基于反射纵波的压力容器压力测量方法研究

【摘要】压力容器数量众多、应用非常广泛,但其也是一种具有较高危险性的特种设备。为保障安全生产和提高生产效率,压力容器压力状态的监控是生产运行的重要环节。但传统的介入式压力测量方法往往需要在压力容器上开孔引压,开孔会引起孔边缘局部应力集中和应力分布不均,而应力集中容易引发裂纹等缺陷,带来了爆炸、泄漏等安全隐患。因此,研究非介入式压力测量方法是经济发展过程中提出的迫切需要解决的科学问题,也是检测技术发展的必然趋势。本文在前人研究成果和查阅国内外文献的基础上,结合超声波声弹性原理以及板壳理论,提出了基于反射纵波的压力容器压力测量方法。相比常应用于应力检测的临界折射纵波(LCR波),反射纵波的电压幅值要大,因此信噪比高,信号捕获容易且互相关运算求取的时延也更加准确。实验表明,与临界折射纵波相比,基于反射纵波的压力测量方法抗干扰性增强,测量灵敏度和压力分辨率提高,灵敏度提高了32.2%。本文针对温度对超声波压力测量的显著影响,提出了一种实用的温度补偿的压力测量模型,实验表明,该模型效果良好,测量相对误差可控制在12%以内。本文的主要工作在于：(1)建立了基于反射纵波的压力测量模型。从声弹性理论入手,详细分析了应力对超声波波速的影响,利用板壳理论得到压力容器内压与管壁应力分布的关系。结合声弹性理论和板壳理论,经过简化处理,推导出了基于反射纵波的压力容器压力测量模型。(2)根据超声波压力检测中传播时延测量的特点,提出了基于FIR数字滤波器的互相关时延测量方法。超声波的声弹性效应非常微弱,压力引起的超声波传播时延量非常微小,因此超声波传播时延量的精确测量是基于超声波压力测量方法需解决的一个关键问题。基于互相关函数的时延测量方法只需要两信号在波形上相似,幅值上没有要求。这区别于传统的计时方法需要固定电压触发计时,当信号幅值变化时,将给时廷的测量带来误差。超声波压力测量中,超声波接收信号的幅值受很多因素的影响,例如压力、温度、超声波在管壁中的衰减等。因此基于互相关函数的时延测量方法是适合用于超声波传播时延测量的。FIR数字滤波器具有严格的线性相位,保证了滤波后信号具有相同的群延时,不会给时廷测量带来额外误差。实验分析结果表明基于FIR数字滤波器的互相关时延测量方法不仅算法简单快速,而且具有良好的可靠性。(3)以水压力罐为实验对象,从不同的探头间距以及不同的压力容器罐体两个方面实验验证了基于反射纵波压力测量模型的正确性。基于反射纵波和临界折射纵波的压力测量对比实验表明,与临界折射纵波相比,基于反射纵波的压力测量方法灵敏度和测量精度更高,抗干扰性也增强,应用中有很大优势。为了消除温度影响,根据实验分析得到的不同温度条件下压力引起的传播时延随压力变化规律可认为是一致的、与温度无关的结论,提出了一种温度补偿的测量模型。实验结果表明,采用该温度补偿模型,压力测量误差可控制在一个较小范围,有效地消除了温度影响。
【作者】毕瑶；
【导师】周洪亮；张宏建；
【作者基本信息】浙江大学，控制科学与工程，2014，硕士
【关键词】压力容器；压力测量；超声波；非介入式；反射纵波；温度补偿；

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