一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声检测技术领域，尤其是一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚 的测量方法。
【背景技术】
[0002] 超声波固体测温是一种基于超声波传播速度与介质温度的相关性实现介质内部 温度无损高精度探测的测温技术。相比传统的打孔预埋温度传感器的测温方法，超声测温 方法有无损、非接触式、响应速度快等优点；而与无损的红外、磷光等方法相比，超声测温方 法可以有效测量结构内部温度参数的优点。
[0003] 高炉炉壁和高温蒸汽管道管壁等的壁厚由于制造加工精度、腐蚀、热膨胀等因素 影响，其准确的尺寸通常是未知的。仅单独采用超声纵波或超声横波法，超声固体测温方法 难以满足工程实际的需要。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提出一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测 量方法，适用于壁内导热可近似为稳态热传导的结构内部温度参数的测量，可先采用红外 法大面积获得可疑点或重点部位的壁表面温度，再采用本发明的方法进行精细的测量。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种同时获取壁内部非均匀 温度场及壁厚的测量方法，包括以下步骤： ⑴、基于超声回波法，分别采用纵波法和横波法，先后获取发射波和被测目标反射的接 收回波之间纵波的相位差^巧和横波的相位差; ⑵、根据超声波在壁内传播时间和相位的关系，由热声学理论分别得到采用纵波和横 波法测量沿壁厚度方向温度场的方程，为：
其中，/为超声波发射频率；这为超声波在壁内单向传播的距离；$为纵波声速， 为横波声速； (3)、基于最小二乘估计，温度场重建的目标函数为：
其中，g为等效的热边界条件；/?为采样点数；％；、分别是纵波法检测和计算所 得的相位左；<_/V、^，分别是横波法检测和计算所得的相位差Λ1；!、分别是纵波和横 波残差和的加权系数;s为最值； ⑷、基于一维热传导的反问题计算获得等效的热边界条件g和壁厚s; (5)、根据热传导的正问题求解获得炉壁或管壁内部不同时刻的温度场分布状态 1????，其中#为不同的时刻，輿为壁厚度方向的位置。
[0006]与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、能够同时测量高炉炉壁和高温蒸汽管 道管壁等结构内部非均匀温度场及壁厚，使得壁厚不再是必需的预知量，极大拓宽了超声 固体测温技术的适用范围。
[0007] 2、由于分别使用超声纵波和横波法测量时，消除了壁厚未知条件对超声测温精度 的影响，这使得本方法有效避免了制造加工精度、腐蚀、热膨胀等因素对测量的干扰。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量流程图； 图2为标定试验获取的Q235钢中纵波/横波波速与温度的关系； 图3是采用超声法探测钢试件内部温度场的实测结果。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应 对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0010] 如图1所示的一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量方法，，基本步骤 为： (1) 由标定试验获得被检测试件(Q235钢)中纵波/横波波速与温度的关系，如图2所示； (2) 针对钢试件(长X宽X高为200 X50 X30 mm，采用游标卡尺实测加热面方向的厚度 为30.21臟），采用红外法大面积获得108、208、50 8和1008时刻试件表面的温度分别为26&:(] 、26 · 3%、38 · 7? 和 62 · 3?; (3) 基于超声回波法，分别采用纵波法和横波法，先后获取发射波和被测目标反射的接 收回波之间纵波的相位差％和横波的相位差0? ; (4) 采用热传导反问题的多参数反演计算获得等效的热边界条件<2和壁厚5。由反演 获得的预测厚度为29.93 mm，与实测厚度的误差为0.93%。
[0011] (5)根据热传导的正问题求解获得炉壁或管壁内部不同时刻的温度场分布状态， 如图3所示，试件被测方向的厚度为30.21mm，沿被测方向每隔5mm布置一个热电偶(加热面 除外），共5个。图示给出了 10s、20S、50s和100s不同时刻热电偶测温所得数据与基于本发明 所预测的温度数据对比。图3所示结果表明，该方法能较好地预测钢试件内部非均匀温度场 的分布状态。
[0012] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量方法，包括以下步骤： ⑴、基于超声回波法，分别采用纵波法和横波法，先后获取发射波和被测目标反射的接 收回波之间纵波的相位差灼和横波的相位差：； ⑵、根据超声波在壁内传播时间和相位的关系，由热声学理论分别得到采用纵波和横 i法涮量沿辟直麽方向渦麽扬的方耜.为.其中，为超声波发射频率；：为超声波在壁内单向传播的距离；为纵波声速，为 横波声速； (3)、基于最小二乘估计，温度场重建的目标函数为：其中，彳为等效的热边界条件#为采样点数：分别是纵波法检测和计算所得 的相位差；分别是横波法检测和计算所得的相位差；分别是纵波和横 波残差和的加权系数；为最值； ⑷、基于一维热传导的反问题计算获得等效的热边界条件9和壁厚S; (5)、根据热传导的正问题求解获得炉壁或管壁内部不同时刻的温度场分布状态，其中为不同的时刻，:为壁厚度方向的位置。
【专利摘要】本发明公开了一种同时获取壁内部非均匀温度场及壁厚的测量方法，分别获得超声纵波和横波法所测量得到的相位差，将其作为壁内温度场重建的输入量，并基于热传导反问题的多参数反演方法获得等效的热边界条件和壁厚，再根据热传导的正问题求解获得炉壁或管壁内部不同时刻的温度场分布状态。本发明能够测量壁厚未知条件下高炉炉壁和高温蒸汽管道管壁等结构内部的非均匀温度场。
【IPC分类】G01D21/02
【公开号】CN105466495
【申请号】CN201511015908
【发明人】魏东, 石友安, 杜雁霞, 桂业伟, 李伟斌, 刘深深, 曾磊, 朱言旦
【申请人】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月31日