考虑温度影响的表面波压力测量模型研究

　　1引言

　　压力容器是工业生产中一种常用的设备。为了保证生产过程的正常运行，常常需要监测容器内的工作压力。目前实际应用的大多数压力仪表需在容器壁上 开孔接引压管，这不可避免的会对压力容器带来许多负面影响。因此，采用非侵人式压力测量方法，避免在容器上开孔，是非常值得研究的课题。

　　Rayleigh波是沿材料表面传播的二维弹性表面波。它传播的速度与介质承受的应力等因素有关;表面波最重要的特性是其较低的传播速度，可以 方便更准确的测量超声传播时间。这些特点对利用表面波进行应力检测是很重要的，因此，通常使用Rayleigh表面波来检测固体表面与内部的应力信息 [1]，实现无损检测。

　　文献[2]以应力为中间变量，薄壁容器为研究对象，建立了被测压力与Rayleigh波传播时间变化的基本关系模型。文献[3]研究了应变对超 声波应力测量的影响。但是这些方法都没有考虑温度的影响。实验发现，温度每变化1℃引起传播时间变化量约等于压力每变化2MPa所引起的传播时间变化量。 因此，测量中必须考虑温度影响。这种影响主要包含3个方面:超声波的传播速度受温度的影响;容器内外表面存在温度差，引起容器的热变形不同，在容器壁产生 热应力[1]，进而影响了表面波的传播速度;温度变化引起材料热膨胀，使超声传播距离变化，影响了传播时间。

　　本文考虑上述3方面因素的影响，提出了表面波测量压力的修正模型。但是修正模型过于复杂，难以实际应用。因此，根据修正模型各参数的数量级，对模型作了简化，得到可实用的简化测量模型。

　　2温度修正模型

　　表面波在容器壁中的传播速度变化与容器壁中的应力有关，根据这一原理，可以实现表面波压力测量。但是，速度的变化不能直接测量，并且容器加压前 后的超声波速度变化量，既受到容器压力的影响，又受温度变化的影响，很难单独提取出压力引起的速度变化量。因此，考虑到超声波都要在一定距离的材料中传 播，可以将波速的变化量转变为超声波传播时间的变化量△t，并且把温度和压力引起的超声传播时间变化量作为一个整体来考虑，时间变化量可以直接测量。

　　表面波传播时间等于传播距离与表面波速度之比，所以，必须同时考虑传播距离和波速的变化对传播时间的影响，建立超声波传播时间与压力之间的关系模型，如图1所示。

　　2.1表面波传播速度的变化

　　表面波传播速度受到容器壁应力和温度的影响。

　　2.1.1容器壁应力对波速的影响