专利名称：差分比较压力监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监控组件或结构的完整性的差分比较压力监控系统。
背景技术：
申请人:已经发明了用于结构完整性监控和结构健康监控的多种系统、设备和方 法，它们被用于如检测和/或监控组件或结构中的裂缝或其它缺陷的蔓延。这些系统、设备 和方法的实施例在下述各专利中记载:US 5770794、US 6539776、US 6591661、US 6715365 和 US 6720882。总体上，在上述参考专利中描述的发明利用压力、真空水平的改变，或者利用由于 裂缝延伸至在空腔与其它隔离环境之间创建了流体流动路径而流入或流出空腔的流体。本发明是根据申请人在上述技术领域中进行进一步开发产生的。将了解到，如果本文引用了任何现有的公开，这些引用都不表示承认该公开在澳 大利亚或任何其它国家中形成本领域公知知识的一部分。在本发明的说明书的权利要求中，除非上下文中用语言表达或必要暗示进行了另 外说明，“包括” 一词都为开放式的含义，即，说明陈述特征的存在，但不排除本发明的各种 实施方式中的其它特征或额外特征的存在。
发明内容
本发明的一个方面提供了用于监控组件或结构的结构完整性的差分比较压力监 控系统，该系统包括压力源；第一射流回路和参考射流回路，第一射流回路和参考射流回 路具有基本匹配的特征，第一射流回路和参考射流回路并联于压力源，其中，第一射流回路 包括与结构或组件的表面密封的传感器元件，传感器元件与结构或组件的表面共同限定第 一空腔，并且参考射流回路与结构或组件的表面隔离；和监控设备，其被耦合于第一射流回 路和参考射流回路，监控设备对第一射流回路和参考射流回路的共同射流特征进行同时测 量，并且基于对第一射流回路和参考射流回路同时测量到的共同射流特征之间的差别产生 指示结构或组件的完整性的信号。参考回路可包括具有基本与第一空腔匹配的特征的参考空腔。第一空腔和参考空腔可基本位于相同的位置处。在一个实施方式中，第一空腔和参考空腔形成于传感器元件中。在该实施方式中， 传感器元件具有密封于结构或组件的表面的第一表面以及与之相反的第二表面，其中第一 凹槽或通道形成于第一表面中，当第一表面被密封于结构或组件时，第一凹槽或通道形成 第一空腔，并且参考空腔位于传感器元件的第一表面和第二表面内部。传感器元件可形成为具有第一层和第二层的层状结构，第一层包含第一表面并且 第一凹槽或通道形成于其中，第二层密封于第一层上与第一表面相反的表面上，第二层包 含第二表面且参考空腔形成于第一层与第二层之间。在另一个实施方式中，参考空腔形成于与传感器元件分开的参考传感器元件中。
第一射流回路可包括串联于压力源与第一空腔之间的第一高流阻器件。参考回路 包括串联于压力源与参考空腔之间的参考高流阻器件。第一高流阻器件和参考高流阻器件 可被形成为对流体流具有基本相同的阻抗。第一射流回路和参考射流回路可被配置为基本彼此相邻地延伸。该系统可进一步包括第二射流回路，第二射流回路与第二压力源射流连通，第二 压力源具有与第一压力源的第一压力不同的第二压力。在一个实施方式中，第一压力相对 于第二压力为负。第二回路可包括形成于传感器元件中的第二凹槽或通道，当传感器元件被密封于 结构或组件表面时，第二凹槽或通道形成与第一空腔相邻但分离密封的第二空腔。第一空腔和第二空腔可被设置为具有匹配的射流特征。此外，第一射流回路和第 二射流回路可具有匹配的射流特征。因此，第二射流回路具有基本与参考回路的特征匹配 的射流特征。该系统可进一步包括第一旁路阀，其在第一流阻器件两端分流，并且具有在第一 高流阻器件上形成射流短路的关闭状态。该系统可进一步包括参考旁路阀，其在参考高流阻器件两端分流，并且具有在参 考高流阻器件上形成射流短路的关闭状态。该系统可包括第一连通阀，其用于可选择地开启和关闭第一射流回路上与压力源 相距较远的一端。该系统可包括参考连通阀，其用于可选择地开启和关闭参考射流回路上与压力源 相距较远的一端。该系统可进一步包括切换阀，其一端与压力源流体连通，其另一端选择性地连接 于第一射流回路或第二射流回路。该系统可包括测量仪器和传感器单元，测量仪器包括压力源、以及第一射流回路 和参考射流回路的第一部分，传感器单元包括传感器元件、以及第一射流回路和参考射流 回路的第二部分，并且其中仪器和传感器单元选择性地彼此耦合和解耦。该系统可包括多股气动缆，该缆包括第一射流回路和参考射流回路的第三部分， 并且其中缆的两端能够连接于仪器和传感器单元。
现在将在参考附图的情况下仅通过实施例的方式描述本发明的实施方式图1是根据本发明的差分比较压力监控系统的实施方式的回路图；图2是图1所示的系统的示意图；图3是本发明的实施方式中包含的完整传感器的示意图；图3是系统的一个实施方式中包含的传感器元件的底视图；图4a是图3所示的传感器元件的纵截面图；图4b是图3所示的传感器元件的横截面图；图5是应用于结构表面的图3至图4b所示的传感器的顶视图；图6a是系统的实施方式中包含的第二元件的等距视图；图6b是图6a所示的第二元件的横截面图6c是图6a所示的第二元件的纵截面图；图7是系统的第二实施方式中包含的完整元件的底视图；和图9是图8所示的完整元件的纵截面图。
具体实施例方式参照附图，并且更具体地说参照图1至图5，用于监控结构或组件30的结构完整性 的差分比较压力监控系统10的实施方式包括压力源12、第一射流回路14、参考射流回路16 和监控设备18。第一射流回路14和参考射流回路16被形成为具有基本匹配的特征。这些 特征包括回路的容积、通过回路的流体流速、温度特征和扩散特征。回路14和16并联于压 力源12，从而当回路14和16均完成时，假设在任意一个回路中都不存在裂口，两个回路中 的流体基本处于相同的压力。压力源相对于环境压力可为正压力源或负压力源。第一回路14包括传感器元件20 (在图3中详细示出)。传感器元件20被密封于 由系统10监控的结构或组件30上的表面28。如下面更详细地描述，当传感器元件20被密 封于结构或组件的表面时，其限定了第一空腔32。然而，参考回路16与结构或组件30的表 面28射流隔离。监控设备18被耦合于第一回路14和参考回路16，对第一回路14和参考 回路16的共同射流特征进行同时测量，并基于同时测得的第一回路14和参考回路16的共 同特征之差产生指示结构或组件的完整性的信号。共同射流特征例如可为通过回路14和 16的流体流速或回路14和16或者其匹配组件内的流体压力。图3、4a、4b和5描绘了传感器20的非常简单的形式。在该实施方式中，传感器20 包括由基本防渗的材料制成的薄带22，其具有形成于带22的底部表面26中的纵向第一凹 槽或通道24。凹槽24在带22的外围边缘的内部终止并且未延伸穿过带22的厚度。当带 22被密封于结构30的表面28上时，凹槽24和表面28的下部创建第一空腔32。第一回路14包括管道14c和14d，它们与传感器20相连、与通道24的相对两端流 体连通、并且因此当传感器28贴附于结构30的表面28时与第一空腔32流体连通。假设 由于回路14与压力源12的射流连接使第一凹槽32处于与环境压力不同的压力，那么，如 果在表面28中出现在第一空腔32与周围大气之间延伸的裂缝36，第一空腔32中的压力情 况以及通过(即流入或流出)回路14的气流则将发生改变。监控系统18被配置为检测 压力或流体流的变化。监控系统18的更具体的细节将在稍后的说明中被描述。气流是流 入还是流出回路14完全取决于压力源12相对于环境压力为正压力还是负压力。参考回路16被形成以具有与第一回路14基本匹配的射流特征(例如容积和流 体流速)。然而，参考回路16与结构30的表面28隔离。在这里，“隔离”意味着回路16的 压力条件不受可使第一空腔32破裂的、结构30中的裂缝36的形成或传播的影响。因此，假 设回路14和16的匹配特征，考虑到回路14和16并联于压力源12并且因此受到相同的压 力条件，在不存在使第一空腔32破裂的裂缝36的情况下，回路14和16应该具有基本相同 的时间相位(time-phased)压力响应。因此，示出回路14中的压力与时间的关系的图形或 曲线将与回路16的基本相同。因此，通过监控设备18将回路16的时间相位压力响应从回 路14的时间相位压力响应中减去的方式，如压力瞬变等噪声的影由于大气和环境(例如 在阳光直射下的管道部分的加热、或者延伸通过空调房间的回路部分的冷却)的影响产生的压力瞬变通常被视为噪声，从而要求相对较大的流体流通过裂缝36以使裂缝36将可靠 地与噪声区分。然而，在图1和图2所示的系统的实施方式的情况下，回路14和16中的每 一个的噪声瞬变将基本相同，并且因此通过将回路16的时间相位压力响应从回路14的时 间相位压力响应中减去的方式，对噪声进行有效的共模抑制，从而对裂缝36允许基本更低 的检测阈值。此外，本领域相关技术人员将了解到，因为回路14和16中的排气瞬变将基本相同 并且因此再次受到共模抑制，因此测量时间明显减少。因此，在稳态压力已经在回路14和 16中实现之前，系统10的实施方式可充分地理解。回路16的特征尽可能接近地与回路14的特征匹配。因为回路14包括用于创建 第一空腔32的传感器20，因此在回路16中可提供参考传感器元件38以形成参考空腔42。 在图1、5和6描绘的实施方式中，所示的参考空腔42形成在与传感器元件20分离的参考 元件38中，然而，如下所述，在可选择的实施方式中，第一空腔32和参考空腔42可形成于 相同的传感器元件中。图6a、6b和6c所示的参考元件38被形成为具有与通道24容积相同的通道40，除 了通道40完全被容纳在元件38的材料中。完全被容纳的通道40形成了参考空腔42。因 此当元件38尤其是参考空腔42位于传感器20的附近或顶部时，其不受到裂缝36的形成 和传播的影响。参考回路16还包括垂直于通道40的相对两端的管道16c和16d。第一回路14包括串联于压力源12与第一空腔32之间的第一高流阻器件46。同 样地，回路16包括串联于压力源与参考空腔42之间的参考高流阻器件48。与回路14和 16的匹配相应地，流阻器件46和48的特征也相匹配。旁路阀50被放置在高流阻器件46两端用于分流，同样地，旁路阀52被放置在高 流阻器件48两端用于分流。当旁路阀50和52关闭时，它们在其各自的流阻器件46和48 上形成了射流短路。压力源包括经由阀56连接于罐或蓄能器58的泵54。在一个实施方式中，泵54是 真空泵，其操作为将罐58排空至低于环境压力的压力水平。罐58的容积或容量通常基本 大于回路14和16的容积。罐58经由阀60耦合于回路14和16。压力源可为不稳定的， 即，无需被维持在恒定水平，而是可随时间而改变。监控系统18包括压力计62，其提供了对压力源12尤其是罐58的压力的测量。该 压力将与流阻器件46和48的相邻侧上的压力相同。监控系统18进一步包括压力计64和 压力计66，压力计64测量流阻器件46上与压力计62相反的一端处的压力，压力计66测量 流阻器件48上与压力计62相反的一端处的压力。简言之，压力计62和64上的压力读数之间的变化提供了对通过流阻器件46的流 体流的测量，而压力计62和66的读数之差则提供了对通过流阻器件48的流体流的测量。 从压力计62、64和66中的每一个接收输入的测量设备68操作为将通过流阻器件48的流 体流与通过流阻器件46的流体流进行比较、或者将通过流阻器件48的流体流从通过流阻 器件46的流体流中减去，从而提供指示结构38的完整性的信号。在这点上，由于回路14 和16的匹配本性，通过流阻器件46和48的流量差将最可能是由于在第一空腔32与环境 压力之间提供流体连通的裂缝36的形成或传播而引起第一空腔32中的破裂产生的，而不 是由于受到了共模抑制的噪声产生的。
系统10进一步包括第二射流回路70，其与通常是环境大气的第二压力源流体连 通。因此，在其最简单的形式中，回路70简单地通过排出口与大气连通，尽管其可选择地也 可耦合于具有不同于第一压力源12的压力的专用第二压力源。回路70包括第二凹槽或通 道72，其与第一空腔24相邻但相互密封(例如如图3所示)。当传感器元件20密封于表 面28时，通道72形成了第二凹槽73。第二通道72形成于传感器元件20中并且通过横穿 通道24(即第一空腔32)的裂缝提供了至大气的泄露通道。具有第一通道或空腔24/32 以及第二大气通道72的传感器元件和衬垫的形成在由本申请的申请人拥有或控制的大量 专利中已被描述，包括第6715365号美国专利和第PCT/AU2007/000584号国际申请。然而，最方便地，第一通道24、参考空腔42和第二通道72可均形成于单个公共传 感器元件20'中，其实施例在图7和图8中示出。传感器20'具有底部表面26'，第一通 道24和第二通道72形成于其中。当底部表面26'被密封于结构30的表面28上时，通道 24和72分别形成第一空腔32和第二空腔73。参考空腔42形成于传感器20‘的内部。因 此，参考空腔42完整地位于传感器20'的底部表面26'与顶部表面74之间。参考空腔42 的要求在于，它具有与第一空腔32基本相同的射流特征(当空腔32未破裂时)。如图8所示，传感器20'形成为分层结构，包括较低层76和较高层78。较低层76 包括传感器20'的底部表面26'，并且形成为具有第一通道24和第二通道72。第二层78 包括传感器20'的顶部表面74，并且形成为具有相反的表面80。参考通道40形成于表面 80中，并且表面80被粘附于较低层76的表面的顶部，从而在层76与78之间形成参考空腔 42。当传感器20'被粘附于表面28上时，通道24和72与表面28—起将形成第一空腔32 和第二空腔73。这些空腔可由于在表面28中形成裂缝而破裂。然而，参考空腔42与表面 28射流隔离。此外，参考空腔42被制为具有与第一空腔32基本相同的射流特征。这可通 过将相应的通道40和24形成为具有基本相同的形状、容积和渗透性、并在物理上尽量彼此 接近来实现。构造和形成由传感器20'示例的分层传感器的方法在国际申请号PCT/ AU2007/000458的申请中被详细描述，其内容以引用的形式被并入本文。根据国际申请号为PCT/AU2007/000584的申请所述，各种类型的连接器可被用于 在各个通道和空腔与它们相应的回路14、16和70的剩余部分之间提供流体耦合，该申请的 内容以引用的形式被并入本文。参照图1和图2，系统10进一步包括切换阀80、第一连通阀82和参考连通阀84。 阀80可在两个位置之间切换，其可选择地将射流回路14和70中的一个连接于源12，并且 将其中的另一个通过排出口与大气连通。在所示的实施方式中，阀80将回路70连接于源 12，并且将回路14通过排出口与大气连通。然而，将阀80切换至其第二位置将倒转该配置， 以使回路14被耦合于源12并且回路17通过排出口与大气连通。阀82可在期第一位置和第二位置之间切换，在第一位置处，阀82关闭(即密封) 回路14的远端并且打开(即通过排出口与大气连通)回路70的远端，在阀82的第二位 置处，该结构被倒转为使回路14的远端通过排出口与大气连通而回路70的远端被关闭。阀84可在期第一位置与第二位置之间移动，在第一位置处，阀84将回路16的远 端通过排出口与大气连通(如图1所示)，在第二位置处，阀84将回路16的远端关闭。
对于回路14、16和70中的每一个，都可执行系统10的连续性测试。为了进行回 路14的连续性测试，将阀80切换为使回路14与源12射流连通，阀50保持开启，而阀82被 移动为使回路14的远端相对于大气保持打开。假设回路14中不存在阻塞，在该结构中，将 检测到通过流阻器件46的流体的较高流动。然而，在回路14尤其是传感器20被阻塞时， 通过流阻器件46的流量将为最小化或为零。同样地，通过将阀80切换为将回路70连接于 源12同时将阀82切换为使回路70的远端通过排出口与大气连通，可在回路70上进行连 续性测试。通过将阀84移动至回路16的远端保持开启(如图1所示)，可进行回路16的 连续性测试。为了在最短时间内对回路14和16进行排气，可在最初操作系统10时将阀50和 52关闭。系统10包括测量仪器90、多股气动缆100和传感器单元102的组合。仪器90以 与澳大利亚申请号为2006906797的专利申请中所述的基本相同的方式工作，其内容以引 用的形式被并入本文。前述澳大利亚专利申请中所述的发明与本申请中的仪器10之间的 主要差别是提供了可认为是回路16的形成部分的第二流阻器件48和旁路阀52，并增加了 压力计66。参照图2，回路14、16和70中的每个都有一部分被包含在仪器90中，一部分被包 含在线或缆100中，并且一部分被包含在传感器单元102中，传感器单元102包括传感器 20'以及延伸至线20'内的第一通道、参考通道和第二通道中的每一个的任意一侧的一小 段管道。回路16包括管道16￡1、1613、16(3、16(1、166和16仡管道16a和16f位于仪器10的 内部。管道16c和16d形成了传感器单元102的一部分，而管道16b和16e被包含在线100 内。同样地，回路14包括位于仪器90内的管道14a和14f、位于传感器单元20'内的管 道14c和14d、位于缆100内的管道14b和14e。回路70包括位于仪器70内的管道70a和 70f、位于传感器单元102内的管道70c和70d、以及位于线100内的管道70b和70e。位于 仪器90内的管道终止于母隔板连接器104。传感器单元102内的管道终止于母隔板连接器106。包含在线100内的管道的两 端分别终止于公隔板连接器108和110。公隔板连接器108和110可被连接于母隔板连接 器104和106，从而形成各自的射流回路14、16和70。识别芯片112和114分别被包含在 工作台100和传感器单元102内以允许识别这些组件。以上对本发明的实施方式进行了详细描述，相关领域的技术人员将理解到，在不 偏离基本发明概念的情况下可进行大量修改和变化。例如，虽然图1和图2所示的实施方 式示出了第二回路70的提供，但是该回路在本发明的最广泛形式中并不是必须的。在该实 施例中，图7和图8所示的传感器20'可被修改为省略通道72。在进一步的变体中，传感 器20'可形成为具有第二通道72，第二通道72仅在相对的两端简单地通过排出口与大气 连通并且不连接于任何管道。并且，通过将第一回路14和第二回路70形成为具有匹配的 射流特征，并且更具体地说，通过将管道14a至14f以及通道24形成为具有分别与管道70a 至70f以及通道72匹配的射流特征，回路14和70中的任意一个可被切换(即耦合)至 源12而另一个通过排出口与大气连通。自然地，如果回路14和70具有匹配的射流特征， 那么回路16和70也具有匹配的射流特征。所有这些修改和变化以及对于本领域相关技术 人员显而易见的其它修改和变化都应该被认为属于本发明的范围，其属性将通过上面的描
9述确定。
权利要求
一种用于监控组件或结构的结构完整性的差分比较压力监控系统，包括压力源；第一射流回路和参考射流回路，所述第一射流回路和所述参考射流回路具有基本匹配的特征，所述第一射流回路和所述参考射流回路并联于所述压力源，其中，所述第一射流回路包括与所述结构或组件的表面密封的传感器元件，所述传感器元件与所述结构或组件的所述表面共同限定第一空腔，并且所述参考射流回路与所述结构或组件的所述表面隔离；和监控设备，其被耦合于所述第一射流回路和所述参考射流回路，所述监控设备对所述第一射流回路和所述参考射流回路的共同射流特征进行同时测量，并且基于对所述第一射流回路和所述参考射流回路同时测量到的共同射流特征之间的差别产生指示所述结构或组件的完整性的信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述参考射流回路包括参考空腔，所述参考空腔 具有与所述第一空腔基本匹配的特征。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一空腔和所述参考空腔基本位于同一位置处。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中所述第一空腔和所述参考空腔形成于所述传 感器元件中。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述传感器元件具有与所述结构或组件的所述表 面密封的第一表面以及与所述第一表面相反的第二表面，其中，第一凹槽或通道形成于所 述第一表面中，当所述第一表面被密封于所述结构或组件时，所述第一凹槽或通道形成所 述第一空腔；并且，所述参考空腔位于所述传感器元件的所述第一表面和所述第二表面的 内部。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述传感器元件形成为具有第一层和第二层的层 状结构，所述第一层包括所述第一表面，并且所述第一凹槽或通道被形成在所述第一层中， 所述第二层被密封于所述第一层上与所述第一表面相反的表面上，所述第二层包括所述第 二表面，并且所述参考空腔形成于所述第一层与所述第二层之间。
7.根据权利要求2或3所述的系统，其中所述参考空腔形成于参考传感器元件中。
8.根据权利要求1至7中的任意一个所述的系统，其中所述第一射流回路包括串联于 所述压力源与所述传感器元件之间的高流阻器件。
9.根据权利要求1至8中的任意一个所述的系统，其中所述参考射流回路包括串联于 所述压力源与所述参考空腔之间的参考高流阻器件。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一高流阻器件和所述参考高流阻器件被 形成为对流体流具有基本相同的阻抗。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的系统，进一步包括第二射流回路，所述第 二射流回路与第二压力源射流连通，所述第二压力源具有与所述第一压力源的第一压力不 同的第二压力。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二射流回路包括形成于所述传感器元件 中的第二凹槽或通道，当所述传感器元件被密封于所述结构或组件的所述表面时，所述第 二凹槽或通道形成与所述第一空腔相邻但密封的第二空腔。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一空腔和所述第二空腔具有匹配的射流 特征。
14.根据权利要求11至13中的任意一项所述的系统，其中所述第一射流回路和所述第 二射流回路具有匹配的射流特征。
15.根据权利要求8至14中的任意一项所述的系统，包括第一旁路阀，其在所述第一高 流阻器件的两端分流，并且具有在所述第一高流阻器件的两端形成射流短路的关闭状态。
16.根据权利要求9至15中的任意一项所述的系统，包括参考旁路阀，其在所述参考高 流阻器件的两端分流，并且具有在所述参考高流阻器件的两端形成射流短路的关闭状态。
17.根据权利要求1至16中的任意一项所述的系统，包括第一连通阀，其用于将所述第 一射流回路远离所述压力源的端部选择性地打开和密封。
18.根据权利要求1至17中的任意一项所述的系统，包括参考连通阀，其用于将所述第 二射流回路远离所述压力源的端部选择性地打开和密封。
19.根据权利要求11至18中的任意一项所述的系统，进一步包括切换阀，其一端与所 述压力源流体连通，其另一端选择性地连接于所述第一射流回路或所述第二射流回路。
20.根据权利要求1至19中的任意一项所述的系统，其中所述系统包括测量仪器和传 感器单元，所述测量仪器包括所述压力源、以及所述第一射流回路和所述参考射流回路的 第一部分，所述传感器单元包括所述传感器元件、以及所述第一射流回路和所述参考射流 回路的第二部分，并且其中所述仪器和所述传感器单元选择性地彼此耦合和解耦。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述系统进一步包括多股气动缆，所述缆包括 所述第一射流回路和所述参考射流回路的第三部分，并且其中所述缆的两端能够连接于所 述仪器和所述传感器单元。
全文摘要
用于监控结构或组件(30)的结构完整性的差分比较压力监控系统(10)包括压力源(12)、与压力源(12)并联的第一射流回路(14)和参考射流回路(16)、以及监控设备(18)。第一射流回路(14)和参考射流回路(16)被形成为具有基本匹配的特征。这些特征包括每个回路的容积、通过回路的流体流速、温度特征和扩散特征。第一回路(14)包括传感器元件(20)，其被密封于由系统(10)监控的结构或组件(30)的表面(28)。参考回路(16)与结构或组件(30)的表面(28)是射流隔离的。监控设备(18)被耦合于第一回路(14)和参考回路(16)，对回路(14)和回路(16)的共同射流特征同时进行测量，并基于对回路(14)和回路(16)同时测量的共同特征之差产生指示结构或组件的完整性的信号。
文档编号G01N19/08GK101918806SQ200880124241
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者亨利·克罗克尔, 尼加尔·莱克斯通 申请人:结构监测系统有限公司