本发明属非介入式压力检测技术领域，尤其涉及一种基于相邻纵波间时延间隔的压力容器压力检测方法和测量系统。
背景技术：
承压设备应用广泛，它涉及到工业生产的众多领域，并和人们的生活紧密联系。广阔的应用背景和庞大的数量，此类设备往往承载易燃、易爆、剧毒或腐蚀性介质，因此，一旦出现意外事故往往会造成严重的安全与经济损失。定期对此类设备进行检测维护是有效降低事故发生的措施之一，压力检测就是其中一种重要且有效的技术。
根据测量装置是否与容器内介质接触，压力检测主要分为两类，即：介入式压力检测与非介入式压力检测。传统的介入压力检测方法主要有：液柱式压力检测方法、弹性式压力检测方法、电远传式压力检测方法以及物性型压力检测方法。对于上述几种介入式压力检测方法，往往需要在容器上开孔，因此会存在以下弊端：1)开孔处易产生应力集中，应力峰值可达到薄膜应力的3～6倍，降低容器使用寿命。2)不便于增加额外测试点。3)大多数压力容器不允许开孔。对于上述弊端，非介入式压力检测方法在一定程度上得到了改善，非介入式压力检测主要有：1)应变法，即通过应变片在受力时电阻会发生改变来间接反映压力。2)电容法，该方法通过测量由压力变化引起的介电常数变化来进行压力检测。3)超声波法，根据超声波在被测介质中信号幅值、传播速度随压力的变化关系实现压力检测，因此根据测量原理和敏感参数的不同，超声波法又包括两大类：基于波幅衰减的方法和基于波速变化的方法。
传统的非介入式检测方法虽然避免了被测对象的结构损坏，但依然存在着一些不足。对于应变片法，输出信号微弱，抗干扰能力较差，存在塑形形变和零点漂移是其主要问题。此外，大应变下的非线性问题以及应变片安装也对该方法的应用带来一定的限制。电容法中，介电常数容易受到介质成分和温度的影响，且容易受电磁环境影响，一般用于小管径对象。基于幅值衰减的超声波法压力检测，由于超声波在介质内传播，容易受到介质性质和温度的影响。此外，探头的安装方式和耦合剂会引入较大干扰，当容器壁较薄时，入射信号会与反射信号重叠，无法辨别真实的接收信号。基于波速变化的超声波压力检测克服了介质带来的影响，但探头安装、温度以及耦合剂等因素依然会对压力检测精度带来一定影响。
近来，基于波速变化的压力测量方法被广泛研究，不同波形(临界折射纵波、反射纵波、瑞利波等)被用于进行压力检测和应力分析，技术人员在这方面展开了有益的研究，代表成果如下：
发明专利“基于瑞利表面波的无损测压方法及其装置”(申请号cn200410066996.2)，提出了一种基于瑞利表面波的非介入式测压方法。
发明专利“基于反射纵波的压力容器压力检测方法和测量系统”(申请号：cn201410318440.1)提出了一种基于反射纵波的压力容器压力检测方法和带温度补偿的测量模型。
文献“基于rayleigh波的薄壁容器温度与压力测量方法”(浙江大学学报工学版，2009，43(8)：1419-1423)提出了通过测量rayleigh波沿容器壁面轴向和切向固定距离上的传播时间来测量容器表面温度与内部压力的方法。(学位论文)
以上方法和探索分别采用不同类型的超声波实现了非介入式压力检测，改善了温度的影响。但仍然存在着一些亟待改善的不足之处。首先，压力容器的声弹性效应非常弱且容易受干扰，压力所引起的渡越时间的变化量非常小，压力的准确测量依赖于渡越时间的高精度测量。但温度、超声波探头的性质、探头的安装、超声波激发和接收电路以及耦合剂等都会对渡越时间有较大影响，如何减小或消除这些因素的影响成为迫切需要解决的问题。采用两波参比的测量方式虽然能降低温度的影响，但不能完全消除，而且需要多个超声探头，测量装置复杂。基于多波融合的建模的方法综合了各个波形的信息，较大程度的提高了测量精度，但耦合剂、探头的安装、探头的起振等工作特性、超声波激发和接收电路等对超声波渡越时间都会有较大的影响。
技术实现要素：
本发明针对现有非介入式压力检测方法存在的问题，设计了一套基于tdc-gp22的超声波压力检测系统，提出了一种基于相邻纵波间时延间隔的压力测量方法。该方法依据相邻纵波时延间隔与压力的关系，并结合可编程屏蔽窗技术和tdc时间数字芯片，有效的消除了超声波探头起振时间不一致性、探头固定、耦合剂、超声波激发和接收电路对超声波渡越时间的影响，降低了温度的干扰。基于多个相邻纵波时延间隔的融合建模思想，减小了单个时延间隔测量误差对压力检测的影响。此外，由于时延间隔中包括了温度与压力的信息，温度作为一个隐含变量包含在测量模型中，故该方法可以避免对温度的检测，简化测量装置。
本发明的理论基础如下：
根据超声波声弹性效应，容器内压力的变化会引起临界折射纵波lcr和反射纵波波速的变化，表现为其传播时延会发生变化，从而相邻纵波间的时延间隔也会发生变化。管道壁通常具有一定的厚度，因此可以视为存在外管壁和内管壁。本发明选择相邻纵波间的时延间隔(包括临界折射纵波与第一反射纵波之间，以及相邻反射纵波之间的时延间隔)作为测量参数。超声波由激发探头产生，然后以临界角入射到压力容器的外管壁，其在压力容器的管壁中传播的路径如图2所示。
当入射纵波以第一临界角入射时，在超声波探头和压力容器管壁界面处发生波型转换，并在外管壁处产生临界折射纵波lcr和折射横波，临界折射纵波lcr沿外管壁传播至接收探头处被接收；折射横波在压力容器管壁中传播，并在内管壁处发生反射，产生第一内壁反射纵波lre-i1st和第一反射横波sre-1st；根据snell定律，第一内部反射纵波lre-i1st的反射角为90°，沿内管壁传播；第一反射横波sre-1st继续在压力容器管壁中传播，并在外管壁处再次发生反射，产生第一反射纵波lre-1st和第二反射横波sre-2nd，第一反射纵波lre-1st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波sre-2nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波lre-i2nd和第三反射横波sre-3rd，第二内壁反射纵波lre-i2nd沿着内管壁传播，而第三反射横波sre-3rd继续在压力容器管壁中传播，按照这种传播方式，在压力容器管壁中传播的横波会在外管壁以及内管壁发生多次反射，产生多个沿着内管壁传播的反射纵波以及多个沿着外管壁传播的反射纵波，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波lcr、第一反射纵波lre-1st、第二反射纵波lre-2nd、第三反射纵波lre-3rd、第四反射纵波lre-4th等超声波信号。
超声波在压力容器壁中传播时会产生临界折射纵波和多个反射纵波。根据声弹性理论、薄壳理论以及时延与波速的关系，临界折射纵波与反射纵波的传播时延与压力和温度呈线性关系。在压力容器不变且压力恒定的情况下，上述两个接收信号的渡越时间间隔是固定的。但当压力发生变化时，相邻纵波间隔发生改变。相邻纵波间的渡越时间间隔与压力和温度将呈线性关系，理论关系如下式：
其中，δ为压力容器壁厚度，vs为容器内横波波速，vl为容器内纵波波速，β为超声波折射角度。超声波波速与压力的关系可表示如下：
其中，δvl、δvs为纵波和横波波速变化量，
压力测量的准确性取决于超声波时延测量的准确性，由于压力容器声弹性效应一般较弱，且容易受干扰因素影响，采用信息融合的方法可以提高测量的精度和可靠性。本发明的压力检测方法，可选择临界折射纵波和第一反射纵波时延间隔(δtlre1_l)、第一反射纵波与第二反射纵波时延间隔(δtlre2_1)、第二反射纵波与第三反射纵波时延间隔(δtlre3_2)以及第三反射纵波与第四反射纵波时延间隔(δtlre4_3)等变量作为压力检测模型的输入变量，与因变量容器压力一起拟合形成压力检测模型。当然，也可以将多个相邻纵波时延间隔和温度作为输入变量，得到压力测量模型。两种方式下的模型如下：
p＝∑ai·δtlrei_j+b·δt+c(3a)
p＝∑ai·δtlrei_j+c(3b)
其中，式(3a)为包含温度补偿的压力测量模型，式(3b)为不包含温度补偿的压力测量模型，p为压力容器内压力，δtlrei_j为第i和第j个相邻纵波时延间隔，δt为温度变化量。
但事实上，利用多个相邻纵波间时延间隔都隐含的温度信息，因此可以不需要测量温度即可实现压力估计，即压力测量模型可直接采用不含有温度自变量的公式(3b)。
基于上述理论，本发明具体采用的技术方案为：
基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法，它的步骤如下：
1)选择相邻纵波间的时延间隔作为测量参数，将一对超声波激发和接收探头布置在压力容器外表面；当激发探头激发的激发波以第一临界角从压力容器外表面入射，超声波在容器表面发生多次的反射、折射和波型转换，接收探头会依次接收到沿外管壁传播的临界折射纵波lcr以及若干个反射纵波信号；根据超声波声弹性效应，容器内压力的变化会引起临界折射纵波lcr和反射纵波的波速变化，表现为各纵波的传播时延会发生变化，从而相邻纵波间时延间隔也会发生变化；
2)在不同的容器压力下，检测相邻纵波间时延间隔，并构建基于多个相邻纵波间时延间隔的压力测量模型，以获得压力容器内压力与相邻纵波间时延间隔之间的关系；
3)根据步骤2)中构建的压力测量模型和待测压力容器的相邻纵波间时延间隔，计算待测压力容器内压力，从而实现压力容器的非介入式压力检测。
作为优选，相邻纵波间时延间隔的测量方法为：采用可编程屏蔽窗技术和tdc(数字化时间测量芯片)同时测量在同一个激发脉冲下所产生的临界折射纵波和多个反射纵波的渡越时间，然后计算得到相邻纵波间的时延间隔。
作为优选，所述的相邻纵波间时延间隔包括临界折射纵波与第一反射纵波之间的时延间隔，以及相邻反射纵波之间的时延间隔；
作为优选，所述的压力测量模型的表达式为：
p＝∑ai·δtlrei_j+c；
其中：δtlrei_j为第i和第j个相邻纵波时延间隔；ai为δtlrei_j对应的拟合系数；p为δtlrei_j对应的待检测压力容器中的压力。
本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的基于相邻纵波间时延间隔的压力测量系统，其包括试压泵、恒温箱、超声波发射探头和接收探头、tdc超声波传播时延测量装置；所述的试压泵连接压力容器的内腔，用于调节容器内压力；压力容器置于恒温箱内并通过恒温箱控制管壁温度；发射探头与接收探头安装于压力容器外表面，tdc超声波传播时延测量装置中设有tdc-gp22时间数字芯片，用于通过接收探头接收由同一次超声波激发所产生的多个纵波。
tdc时间数字芯片可以实现较高精度渡越时间的测量，并能在单个测量周期进行多次测量。因此，可以利用该功能实现相邻纵波间时延间隔的测量。单次激发周期内可以进行多次信号获取，该方法有效的避免探头激发一致性、超声波激发与接收电路、耦合剂以及温度等因素对渡越时间的影响。测量装置只需要一对激发和接收探头，有效的简化了测量装置和对探头安装的要求。
作为优选，所述的试压泵为手动试压泵，其中安装有数字压力计，通过液压调控方式调节容器内压力。
作为优选，还包括上位机，待检测压力容器中的压力，以及各纵波的接收时间均保存至上位机，用于计算相邻纵波间时延间隔并拟合压力计算公式，实现基于相邻纵波时延间隔的压力预测。
本发明与背景技术相比，具有突出的效果：
1)采用可编程屏蔽窗技术和tdc(数字化时间测量芯片)可以测量在同一个激发脉冲下所产生的临界折射纵波和多个反射纵波的渡越时间。该方法克服了因为超声波探头起振时间不一致所造成的超声波渡越时间测量误差，提高了测量精度。常规的测量方法都是分别在不同次激发波下测量临界折射纵波或反射纵波的渡越时间，超声波探头的起振时间由于激发电压、温度等会存在一定的波动，从而间接影响各个接收波的渡越时间。
2)该方法采用一对激发和接收探头，实现了多个超声波传感器的功能(每个接收波，包括临界折射纵波和各个反射纵波都可以单独使用实现压力检测)，克服了耦合剂，激发和接收电路噪声等共模因素对渡越时间测量的影响。对于各个接收波形(临界折射纵波和各个反射纵波)来说，耦合剂、激发和接收电路的特性都是相同的，从而克服了这些因素对相邻纵波间时延间隔的影响。
3)该方法具有多传感器信息融合的思想，将多个相邻纵波间时延间隔作为输入变量，在单个的时延间隔测量精度不高的情况下也能获得较高的压力测量精度。
4)利用多个相邻纵波间时延间隔都隐含的温度信息，可以不需要测量温度即可实现压力估计，从而简化测量系统。
5)该方法以相邻纵波间的相对传播距离为测量对象，减小了因压力容器表面温度分布不均匀对测量带来的影响。
附图说明
图1实现本发明方法采用的检测装置；
图2超声波在压力容器中传播示意图；
图3接收信号及相邻纵波间隔示意图；
图4a本发明实施例的试验结果图(δtlre1_l)；
图4b本发明实施例的试验结果图(δtlre2_1)；
图4c本发明实施例的试验结果图(δtlre3_2)；
图4d本发明实施例的试验结果图(δtlre4_3)；
图5实施例中的压力测量精度结果图(model_mul为预测压力，上下两条虚线分为为+5％和-5％的误差线)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本实施例中，实现本发明方法的基于相邻纵波间时延间隔的压力检测装置如图1所示。该装置包括：圆柱形压力容器、手动试压泵、恒温箱、压力检测系统。压力检测系统中包含控制及调理模块、超声波发射探头和接收探头。手动试压泵安装有数字压力计，通过液压调控方式调节容器内压力；压力容器置于恒温箱内并通过恒温箱控制管壁温度；发射探头与接收探头安装于压力容器表面。控制及调理模块的核心是tdc超声波传播时延测量装置，tdc超声波传播时延测量装置中设有驱动电路、接收电路和tdc-gp22时间数字芯片，超声波发射探头由压电晶片实现电能和声能互相转换，在驱动电路控制下向压力容器的外管壁发射超声波。超声波被连接有接收电路的接收探头接收，接收电路在tdc-gp22时间数字芯片控制下，能够采集由同一次超声波激发所产生的多个纵波信号，以测量超声波在管壁内的传播时延。根据tdc内部的单次激发多次测量的特性，可以实现高精度相邻纵波间时延间隔的测量。
在该装置中，超声波由激发探头产生，然后以临界角入射到压力容器的外管壁，其在压力容器的管壁中传播的路径如图2所示。具体的传播过程是：当入射纵波以第一临界角入射时，在超声波探头和压力容器管壁界面处发生波型转换，并在外管壁处产生临界折射纵波lcr和折射横波，临界折射纵波lcr沿外管壁传播至接收探头处被接收；折射横波在压力容器管壁中传播，并在内管壁处发生反射，产生第一内壁反射纵波lre-i1st和第一反射横波sre-1st；第一反射横波sre-1st继续在压力容器管壁中传播，并在外管壁处再次发生反射，产生第一反射纵波lre-1st和第二反射横波sre-2nd，第一反射纵波lre-1st沿外管壁传播至接收探头，第二反射横波sre-2nd继续在压力容器管壁中传播，并在内管壁处再次发生反射，产生第二内壁反射纵波lre-i2nd和第三反射横波sre-3rd，第二内壁反射纵波lre-i2nd沿着内管壁传播，而第三反射横波sre-3rd继续在压力容器管壁中传播，按照这种传播方式，在压力容器管壁中传播的横波会在外管壁以及内管壁发生多次反射，产生多个沿着内管壁传播的反射纵波以及多个沿着外管壁传播的反射纵波，固定在外管壁的接收探头会接收到临界折射纵波lcr、第一反射纵波lre-1st、第二反射纵波lre-2nd、第三反射纵波lre-3rd、第四反射纵波lre-4th等超声波信号。
在容器壁中传播一定距离之后，超声波信号进入接收探头，通过接收电路被tdc接收并在内部计算渡越时间。tdc的多次计时功能通过屏蔽时间窗实现，可以测量相邻纵波时延间隔。当一次测量无法得到所需全部的相邻纵波间时延间隔时，可以通过多次发射超声波，获取多个相邻纵波之间的时延间隔。容器内压力通过手动试压泵控制，手动试压泵采用sy-16型号，承受压力上限为16mpa；温度由恒温箱调节，本实施例采用上海和呈仪器制造有限公司的gdw-50a恒温箱，该设备的温度控制范围为4℃～60℃，调节分辨率为±0.5℃，满足需求。容器中实际的参考温度和参考压力分别用热电偶温度计(tes13-15热电偶数字温度计，该仪器的测量范围为-150℃～1370℃，检测分辨率为±0.1℃)和标准数字压力表(ny-ybs-c2型精密数字压力计，最大量程10mpa，0.2％fs)记录。测试压力范围为0～9mpa，温度范围为24.2℃～32℃。
待检测压力容器中的压力，以及各纵波的接收时间均保存至上位机，用于计算相邻纵波间时延间隔并拟合压力计算公式，实现基于相邻纵波时延间隔的压力预测。
下面基于该装置，对某一圆柱形压力容器的压力与相邻纵波时延间隔之间相关关系进行建模，并用于压力预测。压力检测方法及具体实施步骤如下：
根据图1安装压力检测装置，在不同的压力容器壁温度和容器内压力下，利用激发探头产生超声波后以第一临界角入射到待检测的压力容器外管壁进行测量。本实验中，以常温(24.2℃)和常压(0mpa)为参考温度与参考压力，测量此条件下各相邻纵波间的渡越时间间隔，并以此为参考条件下的基准值。通过恒温箱控制压力容器壁温度为25.0℃、26.9℃、28.5℃、29.1℃、30.2℃、32.0℃，并于各温度点分别测量压力容器内压力为0mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、5mpa、6mpa、7mpa、8mpa以及9mpa时的相邻纵波渡越时间间隔。结合参考条件下相邻纵波渡越时间间隔，计算不同温度和压力下相邻纵波时延间隔。本实验条件下，所选择的时延间隔自变量包含：第一反射纵波与临界折射纵波时延间隔(δtlre1_l)，第二反射纵波与第一反射纵波时延间隔(δtlre2_1)，第三反射纵波与第二反射纵波时延间隔(δtlre3_2)以及第四反射纵波与第三反射纵波时延间隔(δtlre4_3)。
不同压力和温度条件下，所获得的相邻纵波时延间隔数据δtlre1_l、δtlre2_1、δtlre3_2、δtlre4_3分别如图4.a)～4.d)所示。以相邻纵波时延间隔数据为自变量，待检测的压力容器中的压力为因变量，拟合得到基于相邻纵波时延间隔的压力测量模型，模型采用多元线性结构：
p＝∑ai·δtlrei_j+c；
其中：δtlrei_j为第i和第j个相邻纵波时延间隔；ai为δtlrei_j对应的拟合系数；p为δtlrei_j对应的待检测压力容器中的压力。
对建模数据采用最小二乘回归可得具体压力计算模型如下：
p＝-0.313·δtlre1_l+1.148·δtlre2_1+0.602·δtlre3_2
+0.166·δtlre4_3-0.110
为了验证该模型的预测准确性，对未知压力的压力容器(即上述用于建模的圆柱形压力容器)进行测试，获得相邻纵波时延间隔数据作为验证数据，并将其代入上述建模得到的压力计算模型中，计算得到压力容器中的当前压力。验证结果如图5所示，其压力测量误差基本都在±5％范围内，达到了较高的精度。
由此表明，基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测方法围绕tdc的计时特点，并结合基于波速变化的压力测量优点，较好的解决了超声波探头安装、耦合剂、超声波激发和接收电路以及温度等干扰对压力检测的干扰。而且基于相邻纵波间时延间隔的非介入式压力检测装置采用tdc为计时单元，实现了低成本、高精度的压力检测。采用多个相邻纵波间的时延间隔建立的测量模型，减少了对温度的检测，简化了测量系统。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。