[发明专利]同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力容器温度和压力的测试技术，特别是同时测试纤维缠绕金属内衬压力容器温度和压力的装置及方法。

背景技术

纤维缠绕金属内衬压力容器以其质量轻、强度高、可设计性强等优点已经广泛应用于航空航天、军事及工业领域，并逐渐商业化，这就对其可靠性、安全性提出了更高的要求。在此类压力容器使用过程中，内部介质温度和压力是两个重要的参数。过高的温度会使得粘结树脂出现性能劣化的现象，产生安全隐患；过快的压力变化会增加复合材料脆性断裂的倾向。因此，对于温度和压力的准确、实时监测意义重大。此外，此类压力容器已经应用于燃料电池汽车的高压储氢气瓶和天然气气瓶领域，为了监测气瓶内部气体余量，对于压力的实时测试也必不可少。

现有的温度测试方法主要有两种：一是针对容器外表面温度，需在容器外壁布置热电偶，过程繁琐但并不困难；二是针对容器内部介质温度，通常采用铂电阻传感器，此类传感器可以安装于容器尾部，以探针的方式深入气瓶测得温度，缺点是只能测得容器尾部附近的温度值。由于多数复合材料在垂直纤维方向上导热系数很小，因而在缠绕复合材料容器外部测量温度相对于容器内部的实际温度具有较大的滞后性和差异性。此外，还可以布置于容器内壁，通过容器外部的强磁装置吸附固定，传感器的信号线经由容器尾部出口与信号收集装置相连，再通过树脂浇铸密封技术实现密封。这种方法可以测得容器内部温度的分布情况，但是过程复杂，且传感器的存在挤占了容器内部空间，同时破坏了结构的一致性，造成应力分布不均甚至应力集中的现象，形成结构强度的薄弱点。现有的压力测试方法是在容器出口处安装压力传感器，可以测得容器内介质压力值。而现有的温度、压力同时测试方法是在容器出口处安装组合阀，组合阀集成温度、压力传感器等，可以同时测量出口处的介质温度、压力，缺点是无法得到容器内部的温度分布情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的装置，包括电阻测量单元；该装置还包括：电容测量单元、电路切换单元、分析输出单元和多根导电纤维；

金属内衬压力容器的容器壁由内向外依次为金属内衬层和增强纤维层，各导电纤维均敷设于金属内衬层和增强纤维层之间；导电纤维的外侧涂覆有粘结树脂，其长度的中间段沿环向缠绕金属内衬层多圈，且两端沿轴向延伸至容器出口端或尾部并引出；

各导电纤维的端部均通过电路切换单元分别接至电容测量单元和电阻测量单元，以实现电路的连接与切换；分析输出单元分别与电阻测量单元和电容测量单元相接，分析输出单元具有数据输出端口。

本发明中，还包括显示器终端，通过信号线接至所述数据输出端口。

本发明中，各导电纤维的环向缠绕位置呈等间距布置。

本发明还提供了利用前所述装置同时测量纤维缠绕金属内衬压力容器的温度和压力的方法，包括：

(一)对压力容器内部温度的测量

利用电路切换单元和电阻测量单元，测量得到各导电纤维的电阻值变化情况；然后根据传感器测温原理，通过电阻值变化计算得到各导电纤维的温度值；对多根导电纤维的温度值数据取平均值，以此作为压力容器内部的温度数值；

(二)对压力容器内部压力的测量

导电纤维与粘结树脂、金属内衬层共同构成了电容器结构，压力容器内部压力的变化会导致容器环向周长的变化，并使位于导电纤维和金属内衬层之间的粘结树脂产生形变，进而使电容值发生变化；利用电路切换单元和电容测量单元，测量得到各导电纤维对应的电容值数据；然后根据下式得到相应的压力值数据：

式中，p是某根导电纤维所处位置的压力值，当为负值时其数值大小代表相对压力，为正值时其数值大小代表真空度；C₀是压力容器内相对压力为零(即大气压力)时的初始电容值，C是压力容器内压力变化后的电容值，E_T是粘结树脂的弹性模量，与粘接树脂的温度值相关(由于粘结树脂很薄，在本发明中直接将粘接树脂的温度值取值为导电纤维的温度值)，对应温度条件下粘结树脂的弹性模量数值可以很容易通过查阅粘结剂手册或复合材料手册等资料获取，对于特殊开发的粘结剂，也可以通过不同温度下的静力拉伸试验方便地测得；对多根导电纤维的压力值数据取平均值，作为压力容器内部压力值的最终结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：