一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚 的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波固體測溫是一種基于超聲波傳播速度與介質(zhì)溫度的相關(guān)性實現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部 溫度無損高精度探測的測溫技術(shù)。相比傳統(tǒng)的打孔預(yù)埋溫度傳感器的測溫方法，超聲測溫 方法有無損、非接觸式、響應(yīng)速度快等優(yōu)點；而與無損的紅外、磷光等方法相比，超聲測溫方 法可以有效測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度參數(shù)的優(yōu)點。
[0003] 高爐爐壁和高溫蒸汽管道管壁等的壁厚由于制造加工精度、腐蝕、熱膨脹等因素 影響，其準確的尺寸通常是未知的。僅單獨采用超聲縱波或超聲橫波法，超聲固體測溫方法 難以滿足工程實際的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測 量方法，適用于壁內(nèi)導(dǎo)熱可近似為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度參數(shù)的測量，可先采用紅外 法大面積獲得可疑點或重點部位的壁表面溫度，再采用本發(fā)明的方法進行精細的測量。
[0005] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻 溫度場及壁厚的測量方法，包括以下步驟： ⑴、基于超聲回波法，分別采用縱波法和橫波法，先后獲取發(fā)射波和被測目標反射的接 收回波之間縱波的相位差^巧和橫波的相位差; ⑵、根據(jù)超聲波在壁內(nèi)傳播時間和相位的關(guān)系，由熱聲學理論分別得到采用縱波和橫 波法測量沿壁厚度方向溫度場的方程，為：
其中，/為超聲波發(fā)射頻率；這為超聲波在壁內(nèi)單向傳播的距離；$為縱波聲速， 為橫波聲速； (3)、基于最小二乘估計，溫度場重建的目標函數(shù)為：
其中，g為等效的熱邊界條件；/?為采樣點數(shù)；％；、分別是縱波法檢測和計算所 得的相位左；<_/V、^，分別是橫波法檢測和計算所得的相位差Λ1；!、分別是縱波和橫 波殘差和的加權(quán)系數(shù);s為最值； ⑷、基于一維熱傳導(dǎo)的反問題計算獲得等效的熱邊界條件g和壁厚s; (5)、根據(jù)熱傳導(dǎo)的正問題求解獲得爐壁或管壁內(nèi)部不同時刻的溫度場分布狀態(tài) 1????，其中#為不同的時刻，輿為壁厚度方向的位置。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1、能夠同時測量高爐爐壁和高溫蒸汽管 道管壁等結(jié)構(gòu)內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚，使得壁厚不再是必需的預(yù)知量，極大拓寬了超聲 固體測溫技術(shù)的適用范圍。
[0007] 2、由于分別使用超聲縱波和橫波法測量時，消除了壁厚未知條件對超聲測溫精度 的影響，這使得本方法有效避免了制造加工精度、腐蝕、熱膨脹等因素對測量的干擾。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測量流程圖； 圖2為標定試驗獲取的Q235鋼中縱波/橫波波速與溫度的關(guān)系； 圖3是采用超聲法探測鋼試件內(nèi)部溫度場的實測結(jié)果。
【具體實施方式】
[0009] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng) 對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。
[0010] 如圖1所示的一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測量方法，，基本步驟 為： (1) 由標定試驗獲得被檢測試件(Q235鋼)中縱波/橫波波速與溫度的關(guān)系，如圖2所示； (2) 針對鋼試件(長X寬X高為200 X50 X30 mm，采用游標卡尺實測加熱面方向的厚度 為30.21臟），采用紅外法大面積獲得108、208、50 8和1008時刻試件表面的溫度分別為26&:(] 、26 · 3%、38 · 7? 和 62 · 3?; (3) 基于超聲回波法，分別采用縱波法和橫波法，先后獲取發(fā)射波和被測目標反射的接 收回波之間縱波的相位差％和橫波的相位差0? ; (4) 采用熱傳導(dǎo)反問題的多參數(shù)反演計算獲得等效的熱邊界條件<2和壁厚5。由反演 獲得的預(yù)測厚度為29.93 mm，與實測厚度的誤差為0.93%。
[0011] (5)根據(jù)熱傳導(dǎo)的正問題求解獲得爐壁或管壁內(nèi)部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)， 如圖3所示，試件被測方向的厚度為30.21mm，沿被測方向每隔5mm布置一個熱電偶(加熱面 除外），共5個。圖示給出了 10s、20S、50s和100s不同時刻熱電偶測溫所得數(shù)據(jù)與基于本發(fā)明 所預(yù)測的溫度數(shù)據(jù)對比。圖3所示結(jié)果表明，該方法能較好地預(yù)測鋼試件內(nèi)部非均勻溫度場 的分布狀態(tài)。
[0012] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測量方法，包括以下步驟： ⑴、基于超聲回波法，分別采用縱波法和橫波法，先后獲取發(fā)射波和被測目標反射的接 收回波之間縱波的相位差灼和橫波的相位差：； ⑵、根據(jù)超聲波在壁內(nèi)傳播時間和相位的關(guān)系，由熱聲學理論分別得到采用縱波和橫 i法涮量沿辟直麼方向渦麼揚的方耜.為.其中，為超聲波發(fā)射頻率；：為超聲波在壁內(nèi)單向傳播的距離；為縱波聲速，為 橫波聲速； (3)、基于最小二乘估計，溫度場重建的目標函數(shù)為：其中，彳為等效的熱邊界條件#為采樣點數(shù)：分別是縱波法檢測和計算所得 的相位差；分別是橫波法檢測和計算所得的相位差；分別是縱波和橫 波殘差和的加權(quán)系數(shù)；為最值； ⑷、基于一維熱傳導(dǎo)的反問題計算獲得等效的熱邊界條件9和壁厚S; (5)、根據(jù)熱傳導(dǎo)的正問題求解獲得爐壁或管壁內(nèi)部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)，其中為不同的時刻，:為壁厚度方向的位置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同時獲取壁內(nèi)部非均勻溫度場及壁厚的測量方法，分別獲得超聲縱波和橫波法所測量得到的相位差，將其作為壁內(nèi)溫度場重建的輸入量，并基于熱傳導(dǎo)反問題的多參數(shù)反演方法獲得等效的熱邊界條件和壁厚，再根據(jù)熱傳導(dǎo)的正問題求解獲得爐壁或管壁內(nèi)部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)。本發(fā)明能夠測量壁厚未知條件下高爐爐壁和高溫蒸汽管道管壁等結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非均勻溫度場。
【IPC分類】G01D21/02
【公開號】CN105466495
【申請?zhí)枴緾N201511015908
【發(fā)明人】魏東, 石友安, 杜雁霞, 桂業(yè)偉, 李偉斌, 劉深深, 曾磊, 朱言旦
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力研究所
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月31日