液压管路压力非插入式检测方法研究.pdf

第 19 卷第 3期山 东 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Vol. 19 3 2 0 0 0 年 9 月Journal of Shandong University of Science and Technology Natural ScienceSep. 2000 文章编号 1000- 2308 2000 03- 0070- 03 液压管路压力非插入式检测方法研究 崔玉亮1, 于 凤1, 原明亭1, 靳世久2 1. 山东科技大学 矿压研究所, 山东 泰安 271019; 2. 天津大学, 天津 300072 摘 要 传统液体压力检测方法需要感压元件和液体介质相接触才能实施检测, 因而在液压系统故障诊 断中临时安装压力表或压力传感器是十分困难的。非插入式液体压力检测方法有助于快速故障诊断的实现。 方法之一是将液压作用下金属管道外径变形量转化为压力变化量, 这是传统测压方法的延伸。本文提出通过 测量超声波在液体介质中传播的声速实现压力非插入式检测的新方法。该方法完全突破了传统液体压力检 测方法的思维模式, 具有重要的应用价值。 关键词 液压系统; 压力; 非插入测量; 超声波 中图分类号 TH812 文献标识码 A 现代化液压设备日趋精密和复杂, 随之而来 的系统故障引起的损失也同步增长。只有在尽可 能短的时间内, 正确诊断故障之所在, 及时修复, 才有可能将损失降低到最低程度。液压系统的故 障定位需要许多部位的压力读数, 以便科学地诊 断失效元件。本文首先简要回顾传统的接触式液 压测量方法, 指出其不足之处, 进而提出非插入式 液压检测方法基本思路, 并对超声检测液压管路 压力的新方法进行研究。新方法的特色在于能从 液压系统管路的外部测量出内部液体介质工作压 力, 而对液压系统工况无任何影响。显然, 该方法 对于液压系统的快速故障定位具有十分重要的意 义。 1 传统的接触式液压测量方法 目前, 虽然液压测量方法种类繁多[1、 2], 但其 测量示意图均可用图 1来表示。无论是机械压力 计, 还是非电量电测式压力计, 研究的重点均放在 感压元件、 传递元件和显示元件上。归纳起来, 感 压元件有波登管、 波纹管、 膜片、 膜盒等, 传递转 换元件的变换效应已达数十种, 如应变效应、 压 阻效应、 电容变换、 电感变换、 涡流效应、 霍尔效 应、 谐振原理、 力平衡原理、 压电效应、 激光干涉原 理、 光纤变换等, 而指示环节则经历了机械式、 数 字化和智能化三个发展阶段。纵观压力检测手段 的发展历程, 尽管技术在不断更新, 但有一个根本 点却始终没有改变, 那就是所有的测量基本上都 是接触式测量 敏感元件必须和液体介质相接 触。 图 1 传统的接触式液压测量方法原 理图 1 感压; 2 传递; 3 指示; 4 测压管; 5 管道; 6 液压油 上述测量方法在液压系统故障诊断中遇到严 重挑战。这是因为在故障定位过程中, 临时需检 测压力的部位较多, 而在这些部位安装压力表或 压力传感器是十分困难或不允许的, 由此只能延 收稿日期 2000- 01- 19 * 基金项目 山东省自然科学基金资助项目 Q98F07149 作者简介 崔玉亮 1963- , 男, 山东青州人, 教授, 博士, 从事测试计量及仪器专业教学和科研. 误修复, 造成更大的损失。研究不用插入压力计 而快速测定压力的方法是十分必要的。 2 非插入式液压检测方法 所谓非插入式液压检测方法, 是指突破传统 接触式测压方法的思维模式, 无需在液压管道上 加工测压孔、 安装压力计等程序, 就能在管外检测 出管内液体介质压力的测量方法。 为了实现液压的非插入式测量, 可以有两种 基本思路, 第一种是传统测压方法的延伸, 第二种 是拓宽思路、 另辟蹊径。 2. 1 基于第一种思路的非插入式液压检测方法 在图 1 中, 液体压力作用于感压元件使其产 生应变、 位移等, 这是整个测压序列中的第一步。 由材料力学会联想到在液压作用下钢管也会产生 弹性变形, 这样就可以利用已有的变换元件和指 示元件, 以实现液压检测之目的。 这种思路是传统测压方法的延伸, 根据液体 压力作用下金属管道径向产生弹性变形的基本原 理, 通过检测管道外径微小变形量即可解算出管 道内部工作压力。 在内部油液压力作用下, 金属管道外径的变 形量 D 为 D 4a2b E b2- a2 p1 式中 E 管壁材料的弹性模量, Pa; a 管道内半径, mm; b 管道外半径, mm; p 油液压力, Pa; D 管道外径变形量, mm。 在工程机械液压系统通常工作压力范围 0 25MPa 内, 管道外径的变形量是十分微小的。例 如, 对于外径为 32mm、 壁厚为 5mm 的钢管, 当 内部油液压力达 25MPa 时, 其外径变形量也只有 十几微米。 对管道的微小变形量, 可采用各种成熟的微 位移传感器配专用夹具来检测。例如, 可以采用 线性可调差动变压器 LDVT 进行检测[ 3], 也可 以采用变间距式电容传感器进行检测[4]。利用 LDVT 的外部压力测量系统 EPMS , 曾用于飞 机液压系统的故障诊断, 大大缩短了故障定位时 间, 避免了常规靠更换液压元件方法来查找故障 所带来的时间延误和烦琐的操作, 有效地降低了 经济损失。 这种基于管道弹性变形特性的非插入式液压 检测方法, 其性能受到管道变形特性的制约。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 度等指标受到影响。但作为液压系统故障诊断之 用, 亦不失为一种有效的检测手段。 2. 2 基于第二种思路的非插入式液压检测方法 受无损检测技术的启发, 利用检测源提供检 测介质, 与被检测对象相互作用, 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、 解释实现特定的 检测目标。把油液作为被检对象, 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 为检测源。通过测量超声波在油液中传播的声速 达到测量压力之目的。通过研究, 我们提出的检 测方案如图 2 所示。下面简述其检测原理。 图 2 超声波非插入式液压检 测方案 1 收发兼用探头; 2 接收探头; 3、 4 管壁; 5 油液 探头 1 垂直发射纵波, 经耦合后进入管壁 3, 穿透管壁后折射到油液中继续传播, 达到管壁 4 的内壁时, 一部分折射进入管壁 4 并穿透管壁 4 被探 2 所接收, 此系脉冲穿透工作方式; 另外一部 分从管壁 4 的内侧反射, 在油液中传播到达管壁 3的内壁, 折射到管壁 3 并穿透该管壁后被探头 1 接收, 此系脉冲回波工作方式。综合起来, 超声波 工作于脉冲回波 穿透组合方式。巧妙地将这 两种常规下独立工作方式组合起来, 具有许多重 要的优点。 设超声波在声程为 2a 的油液中传播的声时 为t, 在声程为 b- a的壁厚中传播的声时为 ts, 根据图 2 中的声程示意图可以得到 t1 2t 2ts2 t2 t 2ts3 式中 t1 发射脉冲与探头 1 接收回波之间的 时间间隔; 71第 3 期 崔玉亮等 液压管路压力非插入式检测方法研究 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 t2 发射脉冲与探头 2 接收穿透波之间 的时间间隔。 因此 t t1- t24 从而得到 c 2a t1- t2 5 这便是我们要求的超声波在油液中的传播速度。 单纯的脉冲回波方式只能得到 t1 或脉冲 穿透方式 只能得到 t2 , 要准确地得到油液中的 声速是十分困难的, 因为壁厚的影响难以消除。 而采用脉冲回波 穿透组合方式, 通过测量 t1 和 t2, 利用公式5就可以准确地求出声速, 为计 算压力奠定了良好的基础。可见, 图 2 所示检测 方案有其独到之处。 这种组合式的检测方法, 除了完全克服了管 壁的影响之外, 同时还有效地消除了系统误差。 实际上, t1、 t2的表达式中还应包括延时 , 即 t1 2t 2ts 6 t2 t 2ts 7 其中 1 2 3 4 58 式中 1 探头延时, 主要是超声波在探头透 声面板中传播声时; 2 耦合层延时, 指超声波在耦合层上 传播声时; 3 电缆延时; 4 仪器内电路延时; 5 接收前沿的触发电平延时。采用 AGC 控制使 5基本固定不变。 由式5、 6、 7可知, 计算声速时有效地消除了 延时系统误差。 压力 p 和声速c 呈非线性函数关系。对标定 数据采用最小二乘法统计处理, 进行曲线拟合, 可 以得到多项式回归方程 p 2 i 0 Aici9 式中系数 Ai用最小二乘法确定。 这种基于超声波物理特性的非插入式液压检 测方法, 完全突破了传统测压方法的思维模式, 具 有重要的应用价值。所提出的∀ 脉冲回波 穿 透组合式检测方案, 彻底消除了管壁影响及有效 地消除了延时系统误差, 从而为准确地确定声速 及压力提供了保证。该方法的实验研究工作正在 进行, 有关实验结果及温度补偿等内容将另外报 道。 3 结 论 1传统测压方法共同点之一是感压元件必 须和液体介质相接触, 以便对压力直接反映。 2液压系统的快速故障定位迫切需要非插 入式液压检测方法来支持。非插入式液压检测有 两种基本思路, 一种是传统测压方法的延伸, 另一 种是开拓思路、 另辟蹊径。 3根据液压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 求出管道内部液体压力。 4∀ 脉冲回波 穿透组合式超声波非插 入式液压检测新方法, 可以通过在管外准确地测 定管内油液声速来计算被测压力。 参 考 文 献 ∃1 Harland P. W. . Pressure Gauge Handbook. Marcel Dekker Inc. , 1988. ∃2 谭尹耕. 液压实验设备与测试技术∃M. 北京 北京 理工大学出版社, 1997. ∃3 Jon K. Chandler, Don P. Fowler. External Pressure Measurement System. ISA, 1989. ∃4 胡燕平, 齐涤非. 用电容式传感器测液压管道压力 探讨∃J. 湘潭矿业学院学报, 1996, 113. Study on Non- intrusive Pressure Measurement in Hydraulic Pipe System CUI Yu- liang1, YU Feng1, YUAN Ming ting1, JIN Shijiu2 1. Res. Ins. of Mine Pressure, SUST , Taian 271019, China; 2. Tianjin University, Tianjin 300072, China Abstract With the help of the non- intrusive pressure measurement , trouble diagnosis for the hy draulic pipe systems can be carried out rapidly and economically. One of the s is to convert the defor mation of external diameter of the metal pipes under pressure into a change of pressure A new mehod pre sented here is based on the determination of ultrasonic wave velocity of liquid media inside the pipe to realize the pressure measurement. Key words hydraulic system; pressure; non- intrusive measurement; ultrasonic wave 72 山 东 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 19 卷