度變化本身不能直接測(cè)量，本實(shí)用新型將波速的變化量轉(zhuǎn)換為超聲波傳 播時(shí)間的變化量。瑞利波傳播時(shí)間等于傳播距離與傳播速度之比，因此必須同 時(shí)考慮溫度與壓力對(duì)瑞利波傳播距離和速度的影響。 1)溫度與應(yīng)力對(duì)波速的影響設(shè)定壓力為o、溫度為某一特定溫度7:時(shí)的狀態(tài)為初始狀態(tài)。當(dāng)前狀態(tài)與初 始狀態(tài)相比，溫度與壓力都發(fā)生了變化。作為一種機(jī)械波，由于溫度變化的影響，當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)相比，瑞利波的傳播速度會(huì)發(fā)生變化。在一定溫度范 圍內(nèi)，波速與介質(zhì)溫度可近似認(rèn)為是線性關(guān)系<formula>formula see original document page 7</formula> (1)式中溫度變化量A 7=7-7。 ， r。為初始狀態(tài)溫度，r為當(dāng)前溫度，,n表示壓力 為0、溫度為T時(shí)超聲波波速，v(。，。表示初始狀態(tài)時(shí)波速，a為溫度對(duì)波速的 影響系數(shù)。對(duì)于如圖1所示的壓力容器，當(dāng)容器承受內(nèi)壓時(shí)，因瑞利波只在介質(zhì)表面 傳播，可以直接取切向應(yīng)力為容器壁表面切向應(yīng)力。則對(duì)于只受內(nèi)壓p的圓柱形 壓力容器有<formula>formula see original document page 7</formula> (2)<formula>formula see original document page 7</formula> (3)式中 ， 分別表示壓力容器受壓時(shí)的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力；"為壓力容器的 內(nèi)半徑；6為壓力容器的外半徑。當(dāng)瑞利波沿軸向和切向方向傳播時(shí)，可得<formula>formula see original document page 7</formula> (4)<formula>formula see original document page 7</formula> (5)式中，《p， 4p，《r ^C是與材料的二階和三階聲彈性常數(shù)有關(guān)的量；《'。， vr')分別表示在無應(yīng)力狀態(tài)下溫度為K時(shí)瑞利表面波沿軸向和切向傳播的速度; △、=《'。-《。；△&=《'。-《'。；其中，《'。、、f'。分別表示受應(yīng)力"影響后溫度為7:時(shí)沿0、 e方向波速將(2)式和(3)式代入(4)式和(5)式可以得到<formula>formula see original document page 7</formula> (6) <formula>formula see original document page 7</formula> (7)式中心、L是與材料聲彈性常數(shù)有關(guān)的參數(shù)。受溫度和應(yīng)力同時(shí)影響后表面波傳播速度為:<formula>formula see original document page 8</formula>(8)<formula>formula see original document page 8</formula>(9)2)溫度與應(yīng)力對(duì)超聲傳播距離的影響超聲的傳播距離同時(shí)受到溫度和壓力的影響，溫度變化會(huì)引起材料的熱脹 冷縮，從而使超聲波傳播距離發(fā)生變化，以切向?yàn)槔?，受溫度影響后變換量可表示為<formula>formula see original document page 8</formula> (10)其中，,為線膨脹系數(shù)，4°'。表示初始狀態(tài)下沿《方向的傳播距離，a4。力表示應(yīng)力為零時(shí)受溫度7影響后沿^方向的傳播距離變化量。另一方面，壓力在容器壁產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)引起應(yīng)變，導(dǎo)致超聲波切向傳播距 離發(fā)生變化-<formula>formula see original document page 8</formula> 11)式中^為楊氏模量，w為泊松比，。-為容器壓力在軸向產(chǎn)生的應(yīng)力，?！稙榍邢驊?yīng)力，Ai^'。表示溫度為7;時(shí)受應(yīng)力影響后沿^方向的應(yīng)變。因此，將公式(2)、 (3)代入(11)，可得<formula>formula see original document page 8</formula> (12) 傳播距離的總變化量是溫度、應(yīng)力共同作用的結(jié)果 <formula>formula see original document page 8</formula>(13)線膨脹系數(shù)"非常小， 一般數(shù)量級(jí)只有10—5，因此，MrA《，。不超過A^，。的 千分之一，可以省略，則公式(13)化簡(jiǎn)為<formula>formula see original document page 8</formula>
將式(IO)、 (12)代入式(14)，得<formula>formula see original document page 8</formula> (15)
同理可得軸向傳播距離受溫度與應(yīng)力共同影響后的變化量<formula>formula see original document page 8</formula> (16)3)溫度和壓力對(duì)傳播時(shí)間的影響以瑞利波切向傳播為例，推導(dǎo)傳播時(shí)間與溫度變化量和壓力的關(guān)系模型,(o,r。)—_ (17) ~一T^ 、丄'乂 式中，C。表示初始狀態(tài)下傳播時(shí)間。溫度與壓力變化后，表面波切向傳播時(shí)間為e 一^,將公式(8)、 (15)代入(18)式，進(jìn)一步代入公式(6)，整理可得4") =[(^-+ )]c"r。) (19)2五 6 -a^公式(19)中c為一合適的常數(shù)。2尺XM62-"2)約為萬分之幾，遠(yuǎn)小于l，因此可以省略掉此項(xiàng)，可得切向傳播時(shí)間、壓力與溫度之間的關(guān)系式 同理，經(jīng)推導(dǎo)可得軸向關(guān)系式,r力=(,-"^rP+(々+ )"+[C" - M— 《] (21)從公式(20)、 (21)可看出，壓力p和表面溫度7前的系數(shù)由楊氏模量f、泊 松比w、線膨脹系數(shù)》等參數(shù)組成，這些參數(shù)根據(jù)材料的不同而不同，即使同 一種材料，由于加工過程的差異也會(huì)有微小的差別，因此很難單獨(dú)確定各參數(shù)的值，實(shí)際使用中，可將各系數(shù)看作一個(gè)整體，將公式寫成如下形式 切向4")-^P + gJ + ^ (22)軸向,fr)=^p + g,r + ~ (23)因此圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量方法為利用超聲瑞利波 在壓力容器軸向和切向傳播距離內(nèi)的渡越時(shí)間與壓力容器表面溫度和壓力值的 關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，切向和軸向的超聲瑞利波渡越時(shí)間與壓力容器的壓力和表面溫 度的關(guān)系式為々，r) = V+ r+~其中f'n、《"分別為超聲波切向和軸向的渡越時(shí)間，p為待測(cè)容器的工作壓力，r為待測(cè)容器的表面溫度，&、 &、 &、 、、 g一 ~為系數(shù)。其中&、 &、 &、 、、 &、 ^系數(shù)的獲得方法為改變待測(cè)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值，測(cè)量相應(yīng)狀態(tài)下的軸向和切向超聲波渡越時(shí)間，在獲得 待測(cè)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)壓力和表面溫度值以及軸向和切向超聲波渡越時(shí)間這四個(gè) 值的多組數(shù)據(jù)后，通過函數(shù)逼近的方法得到&、 g" &、 、、 g一 ^系數(shù)的值。如圖2所示，圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置中的單片機(jī) 15分別與存儲(chǔ)模塊6、顯示模塊7、鍵盤模塊8、通訊模塊9、超聲波發(fā)射電路 10、循環(huán)控制電路12、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14相連接，循環(huán)控制電路12與超聲 波發(fā)射電路IO、軸向超聲波接收電路ll、切向超聲波接收電路13、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn) 換電路14相連接，超聲波發(fā)射電路10與軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切向瑞利波發(fā) 射探頭3相連接，軸向超聲波接收電路11與軸向瑞利波接收探頭4相連接，切 向超聲波接收電路13與切向瑞利波接收探頭5相連接。軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切向瑞利波發(fā)射探頭3、軸向瑞利波接收探頭4、 切向瑞利波接收探頭5的工作頻率為1. 0 5. 0MHz。軸向瑞利波發(fā)射探頭2、切 向瑞利波發(fā)射探頭3、軸向瑞利波接收探頭4、切向瑞利波接收探頭5中軸向瑞 利波發(fā)射探頭2和軸向瑞利波接收探頭4安裝在待測(cè)圓柱形壓力容器外表面的 軸向，并在垂直方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5 50厘米；切 向瑞利波發(fā)射探頭3和切向瑞利波接收探頭5安裝在待測(cè)壓力容器外表面的切 向，并在水平方向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5 50厘米。瑞利波探頭可以選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)表面波超聲探頭，PZT探頭 的機(jī)電耦合系數(shù)約為70%，阻抗特性優(yōu)越，工作頻率為2.5MHz，尺寸為13X 13 (ram2)，可從常州大平超聲波儀器有限公司購(gòu)買。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)采用高精度時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2，工作在第 二量程模式。高精度時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2可向acam公司購(gòu)買。單片機(jī)可以選用microchip公司的PIC16F877A整個(gè)儀器的工作原理為在單片機(jī)控制下發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)300伏的脈沖同 時(shí)激發(fā)兩個(gè)發(fā)射探頭，經(jīng)過一段時(shí)間后，兩個(gè)接收探頭分別收到瑞利波信號(hào)， 利用兩路接收電路進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，在單片機(jī)控制線和程序的控制下，循環(huán)控制電路首先處理軸向信號(hào)，其輸出信號(hào)一路連接到發(fā)射電路進(jìn)行超聲的再 激發(fā)； 一路連接到單片機(jī)進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)； 一路連接到時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)超 聲循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，單片機(jī)將改變控制線信號(hào)使得超聲發(fā)射終止并改TDC的輸入電平進(jìn)行時(shí)間計(jì)時(shí)。當(dāng)軸向測(cè)量完成后單片機(jī)讀取TDC寄存器獲取超 聲波軸向渡越時(shí)間并存入存儲(chǔ)模塊，之后單片機(jī)修改控制線并重新激發(fā)超聲進(jìn) 行超聲波切向渡越時(shí)間的測(cè)量。在獲取超聲波軸向和切向渡越時(shí)間之后單片機(jī) 利用存貯器中保存的計(jì)算公式進(jìn)行壓力容器表面溫度和壓力的計(jì)算，并通過顯 示模塊和通訊模塊進(jìn)行信息交互。如圖3所示，軸向超聲波接收電路11或切向超聲波接收電路13的電路為 軸向瑞利波接收探頭4或切向瑞利波接收探頭5接收到的超聲波信號(hào)接到第六 電容G的一端，第六電容C6的另一端接到第十四電阻R"和第十五電阻R,5，第十 四電阻R"的另一端接地，第十五電阻RB的另一端連接到第一放大器A1的負(fù)端， 第一放大器A1的正端接地，第一放大器A1的輸出端通過第十六電阻Rw連接到 第一放大器A1的負(fù)端，第一放大器A1的輸出端連接第七電容C7的一端，第七 電容C7的另一端連接第五電阻Rs和第六電阻R6，第五電阻Rs的另一端接地，第 六電阻R6的另一端連接同時(shí)連接第十七電阻I^、第四電容C,、第三電容C3的一 端，第十七電阻Rn的另一端接地，第四電容C4的另一端接第二放大器A2的負(fù) 端，第三電容C3的另一端接第二放大器A2的輸出端，第七電阻R7的兩端分別接 在第二放大器A2的負(fù)端和輸出端，第二放大器A2的正端通過第八電阻R8接地， 第二放大器A2的輸出端連接第五電容Cs的一端，第五電容Cs的另一端連接第九 電阻R9和第十電阻R^，第九電阻&的另一端接地，第十電阻R,。的另一端連接到 第三放大器A3的負(fù)端，第三放大器A3的正端接地，第三放大器A3的輸出端通 過第十二電阻Ru和第十一電阻Ru連接到第三放大器A3的負(fù)端，第三放大器A3 的輸出端通過第十三電阻仏3連接至循環(huán)控制電路12。第一放大器Al和第三放大器A3可以采用高速寬頻帶的放大器AD8091，第 二放大器A2可以采用寬頻帶的放大器AD8092。整個(gè)電路通過第十一電阻R"吏 得總放大倍數(shù)1000 3000倍，由第六電容C6與第十四電阻R14、第七電容G與 第六電阻Rs、第五電容Cs與第九電阻R9組成的前置、中置和后置RC無源高通濾 波電路截止頻率可以設(shè)置為0.8 0.9Mhz，由第二放大器A2、第七電阻R、第 十七電阻Rn、第八電阻Rs、第三電容C3、第四電容C4組成的有源帶通濾波電路 中心頻率設(shè)置為瑞利波工作頻率。如圖4所示，循環(huán)控制電路12的電路為第一高速比較器U11和第二高速比較器U12的負(fù)端分別連接軸向超聲波接收電路11或者切向超聲波接收電路 13，第一高速比較器Ull和第二高速比較器U12正端連接相同的比較電壓；第 一高速比較器Ull的正輸出端連接第一 JK觸發(fā)器Ul的C端，第一 JK觸發(fā)器Ul的s端和J端接電源VCC，其K端接地，其e端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的B端，第一 JK觸發(fā)器Ul的5端分別連接到第二 JK觸發(fā)器U2的C端和第三與門 U9的一端；第二電阻R2的一端連接電源VCC，另一端連接第一電阻R,，第一電 阻R的另一端同時(shí)連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的cx/^端和第一電容d的一 端，第一電容d的另一端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的CX端，第一單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器U5的^端連接單片機(jī)第五控制線cp5，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的3端接地， 第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5的g端和單片機(jī)第一控制線cpl連接在第一與門U7的兩個(gè) 輸入端，第一與門U7的輸出端連接在第一 JK觸發(fā)器U1的R端，第二JK觸發(fā) 器U2的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第三控制線cp3， 其5端連接到第四與門U10的一個(gè)輸入端；第二高速比較器U12的正輸出端連接 第三JK觸發(fā)器U3的C端，第三JK觸發(fā)器U3的S端和J端接電源VCC，其K端 接地，其2端連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的B端，第三JK觸發(fā)器U3的^端分 別連接到第四JK觸發(fā)器U4的C端和第三與門U9的另一端；第四電阻的一端 連接電源VCC，另一端連接第三電阻R3，第三電阻R3的另一端同時(shí)連接到第二單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的CY/i^端和第二電容G的一端，第二電容C2的另一端連接到 第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的CX端，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的^端連接單片機(jī)第六 控制線cp6，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的2端接地，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的^端和 單片機(jī)第二控制線cp2連接在第二與門U8的兩個(gè)輸入端，第二與門U8的輸出 端連接在第三JK觸發(fā)器U3的R端，第四JK觸發(fā)器U4的S端和J端接電源VCC， 其K端接地，其R端連接單片機(jī)第四控制線cp4，其5端連接到第四與門U10的 另一個(gè)輸入端；與門U9的輸出端分成兩路， 一路連接到單片機(jī)15， 一路連接到 發(fā)射電路10;與門U10的輸出端連接時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14。高速比較器可以選用美信公司的MAX912， JK觸發(fā)器可以選用74LS112,單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以選用74LS123,與門可以選用74LS00。第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5和 第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U6的脈沖寬度分別通過第一電容d、第一電阻Rh第二電阻 R2和第二電容C2、第三電阻R3、第四電阻R,進(jìn)行調(diào)節(jié)，要求其脈沖寬度大于全 部比較脈沖的通過時(shí)間，小于單程表面波的總傳播時(shí)間，以壓力容器的材料為 16MnR鋼，超聲波傳播距離約為15cm為例，其脈沖寬度可以設(shè)置在14 28盧。整個(gè)電路的工作原理是當(dāng)接收到經(jīng)過放大濾波之后的超聲信號(hào)后，第一 高速比較器和第二高速比較器會(huì)輸出脈沖信號(hào)進(jìn)入具有置1功能的第一 JK觸發(fā) 器Ul和第三JK觸發(fā)器U3，并進(jìn)一步激發(fā)第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U5和第二單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器U6，在第一單片機(jī)控制線cpl和第二單片機(jī)控制線cp2的控制下，第一與門u7和第一與門u8可以使得第一 jk觸發(fā)器Ul和第三jk觸發(fā)器U3的5端產(chǎn)生 一個(gè)下降沿脈沖后又回復(fù)到高電平，利用此脈沖通過第三與門U9可以促使超聲 波發(fā)射電路再次激發(fā)超聲，同時(shí)連接到單片機(jī)用于循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)軸向或者切向 超聲循環(huán)計(jì)算完成后，單片機(jī)利用第三控制線cp3和第四控制線cp4改變第二 jk觸發(fā)器u2和第四jk觸發(fā)器u4的5端信號(hào)，并通過第四與門u10把此信號(hào)變 化用于TDC計(jì)時(shí)。如圖5所示，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路14采用高精度時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2， 工作在第二量程模式，圖5為tdc-gp2的測(cè)量時(shí)序。a表示超聲波循環(huán)一次的傳 播時(shí)間，^表示循環(huán)n-1次的總傳播時(shí)間。TDC-GP2將計(jì)算出超聲循環(huán)n次后 的總傳播時(shí)間，單片機(jī)讀取相應(yīng)的寄存器，計(jì)算后就可以獲得所需的超聲波渡 越時(shí)間。圖6是本實(shí)用新型試驗(yàn)中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，超聲波探頭選用鋯鈦酸鉛壓電 陶瓷(PZT)表面波超聲探頭，工作頻率為2.5 MHz。軸向與切向探頭的距離都 設(shè)為約150mm，容器的材料為16MnR鋼，內(nèi)半徑為162mm，外半徑為165mm。保 持容器的壓力fO,當(dāng)容器壁表面溫度在0 100 'C變化時(shí)，分別測(cè)量出軸向和 切向的表面溫度以及對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間，然后作曲線擬合。圖6中軸向直 線的斜率為0. 0191，截距為29.177;切向直線的斜率為0. 0197，截距為30. 254。 因此，公式(22)、 (23)中的系數(shù)為:1.91x10—8; 2.9177x10—5 ^= 1.97x10—8; 3.0254x10—5圖7是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)中在不同溫度下，容器壓力與超聲波渡越時(shí)間變化 的關(guān)系圖。當(dāng)切向和軸向傳播距離相等時(shí)，系數(shù)^二^，力f力e。進(jìn)一步對(duì)容器施加壓力，以切向?yàn)槔?dāng)溫度為71=5. rc時(shí)測(cè)量傳播時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的壓力值，將該溫度下不同壓力時(shí)的傳播時(shí)間減去零壓力下的傳播時(shí)間，艮口<formula>formula see original document page 13</formula> (24)由公式(24)可得系數(shù)h。同理可得系數(shù)h。分別在溫度為5. rC， 12°C， 25°C， 33'C時(shí)測(cè)量出軸向和切向的時(shí)間變化量 以及對(duì)應(yīng)的壓力p，曲線擬和結(jié)果如圖7所示。由圖7可得軸向比例系數(shù)為4.9，切向比例系數(shù)為8.4，則公式(22)、 (23)中的系數(shù)為h= 4.9X10—15; h= 8.4X10—15將h、 h以及前面得到的^、 ^、 &、叢分別代入公式(22)、 (23),可得=8.4xl0-15p + 1.97xl0-8r + 3.0254xl(r5 (25)=4.9x10-15p + 1.91xl0-8r + 2.9177xl0-5 (26)測(cè)量出切向與軸向傳播時(shí)間后，代入公式(25)與(26)，計(jì)算可得容器表面 溫度7和壓力p。對(duì)于不同容器、結(jié)構(gòu)、探頭等，其系數(shù)是不一樣的，但測(cè)量過程是一樣的。 如圖8所示是本實(shí)用新型測(cè)量流程示意圖。在整定完儀表系數(shù)后，將壓力容器表面溫度和壓力的測(cè)量公式保存在存儲(chǔ)模塊中，儀表上電后，在單片機(jī)程 序的控制下獲得軸向和切向超聲波渡越時(shí)間，然后計(jì)算出所求的壓力容器表面 溫度和壓力的值，用于數(shù)據(jù)顯示和通訊。
權(quán)利要求1. 一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量裝置，其特征在于單片機(jī)(15)分別與存儲(chǔ)模塊(6)、顯示模塊(7)、鍵盤模塊(8)、通訊模塊(9)、超聲波發(fā)射電路(10)、循環(huán)控制電路(12)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)相連接，循環(huán)控制電路(12)與超聲波發(fā)射電路(10)、軸向超聲波接收電路(11)、切向超聲波接收電路(13)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)相連接，超聲波發(fā)射電路(10)與軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)相連接，軸向超聲波接收電路(11)與軸向瑞利波接收探頭(4)相連接，切向超聲波接收電路(13)與切向瑞利波接收探頭(5)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量 裝置，其特征在于所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)、 軸向瑞利波接收探頭(4)、切向瑞利波接收探頭(5)的工作頻率為1.0 5.0MHz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量 裝置，其特征在于所述的軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)、切向瑞利波發(fā)射探頭(3)、 軸向瑞利波接收探頭(4)、切向瑞利波接收探頭(5)中軸向瑞利波發(fā)射探頭(2)和 軸向瑞利波接收探頭(4)安裝在待測(cè)圓柱形壓力容器外表面的軸向，并在垂直方 向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5 50厘米；切向瑞利波發(fā)射探頭 (3)和切向瑞利波接收探頭(5)安裝在待測(cè)壓力容器外表面的切向，并在水平方 向保持在同一直線上，兩探頭之間的距離為5 50厘米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量 裝置，其特征在于所述的軸向超聲波接收電路(11)或切向超聲波接收電路(13) 的電路為軸向瑞利波接收探頭(4)或切向瑞利波接收探頭(5)接收到的超聲 波信號(hào)接到第六電容(Ce)的一端，第六電容(Ce)的另一端接到第十四電阻(Rw)和第十五電阻(R15)，第十四電阻(R14)的另一端接地，第十五電阻(R15)的另 一端連接到第一放大器(Al)的負(fù)端，第一放大器(Al)的正端接地，第一放 大器(Al)的輸出端通過第十六電阻(R16)連接到第一放大器(Al)的負(fù)端， 第一放大器(Al)的輸出端連接第七電容(C7)的一端，第七電容(C7)的另一 端連接第五電阻(R。和第六電阻(R6)，第五電阻(R5)的另一端接地，第六電 阻(R6)的另一端連接同時(shí)連接第十七電阻(R17)、第四電容(C4)、第三電容(C3) 的一端，第十七電阻(R17)的另一端接地，第四電容(C4)的另一端接第二放大 器(A2)的負(fù)端，第三電容(C3)的另一端接第二放大器(A2)的輸出端，第七電阻(R7)的兩端分別接在第二放大器(A2)的負(fù)端和輸出端，第二放大器(A2) 的正端通過第八電阻(R8)接地，第二放大器(A2)的輸出端連接第五電容(C5) 的一端，第五電容(C5)的另一端連接第九電阻(R9)和第十電阻(R,。)，第九 電阻(R9)的另一端接地，第十電阻(R1Q)的另一端連接到第三放大器(A3)的 負(fù)端，第三放大器(A3)的正端接地，第三放大器(A3)的輸出端通過第十二 電阻(R12)和第十一電阻(Ru)連接到第三放大器(A3)的負(fù)端，第三放大器(A3)的輸出端通過第十三電阻(R13)連接至循環(huán)控制電路(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量 裝置，其特征在于所述的循環(huán)控制電路(12)的電路為第一高速比較器(U11) 和第二高速比較器(U12)的負(fù)端分別連接軸向超聲波接收電路(11)或者切向 超聲波接收電路(13)，第一高速比較器(U11)和第二高速比較器(U12)正端 連接相同的比較電壓；第一高速比較器(U11)的正輸出端連接第一 JK觸發(fā)器(Ul)的C端，第一JK觸發(fā)器(Ul)的S端和J端接電源VCC，其K端接地， 其2端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的B端，第一JK觸發(fā)器(Ul)的^端分 別連接到第二JK觸發(fā)器(U2)的C端和第三與門(U9)的一端；第二電阻(R2) 的一端連接電源VCC，另一端連接第一電阻(RJ，第一電阻(RJ的另一端同時(shí) 連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的cr/M端和第一電容(d)的一端，第一電 容(d)的另一端連接到第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的CX端，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的^端連接單片機(jī)第五控制線(cp5)，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的2端 接地，第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U5)的^端和單片機(jī)第一控制線(cpl)連接在第一 與門(U7)的兩個(gè)輸入端，第一與門(U7)的輸出端連接在第一JK觸發(fā)器(Ul) 的R端，第二JK觸發(fā)器(U2)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端 連接單片機(jī)第三控制線(cp3)，其5端連接到第四與門(U10)的一個(gè)輸入端； 第二高速比較器(U12)的正輸出端連接第三JK觸發(fā)器(U3)的C端，第三JK 觸發(fā)器(U3)的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其e端連接到第二單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器(U6)的B端，第三JK觸發(fā)器(U3)的3端分別連接到第四JK觸發(fā)器(U4)的C端和第三與門(U9)的另一端；第四電阻(R4)的一端連接電源VCC，另一端連接第三電阻(R3)，第三電阻(R》的另一端同時(shí)連接到第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (U6)的CX/M端和第二電容(C2)的一端，第二電容(C2)的另一端連接到第 二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的CX端，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的^端連接單片機(jī) 第六控制線(cp6)，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6)的2端接地，第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U6) 的5端和單片機(jī)第二控制線(cp2)連接在第二與門(U8)的兩個(gè)輸入端，第二與門(U8)的輸出端連接在第三JK觸發(fā)器(U3)的R端，第四JK觸發(fā)器(U4) 的S端和J端接電源VCC，其K端接地，其R端連接單片機(jī)第四控制線(cp4)， 其5端連接到第四與門(U10)的另一個(gè)輸入端；與門(U9)的輸出端分成兩路， 一路連接到單片機(jī)(15)， 一路連接到發(fā)射電路(10);與門(U10)的輸出端連 接時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量 裝置，其特征在于所述的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(14)采用高精度時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換 器TDC-GP2，工作在第二量程模式。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于瑞利波的圓柱形壓力容器表面溫度和壓力的無損測(cè)量方法及裝置。本實(shí)用新型建立了瑞利波渡越時(shí)間與壓力容器的表面溫度和壓力的關(guān)系模型，利用由四個(gè)瑞利波探頭、超聲波收發(fā)電路、循環(huán)控制電路、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)組成的測(cè)量裝置，通過測(cè)量傳播距離內(nèi)的瑞利波的渡越時(shí)間，計(jì)算得到壓力容器的表面溫度和壓力值。本實(shí)用新型不僅避免了傳統(tǒng)的溫度和壓力測(cè)量方法因容器開孔引起的各類安全隱患，而且能滿足在役壓力容器新增檢測(cè)點(diǎn)及某些壓力容器不宜在容器壁開孔直接引壓或者無法實(shí)現(xiàn)安裝測(cè)溫點(diǎn)等需求?；谠摲椒ǖ臏y(cè)量裝置操作簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠在線檢測(cè)溫度和壓力，有助于更加有效地監(jiān)控壓力容器的安全運(yùn)行。
文檔編號(hào)G01K11/22GK201096547SQ20072011089
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者凌張偉, 張宏建, 慶 賀 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)