一种用于压力容器的非接触、非侵入式压力测量方法与流程

本发明涉及压力容器压力检测技术领域，尤其涉及一种基于磁机械效应的非接触、非侵入式压力测量方法。

背景技术：

压力是压力容器的重要参数之一。容器内的压力会因为操作失误或者异常化学反应而迅速升高，进而影响正常工业生产甚至产生破坏及爆炸。压力监测可以防止过载导致的安全事故。

传统的压力容器检测方法需要在容器上开口，破环了容器的完整性，出现应力集中的现象，降低了容器的强度，影响了系统安全性。特别的，在复杂的压力容器系统中安装侵入式测压装置相当困难甚至在某些情况下不被允许。

非侵入式压力测量无需破坏系统结构，大大增加了压力系统的安全系数。非侵入式测压方法主要包括应变片法，光纤光栅测压法，电容测压法和超声波法等。其中，应变片法和光纤光栅法需要严苛的粘贴质量，光纤光栅法需要光源和解调器，成本高。电容测压法动态响应快、灵敏度高，但是测量精确极易受到电路噪声干扰。超声波法通过测量内容物或器壁的声速和幅值变化来测量压力或应力，应用最为广泛。但超声波测量法也存在布放讲究、需要耦合剂、贴合精度要求高等缺点。此外，这些方法都需要和容器接触，需要粘贴或耦合剂，增加了实施的难度和系统的不稳定性。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于压力容器的非接触、非侵入式压力测量方法，本发明利用容器临近被动弱磁信号的变化来测量容器内部压力的变化，详见下文描述：

一种用于压力容器的非接触、非侵入式压力测量方法，所述方法包括以下步骤：

搭建非接触、非侵入式压力测量装置，所述装置包括：若干个磁阻传感器、信号采集及处理控制器、以及升降支架；

在升降支架的控制下，磁阻传感器连同信号采集及处理控制器分别被设置在不同的高度上，向压力容器施加预设压力，随后获取磁场信号随压力变化的曲线；

利用线性拟合对磁场信号随压力变化的曲线进行统计，获取不同磁阻传感器的各个分量的灵敏度和测量精度；

将灵敏度最高的压力点对应的磁场信号除以最高灵敏度，即得压力容器的压力。

具体实现时，所述磁阻传感器排布在压力容器的一圈，磁阻传感器与信号采集及处理控制器电信号连接，磁阻传感器用于测量压力容器周围的磁场。

进一步地，信号采集及处理控制器用于处理测量到的磁场信号，磁阻传感器、信号采集及处理控制器不与压力容器相接触。

进一步地，所述装置还包括：电池，

所述电池用于给各个磁阻传感器、信号采集及处理控制器供电。

其中，信号采集及处理控制器的内部电路板的外边缘，卡入到升降支架的同一高度的卡槽内，每个升降支架可单独拆解。

优选地，当内部电路板为圆环形状电路板时，该圆环形状电路板可一体构成，也可由两个半圆形圆环组成。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明利用容器临近被动弱磁信号的变化来测量容器内部压力的变化，具有非接触、布置简单、成本低、精度高、灵敏度高等优点。

2、本方法为非侵入式压力测量，无需破坏系统结构，大大增加了压力系统的安全系数。

3、本方法为非接触式压力测量。与其他的非侵入式测压方法相比，如应变片法、光纤光栅测压法、电容测压法和超声波法等，本方法不需要与被测容器接触和物理粘附，清理容器表面，涂抹耦合等。

4、成本低。在传感器方面，本方法使用的传感器为磁阻传感器，单价不超过200元；而超声波传感器探头和接收发射电路一套价格2000元以上；光纤测压法的光纤光栅解调仪价格数万元。在信号采集与处理方面，本方法直接采集的是与压力成比例的磁场信号，不需要高速采集和解调，因此信号采集与处理负担轻、成本低。

5、本方法的测量精度在3mpa量程范围内为3％，高于其他非侵入式测压方法，如文献【dongn,wangs,jiangl,etal.pressureandtemperaturesensorbasedongraphenediaphragmandfiberbragggratings[j].ieeephotonicstechnologyletters,2018,pp(99):1-1.】量程分别只有2kpa，但是精度只有量程的10％；再如文献【influenceofpermittivityonthesensitivityofporouselastomer-basedcapacitivepressuresensors】量程分别只有100kpa，但是精度只有量程的5％。

附图说明

图1为一种用于压力容器的非接触、非侵入式压力测量方法的流程图；

图2为本方法的整体装置示意图；

图3为本方法的传感器和信号采集及处理控制器的布局图；

图4为本方法的传感器和信号采集及处理控制器的连线图；

图5为测量装置的高度调节方法示意图；

图6为不同高度时释放压力，本装置测量到的磁场总量的变化图；

图7为灵敏度最高的那个高度时，本装置测量到的磁场分量随压力变化的曲线示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：磁阻传感器；2：信号采集及处理控制器；

3：升降支架；4：电池；

21：内部电路板；31：卡槽。

其中，图6中，

图(a)，高度为上，将压力加到3mpa后，突然释放压力，各个传感器输出的磁场分量的平方和开根号。

图(b)，高度为中，将压力加到3mpa后，突然释放压力，各个传感器输出的磁场分量的平方和开根号。

图(c)，高度为下，将压力加到3mpa后，突然释放压力，各个传感器输出的磁场分量的平方和开根号。

图7中，

图(a)，高度为下(图6(c)对应的位置)，在不同压力时，各个磁传感器测得的磁场轴向分量；压力0-3mpa，步进0.2mpa。

图(b)，高度为下(图6(c)对应的位置)，在不同压力时，各个磁传感器测得的磁场环向分量；压力0-3mpa，步进0.2mpa。

图(c)，高度为下(图6(c)对应的位置)，在不同压力时，各个磁传感器测得的磁场径向分量；压力0-3mpa，步进0.2mpa。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种用于压力容器的非接触、非侵入式压力测量方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：搭建非接触、非侵入式压力测量装置；

参见图2、图3、图4、以及图5，该非接触、非侵入式压力测量装置包括：若干个磁阻传感器1、信号采集及处理控制器2、升降支架3、以及电池4。

磁阻传感器1排布在压力容器5(本发明实施例是以罐装容器为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制)的一圈，磁阻传感器1与信号采集及处理控制器2电信号连接，磁阻传感器1用于测量压力容器5周围的磁场。

信号采集及处理控制器2用于处理测量到的磁场信号，磁阻传感器1、信号采集及处理控制器2不与压力容器5相接触。

具体实现时，信号采集及处理控制器2与所有磁阻传感器1的通信管脚相连接。电池4用于给各个磁阻传感器1、信号采集及处理控制器2供电。

102：在升降支架3的控制下，磁阻传感器1连同信号采集及处理控制器2分别放置在不同的高度上，向压力容器5施加预设压力，随后获取磁场信号随压力变化的曲线；

具体实现时，将若干个磁阻传感器1连同信号采集及处理控制器2分别放置在不同的高度上，高度的总个数为m，具体的高度由升降支架3所控制。

例如：在第i个高度上，向压力容器5施加压力到预期量程(0～3mpa)，随后释放压力，信号采集及处理控制器2记录n个磁阻传感器1测量的磁场总量随压力的变化曲线。一共得到m*n条曲线，如图6所示。图(c)对应的高度具有更大的灵敏度。

然后再次将传感器布置在这个高度，调节容器压力值，步进0.2mpa，获得各个分量磁场随压力变化的曲线，如图7中(a)-(c)所示。

103：利用线性拟合对磁场信号随压力变化的曲线进行统计，获取不同磁阻传感器1的各个分量的灵敏度和测量精度；

104：将灵敏度最高的压力点对应的磁场信号除以最高灵敏度，即得压力容器5的压力。

例如：根据灵敏度最高的压力点查找到对应的磁阻传感器的编号为5，即第五个磁阻传感器，获取第五个磁阻传感器，在灵敏度最高时刻对应的磁场信号，将磁场信号除以最高灵敏度即得压力容器5的压力。

综上所述，本发明实施例利用容器临近被动弱磁信号的变化来测量容器内部压力的变化，具有非接触、布置简单、成本低、精度高、灵敏度高等优点。且为非侵入式压力测量，无需破坏系统结构，大大增加了压力系统的安全系数。

实施例2

下面结合图2-图7、具体的数据对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

在压力容器5的外侧靠近容器壁排布一圈磁阻传感器1(例如：hmc5883l，数量n＝压力容器的周长/每2个磁阻传感器的间距，间距一般取40-50mm)。

信号采集及处理控制器2的内部电路板21(例如：图5中的圆环形状电路板)的外边缘卡入三个升降支架3的同一高度的卡槽31(例如：图5中的矩形卡槽)内，每个升降支架3可以单独拆解掉。

拆掉升降支架3后可以上下调节电路板的高度、并卡入新的高度处的卡槽31内。升降支架3的下部与压力容器5的底部在一个平面上。内部电路板21与压力容器5同轴布放，磁阻传感器1围绕压力容器5的圆周均匀布放。升降支架3的个数以3、4个为宜，卡槽的数目至少为3个高度。

具体实现时，本发明实施例对内部电路板21的形状、结构不做限制，对升降支架3自带的卡槽31的形状和结构也不做限制，均根据实际应用中的需要进行设定。

实际应用时，升降支架3的材质为非磁材料，例如：铜、铝、塑料等。卡槽31与内部电路板21配合后，不覆盖磁阻传感器1。卡槽31的尺寸没有具体限制，只要能同时和内部电路板21的外缘、上下表面贴紧即可。

具体实现时，当内部电路板21为圆环形状电路板时，该圆环形状电路板可以一体构成，也可以由两个半圆形圆环组成。当一体构成时，需要从压力容器的一端套进去，当为两个半圆形圆环时，可以从任意方向靠近压力容器、卡住压力容器5，比较方便。

在找到灵敏度较高的高度后，将传感器和信号采集控制板固定在这个高度，调节容器压力值，步进0.2mpa，获得各个分量磁场随压力变化的曲线散点图，如图7中(a)-(c)所示。不同传感器、不同分量的磁场值随着压力变化而变化的灵敏度不同。对全部测量点曲线分别进行直线最小二乘拟合，获得每条测量散点线的拟合直线方程，其斜率代表测压灵敏度，列在了表1-表3内。拟合曲线在各个压力下的取值与测量磁场值的差值的最大值记为em，拟合曲线在各个压力下的取值与测量磁场值的差值的平均值记为分别列在了表1-表3内。表1-表3分别为轴向、径向、环向分量磁场测压的最大偏差、平均偏差、灵敏度和精度。

其中，径向分量br的灵敏度sensitivity和测量精度precision如表1所示。精度利用计算，最高灵敏度131.4mgs/mpa由第10个传感器的径向分量获得。最高精度-0.046mpa由第7个传感器的径向分量获得，大部分的精度优于0.1mpa。

表1利用br分量测压的灵敏度和精度

表2利用bc分量测压的灵敏度和精度

表3利用ba分量测压的灵敏度和精度

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。