基于TDC的超声波压力检测系统设计与建模分析

发布时间：2020-08-31 10:13

　　压力容器应用广泛,数量庞大,它涉及到工业生产和生活的众多领域。作为承压设备的典型代表,此类设备往往承载着易燃、易爆、剧毒或腐蚀性介质,一旦出现意外事故往往会造成严重的安全事故和经济损失。过压是引起压力容器安全事故的主要原因,因此,实时对该类设备的压力参数进行检测和控制就显得非常重要。传统的压力检测方法分为介入式和非介入式两种,本文在研究了国内外非介入式压力检测技术的基础上,针对目前测量方法存在的设备成本高,无法在线测量等不足,设计了一套在线压力测量装置。同时,针对低压段压力与超声波传播时延之间非线性严重的问题,提出了一种基于响应曲面法的测量模型建模方法;针对检测系统容易受到探头安装、温度、耦合剂以及信号处理电路等因素影响,提出了一种基于相邻纵波时延间隔的压力测量方法。本文的主要工作和创新点包括:(1)提出了一种基于响应曲面法的压力测量模型。由于残余应力和温度的影响,压力与时延之间在低压段呈现局部非线性关系。为提高压力检测的精度,本文采用响应曲面法和多波融合的思想,建立了基于响应曲面法的多元非线性压力测量模型,并根据变量和模型的显著性,优化了模型结构。实验结果表明,该模型可以实现较高的检测精度,调整的拟合优度达到0.998,均方根误差达到0.1MPa,平均相对误差达到3.3%。(2)提出了一种基于相邻纵波时延间隔的测量方法。利用TDC在单个测量周期可同时进行三个时间信号测量的能力,可以采集同一个激发信号所产生的多个纵波(临界折射纵波或反射纵波),该方法可以克服超声波探头起振时间不一致、耦合剂、超声波激发和接收电路、探头固定特性等不一致所带来的影响,提高压力测量精度。实验结果表明,采用该方法获得的时延数据具有较好的重复性,压力测量均方根误差达到0.165MPa,平均相对误差达到3.61%。(3)设计了一套基于TDC-GP22的超声波在线压力检测设备。根据对声弹性理论和薄壳理论的研究,压力容器内的压力可通过对超声波渡越时间的测量来确定。本文采用MSP430F149为MCU,以TDC-GP22时间数字芯片为计时单元设计了一套高精度、高分辨率、低成本、可在线测量的压力检测设备。该设备主要包括:电源模块、系统控制模块、探头驱动模块、超声波信号调理模块以及数据处理与显示模块。(4)搭建了压力检测实验系统,以水压力容器为测试对象,对设计的压力检测装置和建模方法进行实验验证。实验结果表明,本文设计的压力检测设备具有较好的实用价值,本文所提出的模型优化方法和基于相邻纵波间时延间隔的测量方法能够有效提高压力检测精度,简化测量装置。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH49;TB559
【部分图文】：

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并着重分析了非介入式方法的特点和优点。最后，引出本文研逡逑容，即基于声时差法的超声波非介入式压力检测技术研究，对该方法逡逑术发展历程进行了介绍，并以此为基础阐述了文章的主要结构和内容。逡逑背景及意义逡逑备（锅炉、压力容器、气瓶、压力管道等）作为一个涉及多行业，多逡逑设备，在石油化工、医药、航空航天、核工业等领域得到了广泛的应逡逑家质量监督检验检疫总局发布的关于２０１６年全国特种设备安全状况逡逑示，截止２０１６年底全国特种设备总量超过１１９７．０２万台，相比２０１５逡逑％，其中包含锅炉５３．４４万台，压力容器３５９．９７万台。此外，与压力逡逑中，有气瓶超过１４２３５万只，压力管道超过４７．７９万公里［１］。在实际逡逑于承压设备一般与易燃、易爆或者有毒物质相关联，由于过压等原因逡逑者产生的二次危害，例如污染物泄露，辐射等会对工厂、环境以及人逡逑较大的危害，造成重大经济损失，是安全生产中的重要危险源。逡逑

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贴工艺和环境温湿度影响大，测量精度不高。此外，这种方法对应变片的安装要逡逑求很高，在低压测量阶段，导线电阻对压力测量会带来较大干扰。应变片结构及逡逑其粘贴方式如图１．４所示：逡逑覆盖层邋基片逡逑桯ｆ—逡逑引线／逦／逦…／邋电阻丝式敏感栅逡逑图１．４应变式压力检测示意图逡逑（２）电容式压力检测法。压力容器或压力管道内介质的性质和参数容易受很逡逑多因素影响，温度和压力是两个主要的影响因素［９’１＜）］。根据介电常数与压力的关逡逑系，理论上可以通过测量电容的变化来间接检测容器或管道内部压力。作为一种逡逑非介入式检测方法，电容式压力检测技术在理论上具备一定的可行性，并且近年逡逑来也取得了充分的研究，在实际应用中，电容式压力检测仍有很多问题需要解决：逡逑ａ．被测电容容易受到介质组分和杂质的干扰；ｂ．受管径的限制比较严重，随着管逡逑径的增大，电容会变得比较小，测量的准确度难以保证；ｃ．电容绝对值较小时，逡逑装置的寄生电容和杂散电容对测量带来一定的干扰。采用电容法进行压力检测原逡逑理图如图１．５所示：逡逑逦■邋由极１逡逑逦逦Ｖ邋■逦ｘ邋逦逡逑ｆ逦ｉｐ－邋＊ｔｐ逦？？邋＾￣￣ｊｒ—邋－ｗ邋——邋ｔｐ邋■逦－ｖ—邋ｙ逡逑／邋匕－＋抑」／邋＼逡逑ｉ逦电容式传感器逡逑＼邋＇逦，８＊ｓｓｎｎ？ｘ？？？ｅｓ＊？逦ｌ邋／逡逑ｌ邋Ｉ邋？？邋１■—ｉ？－ｉ

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【参考文献】