超声波小管径压_力检测仪原理_与研制

电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增干 1】 超声波小管径压力检测仪原理与研制 李 芳李艾华吴晓庆 ( 第二炮兵工程学院 5 0 2 教研室西安7 1 0 0 2 5 ) 摘要:本文介绍了一种超声波非介入式压力检测装置， 特别适用于小管径条件下的压力检测。 给出了 压 力检测的基本原理和方法、装备硬件组成结构和工作原理、试验数据与结果分析。具有一定的创新性和较广 阔的应用前景。 / 关键字:超声波压力检测 V L i F a n g L i A i h u a W u X i a o g i n g ( S t a f f R o o m 5 0 2 T h e S e c o n d A r t i l l e ry E n g i n e e r i n g C o l l e g e X i a n 7 1 0 0 2 5 ) A b s t r a c t : A k i n d o f u l t r a s o n i c n o n - i n t e r p o s e d d e t e c t i o n i n s t ru m e n t i s i n t r o d u c e d , w h i c h i s e s p e c i a l l y a p p l i c a b l e t o p re s s u r e o f s m a l l d i a m e t e r s t a t e . T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e p r i n c i p l e a n d t h e m e t h o d o f p r e s s u r e d e t e c t i o n , t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e h a r d w a re , t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a n d a n a l y s i s . T h i s i n n o v a t i v e i n s t ru m e n t c a n h a v e a w i d e a p p l i c a t i o n Ke y w o r d s : p r o s p e c t . U l t r a s o n i c , p r e s s u r e , d e t e c t i o n . 1 箭令 占rJ 切不 2 液压系统具有传递功率大、 结构小、 响应快等特点， 广泛应用于各种机械设备和自 动控制 系统中。 但是由于系统中各元件和工作液体都是在封闭的油路内 工作， 在制造时又没有预留检 测接口， 这就给系统的状态检测和故障维修带来了 极大的困难。 在这种情况下非介入式检测方 式就成为解决这一难题的最佳选择。 目 前， 非介入式压力测量方法主要包括电阻应变法和超声 波法。 超声波管外测量方法通过检测超声波回波即可得到油液的压力信息， 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。 本文介绍的检测仪利用 超声波在油液中的 传播速度受油液压力影响这一特性， 通过测量超声波传播时间来测量油液压 2基本原理与方法 基本原理 超声波在液压管路中传播时， 压力增加， 使得油液密度增加， 压缩系数减小， 从而导致声 oJ. 力 . 八 速增加。 而且在一定温度下， 声速随着液压油压力的增加而线性增加。 利用超声波传播时间的 变化来表示声波传播速度的变化， 就可以 通过测量超声波传播时间的变化来推导出油液中 超声 波的速度变化，进而确定油液压力的变化情况。 液压油的 化学 性 质主要由 烃类决定， 烃 类物质按声 学 特性一 般属于K n e s e r + 液体。 根 据比 卡尔的研究成果，K n e s e r 液体具有以下4 个性质: 电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊 ( 1 ) 在一定温度下，声速随压力的增加而线性增加 二 = 尸 . x ( 1 ) c, 式中C一液体中 声 速;C 0 一常 温一 个 大 气 压 下 液 体中 声 速; P 一液 体 压 力; K 一比 例系 数; ( 2 ) 在一定压力下，声速随温度的增加而线性减少; ( 3 ) 压力越高， 温度影响越弱， 在压力波动范围不大的情况下，温度影响可以忽略; ( 4 ) 不同液体其声速值不同。 2 . 2 方法与模型 在一定温度下， 声速随油液压力的增加而线性增加， 尤其在压力较高且温度波动范围不大 的环境下， 其线性关系是稳定的， 所以可通过检测声速的变化情况来计算油液的压力。 但直接 测量超声波在油液中的速度变化十分困 难， 而测量其在管道中的传播时间则易于实现， 所以需 要将压力/ 声速关系转化为压力/ 时间关系。 对于外径为D的管路，超声波管外压力检测原理如图1 所示。 超声波传感器T R A 在控制 电路的作用下发射一束超声波，同时超声波传感器 T O 接收反射的超声波，并转化为电 信号 输送给数据采集电路。设超声波在油液中传播的声程为L，则: ( 2 ) L一T -一 C 式中:C 一声速;T 一声波在油液中的传播时间。 L , TRATRB eo一招气 口I b L 3 j 吸报共井鑫 图1 超声波管外测压原理图 图 中 ， T R A , T R B为 超 声 波 探 头; D为 被 测管 道 外 经; d 为管 道内 径;吞为 超 声 波 探头 之间 的 中 心 距 离 ; 9 0 为 超 声 波 入 射 角 2风 为 超 声 波 在 管 材 中 的 折 射 角 ; 风为 超 声 波 在 流 体 中 的 折射角。 将( 2 ) 代入( 1 ) 可以 得到如下表达式: 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2 0 0 4年增干 ij 、 .， _ L / _ : _ 二 /LTo“ T ( 3 ) . _， _二_ ， _ ，_。 ，AT_， 。 ， 二一， 、 ， 很据头粒p i 知，L b A T，PA ID - -4 U，卞足工八p i 义刀， -t o K . 尸 = 全 二+ 1 T p 进一步可转换为: T K 丑 1 + K 二 B . O T + 8 ( P )( 4 ) T o 式 中 : 尸 为 油 液 压 力 ; B= 二 匕 K T 0 的管径，B显然是不同的。因为: 为 压 力 / 时 间 曲 线 的 斜 率 ; 8 ( P ) 为 修 正 量 。 显 然 ， 对 于 不 同 B= 二 KT Co 1 L K U入 Cn ( 5 ) 对 于 某 一 确定的 液 体C 。 是 常 量， 所以 ( 5 ) 式 可 变为: B . L = 丘= c o n s t ( 6 ) K 由 上 式 可以 看出 ， 斜率B与 声 程L 成反比 。 设 一 标 准 管的 声 程乌， 其 斜 率为B o ; 则 对 任一管径，其斜率B 为: ( 7 ) 丘L P 誉 B o A T + S (P ) 因 为 对 确定 规 格的 探头e , 为 定 值， 所以 : ( g ) L Z= L : 一 ( D一 d ) - tg 8 , 2 L 3 =目 二 乙一L , 2 则:超声波在油液中传播的声程为 L = 2 丫 、 + L 23 若 在 常 温 一 个 大 气 压 下 传 感 器T R B 接收 到回 波 所 用时 间 为T o ， 加 压 后 传感 器T R B接 收 到回 波 所用的 时间 为T , o _ ( D - d 2 二 tg 8 , 十 2 C: T ,= ( D一 ) tg 8 , 2 C: L C 电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊 式 中 : C : 一 超 声 波 在 管 材 中 传 播 的 声 速 ; C 一 液 体 中 的 声 速 ; C o 一 常 温 一 个 大 气 压 下 液 体中的声速。 因 为 对 于 相 同 的 管 材C : 为 定 值 ， 所 以 : T = T o 一T , ( 1 0 ) 将( 9 ) 式、( 1 0 ) 式代入( 8 ) 式得: 。_L o 1 一 门 于万甲于今片特了 2 V d +鱿 刀 。 ( T o 一 T , ) + 8 ( p ) ( 1 1 ) 所以 ( 1 1 ) 式即为所要得到的 超声波小管径管外压力检测数学模型公式。 通过该公式， 利用 拟 合 的 方 法 确 定 B o 和 8 ( P ) 的 值 ， 从 而 利 用 超 声 波 传 播 时 间 求 出 油 液 的 压 力 。 3硬件组成、结构与工作原理 3 . 1 硬件系统结构与工作原理 硬件系统由 超声波探头、超声波收发系统、高速数据采集系统和工控计算机组成。 工控计算机发出控制信号，超声波收、发系统工作，超声波探头 T R A发射超声波脉冲， 超声波脉冲经过管壁和油液后被探头 T R B接收，声波传播路径如图 1 所示。在接通超声波发 射电 路的同 时， 工 控 计 算 机发出 控制 信号， 高 速数 据 采 集系 统13 1工作， 以4 0 M S P S 的 采 样 速 率 自 动完成信号采集，并将数据保存在 6 4 K X 8的高速缓存中。 信号采集完成后，数据送入工控 计算机进行分析处理，完成压力计算和显示输出。 3 . 2超声波收、发系统组成与工作原理 超声波收、 发系统是检测仪的硬件核心， 其工作状态的好坏直接影响“ 超声波压力检测仪” 检测效能的高低。 收、发系统由振荡电路、 升压电路、 超声波脉冲发射电路、同步触发控制电 路、增益控制电路和信号调理电路组成。 超声波发射原理:振荡电路将+ 1 2 V直流电压输入转变为交流正弦波输出，通过交流变压 器将电压升至 7 5 0 V ，给储能器件充电。当工控计算机发出 控制信号时，同步触发控制电路输 出 触发脉冲， 储能器件放电， 其冲击电 压加到超声波探头T R A 上， 由 于逆压电 效应4 1 ， 超声波 探头内的振荡晶体受激振荡产生超声波。 超声波接收原理: 工控计算机发控制信号， 同步触发控制电路输出一个低电平信号， 超声 波脉冲发射电 路关断，放电过程结束，进入充电过程。超声波探头 T O 将接收超声波通过压 电效应转化为电 信号，经过调理电路适当调理以 后，送给高速数据采集系统进行信号采样。 4试验结果与分析 利用二 级压力 表为 压力标准， 在不同 压力状态下 对外径为必 2 2 m m的 钢制油管内 油 液 进行 压力测量， 数据曲 线如图2 所示。 从试验数据曲 线可以看出， 在较低的压力条件下， 测量值与 标准值差异不大， 随着压力的升高， 绝对误差值有所增加， 但相对误差却在减小。 相对误差精 1 5 9 电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊 度为士 别手段 6 %。 该检测仪的研制的目的主要是用于液压系统的故障诊断， 为诊断提供一种压力识 ，所以存在较小的相对误差是允许的。 1 4 二 1 2 检测压力曲 线 标准压力曲 线 1 0 8 卜 卜 6 分d丢只国训砚 4 2 0 024 6 8 标准压力( M P a ) 1 01 2 图2检测数据曲线图 从检测原理上看， 利用时差间接求出油液的压力可以 避开直接测量声速的复杂性， 而且受 外界影响小， 能够适应较宽的管径测量范围。 仪器硬件采用的高速数据采集系统， 具有采样速 度快，存取效率高的特点，具有很好的实时检测