阅读说明：本技术 一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置及方法 (Detection device and method for crack size of pressure-bearing shell wall based on gas leakage rate measurement ) 是由 胡哲文 李建波 于 2020-04-17 设计创作，主要内容包括：一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置及方法,属于裂缝检测领域。是根据Rizkalla气体泄漏方程建立,由承压壳体壁的微小贯穿裂缝的气体泄漏率反演裂缝尺度,可敏感反映待测区域是否发生贯穿开裂。该装置包括泄漏响应组件、密闭罩、降压装置、气压检测组件、摄影记录组件、处理组件、显示组件。使用时,泄漏响应组件的开口端贴合待测区域,密闭罩将若干个泄漏响应组件包围在内,降低密闭罩内气压；通过泄漏响应组件和气压检测组件上定位点的位置变化反映弹性膜的变形,据此分别推算待测区域的气体泄漏率和密闭罩内气压；结合从摄影记录组件记录的裂纹图像中提取的裂纹长度,代入分析模型得到壳壁待测区域裂缝的综合尺度。(A device and a method for detecting the crack size of a pressure-bearing shell wall based on gas leakage rate measurement belong to the field of crack detection. The method is established according to a Rizkalla gas leakage equation, and the crack size is inverted by the gas leakage rate of the tiny through crack of the wall of the pressure-bearing shell, so that whether the through crack occurs in the area to be measured can be sensitively reflected. The device comprises a leakage response assembly, a closed cover, a pressure reduction device, an air pressure detection assembly, a photographic recording assembly, a processing assembly and a display assembly. When the device is used, the opening end of the leakage response assembly is attached to an area to be detected, the sealing cover surrounds a plurality of leakage response assemblies, and the air pressure in the sealing cover is reduced; the deformation of the elastic membrane is reflected through the position change of positioning points on the leakage response assembly and the air pressure detection assembly, and the gas leakage rate of the area to be detected and the air pressure in the closed cover are calculated respectively according to the deformation of the elastic membrane; and substituting the crack length extracted from the crack image recorded by the photographic recording component into the analysis model to obtain the comprehensive scale of the crack of the region to be measured of the shell wall.)

一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置 及方法

技术领域

本发明属于裂缝检测领域，具体涉及一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置及方法。

背景技术

在工程结构分析中，受损结构的开裂状况评估有着重要意义，通常以壳体壁的开裂表征壳体结构的功能性破坏，特别是受损壳体壁的贯穿裂缝，会导致密闭壳体内气体的加速泄漏，引发安全事故。试验研究表明，完好无损伤壳体的气体密闭性是良好的，而发生损伤、破坏的壳壁给气体泄漏提供了通道，泄漏率有时可快速提升40倍以上，但仍多属于低速泄漏状态。

承压壳体壁的开裂面一般不是平直的，而且开裂面的前缘也往往不严格沿着结构表面的法线方向，裂缝的开度与深度难以直接量取，也不易判断裂纹是否已经贯穿壳壁。当前已有一些裂缝的检测技术，仍主要是直接检测法，如对直接采集的裂纹图像或通过CT、超声信号获取的图像作特征提取，量取裂纹尺寸；还有破坏性的间接检测法，如对大开裂的墙体，将黏土挤压至缝隙中成形，通过测量黏土的宽度间接得到裂缝开度。在工程中，除了需要明确已有裂缝的形态之外，也很关注微裂缝的发展直至贯通的过程，尤其是裂纹发生贯通的时刻，这对工程预警有着重要作用，对此还缺乏简易有效的监测手段。承压壳体壁的气体泄漏率可作为裂缝的发展与贯穿的敏感的间接指标。

本发明根据微小贯穿裂缝的泄漏率测定，反演壳体壁的开裂程度，可敏感反映目标区域是否发生贯穿开裂，据此建立有效的数学模型估算受损壳体壁裂缝的综合开度。为了测裂缝的气体泄漏率，本发明提出了一种通过泄漏气流引起的弹性膜变形间接推算泄漏率的方法。本发明将传统的壳壁内侧加压模式改为外侧的局部降压模式，使得对大型壳体结构的检测更易操作，且避免了加压过程对壳体的再次破坏。为此，针对局部开裂问题，建立的一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置及方法，有效丰富了这一领域的快速监测技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置及方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明的技术方案：

一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置，包括泄漏响应组件1、密闭罩2、降压装置3、气压检测组件4、摄影记录组件5、处理组件6和显示组件7；

所述的密闭罩2用于提供密闭的检测环境；所述的降压装置3设置在密闭罩2的侧面，用于降低密闭罩2内的气压；气压检测组件4设置在密闭罩2的侧面，用于检测密闭罩2内的气压，包括圆筒、距离感应器43和弹性膜B41；圆筒的筒壁与密闭罩2密封连接，弹性膜B41设于圆筒内端，距离感应器43设于圆筒外端，弹性膜B41上设有定位点B42；所述的泄漏响应组件1设于密闭罩2内，包括圆筒和弹性膜A12，用于通过弹性膜A12的形状变化反映待测区域的气体泄漏率；弹性膜A12设置于圆筒的内端，圆筒的外端开口，圆筒的筒壁上开设泄压孔14，弹性膜A12的外表面设有若干定位点A13；

所述的摄影记录组件5设于密闭罩2的顶面，镜头正对泄漏响应组件1圆筒内端的中心位置，用于记录待测区域内的裂纹图像和定位点A13的位置，安装时可利用定位点A13校正摄影记录组件5的位置。

处理组件6分别与气压检测组件4、摄影记录组件5、显示组件7连接，用于信息的接收、存储、处理及显示，计算裂缝尺度。

所述的降压装置3两端贯通，包括圆筒和活塞31，圆筒的筒壁与密闭罩2密封连接。

泄漏响应组件1、密闭罩2均通过密封圈与壳体壁贴合密封，密封圈为弹性材质。

所述的密闭罩2顶面为透明的，所述的弹性膜A12是透明的。

一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测方法，步骤如下：

步骤一、将泄漏响应组件1的开口端贴合于待测区域；若待测区域存在贯穿开裂面，泄漏气流会引起弹性膜A12变形；

步骤二、将密闭罩2的开口端贴合于壳体壁，将若干个泄漏响应组件1包围在内；将摄影记录组件5设于泄漏响应组件1的正上方，记录弹性膜A12上定位点A13的位置变化，并记录待测区域内的裂纹图像；

步骤三、摄影记录组件5、距离感应器43均与处理组件6连接，传输记录的信息；通过降压装置3降低密闭罩2内的气压；

步骤四、通过气压检测组件4中弹性膜B41的变形量推算密闭罩2内的气压变化；若密闭罩2的覆盖区域有贯穿开裂面，密闭罩2内的气压会随着气体的泄漏而回升，当气压回升至设定值时，处理组件6记录泄漏响应组件1上对应的弹性膜A12变形量，推算相应的气体泄漏率，根据记录的两组数据由公式(3)计算待测区域的裂缝开度w；若泄漏响应组件1上的弹性膜A12始终不发生明显的变形，则认为检测区域内的开裂面未贯穿；

w＝2.4801×10^-4×(2-log_B A)^-4.1152 (3)

其中，P₁₁、P₂₁为第一次的壳壁内外侧气压；P₁₂、P₂₂为第二次的壳壁内外侧气压；Q₁、Q₂为两种不同气压状况下裂缝的泄漏率；

步骤五、利用裂纹图像处理技术，从摄影记录组件5记录的待测区域裂纹图像中，获取裂纹长度，将裂纹长度l、公式(3)算得的裂缝开度w以及在一种气压条件下的待测区域的内外侧气压值与相应的泄漏率代入方程(1)，直接计算出裂缝的深度t：

其中，n＝0.133w^-0.243,k＝2.907×10⁷w^1.284；μ表示气体动力粘度；R表示理想气体常数；T表示环境的绝对温度；P₁、P₂表示壳壁开裂处的两侧气压；Q表示裂缝的气体泄漏率；l、w和t分别表示裂缝的长度、开度和深度；

根据裂缝的深度和壳壁的厚度的关系，进一步估算开裂面的倾角；

步骤六、将处理组件6的计算结果输出在显示组件7上。

公式(3)是根据待测区域的气压-泄漏率的关系计算所述的裂缝开度，计算公式根据Rizkalla裂缝气体泄漏方程推导得到；

理论上，通过壳壁的两侧气压及裂缝泄漏率的一次测量值，可由公式(1)反演裂缝的开度w，但是该计算为迭代过程，计算效率不高，而且裂缝的气体泄漏会导致密闭罩内气压的回升，难以测得稳定的压差-泄漏关系。因此，本发明对计算方法作如下改进：

如果改变壳壁的内外侧气压，分别测出两种不同气压状况下裂缝的泄漏率为Q₁、Q₂，同时记录气压值，将得到的两组数据代入方程(1)，联立方程为

其中，P₁₁、P₂₁为第一次的壳壁内外侧气压；P₁₂、P₂₂为第二次的壳壁内外侧气压。将式(2.1)和式(2.2)相除，消去相等项，整理方程可得裂缝开度为

w＝2.4801×10^-4×(2-log_B A)^-4.1152 (3)

其中，

需要说明的是，在该泄漏模型中将裂缝当作等宽裂缝处理，虽然与实际中裂缝的不均匀延伸有一定差距，但估算得到的裂缝尺度能在一定程度上客观描述贯穿开裂面的发展情况。

本发明的有益效果：可敏感反映壳体壁的目标区域是否发生贯穿开裂，并测得目标区域的贯穿裂缝尺度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提出的一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置的示意图。

图2是本发明提出的基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测原理流程图。

图3是本发明提出的一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置的主视图。

图4是本发明提出的一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置中的泄漏响应组件的俯视图和主视图。其中，(a)为俯视图，(b)为主视图。

图5是本发明提出的一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置中的气压检测组件的示意图。其中，(a)为外端侧视图，(b)为内端侧视图。

图中：1泄漏响应组件；2密闭罩；3降压装置；4气压检测组件；5摄影记录组件；6处理组件；7显示组件；11密封圈A；12弹性膜A；13定位点A；14泄压孔；21密封圈B；31活塞；41弹性膜B；42定位点B；43距离感应器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的示例实施方式提供了一种基于气体泄漏率测定的承压壳体壁裂缝尺度的检测装置，如图2～图5所示，本实施方式的裂缝尺度的检测装置可包括泄漏响应组件1、密闭罩2、降压装置3、气压检测组件4、摄影记录组件5、处理组件6以及显示组件7。

在本实施例中，在使用泄漏响应组件1时，设于泄漏响应组件1的开口端的密封圈A11可与待测区域接触，紧密地贴合待测区域，若待测区域处的贯穿开裂引起气体泄漏，弹性膜A12会发生相应变形。

在本实施方式中，泄漏响应组件1还可以包括密封圈A11，其材料可以是橡胶或者其他具有弹性的材料。密封圈A11的形状可与泄漏响应组件1的开口端相同。密封圈A11的内径可不大于开口端的内径，且密封圈A11的外径可不小于开口端的外径，以便完全覆盖开口端的端面。

密封圈A11可固定于泄漏响应组件1的开口端的端面，举例而言：可通过胶粘剂将密封圈A11通过粘接的方式固定于开口端的端面；或者，密封圈A11上可形成有凸棱，开口端的端面上可设有凹槽，该凸棱可卡合于凹槽内，从而通过卡接的方式将密封圈A11固定于开口端的端面；此外，还可采用内径小于开口端的内径，且外径大于开口端的外径的密封圈A11，密封圈A11上可设置卡槽，开口端的端面可卡入该卡槽，从而可以将密封圈A11固定于开口端的端面。当然，将密封圈A11固定于开口端的端面还可以采用其他方式，在此不再详述。

在进行检测时，密封圈A11可与待测区域接触，由于密封圈A11具有弹性，有利于更加紧密地与待测区域贴合，防止泄漏响应组件1与待测区域间存在间隙而导致的侧向漏气。

在本实施方式中，密闭罩2中的密封圈B21与密封圈A11类似，在此不再详述。

在本实施方式中，密闭罩2的形状可以是长方体，但不限于此，还可以是其它形状。在密闭罩2的一个侧表面设有降压装置3，在其另一个侧表面可设有气压检测组件4。在使用时，可将密闭罩2的开口端的端面贴于待测结构表面，罩住若干个泄漏响应组件1。活塞31的材料可以是橡胶，或者其他密闭性良好的弹性材料；密闭罩2的材料可以是玻璃、塑料等透明材料，在此不做特殊限定。在使用时，在固定好密闭罩2后，将摄影记录组件5安装在密闭罩2的顶面，可利用定位点A13校正其位置，使其中心正对泄漏响应组件1的中心。然后将气压检测组件4上的距离感应器43、摄影记录组件5与处理组件6的相应接口连接。完成装置安装并检查无误后，可拉动活塞31使环境气压降低。

在本实施方式中，处理组件6可以是单片机，但不限于此，还可以采用其它具有存储和计算功能的装置，能接收摄影记录组件5、气压检测组件4记录的信息，并根据接收到的定位点位置信息分别推算待测区域的泄漏率、密闭罩内的气压，能识别裂纹图像得到裂纹长度，并据此计算裂缝尺度，判断待测区域开裂的严重程度。

在本实施例中，拉动活塞31使得密闭罩2内的气压降低至低于设定值，随着空气通过待测区域的裂缝泄漏进入密闭罩2内，罩内的气压逐渐上升。记录的罩内气压升至1标准大气压的α₁％时的泄漏率为Q₁，记录所述气压升至1标准大气压的α₂％时的泄漏率为Q₂，则公式(3)中的参数A、B可表示为

其中，0<α₁％<α₂％<1；η表示上述的两种气压条件下的泄漏率之比。

需要说明的是，若改变记录泄漏率时的气压条件，即改变α₁和α₂，则上述的化简后得出的公式(4)也可能发生变化，但仍然属于根据壳壁内外侧气压与相应气体泄漏率反演待测区域的裂缝尺度，在此不再逐一列举。

在本实施方式中，裂缝尺度的检测装置还可以包括显示组件7，显示组件7可以是液晶显示器，可设于处理组件6的顶面，处理组件6可控制显示组件7显示裂缝尺度的检测结果，以便操作人员进行读取数据。当然，显示组件7还可以是其它具有显示功能的部件，在此不再逐一列举。

在本实施方式中，处理组件6和显示组件7均可通过螺栓连接等方式固定于安装盒内，安装盒上可开设有观察口，以便观察显示组件7的显示内容，安装盒可为长方体、圆柱体等形状。

举例而言，安装盒可以包括盒体和盖板，其中：盒体的大小形状可与处理组件6和显示组件7相匹配；同时，盒体可具有一开放端，上述的处理组件6和显示组件7均可固定在盒体内；盖板可遮盖于该开放端并与盒体卡接，从而将盒体封闭，形成安装盒，盖板上可设有对应于显示组件7的观察口，以便观察显示组件7。

在本实施方式中，裂缝尺度的检测装置还可以包括电源组件，该电源组件也可设于上述的安装盒内，且同时与气压检测组件4、处理组件6、显示组件7连接，以提供电能。该电源组件可以包括电池等部件，只要能作为电源即可。

在本实施方式中，裂缝尺度的检测装置还可以包括提示灯，该提示灯可与处理组件6连接，处理组件6可将记录的泄漏率与预设的上下限值进行比较，在泄漏率的记录值超出限值时，装置无法准确判断该待测区域的开裂度，处理组件6可控制提示灯亮起。该提示灯可以是LED灯等。

本发明的示例实施方式的裂缝尺度的检测装置，在使用时，可先将泄漏响应组件1的开口端通过密封圈A11贴合于待测区域，可以有多个泄漏响应组件1同时工作；然后将密闭罩2的开口端通过密封圈B21贴合于结构表面，将若干个泄漏响应组件1包围在内；在密闭罩2的顶端安装摄影记录组件5，利用4个定位点A13校正所述的摄影记录组件的安装位置，每个泄漏响应组件1对应一个摄影记录组件；通过拉动降压装置3中的活塞31降低密闭罩2中的气压值至低于50kPa；气压检测组件4中的距离感应器43将定位点B42的位置信息输入处理组件6；摄影记录组件5将泄漏响应组件1中定位点A13的位置信息，以及检测区域的裂纹图像输入处理组件4；过程中，罩内气压会随气体的泄漏而增大，直至恢复1标准大气压；处理组件4根据定位点A13和定位点B42的位置变动分别推算待测区域的泄漏率和密闭罩2内气压，当气压回升至1标准大气压的α₁％、α₂％时，记录待测区域的泄漏率为Q₁、Q₂；处理组件4通过待测区域的裂纹图像获取裂纹长度，根据公式(4)和公式(1)反演待测区域的裂缝尺度，检测结果输出在显示组件7上。从而可在保证检测结果可靠的同时，使设备简单易操作，便于携带，检测成本较低。

计算结果的实施例为：

检测厚度为3cm的开裂壳壁，设定α₁＝60、α₂＝70。

①若记录检测区域的泄漏率：Q₁＝0.7649ft³/min、Q₂＝0.5435ft³/min，当时环境气温为30℃，由裂纹图像获取待测区域的裂纹长度为10cm。

由公式(4)计算得裂缝开度为0.2mm，回代公式(1)计算得裂缝的深度为3.5cm，据此可知开裂面与结构层表面的法线方向夹角约为31°。

②若待测区域不发生明显的气体泄漏，则表示待测区域的开裂面未贯穿。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。