專(zhuān)利名稱：超聲波管外測(cè)壓方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液壓系統(tǒng)檢測(cè)和故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲波管外測(cè)壓的方法和儀器。
隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于液壓系統(tǒng)的運(yùn)行檢測(cè)和故障診斷問(wèn)題也大量增加，本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術(shù)一般都是依據(jù)連入液壓系統(tǒng)中的壓力表或傳感器所顯示的狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，但是由于大量的液壓設(shè)備沒(méi)有或者只在系統(tǒng)某一固定部位裝有壓力表，需要查清系統(tǒng)各部壓力時(shí)就得不到反映，特別是在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，臨時(shí)在管路中，插裝壓力表或傳感器十分困難，甚至不可能。即使在制造液壓設(shè)備時(shí)就將壓力表或傳感器都設(shè)計(jì)安裝好，也不可能在設(shè)備的各元件之間或臨時(shí)需要檢測(cè)的部位都安裝上。同時(shí)，在實(shí)際工作中，還常常會(huì)遇到壓力表指示正常而執(zhí)行元件不動(dòng)作或動(dòng)作遲緩等現(xiàn)象，而從外觀上根本無(wú)法判斷液壓泵輸出油液產(chǎn)生的壓力傳到了系統(tǒng)的什么部位，產(chǎn)生了什么問(wèn)題，基于上述情況，液壓系統(tǒng)的管外測(cè)壓?jiǎn)栴}便相應(yīng)地被提了出來(lái)。1989年，美國(guó)JON.K.chndlev等人在“壓力外部測(cè)試系統(tǒng)”一文中提出了一種以測(cè)量管子膨脹量經(jīng)變換運(yùn)算成為壓力值后來(lái)查明液壓系統(tǒng)故障的方法及裝置。該方法依據(jù)的原理是在有壓力的管子中，管子的膨脹量與管內(nèi)的壓力成正比，與管內(nèi)外徑平方差和彈性模量的乘積成反比。該方法的主要缺點(diǎn)是
1、由于管子的膨脹量是一很小的數(shù)量級(jí)，故對(duì)測(cè)量頭的精度和敏感度要求非常高，若在管內(nèi)流體壓力不高，管壁又比較厚的情況下就測(cè)不出來(lái)。
2、由于管接頭處和遠(yuǎn)離接頭處的管子在管內(nèi)壓力相同情況下，其膨脹量是不一樣的，故測(cè)量結(jié)果受測(cè)量頭安裝位置影響比較大。
3、傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敏感元件昂貴，測(cè)量頭夾鉗體積大，對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊的液壓設(shè)備無(wú)處下爪。
4、由于溫度變化而引起金屬膨脹量的變化往往影響受管內(nèi)壓力變化而引起膨脹量變化的測(cè)試結(jié)果。
5、標(biāo)定的方法比較復(fù)雜，而且必須找到與被測(cè)管相同的管材標(biāo)樣才能的進(jìn)行標(biāo)定。
國(guó)內(nèi)在超聲波管外測(cè)壓方面的研究曾有過(guò)報(bào)導(dǎo)，例如《液壓與氣動(dòng)》1989年第3期上發(fā)表了《超聲波管外壓力測(cè)量》一文。該項(xiàng)研究所依據(jù)的原理是利用聲導(dǎo)在固-固界面產(chǎn)生的界面波及固-液界面產(chǎn)生的反射波，兩波形成的干涉波幅值變化來(lái)反映油液壓力變化，達(dá)到管外測(cè)壓目的。由于該研究同樣是測(cè)量超聲波在管壁上發(fā)生的相應(yīng)變化，與上述測(cè)量膨脹量變化有相似之處，也具有上述方法所具有的許多缺點(diǎn)，除此而外，這種方法還有換能器與管壁聯(lián)接不方便，聲導(dǎo)的選擇涉及材料、長(zhǎng)度和被測(cè)管經(jīng)等多個(gè)參數(shù)，極不易掌握，而且需要附件多，工作量大等缺點(diǎn)。
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明提出了一種新的液壓系統(tǒng)超聲波管外測(cè)壓的方法及儀器，目的在于找到一種更為科學(xué)、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的測(cè)試方法，并根據(jù)這種方法設(shè)計(jì)出方法可靠，造價(jià)低廉、攜帶方便，測(cè)試準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定，易于操作的測(cè)試儀器。
現(xiàn)將本發(fā)明方法及儀器的構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下由超聲學(xué)知道，超聲波在液壓管路中傳播時(shí)，壓力增加，密度、壓縮系數(shù)等參數(shù)也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聲速增加，在一定溫度下，聲速隨油液壓力增加而呈線性增加，因此，可利用這一線性關(guān)系測(cè)量聲速。從而得到油液壓力變化的信息。但是由于直接測(cè)量油液中超聲波傳播速度的變化是比較困難的，對(duì)一定的管徑而言，測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間卻比較容易。本發(fā)明方法就是根據(jù)這一原理及其線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，并將大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)分析和處理，找出了壓力油液中超聲波傳播速度的規(guī)律性，建立了具有實(shí)用價(jià)值的壓力測(cè)試數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)技術(shù)手段利用超聲波傳播時(shí)間的變化推導(dǎo)出聲波速度的變化，進(jìn)而得出壓力變化的信息。本發(fā)明方法的數(shù)學(xué)模型為P=φ0φ· a0· △t+P0]]>式中P-管內(nèi)油液壓力，φ0-標(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)徑(63mm)φ-任意管內(nèi)徑
α0-用標(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)徑測(cè)管內(nèi)壓力時(shí)所采用的比例系數(shù)△t-波移量，即油液壓力變化引起的超聲波傳播時(shí)間的變化量P0-初始?jí)毫κ街笑?、φ、α0、P0都是已知或可預(yù)先標(biāo)定的值，因此，根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，只要找到一種能夠精確測(cè)量△t值的技術(shù)解決方案，即可解決超聲波管外測(cè)壓的問(wèn)題。
本發(fā)明對(duì)△t值的測(cè)量是這樣實(shí)現(xiàn)的將具有發(fā)射、接收能力的超聲波探頭作為敏感元件，緊貼在被測(cè)管的外壁上(參見(jiàn)圖1)，由本儀器發(fā)射電路的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭發(fā)射超聲波進(jìn)入管壁，再由探頭接收被管內(nèi)壁反射的回波和穿透管壁繼續(xù)在油液中傳播直至再次遇到油液管壁界面被反射的回波，所接收的回波信號(hào)送接收電路，接收電路將回波信號(hào)送示波管顯示，同時(shí)送至邏輯電路，經(jīng)波形變換電路，接口電路送微機(jī)進(jìn)行技術(shù)處理，整機(jī)的同步信號(hào)由同步分頻電路提供。圖2反映了超聲波探頭發(fā)射的超聲波進(jìn)入管壁和油液中被反射的情況，圖中的波bo1，bo2，bo3為進(jìn)入管壁被反射的回波，b11、b21為進(jìn)入油液后又在油液與管壁界面被反射的回波，b12為進(jìn)入油液又進(jìn)入管壁被管壁外側(cè)反射的回波，……，如此形成一組一組的波，每組波之間有一定間隔，并均可在示波器上顯示出來(lái)。當(dāng)管內(nèi)壓力增加時(shí)，超聲波在油中傳播速度加快，在示波器上兩組波間隔縮小，因此，根據(jù)波移量，即△t值，即可判斷管內(nèi)油液壓力增加的情況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，只要在示波器上確定一條垂線作為波移動(dòng)計(jì)數(shù)的基準(zhǔn)(參見(jiàn)圖3)，分別記錄零壓和加壓時(shí)測(cè)試波到基準(zhǔn)波的距離的變化量，即我們所需要的△t值，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型及本發(fā)明儀器的技術(shù)處理即可達(dá)到超聲波管外測(cè)壓的目的。
數(shù)字模型P＝φ0/φ·α0·△t+P0中的α0是一個(gè)與被測(cè)油液的物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)，油液的品種牌號(hào)、新舊程度、雜質(zhì)多少以及溫度等對(duì)α0都有影響，尤其是實(shí)際使用中的油液均非理想狀態(tài)，應(yīng)用固定的α0會(huì)有誤差，為提高實(shí)際測(cè)壓精度，本發(fā)明采用對(duì)式中φ0值進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定方法，即在測(cè)壓前，從油箱中抽取少量液壓油，用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用標(biāo)定裝置或利用被測(cè)設(shè)備的壓力表，測(cè)得α0后，將α0·φ值鍵入微機(jī)，φ0值內(nèi)存，再進(jìn)行正式測(cè)試。這樣排除了因油料不同而造成的誤差，通過(guò)技術(shù)處理保證標(biāo)定時(shí)溫度與測(cè)試時(shí)溫度相同，則溫差造成的誤差也可消除。
此外，在檢測(cè)小內(nèi)徑管子內(nèi)的油壓時(shí)，(如小于15mm)，使用單探頭可能出現(xiàn)波形不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致增加測(cè)試難度，本發(fā)明對(duì)這種情況采用雙斜探頭進(jìn)行測(cè)試，由于在這種情況下超聲波為斜入射與反射，波所走路程將不是二倍的管內(nèi)徑，故相應(yīng)的α0值應(yīng)按P＝φ0/1.2φ·α0·△t+P0數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試。
根據(jù)上述超聲波管外測(cè)壓方法，本發(fā)明提供了一種超聲波管外測(cè)壓儀，現(xiàn)將具體技術(shù)解決方案結(jié)合附圖敘述如下本發(fā)明儀器由超聲波發(fā)射、接收與顯示系統(tǒng)和單元微機(jī)系統(tǒng)組成，其原理框圖如圖1所示。穩(wěn)壓電路2和變流器1為整機(jī)提供交流6V、3V、200V，直流5V～70V等穩(wěn)定電壓;超聲波的發(fā)射部分由同步分頻電路6，發(fā)射電路3、探頭4組成，為各系統(tǒng)提供同步信號(hào)，產(chǎn)生高壓脈沖激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波;接收電路5接收超聲波信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減、放大、濾波，視頻放大等處理;顯示部分由掃描電路8、示波管9組成，完成整機(jī)的波形顯示。微機(jī)系統(tǒng)主要由波形變換電路11、接口電路12、微機(jī)13及顯示器10等組成，該系統(tǒng)與邏輯電路7結(jié)合起來(lái)對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算及壓力顯示功能。邏輯電路7對(duì)來(lái)自同步分頻電路6、接收電路5和微機(jī)13的三路信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生計(jì)時(shí)方波送波形變換電路11。
為保證本發(fā)明對(duì)△t值的準(zhǔn)確提取和測(cè)量，本儀器在波形變換電路11中進(jìn)行了獨(dú)到的設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖4)，圖4中，計(jì)時(shí)方波信號(hào)CP+、CP-分別徑耦合電路C1R1，C1R1送緩沖器22②④腳整形后送接口電路12，C3R3、C4R5分別構(gòu)成微分電路對(duì)控制方波信號(hào)H微分，二極管EK1和R3，構(gòu)成上串聯(lián)限幅電路，限制信號(hào)上限幅、EK2和R5構(gòu)成串聯(lián)下限幅電路，限制信號(hào)下限幅，緩沖器22和反向器23構(gòu)成整形電路對(duì)輸入的波形信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步整形、處理后，輸出尖脈沖至微機(jī)13，供查詢用，其余輸出至接口電路口12，經(jīng)接口電路的4級(jí)級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)，鎖存輸出16位二進(jìn)制數(shù)字量至微機(jī)13。
為了減少儀器元件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量，本發(fā)明對(duì)波形變換電路11的設(shè)計(jì)還可為如圖5所示形式，即將CP+、CP-輸入信號(hào)改為一路由C1R1組成的耦合電路對(duì)計(jì)時(shí)方波信號(hào)CP進(jìn)行耦合。
微機(jī)13是本儀器的中央控制單元，軟件進(jìn)行模塊化處理，儀器工作流程如圖6所示，其主程序圖如圖7所示。
現(xiàn)將


如下圖1超聲波管外測(cè)壓方法及儀器原理框2超聲波進(jìn)入管壁及油液中被反射情況示意3波移量示意4波形變換電路方案1圖5波形變換電路方案2圖6儀器工作流程7微機(jī)主程序框圖其中1、交流器2、穩(wěn)壓電路3、發(fā)射電路4、探頭5、接收電路6、同步分頻電路7、邏輯電路8、掃描電路9、示波器10、顯示器11、波形變換電路12、接口電路13、微機(jī)14、鍵盤(pán)15、油液16、初波組17、第一波組18、第二波組19、探頭20、管壁厚度21、基準(zhǔn)22、緩沖器23、反向器24、讀指數(shù)值25、讀管徑26、讀修正值27、讀油種28、讀溫度值29、定斜率設(shè)定或輸入30、定初值設(shè)定或輸入31、采集回波值32、接收各種命令33計(jì)算壓力及控制34、輸出顯示35、開(kāi)始36、＃60H-SP37、清零38、置輸入狀態(tài)39、數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)40、調(diào)用OIR41、調(diào)用鍵盤(pán)管理模塊42、調(diào)用鍵處理模塊。
本發(fā)明方法及儀器經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試方法簡(jiǎn)便、可靠、檢出比高，儀器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試精度優(yōu)于A級(jí)壓力表。同現(xiàn)有技術(shù)相比，超聲波管外測(cè)壓技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)直感式壓力表測(cè)壓技術(shù)的重大突破，特別適用于故障診斷和運(yùn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于采用了問(wèn)答式輸入、控制，使得操作十分簡(jiǎn)便。
本發(fā)明方法及儀器的實(shí)際應(yīng)用，必將對(duì)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷帶來(lái)極大的方便，為該技術(shù)領(lǐng)域提供精確、實(shí)用的方法及儀器，其技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。
權(quán)利要求
1.一種超聲波管外測(cè)壓方法，其特征在于1.1根據(jù)超聲波在油液中傳播速度隨壓力變化而變化的關(guān)系，測(cè)量由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出的測(cè)壓數(shù)學(xué)模型P=φ0/φ·α0·△t+P0的△t值，經(jīng)本發(fā)明儀器的技術(shù)處理得出壓力值P；1.2△t值的測(cè)量和P值的換算是將具有發(fā)射接收能力的探頭緊貼被測(cè)管外壁上，由發(fā)射電路的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭發(fā)射的超聲波進(jìn)入管壁及管內(nèi)，再由探頭接收被內(nèi)壁反射的回波和穿透管壁繼續(xù)在油液中傳播直至再次被油液與管壁界面反射的回波，所接收的回波信號(hào)，送接收電路，接收電路將回波信號(hào)送示波管顯示，同時(shí)送邏輯電路，經(jīng)波形變換電路、接口電路、送入微機(jī)，進(jìn)行技術(shù)處理。1.3數(shù)學(xué)模型P=φ0/φ·α0·△t+P0中的比例系數(shù)α0采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定法；即在測(cè)壓前，從油箱中抽取少量液壓油，用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用標(biāo)定裝置或利用被測(cè)設(shè)備的壓力表，在施加壓力情況下得到α0值，將α0·φ值鍵入微處理機(jī)，φ值內(nèi)存，再進(jìn)行正式測(cè)壓；
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種超聲波管外測(cè)壓方法，其特征在于在測(cè)量小內(nèi)經(jīng)管子油液壓力時(shí)，采用雙斜探頭發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，并取相應(yīng)α0值。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波管外測(cè)壓方法而制造的超聲波管外測(cè)壓儀，具有超聲波發(fā)射、接收與顯示系統(tǒng)和單片微機(jī)系統(tǒng)，其特征在于同步分頻電路為發(fā)射電路，掃描電路、邏輯電路提供同步信號(hào);掃描電路產(chǎn)生的掃描基線送示波管;發(fā)射電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波;接收電路接收探頭送來(lái)信號(hào)經(jīng)衰減、放大、濾波、視放后送示波管及邏輯電路;邏輯電路對(duì)來(lái)自同步分頻電路、接收電路和微機(jī)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生計(jì)時(shí)方波送波形變換電路，計(jì)時(shí)方波經(jīng)整形、計(jì)時(shí)后轉(zhuǎn)化為16位二進(jìn)制數(shù)字量送微處理機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波管外測(cè)壓儀，其特征在于微機(jī)系統(tǒng)中的波形變換電路將計(jì)時(shí)方波信號(hào)CP+、CP-分別經(jīng)耦合電路C1、R1、C2R2送緩沖器的②、④腳，整形后送接口電路;C3R3、C4R5分別構(gòu)成微分電路對(duì)控制方波信號(hào)H微分;二極管1和R3、二極管2和R5分別構(gòu)成上、下串聯(lián)限幅電路，對(duì)H信號(hào)上、下限幅，緩沖器和反向器構(gòu)成整形電路，輸出尖脈沖至微機(jī)，同時(shí)送至將波形轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制數(shù)字量的接口電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波管外測(cè)壓儀，其特征在于，微機(jī)系統(tǒng)的波形變換電路還可設(shè)計(jì)成為由C1R1組成的耦合電路對(duì)計(jì)時(shí)方波信號(hào)CP進(jìn)行耦合并由4片ZCL102直接顯示計(jì)時(shí)方波信號(hào)并輸出16位BCO碼至微機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波管外測(cè)壓的方法及儀器。本方法是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型而設(shè)計(jì)的，利用超聲波在油液中傳播速度與油液壓力之間的關(guān)系，利用本發(fā)明相應(yīng)設(shè)計(jì)的儀器電路和微機(jī)技術(shù)，測(cè)量數(shù)學(xué)模型中的Δt值，換算出壓力值，從而達(dá)到超聲波管外測(cè)壓，進(jìn)行故障診斷和運(yùn)行檢測(cè)的目的。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，方法簡(jiǎn)便可靠，檢出率高，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，測(cè)試精度高。是現(xiàn)有技術(shù)的重大突破，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。
文檔編號(hào)G01L11/00GK1079297SQ9210877
公開(kāi)日1993年12月8日 申請(qǐng)日期1992年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月29日
發(fā)明者邸乃謙, 劉先煜, 蔣志明, 杜中東, 黃先祥 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院