CN1032558C - 超声波管外测压方法及仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波管外测压的方法及仪器。本方法是根据大量的实验数据建立的数学模型而设计的，利用超声波在油液中传播速度与油液压力之间的关系，利用本发明相应设计的仪器电路和微机技术，测量数学模型中的Δt值，换算出压力值，从而达到超声波管外测压，进行故障诊断和运行检测的目的。本发明同现有技术相比，方法简便可靠，检出率高，仪器运行稳定，操作简便，测试精度高。是现有技术的重大突破，技术经济效益不言而喻。
Description
本发明属于液压***检测和故障诊断技术领域，涉及一种超声波管外测压的方法和仪器。
随着液压技术的发展，对于液压***的检测和故障诊断问题也大量增加，本发明以前的现有技术一般都是依据连入液压***中的压力表或传感器所显示的状态进行分析判断，但是由于大量的液压设备没有或者只在***某一部位装有压力表，需要查清***各部压力时就得不到反映，特别是在设备运行状态下进行检测，临时在管路中，插装压力表或传感器十分困难，甚至不可能。即使在制造液压设备时就将压力表或传感器都设计安装好，也不可能在设备的各元件之间或临时需要检测的部位都安装上。同时，在实际工作中，还常常会遇到压力表指示正常而执行元件不动作或动作迟缓等现象，而从外观上根本无法判断液压泵输出油液产生的压力传到了***的什么部位，产生了什么问题，基于上述情况，液压***的管外测压问题便相应地被提了出来。1989年，美国JON.K.chndLev等人在“压力外部测试***”一文中提出了一种以测量管子膨胀量经变换运算成为压力值后来查明液压***故障的方法及装置。该方法依据的原理是：在有压力的管子中，管子的膨胀量与管内的压力成正比，与管内外径平方差和弹性模量的乘积成反比。该方法的主要缺点是：
1.由于管子的膨胀量是一很小的数量级，故对测量头的精度和敏感度要求非常高，若在管内液体压力不高，管壁又比较厚的情况下就测不出来。
2.由于管接头处和远离接头处的管子在管内压力相同情况下，其膨胀量是不一样的，故测量结果受测量头安装位置影响比较大
3.传感器结构比较复杂，敏感元件昂贵，测量头夹钳体积大，对结构紧凑的液压设备无处下爪。
4.由于温度变化而引起金属膨胀量的变化往往影响受管内压力变化而引起膨胀量变化的测试结果。
5.标定的方法比较复杂，而且必须找到与被测管相同的管材标样才能进行标定。
国内在超声波管外测压方面的研究曾有过报导，例如《液压与气动》1989年第3期上发表了《超声波管外压力测量》一文。该项研究所依据的原理是利用声导在固＿固界面产生的界面波及固＿液界面产生的反射波，两波形成的干涉波幅值变化来反映油液压力变化，达到管外测压目的。由于该研究同样是测量超声波在管壁上发生的相应变化，与上述测量膨胀量变化有相似之处，也具有上述方法所具有的许多缺点，除此之外，这种方法还具有换能器与管壁联接不方便，声导的选择涉及材料、长度和被测管径等多个参数，极不易掌握，而且需要附件多，工作量大等缺点。
针对上述现有技术状况，本发明提出了一种新的液压***超声波管外测压的方法及仪器，目的在于找到一种更为科学、简便、准确的测试方法，并根据这种方法设计出方法可靠、造价低廉、携带方便，测试准确度高，性能稳定，易于操作的测试仪器。
现将本发明方法及仪器的构思及技术解决方案叙述如下，由超声学知道，超声波在液压管路中传播时，压力增加，密度、压缩系数等参数也发生变化，从而导至声速增加，在一定的温度下，声速随油液压力增加而线性增加，因此，可利用这一线性关系测量声速。从而得到油液压力变化的信息。但是由于直接测量油液中超声波传播速度的变化是比较困难的，对一定的管径而言，测量超声波的传播时间却比较容易。本发明方法就是根据这一原理及其线性关系，经过大量的试验，并将大量实验数据进行了科学的分析和处理，找出了压力油液中超声波传播速度的规律性，建立了具有实用价值的压力测试数学模型，并通过技术手段利用超声波传播时间的变化推导出声波速度的变化，进而得出压力变化的信息。本发明方法的数学模型为：
P＝φ0/φ·α0·Δt＋P0
式中：P—管内油液压力，
φ0—标准管内径(63mm)
φ—被测管内径
α0—用标准管内径测量管内压力时所采用的比例系数
Δt—波移量，即油液压力变化引起的超声波传播时间的变化量
P0—初始压力
式中φ0、φ、α0、P0都是已知或可预先标定的值，因此，根据所建立的数学模型，只要找到一种能够精确测量Δt值的技术解决方案，即可解决超声波管外测压的问题。
本发明对Δt值的测量是这样实现的：
将具有发射、接收能力的超声波探头作为敏感元件，紧贴在被测管的外壁上(参见图1)，本仪器发射电路(3)的触发信号触发探头(4)发射超声波进入管壁，再由探头(4)接收被管内壁反射的回波和穿透管壁继续在油液中传播直至再次遇到管壁界面被反射的回波，所接收的回波信号送接收电路(5)，接收电路(5)将回波信号送示波管(9)显示，同时送至逻辑电路(7)，经波形变换电路(11)，接口电路(12)送微机(13)进行技术处理，整机的同步信号由同步分频电路(6)提供。图2反映了超声波探头发射的超声波进入管壁和油液中被反射的情况，图中的b01，b02，b03为进入管壁被反射的回波，b11，b21为进入油液后又在油液与管壁界面被反射的回波，b12为进入油液又进入管壁被管壁外侧反射的回波，……，如此形成一组一组的波，每组波之间有一定的间隔，并均可在示波器上显示出来。当管内压力增加时，超声波在油液中的传播速度加快，在示波器上两组波间隔缩小，因此，根据波移量，即Δt的值，即可判断管内压力增加的情况，在进行数据处理时，只要在示波器上确定一条垂线作为波移动计数的基准(参见图3)，分别记录零压和加压时测试波到基准波的变化量，即我们所需要的Δt值，然后根据数学模型及本发明仪器技术处理即可达到超声波管外测压的目的。
数学模型P＝φ0/φ·α0·Δt＋P0中的α0是一个与被测油液的物理、化学性质有关的比例系数，油液的品种牌号、新旧程度、杂质多少以及温度等对α0都有影响，尤其是实际使用中的油液均非理想状态，应用固定的α0有误差，为提高实际测压精度，本发明采用对式中α。值进行预先标定方法，即在测压前，从油箱中抽取少量液压油，用现有技术中的标定装置或利用被测设备的压力表，测得α0后，将α0、φ值键入微机，φ0值内存，再进行正式测试。这样排除了因油料不同而造成的误差，通过技术处理保证标定时温度与测试时温度相同，则温差造成的误差也可消除。标定装置由市售的压力表校验泵，压力表和一段内径为63mm的管子构成。
此外，在检测小内径管子内的油压时(如小于15mm)，使用单探头可能出现波形不稳定现象，导至增加测试难度，本发明对这种情况采用双斜探头进行测试，由于在这种情况下超声波为斜入射与反射，波所走路程将不是二倍的管内径，故相应的P值应按P＝φ0/1.1φ·α0·Δt＋P0数学模型进行测试。
根据上述超声波管外测压方法，本发明提供了一种超声波管外测压仪，现将具体技术解决方案结合附图叙述如下：
本发明仪器由超声波发射、接收与显示***和单片微机***组成，其原理框图如图1所示。稳压电路(2)和变流器(1)为整机提供交流6V、3V、200V，直流5V～70V等稳定电压；超声波的发射部分由同步分频电路(6)，发射电路(3)、探头(4)组成，为各***提供同步信号，产生高压脉冲激励探头发射超声波；接收电路(5)接收超声波信号，并对信号衰减、放大、滤波，视频放大等处理；显示部分由扫描电路(8)、示波管(9)组成，完成整机的波形显示。微机***主要由波形变换电路(11)、接口电路(12)、微机(13)及显示器(10)等组成，该***与逻辑电路(7)结合起来对整机进行控制，完成数据采集，运算及压力显示功能。逻辑电路(7)对来自同步分频电路(6)、接收电路(5)和微机(13)的三路信号进行逻辑运算，产生计时方波送波形变换电路(11)。
为保证本发明对Δt值的准确提取和测量，本仪器在波形变换电路(11)中进行了独到的设计(参见图4)，图4中，计时方波信号CP+、CP-分别经耦合电路C1R1，C1R1送缓冲器(22)②④脚整形后送接口电路(12)，电容电阻C3R3、C4R5分别构成微分电路对控制方波信号H微分，二极管BK1和R3，构成上串联限幅电路，限制信号上限幅值，BK2和R5构成串联下限幅电路，限制信号下限幅值，缓冲器(22)和反向器(23)构成整形电路对输入的波形信号进行进一步的整形、处理后，输出尖脉冲至微机(13)，供查询用，其余输出至接口电路(12)，经接口电路的4级级联计数，锁存输出(16)位二进制数字量至微机(13)。
为了减少仪器元件，简化结构，减轻重量，本发明对波形变换电路(11)的设计还可为如图5所示式，即将CP+、CP-输入信号改为一路由电容电阻C1R1组成的耦合电路对计时方波信号CP进耦合。微机(13)是本仪器的中央控制单元，软件进行模块化处理，仪器工作流程如图6所示，其主程序如图7所示
现将附图说明如下：
图1：超声波管外测压方法及仪器原理框图
图2：超声波进入管壁及油液中被反射情况示意图
图3：波移量示意图
图4：波形变换电路方案1
图5：波形变换电路方案2
图6：仪器工作流程图
图7：微机主程序图
其中：(1)变流器、(2)稳压电路、(3)发射电路、(4)探头、(5)接收电路、(6)同步分频电路、(7)逻辑电路、(8)扫描电路、(9)示波器、(10)显示器、(11)波形变换电路、(12)接口电路、(13)微机、(14)键盘、(15)油液、(16)初波组、(17)第一波组、(18)第二波组、(19)探头、(20)管壁、(21)基准、(22)缓冲器、(23)反向器、(24)读指数值、(25)读管径、(26)读修正值、(27)读油种、(28)读温度值、(29)定斜率：设定或输入、(30)定初值：设定或输入、(31)采集回波值、(32)接收各种命令、(33)计算压力及控制、(34)输出显示、(35)开始、(36)#60H-SP、(37)清零、(38)置输入状态、(39)数据送显示缓冲区、(40)调用DIR、(41)调用键盘管理模块、(42)调用键处理模块。
本发明方法及仪器经多次试验验证，测试方法简便、可靠、检出率高，仪器运行稳定可靠，测试精度优于4级压力表。同现有技术相比，超声波管外测压技术是对传统直感式压力表测压技术的重大突破，特别适合于故障诊断和运行检测，同时由于采用了问答式输入、控制，使得操作十分简便。
本发明方法及仪器的实际应用，必将对液压***的运行监测和故障诊断带来极大方便，为该技术领域提供精确、实用的方法及仪器，其技术，经济效益是不言而喻的。
Claims (5)
1.一种超声波管外测压方法，其特征在于：它依次包括下述步骤：
1.1测量波移量Δt值，根据超声波在油液中的传播速度随压力变化的关系，即根据由实验推导出的测压数学模型P＝φ0/φ·α0·Δt＋P0得出压力值P；其中：P是管内油液压力，φ0是标准管内径，φ是被测管内径，α0是比例系数，Δt是波移量，P0是初始压力；
1.2Δt值的测量和P值的换算是将具有发射接收能力的探头紧贴在被测管外壁上，由发射电路的触发信号触发探头发射的超声波进入管壁及管内，再由探头接收被内壁反射的回波和穿透管壁继续在油液中传播直至再次被油液与管壁界面反射的回波，所接收的回波信号，送接收电路，接收电路将回波信号送示波管显示，同时送逻辑电路，经波形变换电路、接口电路、送入微机，进行技术处理；
1.3数学模型P＝φ0/φ·α0·Δt＋P0中的比例系数α0采用现场标定法；即在测压前，从油箱中抽取少量液压油，用标定装置或利用被测设备的压力表，在施加压力情况下，由前述数学模型反求的α0值，将α0、φ值键入微机处理，φ0值内存，再进行正式测压。
2.根据权利要求1中所述的一种超声波管外测压方法，其特征在于：在测量小内径管子油液压力时，采用双斜探头发射和接收超声波信号，并取相应α0值。
3.一种根据权利要求1所述的超声波管外测压方法而制造的超声波管外测压仪，具有超声波发射、接收与显示***和单片机***，其特征在于：同步分频电路(6)为发射电路(3)，扫描电路(8)、逻辑电路(7)提供同步信号；扫描电路(8)产生的扫描基线送示波管(9)；发射电路(3)产生触发脉冲信号激励探头(4)产生超声波；接收电路(5)接收探头(4)送来信号，经同步分频电路(6)、接收电路(5)和微机信号进行逻辑运算，产生计时方波送波形变换电路(11)，计时方波经整形、计时后转化为16位二进制数字量送微处理机(13)。
4.根据权利要求3所述的超声波管外测压仪，其特征在于：微机***中的波形变换电路(11)将计时方波信号CP+、CP-分别经耦合电路C1R1、C2R2送缓冲器(22)的②、④脚，整形后送接口电路(12)；电阻电容C3R3、C4R5分别构成微分电路对控制方波信号H微分；二极管BK1和R3、二极管BK2和R5分别构成上、下串联限幅电路，对H信号上、下限幅，缓冲器(22)和反向器(23)构成整形电路，输出尖脉冲至微机(13)，同时送至将波形转换为16位二进制数字量的接口电路(12)。
5.根据权利要求4所述的超声波管外测压仪，其特征在于：微机***的波形变换电路(11)还可设计成为由电阻电容C1R1组成的耦合电路对计时方波信号CP进行耦合并由4个2CL102芯片直接显示计时方波信号并输出16位BCD码至微机(13)。
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