一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置的制作方法

本实用新型属于无损检测技术领域，特别涉及到高温部件壁厚监测装置，具体来说是一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置。

背景技术：

随着世界能源危机的不断加剧，石油化工、燃煤电站、核电站等能源工业不断向着装置大型化、工艺条件苛刻化的方向发展。高温、辐射、介质高流速运行设备及管道系统极易出现腐蚀、磨损等现象，引发了许多设备和管道穿孔泄露、爆炸、火灾等安全事故，所引起的非计划停工给企业造成了巨大的经济损失，严重影响了企业的可持续发展。由于原料状况、流体流动特性、设备工况的差异性，设备和管道的减薄具有明显的局部性、突发性、风险性特征，如何实现这些设备和管道的失效预测和预防，一直是企业关注的焦点问题。

针对高温部件局部腐蚀、磨损失效问题，在无损检测技术领域，使用超声波对材料的厚度进行定期测量已是较为成熟的技术。目前，现有的超声波厚度测量技术中采用的超声波传感器都是直接接触到待测部件，超声波传感器激发超声波信号传播到待测部件并在待测部件中传播，反射回来的超声波信号被自身超声波传感器或另一个超声波传感器接收，通过分析超声波信号传播的时间差得到待测部件的厚度。但是这种厚度测量技术只适用于非恶劣的环境中，如常温、无辐射等。对于如何在恶劣环境(高温或电离辐射)中对材料厚度进行实时测量是目前面对的重大技术难点。

目前市面上的超声波传感器受到高温影响，会造成压电材料极化而失效。研发耐高温的压电超声波传感器不但经济投资成本过高，而且耗费大量的时间。即使耐高温压电传感器研发成功，其在工业领域应用时由于须直接与待测部件表面相接触，为满足高温环境的需求，还需要高温耦合剂，在一定程度上也增加投资成本。另外，耐高温压电传感器只是对待测部件进行定期测量，其在一定程度上减小事故的发生，但无法从根本上克服待测部件壁厚减薄的突发性和偶然性特征。同时，现有的这种壁厚测量技术需要人工近距离接触待测部件测量，工作条件差，危险性高，给测厚人员和工作开展带来很大的不便。

目前最为理想的方法就是通过固定波导介质于待测部件上，将超声波信号导入到待测部件中，并将发射的超声波信号传给接收传感器，从而有效避免恶劣环境对压电超声波传感器造成损伤，避免了不必要的投资成本，实现了对待测部件实时定点在线测厚，保证了工作人员的安全。

技术实现要素：

鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术中压电传感器容易受到高温影响，压电传感器内部压电晶片会发生极化而失效，市售的耦合剂常用于室温条件下，不能应用于高温部件等问题，另外为了实时了解待测部件运行状态和减薄厚度，提供一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，该装置能够在恶劣环境中实时在线测量待测部件的厚度，并且解决了上述高温待测部件在厚度测量方面的种种技术问题。

为了实现此目的，本实用新型采取的技术方案为如下。

一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，包括压电传感器，压电传感器固定帽，矩形横截面的导波杆和夹具，所述压电传感器固定在压电传感器固定帽内，矩形横截面导波杆一端内嵌于压电传感器固定帽且与压电传感器固定，另一端与夹具固定。

进一步，所述压电传感器采用机械固定和耦合剂与矩形横截面导波杆固定，以保证压电传感器和矩形横截面导波杆之间能量传递。

进一步，所述压电传感器与矩形横截面导波杆采用螺栓固定，矩形横截面导波杆与夹具之间也采用螺栓固定。

进一步，所述压电传感器固定帽外径22毫米，高26毫米，内腔直径18毫米，高16毫米，内嵌矩形横截面导波杆的槽长15毫米，宽1毫米，高10毫米。

进一步，所述压电传感器固定帽设置4个直径3毫米的螺纹孔，其中2个螺纹孔用于固定压电传感器，另外2个螺纹孔用于固定矩形横截面导波杆，上部2个螺纹孔中心线和下部2个螺纹孔中心线互成90度，实现了压电传感器和矩形横截面导波杆远端面的耦合，并满足了压电传感器连续将水平剪切波导入到矩形横截面导波杆中，如图2所示。

进一步，所述矩形横截面导波杆的宽度远大于非频散水平剪切波波长，矩形横截面导波杆厚度小于非频散水平剪切波波长。

进一步，所述矩形横截面导波杆有2个，其中一个与压电传感器形成超声激发器，另一个与压电传感器形成超声接收器。

进一步，所述矩形横截面导波杆总长500毫米，厚度1毫米，在长度方向上分为两部分：均匀宽度部分和非均匀宽度部分，如图3所示。

进一步，所述矩形横截面导波杆均匀宽度部分的宽度为15毫米，长度478毫米，非均匀宽度部分的宽度31毫米，长度22毫米，并且在非均匀宽度有4个半径8毫米圆角和2个直径4毫米通孔。

进一步，所述夹具有4个直径4毫米通孔，通过螺栓固定矩形横截面导波杆，矩形横截面导波杆与待测部件固定，实现矩形横截面导波杆和待测部件的干耦合，如图4所示。

所述压电传感器固定帽1、矩形横截面导波杆2和夹具3固定连接后通过待测部件表面2个直径10毫米螺柱将整个高温部件壁厚监测装置固定在待测部件4上，如图1所示。所述待测部件表面2个直径10毫米螺柱会对夹具3施加力，以达到矩形横截面导波杆2与待测部件4干耦合的目的，如图1所示。所述待测部件表面2个直径10毫米螺柱会对夹具3施加力，以达到矩形横截面导波杆2与待测部件4干耦合的目的。

所述压电传感器通过直径3毫米螺栓固定在压电传感器固定帽，同样通过直径3毫米螺栓将压电传感器固定帽固定在矩形横截面导波杆远端，同时在压电传感器和矩形横截面导波杆远端接触面上涂抹超声波传递耦合剂。然后，将矩形横截面导波杆近端由夹具夹持，4个直径4毫米螺栓施加力。在待测部件外表面焊接2个直径10毫米螺柱，通过该螺柱对夹具施加力，使矩形横截面导波杆近端和待测部件外表面干耦合，无需超声波传递耦合剂。至此，压电传感器激发的超声波信号就可以由压电传感器传递到矩形横截面导波杆，再到待测部件，再由待测部件壁面反射超声波信号，将含有待测部件结构信息的发射信号再由待测部件传递到矩形横截面导波杆，然后传递到压电传感器，将获得包括至少1种反射信号的超声波反射信号，且超声接收器接收到的反射信号之间具有时间差，根据超声波在待测部件壁面内传播时间和传播声速计算壁厚。所述超声接收器接收到的发射超声是由进入到待测部件4中非频散超声信号引起的。所述反射超声信号包括至少1种反射信号，且超声接收器接收到的反射信号之间具有时间差。

所述压电传感器固定帽材质为铝，重量轻，宜安装，用于固定压电传感器到矩形横截面导波杆远端面，满足了压电传感器实时在线监测壁厚变化的目的，如图2所示。所述的压电传感器固定帽采用的是机械固定和超声波信号传递耦合剂，保证了压电传感器和矩形横截面导波杆之间能量传递。所述压电传感器固定帽外径22毫米，高26毫米，内腔直径18毫米，高16毫米，内嵌矩形横截面导波杆的槽长15毫米，宽1毫米，高10毫米。所述压电传感器固定帽布置有4个直径3毫米的螺纹孔，其中上部2个螺纹孔用于固定压电传感器，另外下部2个螺纹孔用于固定矩形横截面导波杆，上部2个螺纹孔中心线和下部2个螺纹孔中心线成90度，实现了压电传感器和矩形横截面导波杆远端面的耦合，并满足了压电传感器连续将水平剪切波导入到矩形横截面导波杆中。所述矩形横截面导波杆中仅有压电传感器激励的单一模式的传播导波，即水平剪切波，该非频散的超声信号从矩形横截面导波杆的远端向与待测部件接触的近端传播。所述矩形横截面导波杆2材质为不锈钢，具有较好的柔韧性，可很据监测环境进行任意弯曲。所述矩形横截面导波杆2作为水平剪切波传播的波导介质，将远端压电传感器激发的水平剪切波导入到待测高温部件中，实现压电传感器和与待测部件有关的潜在恶劣环境分离开。所述矩形横截面导波杆具有较大的宽度与厚度比，其矩形横截面导波杆宽度远远大于非频散水平剪切波波长，而矩形横截面导波杆厚度要小于非频散水平剪切波波长，如图3所示。所述矩形横截面导波杆2有2个，其中一个与压电传感器形成超声激发器，另一个与压电传感器形成超声接收器。所述的矩形横截面导波杆作为水平剪切波传播的波导介质，将远端压电传感器激发的水平剪切波导入到待测高温部件中，实现压电传感器和与待测部件有关的潜在恶劣环境分离开。所述矩形横截面导波杆2总长500毫米，厚度1毫米，在长度方向上分为两部分：均匀宽度部分和非均匀宽度部分，所述矩形横截面导波杆均匀宽度部分的宽度为15毫米，长度478毫米，非均匀宽度部分的宽度31毫米，长度22毫米，并且在非均匀宽度有4个半径8毫米圆角和2个直径4毫米通孔，如图3所示。所述矩形横截面导波杆材质为不锈钢，厚度1毫米，具有较好的柔韧性，可很据监测环境进行任意弯曲。

所述夹具3材质为不锈钢，为矩形横截面导波杆近端面固定在待测部件表面提供作用力，实现了矩形横截面导波杆和待测部件的干耦合，如图4所示。所述夹具上有4个直径4毫米通孔，通过螺栓固定并对矩形横截面导波杆施加力，然后通过待测部件表面2个直径10毫米螺柱将整个高温部件壁厚监测装置固定在待测部件上。所述待测部件表面2个直径10毫米螺柱会对夹具施加力，以达到矩形横截面导波杆与待测部件干耦合的目的。所述矩形横截面导波杆与待测部件之间耦合不需要耦合剂，属于干耦合，目前市面上的耦合剂仅能应用于常温环境中，而本实用新型提供的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置能满足高温环境的应用。本实用新型提供的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，所述的高温部件壁厚监测装置中所使用的不同直径的螺栓材质均为不锈钢。

通过采用本实用新型的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，在无损检测技术领域厚度测量时具有较高的应用价值，尤其是对于以下恶劣环境中的待测部件：

(1)待测部件位于高温环境中，如：700℃的环境中；

(2)待测部件位于电离辐射环境中，如：核电站；

(3)待测部件位于不灵活的几何结构中，如：待测部件外侧布置有厚厚的保温材料。

利用本实用新型的监测装置，可实现压电传感器对处于恶劣环境(高温或电离辐射环境)中待测部件进行壁厚监测，扩展了压电传感器适用范围，避免了目前市售耦合剂无法适用于高温的问题，实现了待测部件壁厚的连续实时检测，提高了壁厚监测装置经济性和可靠性，在工业应用中易于安装和维护。该装置在高温部件壁厚监测应用领域具有很强的创新性。

附图说明

图1是本实用新型基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置的整体布置图。

图2是高温部件壁厚监测装置中压电传感器固定帽示意图。

图3是高温部件壁厚监测装置中矩形横截面导波杆示意图。

图4是高温部件壁厚监测装置中夹具示意图。

图5是10毫米厚试块结构示意图。

图6是700℃，10毫米厚试块壁厚测量信号。

图中标号：1-压电传感器固定帽；2-矩形横截面导波杆；3-夹具；4-待测部件；5-焊接到待测部件外表面的螺柱；6-固定夹具螺栓；7-固定压电传感器螺栓；8-固定矩形横截面导波杆螺栓

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的，并不对本实用新型的保护范围进行限定。应该理解，本实用新型不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

本实用新型提出的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，所述的高温部件壁厚监测装置包括压电传感器固定帽1、矩形横截面的导波杆2和夹具3，如图1所示，采用一激一收的工作模式，超声波信号由一个压电传感器激发，被另一个压电传感器接收。

所述的压电传感器通过直径3毫米螺栓7固定在压电传感器固定帽1，同样通过直径3毫米螺栓8将压电传感器固定帽1固定在矩形横截面导波杆2远端，同时在压电传感器和矩形横截面导波杆2远端接触面上涂抹超声波传递耦合剂。然后，将矩形横截面导波杆2近端由夹具3夹持，4个直径4毫米螺栓6施加力。在待测部件4外表面焊接2个直径10毫米螺柱5，通过该螺柱5对夹具3施加力，使矩形横截面导波杆2近端和待测部件4外表面干耦合，无需超声波传递耦合剂。至此，压电传感器激发的超声波信号就可以由压电传感器传递到矩形横截面导波杆2，再到待测部件4，再由待测部件4壁面反射超声波信号，将含有待测部件4结构信息的发射信号再由待测部件4传递到矩形横截面导波杆2，然后传递到压电传感器，将获得包括至少1种反射信号的超声波反射信号，且超声接收器接收到的反射信号之间具有时间差，根据超声波在待测部件壁面内传播时间和传播声速计算壁厚。

其中所述的压电传感器固定帽1为铝制结构，重量轻，宜安装，导波杆远端矩形横截面涂有耦合剂，通过机械固定和超声波信号传递耦合剂能够很好地实现传感器与矩形横截面导波杆2的耦合，如图2所示。

所述的矩形横截面导波杆2具有较大的宽度与厚度比，其矩形横截面导波杆2宽度远远大于非频散水平剪切波波长，而矩形横截面导波杆2厚度要小于非频散水平剪切波波长，矩形横截面导波杆2作为水平剪切波传播的波导介质，将远端压电传感器激发的水平剪切波导入到待测高温部件4中，并将待测部件4壁面发射的超声波信号传递给压电传感器，达到对待测部件4壁厚实时测量的目的，如图3所示。所述的矩形横截面导波杆2为柔性的超声波信号传播波导介质，能够使压电传感器应用于恶劣环境中或使高温部件壁厚监测装置应用在不灵活的几何结构中。矩形横截面导波杆2中传递的是非频散的水平剪切波信号，在高温壁厚实时测量过程中可以做出精确的定时测量。所述的矩形横截面导波杆2的厚度为1毫米，小于矩形横截面导波杆中传递的水平剪切波波长，有助于避免不需要的较高阶模态超声波的产生，实现了矩形横截面导波杆中只有单一模态的目的，有利于获得精确定时信息。另外，所述的矩形横截面导波杆2的宽度最小值为15毫米，远远大于矩形横截面导波杆2中传递的水平剪切波波长，使得超声波信号在矩形横截面导波杆2边缘具有低幅值且模态近似不变。所述的矩形横截面导波杆2中传递的水平剪切波属于非频散的超声波信号，其包括垂直于超声波传播方向并平行于矩形横截面导波杆2宽度偏振的低阶剪切波信号，该信号可以沿矩形横截面导波杆2以高保真和高效率传播。

所述夹具3为矩形横截面导波杆2近端面固定在待测部件4表面提供作用力，通过调节夹具3施加力的大小来实现超声波信号由矩形横截面导波杆2传递到待测部件4中，避免了在矩形横截面导波杆2近端面和待测部件4之间涂抹耦合剂的应用，如图4所示。

在具体实施例中，选取由汉宁窗函数调制的多周期脉冲信号作为声波激励源，以在界面上反射和透射时不发生波形转换的水平剪切波作为测量波源，在厚度为10毫米不锈钢试块上布置本实用新型所提供的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置，如图5所示，然后将试块放置于700℃加热炉中，利用本实用新型所提供的壁厚测量装置对不锈钢试块进行厚度测量，测量所得的超声波信号，如图5所示，该测量信号包括至少1种反射信号，且超声接收器接收到的反射信号之间时间差为6.26微秒，根据频散曲线理论可知，水平剪切波的波速为3.19毫米每微秒，这样我们就可以得到试块的厚度为9.98毫米，与试块实际厚度的误差仅为0.153％，如图6所示。因此本实用新型所提供的一种基于矩形横截面导波杆的高温部件壁厚监测装置能够较为准确地测量高温部件的壁厚。

通过以上具体实施方式的说明，可以看出本实用新型的有益效果包括：使用常温压电传感器可以对处于高温、辐射或不灵活几何结构中的待测部件进行壁厚测量；利用本实用新型所提供的壁厚测量装置从根本上克服待测部件壁厚减薄的突发性和偶然性特征，实现了对待测部件实时定点在线测厚；在很大程度上，本实用新型所提供的壁厚测量装置避免了不必要的投资成本，保证了工作人员的安全。

需要说明的是，上述实施方式仅为本实用新型较佳的实施方案，不能将其理解为对本实用新型保护范围的限制，在未脱离本实用新型构思前提下，对本实用新型所做的任何微小变化与修饰均属于本实用新型的保护范围。