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液压系统油液压力非插入式测量的新方法 1, 2于 凤 1 崔玉亮 2靳世久 1李兆庆 1 山东科技大学 泰安 271019 2 天津大学 天津 300072 摘要 本文基于液压系统压力变化引起油液声速变化这一物理特性, 提出了通过测量超声波在油液中的传播速度实现压力非接触 式测量的新方法。该方法不但完全克服管道壁厚影响, 而且有效地消除固有声电延时误差, 达到了较高的测量精度。所研制的非插 入式压力检测系统是实现液压系统快速故障定位的先进检测手段, 具有重要的应用价值。 关键词 压 力 非插入式测量 声 速 检测系统 故障定位 A Novel for Non-intrusive Measurement of Pressure in Hydraulic Systems 1, 2Yu Feng 1Cui Yuliang 2Jin Shijiu 1Li Zhaoqing 1Shandong Univ. of Science Technology T aian271019 2Tianj in Univ. ,Tianj in300072,China Abstract This new is based on the determination of ultrasonic wave velocity of oil inside the pipe.The pres- sure is a function of the measured velocity value and can be calculated by a single-chip microcomputer.The advantage of the is that the influence of the thickness of the tube is effectively elimina- ted. Tests of prototype non-intru- sive pressure measurement system have shown that it is possible to accurately convert the small change of velocity with the pressure into a direct pressure reading. The system is a useful tool for rapid trouble shooting hydraulic sys- tems. Key words Pressure Non-intrusive measurement Ultrasonic wave velocity Measuring system Trouble shooting 1 引 言 液压系统压力测试仪表经历了机械式、 数字式和 智能化三个发展阶段。这些压力测试仪表基本上由感 压元件、 传递元件和显示元件三大部分组成。不难发 现, 其共同特征之一是感压元件必须和液体介质相接 触, 以便直接反映压力。 当这些传统的接触式压力测试 仪表用于液压系统的定量监测与故障诊断时 [ 1] [ 2] , 就 需要配合接头插入压力油管才能实施检测。 这样, 在有 的系统中只能获得有限部位的压力读数, 而在大多数 精密系统中不允许插装压力计, 严重制约液压系统的 快速故障定位。 遵循尽可能减少拆装工作量, 在尽可能 短的时间内准确找到故障部位并迅速排除的基本诊断 原则, 研究非插入式压力检测方法有助于获得多个临 时检测部位的压力值, 这对于液压系统管外测压及快 速故障定位具有十分重要的意义。 将传统结构型压力测试方法进行延伸, 便可以根 据压力作用下金属管道径向产生弹性变形的特性, 通 过检测管道外径微小变形量即可解算出管道内部压 力[ 3]。然而, 毕竟与专门设计的感压元件相比, 管道的 变形特性自然要差一些, 从而使这种测压方法的灵敏 度、 精确度等指标受到影响。 本文提出完全突破传统压 力检测思维模式, 对液压管道压力进行非插入式检测 的新方法。 第 22 卷第 5期 仪 器 仪 表 学 报 2001年 10 月 本文于 2000 年 5 月收到。 山东省自然科学基金Q98F07149 及优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目。 2 检测原理 液压管道压力非插入式检测的新思路, 是利用检 测源提供检测介质, 与被检对象相互作用, 使检测介质 的参数随被检物体状态变化而变化, 从而可以产生多 种信号, 通过对某些信号的检测、 解释实现要求的检测 目的。 可以纳入考虑范围的检测介质有超声波、 各种射 线、 电磁波等。针对压力这一检测参数, 被检对象可以 是油液、 管壁、 整段油管等。本文把压力油作为被检对 象, 依据压力变化引起油液声速变化这一物理特性, 选 择超声波作为检测介质, 通过测量超声波在油液中的 传播速度达到压力测量之目的。 测量流体时, 通常声速不易直接测得, 而是用固定 超声波声程的方法, 通过测量此声程下的声时求出声 速。可以用脉冲回波法[ 4], 也可以用脉冲穿透法[ 5]。为 保证声速测量精度, 要求超声波探头与流体介质接触, 否则就需要对管道 或容器 壁厚引起的误差进行修 正。 当壁厚为变量时, 误差修正比较困难。 对于液压传 动系统而言, 油液密封于压力管内, 油管壁厚因其规格 不同而变化, 从而使得管外测量液压油中的声速变得 复杂化。 图 1 检测原理示意图 本文提出“ 脉冲回波穿透” 组合式超声波管外 准确地测定管内油液声速的检测方案, 如图 1 所示。 探 头 1 工作于脉冲回波方式, 接收管壁 4 内侧的反射波, 而探头 2 与探头 1 组成脉冲穿透工作方式。设压力油 管内半径为 a, 外半径为 b, 超声波在声程为 2a 的油液 中传播的声时为 t , 在声程为 b- a 的管壁中传播的 声时为 ts, 可以得到 t1 2t 2ts 1 t2 t 2ts 2 式中 t1发射脉冲与探头 1 接收回波之间的时间 间隔 t2发射脉冲与探头 2 接收穿透波之间的时 间间隔 固有声电延时, 包括探头延时, 耦合层延 时、 电缆延时、 电路延时和接收前沿的触 发电平延时 由式 1 、 2 得 t t1 - t 2 3 从而得到超声波在压力油中的声速 c 的表达式为 c 2a t1- t2 4 上述非插入式检测管内液压油声速的新方法, 具 有两个固有优点 第一是完全克服了管壁壁厚的影响, 第二是非常有效地消除了延时系统误差。 概括地讲, 具 有自动补偿功能。 压力p 和声速 c 之间的拟合公式为 p∑ 2 i 1 Ai c- c0 i 5 式中 c0压力为零时对应的初始声速 Ai系数 Ai采用最小二乘法对标定数据进行处理得到。 3 检测系统 检测系统原理框图如图 2 所示。单片机单元包括 80C196 单片机、 EPROM、 E2PROM、 SRAM、 矩阵联接 式非编码键盘、 显示模块、 微型打印机、 远程通讯接口 等, 实现主控脉冲产生、 信号检测、 数字滤波、 参数预 置、 压力计算、 压力显示等功能。发射单元包括主控脉 冲放大电路、 窄脉冲产生电路、 超声波发射电路。接收 单元包括衰减电路、 高频调谐放大电路、 抑制电路、 视 频放大电路、 声时放大电路等。 扫描单元包括扫描闸门 电路、 扫描电路、 扫描放大电路, 输出锯齿波送示波管 以产生时基线。 图 2 检测系统原理框图 477 第 5 期 液压系统油液压力非插入式测量的新方法 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 检测系统分别测量 t1 和 t 2, 利用式 4 计算声速, 最后通过式 5 计算出压力, 并进行显示、打印或远距 离传输。 4 检测结果 根据均方根合成的微小误差准则, 选定 0. 4 级标 准压力表可以标定 1. 5 级以下的压力检测系统。在温 度为 25℃时, 对 10 号机械油在 0～20MPa 范围进行 检测的结果如表 1 所示。表中 ps为标准压力, c/ c0为 声速相对变化量, p 为本系统测得的压力, 为引用误 差。由检测 表 1 检测结果 ps MPa c/ c0 ‰ p MPa FS ps M Pa c/ c0 ‰ p MPa FS 13. 11. 000. 00 1133. 310. 97 - 0. 15 26. 72. 190. 951236. 912. 180. 90 39. 63. 120. 601339. 413. 000. 00 412. 54. 060. 301442. 113. 92 - 0. 40 515. 45. 010. 051545. 214. 96 - 0. 20 618. 56. 060. 301647. 615. 79 - 1. 05 721. 57. 020. 041751. 317. 060. 25 824. 17. 900. 501853. 817. 91 - 0. 50 927. 48. 97- 0. 151957. 319. 090. 45 1030. 39. 97- 0. 152060. 420. 170. 85 数据可以发现, 声速压力系数 Kp≈310 - 3/ MPa, 测 压精确度达 1. 5级。 5 结束语 理论分析和实测表明, 基于油液声学特性的非插 入式压力测量方法是可行和有效的。 但必须指出, 同一 型号的油液在不同温度下的声速压力特性不同, 不同型号的油液在相同温度下的声速压力特性也 有差异。 目前, 课题组正在建立超声测压传感系统静态 误差综合校正的神经网络模型, 以便同时校正多种相 互关联误差因素对测量精确度的影响。 参考文献 1 葛思华. 液压系统故障诊断. 西安 西安交通大学出版社, 1992. 2 嵇光国. 液压系统故障诊断与排除. 北京 海洋出版社, 1998. 3 Jon K. Chandler, Don P. Fowler. External Pressure M ea- surement System.ISA Transactions, 1989, 19～26. 4 刘镇清, 等. 超声波过氧化氢水溶液浓度在线检测仪. 仪器 仪表学报. 1994, 151 49～54. 5 张立勋, 等. 大密度流体密度测量分析与研究. 仪器仪表学 报, 1997, 183 314～317. 上接第 468页 图 3 结构三阶复合控制频域图 参考文献 1 D.C Hyland etc. .Active Control T echnology for Large Space Structure.Journal of Guidance,Control and Dynam- ics, 1993, 165 801～821. 2 Isam A S, Craig K C. Damage Detection in Composite Structures using Piezoelectric M aterials.Smart Material and Structure, 1994, 3 318～328. 3 董聪, 夏人伟. 智能结构设计与控制中的若干核心技术问 题. 力学进展, 1996, 262 166～176. 4 彭福军, 等. 结构响应主动控制的时域与频域实现. 南京航 空航天大学学报, 1995, 272 250. 5 Brin Culshow. Smart Structures and Materials. London Artech House Press, 1996 150～153. 478 仪 器 仪 表 学 报 第 22 卷