本實用新型屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，具體來說是一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

隨著世界能源危機(jī)的不斷加劇，石油化工、燃煤電站、核電站等能源工業(yè)不斷向著裝置大型化、工藝條件苛刻化的方向發(fā)展。高溫、輻射、介質(zhì)高流速運行設(shè)備及管道系統(tǒng)極易出現(xiàn)腐蝕、磨損等現(xiàn)象，引發(fā)了許多設(shè)備和管道穿孔泄露、爆炸、火災(zāi)等安全事故，所引起的非計劃停工給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由于原料狀況、流體流動特性、設(shè)備工況的差異性，設(shè)備和管道的減薄具有明顯的局部性、突發(fā)性、風(fēng)險性特征，如何實現(xiàn)這些設(shè)備和管道的失效預(yù)測和預(yù)防，一直是企業(yè)關(guān)注的焦點問題。

針對高溫部件局部腐蝕、磨損失效問題，在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，使用超聲波對材料的厚度進(jìn)行定期測量已是較為成熟的技術(shù)。目前，現(xiàn)有的超聲波厚度測量技術(shù)中采用的超聲波傳感器都是直接接觸到待測部件，超聲波傳感器激發(fā)超聲波信號傳播到待測部件并在待測部件中傳播，反射回來的超聲波信號被自身超聲波傳感器或另一個超聲波傳感器接收，通過分析超聲波信號傳播的時間差得到待測部件的厚度。但是這種厚度測量技術(shù)只適用于非惡劣的環(huán)境中，如常溫、無輻射等。對于如何在惡劣環(huán)境(高溫或電離輻射)中對材料厚度進(jìn)行實時測量是目前面對的重大技術(shù)難點。

目前市面上的超聲波傳感器受到高溫影響，會造成壓電材料極化而失效。研發(fā)耐高溫的壓電超聲波傳感器不但經(jīng)濟(jì)投資成本過高，而且耗費大量的時間。即使耐高溫壓電傳感器研發(fā)成功，其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用時由于須直接與待測部件表面相接觸，為滿足高溫環(huán)境的需求，還需要高溫耦合劑，在一定程度上也增加投資成本。另外，耐高溫壓電傳感器只是對待測部件進(jìn)行定期測量，其在一定程度上減小事故的發(fā)生，但無法從根本上克服待測部件壁厚減薄的突發(fā)性和偶然性特征。同時，現(xiàn)有的這種壁厚測量技術(shù)需要人工近距離接觸待測部件測量，工作條件差，危險性高，給測厚人員和工作開展帶來很大的不便。

目前最為理想的方法就是通過固定波導(dǎo)介質(zhì)于待測部件上，將超聲波信號導(dǎo)入到待測部件中，并將發(fā)射的超聲波信號傳給接收傳感器，從而有效避免惡劣環(huán)境對壓電超聲波傳感器造成損傷，避免了不必要的投資成本，實現(xiàn)了對待測部件實時定點在線測厚，保證了工作人員的安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中壓電傳感器容易受到高溫影響，壓電傳感器內(nèi)部壓電晶片會發(fā)生極化而失效，市售的耦合劑常用于室溫條件下，不能應(yīng)用于高溫部件等問題，另外為了實時了解待測部件運行狀態(tài)和減薄厚度，提供一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，該裝置能夠在惡劣環(huán)境中實時在線測量待測部件的厚度，并且解決了上述高溫待測部件在厚度測量方面的種種技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)此目的，本實用新型采取的技術(shù)方案為如下。

一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，包括壓電傳感器，壓電傳感器固定帽，矩形橫截面的導(dǎo)波桿和夾具，所述壓電傳感器固定在壓電傳感器固定帽內(nèi)，矩形橫截面導(dǎo)波桿一端內(nèi)嵌于壓電傳感器固定帽且與壓電傳感器固定，另一端與夾具固定。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器采用機(jī)械固定和耦合劑與矩形橫截面導(dǎo)波桿固定，以保證壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿之間能量傳遞。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器與矩形橫截面導(dǎo)波桿采用螺栓固定，矩形橫截面導(dǎo)波桿與夾具之間也采用螺栓固定。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器固定帽外徑22毫米，高26毫米，內(nèi)腔直徑18毫米，高16毫米，內(nèi)嵌矩形橫截面導(dǎo)波桿的槽長15毫米，寬1毫米，高10毫米。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器固定帽設(shè)置4個直徑3毫米的螺紋孔，其中2個螺紋孔用于固定壓電傳感器，另外2個螺紋孔用于固定矩形橫截面導(dǎo)波桿，上部2個螺紋孔中心線和下部2個螺紋孔中心線互成90度，實現(xiàn)了壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端面的耦合，并滿足了壓電傳感器連續(xù)將水平剪切波導(dǎo)入到矩形橫截面導(dǎo)波桿中，如圖2所示。

進(jìn)一步，所述矩形橫截面導(dǎo)波桿的寬度遠(yuǎn)大于非頻散水平剪切波波長，矩形橫截面導(dǎo)波桿厚度小于非頻散水平剪切波波長。

進(jìn)一步，所述矩形橫截面導(dǎo)波桿有2個，其中一個與壓電傳感器形成超聲激發(fā)器，另一個與壓電傳感器形成超聲接收器。

進(jìn)一步，所述矩形橫截面導(dǎo)波桿總長500毫米，厚度1毫米，在長度方向上分為兩部分：均勻?qū)挾炔糠趾头蔷鶆驅(qū)挾炔糠?，如圖3所示。

進(jìn)一步，所述矩形橫截面導(dǎo)波桿均勻?qū)挾炔糠值膶挾葹?5毫米，長度478毫米，非均勻?qū)挾炔糠值膶挾?1毫米，長度22毫米，并且在非均勻?qū)挾扔?個半徑8毫米圓角和2個直徑4毫米通孔。

進(jìn)一步，所述夾具有4個直徑4毫米通孔，通過螺栓固定矩形橫截面導(dǎo)波桿，矩形橫截面導(dǎo)波桿與待測部件固定，實現(xiàn)矩形橫截面導(dǎo)波桿和待測部件的干耦合，如圖4所示。

所述壓電傳感器固定帽1、矩形橫截面導(dǎo)波桿2和夾具3固定連接后通過待測部件表面2個直徑10毫米螺柱將整個高溫部件壁厚監(jiān)測裝置固定在待測部件4上，如圖1所示。所述待測部件表面2個直徑10毫米螺柱會對夾具3施加力，以達(dá)到矩形橫截面導(dǎo)波桿2與待測部件4干耦合的目的，如圖1所示。所述待測部件表面2個直徑10毫米螺柱會對夾具3施加力，以達(dá)到矩形橫截面導(dǎo)波桿2與待測部件4干耦合的目的。

所述壓電傳感器通過直徑3毫米螺栓固定在壓電傳感器固定帽，同樣通過直徑3毫米螺栓將壓電傳感器固定帽固定在矩形橫截面導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端，同時在壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端接觸面上涂抹超聲波傳遞耦合劑。然后，將矩形橫截面導(dǎo)波桿近端由夾具夾持，4個直徑4毫米螺栓施加力。在待測部件外表面焊接2個直徑10毫米螺柱，通過該螺柱對夾具施加力，使矩形橫截面導(dǎo)波桿近端和待測部件外表面干耦合，無需超聲波傳遞耦合劑。至此，壓電傳感器激發(fā)的超聲波信號就可以由壓電傳感器傳遞到矩形橫截面導(dǎo)波桿，再到待測部件，再由待測部件壁面反射超聲波信號，將含有待測部件結(jié)構(gòu)信息的發(fā)射信號再由待測部件傳遞到矩形橫截面導(dǎo)波桿，然后傳遞到壓電傳感器，將獲得包括至少1種反射信號的超聲波反射信號，且超聲接收器接收到的反射信號之間具有時間差，根據(jù)超聲波在待測部件壁面內(nèi)傳播時間和傳播聲速計算壁厚。所述超聲接收器接收到的發(fā)射超聲是由進(jìn)入到待測部件4中非頻散超聲信號引起的。所述反射超聲信號包括至少1種反射信號，且超聲接收器接收到的反射信號之間具有時間差。

所述壓電傳感器固定帽材質(zhì)為鋁，重量輕，宜安裝，用于固定壓電傳感器到矩形橫截面導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端面，滿足了壓電傳感器實時在線監(jiān)測壁厚變化的目的，如圖2所示。所述的壓電傳感器固定帽采用的是機(jī)械固定和超聲波信號傳遞耦合劑，保證了壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿之間能量傳遞。所述壓電傳感器固定帽外徑22毫米，高26毫米，內(nèi)腔直徑18毫米，高16毫米，內(nèi)嵌矩形橫截面導(dǎo)波桿的槽長15毫米，寬1毫米，高10毫米。所述壓電傳感器固定帽布置有4個直徑3毫米的螺紋孔，其中上部2個螺紋孔用于固定壓電傳感器，另外下部2個螺紋孔用于固定矩形橫截面導(dǎo)波桿，上部2個螺紋孔中心線和下部2個螺紋孔中心線成90度，實現(xiàn)了壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端面的耦合，并滿足了壓電傳感器連續(xù)將水平剪切波導(dǎo)入到矩形橫截面導(dǎo)波桿中。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿中僅有壓電傳感器激勵的單一模式的傳播導(dǎo)波，即水平剪切波，該非頻散的超聲信號從矩形橫截面導(dǎo)波桿的遠(yuǎn)端向與待測部件接觸的近端傳播。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿2材質(zhì)為不銹鋼，具有較好的柔韌性，可很據(jù)監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行任意彎曲。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿2作為水平剪切波傳播的波導(dǎo)介質(zhì)，將遠(yuǎn)端壓電傳感器激發(fā)的水平剪切波導(dǎo)入到待測高溫部件中，實現(xiàn)壓電傳感器和與待測部件有關(guān)的潛在惡劣環(huán)境分離開。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿具有較大的寬度與厚度比，其矩形橫截面導(dǎo)波桿寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非頻散水平剪切波波長，而矩形橫截面導(dǎo)波桿厚度要小于非頻散水平剪切波波長，如圖3所示。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿2有2個，其中一個與壓電傳感器形成超聲激發(fā)器，另一個與壓電傳感器形成超聲接收器。所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿作為水平剪切波傳播的波導(dǎo)介質(zhì)，將遠(yuǎn)端壓電傳感器激發(fā)的水平剪切波導(dǎo)入到待測高溫部件中，實現(xiàn)壓電傳感器和與待測部件有關(guān)的潛在惡劣環(huán)境分離開。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿2總長500毫米，厚度1毫米，在長度方向上分為兩部分：均勻?qū)挾炔糠趾头蔷鶆驅(qū)挾炔糠?，所述矩形橫截面導(dǎo)波桿均勻?qū)挾炔糠值膶挾葹?5毫米，長度478毫米，非均勻?qū)挾炔糠值膶挾?1毫米，長度22毫米，并且在非均勻?qū)挾扔?個半徑8毫米圓角和2個直徑4毫米通孔，如圖3所示。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿材質(zhì)為不銹鋼，厚度1毫米，具有較好的柔韌性，可很據(jù)監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行任意彎曲。

所述夾具3材質(zhì)為不銹鋼，為矩形橫截面導(dǎo)波桿近端面固定在待測部件表面提供作用力，實現(xiàn)了矩形橫截面導(dǎo)波桿和待測部件的干耦合，如圖4所示。所述夾具上有4個直徑4毫米通孔，通過螺栓固定并對矩形橫截面導(dǎo)波桿施加力，然后通過待測部件表面2個直徑10毫米螺柱將整個高溫部件壁厚監(jiān)測裝置固定在待測部件上。所述待測部件表面2個直徑10毫米螺柱會對夾具施加力，以達(dá)到矩形橫截面導(dǎo)波桿與待測部件干耦合的目的。所述矩形橫截面導(dǎo)波桿與待測部件之間耦合不需要耦合劑，屬于干耦合，目前市面上的耦合劑僅能應(yīng)用于常溫環(huán)境中，而本實用新型提供的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置能滿足高溫環(huán)境的應(yīng)用。本實用新型提供的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，所述的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置中所使用的不同直徑的螺栓材質(zhì)均為不銹鋼。

通過采用本實用新型的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域厚度測量時具有較高的應(yīng)用價值，尤其是對于以下惡劣環(huán)境中的待測部件：

(1)待測部件位于高溫環(huán)境中，如：700℃的環(huán)境中；

(2)待測部件位于電離輻射環(huán)境中，如：核電站；

(3)待測部件位于不靈活的幾何結(jié)構(gòu)中，如：待測部件外側(cè)布置有厚厚的保溫材料。

利用本實用新型的監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)壓電傳感器對處于惡劣環(huán)境(高溫或電離輻射環(huán)境)中待測部件進(jìn)行壁厚監(jiān)測，擴(kuò)展了壓電傳感器適用范圍，避免了目前市售耦合劑無法適用于高溫的問題，實現(xiàn)了待測部件壁厚的連續(xù)實時檢測，提高了壁厚監(jiān)測裝置經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在工業(yè)應(yīng)用中易于安裝和維護(hù)。該裝置在高溫部件壁厚監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。

附圖說明

圖1是本實用新型基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置的整體布置圖。

圖2是高溫部件壁厚監(jiān)測裝置中壓電傳感器固定帽示意圖。

圖3是高溫部件壁厚監(jiān)測裝置中矩形橫截面導(dǎo)波桿示意圖。

圖4是高溫部件壁厚監(jiān)測裝置中夾具示意圖。

圖5是10毫米厚試塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是700℃，10毫米厚試塊壁厚測量信號。

圖中標(biāo)號：1-壓電傳感器固定帽；2-矩形橫截面導(dǎo)波桿；3-夾具；4-待測部件；5-焊接到待測部件外表面的螺柱；6-固定夾具螺栓；7-固定壓電傳感器螺栓；8-固定矩形橫截面導(dǎo)波桿螺栓

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本實用新型作詳細(xì)說明。

以下公開詳細(xì)的示范實施例。然而，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)僅僅是出于描述示范實施例的目的，并不對本實用新型的保護(hù)范圍進(jìn)行限定。應(yīng)該理解，本實用新型不局限于公開的具體示范實施例，而是覆蓋落入本公開范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。

同時應(yīng)該理解，如在此所用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的列出項的任意和所有組合。另外應(yīng)該理解，當(dāng)部件或單元被稱為“連接”或“耦接”到另一部件或單元時，它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描述部件或單元之間關(guān)系的其他詞語應(yīng)該按照相同的方式理解(例如，“之間”對“直接之間”、“相鄰”對“直接相鄰”等)。

本實用新型提出的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，所述的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置包括壓電傳感器固定帽1、矩形橫截面的導(dǎo)波桿2和夾具3，如圖1所示，采用一激一收的工作模式，超聲波信號由一個壓電傳感器激發(fā)，被另一個壓電傳感器接收。

所述的壓電傳感器通過直徑3毫米螺栓7固定在壓電傳感器固定帽1，同樣通過直徑3毫米螺栓8將壓電傳感器固定帽1固定在矩形橫截面導(dǎo)波桿2遠(yuǎn)端，同時在壓電傳感器和矩形橫截面導(dǎo)波桿2遠(yuǎn)端接觸面上涂抹超聲波傳遞耦合劑。然后，將矩形橫截面導(dǎo)波桿2近端由夾具3夾持，4個直徑4毫米螺栓6施加力。在待測部件4外表面焊接2個直徑10毫米螺柱5，通過該螺柱5對夾具3施加力，使矩形橫截面導(dǎo)波桿2近端和待測部件4外表面干耦合，無需超聲波傳遞耦合劑。至此，壓電傳感器激發(fā)的超聲波信號就可以由壓電傳感器傳遞到矩形橫截面導(dǎo)波桿2，再到待測部件4，再由待測部件4壁面反射超聲波信號，將含有待測部件4結(jié)構(gòu)信息的發(fā)射信號再由待測部件4傳遞到矩形橫截面導(dǎo)波桿2，然后傳遞到壓電傳感器，將獲得包括至少1種反射信號的超聲波反射信號，且超聲接收器接收到的反射信號之間具有時間差，根據(jù)超聲波在待測部件壁面內(nèi)傳播時間和傳播聲速計算壁厚。

其中所述的壓電傳感器固定帽1為鋁制結(jié)構(gòu)，重量輕，宜安裝，導(dǎo)波桿遠(yuǎn)端矩形橫截面涂有耦合劑，通過機(jī)械固定和超聲波信號傳遞耦合劑能夠很好地實現(xiàn)傳感器與矩形橫截面導(dǎo)波桿2的耦合，如圖2所示。

所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿2具有較大的寬度與厚度比，其矩形橫截面導(dǎo)波桿2寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非頻散水平剪切波波長，而矩形橫截面導(dǎo)波桿2厚度要小于非頻散水平剪切波波長，矩形橫截面導(dǎo)波桿2作為水平剪切波傳播的波導(dǎo)介質(zhì)，將遠(yuǎn)端壓電傳感器激發(fā)的水平剪切波導(dǎo)入到待測高溫部件4中，并將待測部件4壁面發(fā)射的超聲波信號傳遞給壓電傳感器，達(dá)到對待測部件4壁厚實時測量的目的，如圖3所示。所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿2為柔性的超聲波信號傳播波導(dǎo)介質(zhì)，能夠使壓電傳感器應(yīng)用于惡劣環(huán)境中或使高溫部件壁厚監(jiān)測裝置應(yīng)用在不靈活的幾何結(jié)構(gòu)中。矩形橫截面導(dǎo)波桿2中傳遞的是非頻散的水平剪切波信號，在高溫壁厚實時測量過程中可以做出精確的定時測量。所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿2的厚度為1毫米，小于矩形橫截面導(dǎo)波桿中傳遞的水平剪切波波長，有助于避免不需要的較高階模態(tài)超聲波的產(chǎn)生，實現(xiàn)了矩形橫截面導(dǎo)波桿中只有單一模態(tài)的目的，有利于獲得精確定時信息。另外，所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿2的寬度最小值為15毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于矩形橫截面導(dǎo)波桿2中傳遞的水平剪切波波長，使得超聲波信號在矩形橫截面導(dǎo)波桿2邊緣具有低幅值且模態(tài)近似不變。所述的矩形橫截面導(dǎo)波桿2中傳遞的水平剪切波屬于非頻散的超聲波信號，其包括垂直于超聲波傳播方向并平行于矩形橫截面導(dǎo)波桿2寬度偏振的低階剪切波信號，該信號可以沿矩形橫截面導(dǎo)波桿2以高保真和高效率傳播。

所述夾具3為矩形橫截面導(dǎo)波桿2近端面固定在待測部件4表面提供作用力，通過調(diào)節(jié)夾具3施加力的大小來實現(xiàn)超聲波信號由矩形橫截面導(dǎo)波桿2傳遞到待測部件4中，避免了在矩形橫截面導(dǎo)波桿2近端面和待測部件4之間涂抹耦合劑的應(yīng)用，如圖4所示。

在具體實施例中，選取由漢寧窗函數(shù)調(diào)制的多周期脈沖信號作為聲波激勵源，以在界面上反射和透射時不發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的水平剪切波作為測量波源，在厚度為10毫米不銹鋼試塊上布置本實用新型所提供的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置，如圖5所示，然后將試塊放置于700℃加熱爐中，利用本實用新型所提供的壁厚測量裝置對不銹鋼試塊進(jìn)行厚度測量，測量所得的超聲波信號，如圖5所示，該測量信號包括至少1種反射信號，且超聲接收器接收到的反射信號之間時間差為6.26微秒，根據(jù)頻散曲線理論可知，水平剪切波的波速為3.19毫米每微秒，這樣我們就可以得到試塊的厚度為9.98毫米，與試塊實際厚度的誤差僅為0.153％，如圖6所示。因此本實用新型所提供的一種基于矩形橫截面導(dǎo)波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測裝置能夠較為準(zhǔn)確地測量高溫部件的壁厚。

通過以上具體實施方式的說明，可以看出本實用新型的有益效果包括：使用常溫壓電傳感器可以對處于高溫、輻射或不靈活幾何結(jié)構(gòu)中的待測部件進(jìn)行壁厚測量；利用本實用新型所提供的壁厚測量裝置從根本上克服待測部件壁厚減薄的突發(fā)性和偶然性特征，實現(xiàn)了對待測部件實時定點在線測厚；在很大程度上，本實用新型所提供的壁厚測量裝置避免了不必要的投資成本，保證了工作人員的安全。

需要說明的是，上述實施方式僅為本實用新型較佳的實施方案，不能將其理解為對本實用新型保護(hù)范圍的限制，在未脫離本實用新型構(gòu)思前提下，對本實用新型所做的任何微小變化與修飾均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。