超高温电磁超声传感器及其获取方法

文档序号:9909180
超高温电磁超声传感器及其获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声波无损检测技术领域,具体而言,涉及一种超高温电磁超声传感 器及其获取方法。
【背景技术】
[0002] 应用于石油、化工、天然气、核电等工业生产的设备,比如管道、压力容器等,经常 工作在高温高压环境中。如何保障上述设备安全可靠地长期运行具有非常重要的意义。近 来,由于上述在役设备因失效而引发的事故数量在逐年增加,迫切需要对高温在役设备进 行准确可靠的质量检验。
[0003] 目前,在高温条件下应用的无损检测技术有红外热成像技术、超声检测技术及激 光超声检测技术等。红外热成像技术是利用材料的热弹效应,主要应用于高温压力容器热 传导的在线检测或者对常温压力容器的高应力集中部位检测。但这种方法对仪器、环境和 待测设备的被检表面要求苛刻,目前还不适用于现场应用。
[0004] 超声检测技术通常用压电超声传感器配合高温耦合剂来实现对高温设备的检测, 但这种方法对压电探头和耦合剂都提出了独特的要求,且由于耦合剂的不稳定性导致不能 保证检测的稳定性和可靠性。
[0005] 激光超声技术不需要耦合剂,可探测微小缺陷,但能量转换效率低且激光超声信 号检测灵敏多不高。电磁超声在检测时无需耦合剂,可实现非接触检测,且具有对材料表面 要求低、安全便捷等特点,是目前较为理想的高温检测方法。然而,由于电磁超声传感器内 部的永磁铁等柱形磁铁和高频线圈的工作温度有限,采用漆包线绕制或是PCB印刷的线圈 耐温一般不超过300°C。常规电磁超声传感器不能够直接用于高温检测,这很大程度上制约 了电磁超声传感器在高温检测中的应用。

【发明内容】

[0006] 本发明的主要目的在于提供一种超高温电磁超声传感器及其获取方法,以解决现 有技术中的电磁超声传感器难以检测高温设备的问题。
[0007] 为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种超高温电磁超声传感器, 超高温电磁超声传感器包括:壳体;传感器组件,设置在壳体的内部;隔热结构,设置在壳体 的内部并位于壳体与传感器组件之间;其中,超高温电磁超声传感器指的是能够检测温度 小于等于750°C的待检设备的电磁超声传感器。
[0008] 进一步地,隔热结构包括隔热套筒,隔热套筒具有底壁和与底壁连接的侧壁,底壁 与侧壁形成用于安装传感器组件的安装槽。
[0009] 进一步地,传感器组件包括磁铁及线圈组件和信号接头,安装槽为阶梯槽,安装槽 具有沿槽深方向依次连通且槽面积依次减小的第一槽段和第二槽段,信号接头通过接头安 装座安装在第一槽段内,磁铁及线圈组件安装在第二槽段内。
[0010] 进一步地,隔热结构还包括设置在隔热套筒的外侧并与隔热套筒连接的环形凸 缘,环形凸缘位于隔热套筒的与底壁相对的一端,隔热结构通过环形凸缘与壳体连接。 [0011]进一步地,壳体包括端盖和与端盖连接的容纳腔,通过端盖将隔热结构压紧在容 纳腔内。
[0012] 进一步地,隔热结构还包括设置在壳体的内壁面和传感器组件的外周之间的空气 隔层。
[0013] 进一步地,壳体包括端盖,超高温电磁超声传感器还包括:延长杆;握持手柄,延长 杆的第一端与端盖连接,延长杆的第二端与握持手柄连接。
[0014] 根据本发明的另一方面,提供了一种超高温电磁超声传感器的获取方法,获取方 法用于获得前述的超高温电磁超声传感器,获取方法包括以下步骤:选取隔热材料;利用超 高温电磁超声传感器允许的提离高度获取隔热结构;根据能量守恒定律和傅里叶定律,建 立隔热结构的热传导模型,模拟传热过程以验证隔热结构的可行性;验证隔热结构的隔热 性能;其中,提离高度指的是超高温电磁超声传感器的线圈的朝向待测设备的一侧与待测 设备的被检表面之间的距离。
[0015] 进一步地,在利用超高温电磁超声传感器允许的提离高度获取隔热结构的步骤 中,获取方法还包括以下步骤:隔热结构的厚度小于或者等于提离高度。
[0016] 进一步地,隔热结构的热传导模型需要满足下述的导热微分方程:.
其中,t代表温度,τ代表传热时间,P为隔热材料的密度,c为隔热材料的比热容,λ为隔热材 料的导热系数;导热微分方程需要满足的初始条件为:t(X,y,z,0) = to;导热微分方程需要 满足的边界条件为:
其中,S是热传导模型在X方向上的厚度, U,tf分别是界面温度和环境温度,X方向指的是提离高度的方向,界面温度指的是隔热结构 的朝向电磁超声传感器的线圈的一侧的侧面的温度。
[0017] 应用本发明的技术方案,由于设有位于传感器组件与壳体之间的隔热结构,当应 用该超高温电磁超声传感器检测高温设备时,隔热结构能够在一定时间内延缓高温设备的 热量传导至壳体内部,从而保护位于壳体内部的磁铁、线圈等传感器组件免受高温损坏,因 此能够实现对温度较高的待检设备进行检测的功能。
【附图说明】
[0018] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0019] 图1示出了根据本发明的超高温电磁超声传感器的实施例一的立体结构示意图; [0020]图2示出了图1的超高温电磁超声传感器的部分立体结构示意图(未示出延长杆和 握持手柄);
[0021]图3示出了图2的部分结构示意图;
[0022]图4示出了图2的剖视结构示意图;
[0023]图5示出了图1的超高温电磁超声传感器检测待检设备的部分结构示意图(仅示出 了待检设备、空气隔层和隔热套筒的底壁);
[0024]图6示出了图1的超高温电磁超声传感器的设计方法的流程图;
[0025]图7a示出了图1的超高温电磁超声传感器对温度为700°C的待检设备进行检测的 检测结果示意图;
[0026]图7b示出了图1的超高温电磁超声传感器对温度为750°C的待检设备进行检测的 检测结果示意图;
[0027]图8a示出了图1的超高温电磁超声传感器对由TP347H制成的待检设备进行检测的 检测信号图;以及
[0028]图8b示出了图1的超高温电磁超声传感器对由Q235制成的待检设备进行检测的检 测信号图。
[0029] 其中,上述附图包括以下附图标记:
[0030] 10、壳体;11、端盖;111、轴向通孔;12、容纳腔;20、磁铁及线圈组件;21、磁铁;22、 线圈;23、磁铁安装座;30、信号接头;40、握持手柄;50、锁紧件;60、隔热结构;61、隔热套筒; 611、底壁;612、侧壁;613、安装槽;6131、第一槽段;6132、第二槽段;62、环形凸缘;63、空气 隔层;70、接头安装座;80、延长杆;100、待测设备;200、传感器组件。
【具体实施方式】
[0031] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0032] 本发明及本发明的实施例中,高温设备指的是温度在300°C至750°C之内的设备, 超高温电磁超声传感器指的是能够检测温度小于等于750°C的待检设备的电磁超声传感 器。
[0033] 由于超高温电磁超声传感器内部的永磁铁和高频线圈的工作温度有限,现有技术 的电磁超声传感器不能够直接用于高温设备的检测,这很大程度上制约了电磁超声传感器 在高温检测中的应用。为了解决上述问题,本发明提供了一种超高温电磁超声传感器。 [0034] 实施例一
[0035] 如图1至图4所示,本发明的实施例一中,超高温电磁超声传感器包括壳体10、传感 器组件200和隔热结构60。传感器组件200包括磁铁及线圈组件20和信号接头30。磁铁及线 圈组件20设置在壳体10的内部;信号接头30与磁铁及线圈组件20的线圈接头连接;隔热结 构60设置在壳体10的内部并位于壳体10与磁铁及线圈组件20之间。
[0036]通过上述设置,隔热结构60能够在一定时间内延缓高温设备的热量传导至壳体10 内部,从而保护位于壳体10内部的磁铁及线圈组件20等传感器组件200免受高温损坏,这 样,当应用该超高温电磁超声传感器检测高温设备时,能够实现对温度较高的待检设备进 行检测的功能;另外,设置隔热结构60能够阻止热量快速传递至超高温电磁超声传感器的 远离待检设备的一端,避免伤害操作人员,从而提高了超高温电磁超声传感器检测时的操 作安全性。
[0037]具体地,如图2至图4所示,壳体10包括端盖11和与端盖11连接的容纳腔12,通过端 盖11将隔热结构60压紧在容纳腔12内。容纳腔12为具有中空部的柱状体。该柱状体由不锈 钢材料制成。该柱状体的内径为33mm、外径为43mm、高度尺寸为33mm。磁铁及线圈组件20和 隔热结构60均位于上述柱状体的内部。
[0038]如图4所示,本发明的实施例一中,隔热结构60包括隔热套筒61。隔热套筒61具有 底壁611和与底壁611连接的侧壁612。其中,底壁611与侧壁612围成用于安装磁铁及线圈组 件20和信号接头30的安装槽613。
[0039]具体地,安装槽61
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