CN106546353A - 一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法 - Google Patents

Abstract

一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法，该方法包括以下步骤：(1)选取与待测均匀材质构件材质相同的材料制成标定试样，基于标定试样，确定均匀材质中超声传播速度与温度之间的关系；(2)确定待测均匀材质构件的厚度及其冷端的温度；(3)基于脉冲回波法确定待测均匀材质构件中的超声渡越时间；(4)利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布。本发明实现了在不破坏结构的情况下，重建出均匀材质构件内部的温度场分布，具有操作简单、重建速度快的优点，可以有效地应用于实际工业生产中，为工业设备的安全运行提供温度数据。

Description

一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法

技术领域

本发明涉及结构件内部温度场测量领域，具体涉及一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法。

背景技术

温度检测和控制一直是结构安全运行与健康监测的重要组成部分，其中结构件内部温度场的测量在国防军事、机械制造、金属冶炼、火灾防治和电力系统等领域中都有着重要的应用背景和需求。通常，工程结构件所处的环境十分恶劣，运行时结构件内部温度较高，若未及时监测到温度异常区域，会引起结构失效、坍塌等事故，影响人身和财产安全，对结构件内部温度进行有效地检测和评估十分重要。

现有的结构件内部测温方法主要为接触法，需要将传感器安装在待测构件内部，加大了结构件设计的难度，直接影响结构整体的安全性和稳定性。因此，有必要寻求一种操作简单、温度场测量准确的无损测量方法来解决结构件的内部测温问题。

发明内容

为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：

一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基于标定试样，确定均匀材质中超声传播速度与温度之间的关系：1)选取与待测均匀材质构件材质相同的材料制成厚度为d的标定试样；2)将标定试样放入温控装置中，所述温控装置包括加热器和保温装置，加热器用于加热标定试样，保温装置用于使标定试样整体的温度达到一致，通过加热和保温使标定试样达到整体温度为T_i，i＝1，2，3，...，N，共N个温度状态；3)将高温超声探头垂直安装在标定试样的顶面，发射超声信号并接收经标定试样底面反射回来的超声回波信号，测量标定试样在不同温度状态T_i下的超声渡越时间t_i；4)根据V＝2d/t计算在不同温度状态T_i下的超声传播速度V_i，采用线性拟合，得到标定试样的温度T与超声传播速度V(T)之间的关系：

V(T)＝mT+n (1)

式中，m、n为标定系数；

步骤二、确定待测均匀材质构件的厚度及其冷端的温度T_冷；

步骤三、基于脉冲回波法确定待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof：将高温超声探头垂直安装于待测均匀材质构件的冷端，高温超声探头从冷端向该构件的热端方向激发脉冲信号，经热端边界反射后接收超声回波信号，得到超声由冷端至热端往返的渡越时间t_tof；

步骤四、利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布：

1)确定待测均匀材质构件内部温度场的解析式；

依据均匀材质中一维稳态常物性导热方程：

式中，x为待测均匀材质构件内一点沿热端至冷端方向与热端的距离，T(x)为待测均匀材质构件内点x处的温度；

对式(2)积分得到待测均匀材质构件内部的导热方程：

T(x)＝ax+b (3)

式中，a，b为常数；

根据待测均匀材质构件冷端的边界条件：

T(x)|_x＝L＝T_冷 (4)

式中，L为所述构件冷端与热端间距，即构件的厚度；

将式(4)代入式(3)，得到待测均匀材质构件内部温度场的解析式：

T(x)＝a(x-L)+T_冷 (5)

2)确定式5)中的常数a；

根据超声渡越时间t_tof理论方程：

将式(1)、(5)代入式(6)，可得：

t_tof＝2[ln(AL+B)-ln(B)]/A (7)

其中，A＝am，B＝mT_冷+n-amL；

根据牛顿迭代法，求解上述方程，可得：

将冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m，n，构件厚度L代入式(8)求解，其中，迭代收敛准则取|a_j+1-a_j|≤10^-6，j为迭代次数，待收敛后求解得到a；

3)将a代入式(5)即可得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度T(x)。

优选的，所述均匀材质构件为金属构件。

与现有的技术相比，本发明所述方法的优点在于：

(1)温度测量操作简单、温度场重建速度快；

(2)在不破坏结构的情况下，利用超声测温，实现了受热均匀材质构件内部一维稳态温度场的重建，是一种无损测量方法；

(3)温度场重建方法将待测均匀材质构件的冷端作为边界条件，避免测量其热端的复杂温度情况，更适用于工程实际的温度测量；

(4)利用超声渡越时间评估均匀材质构件内部的温度场，由于公式(1)既适用于超声纵波也适用于超声横波，所以本发明所述方法不受波型的影响，应用范围更广。

附图说明

图1均匀材质构件内部温度场的超声测量方法原理图，

图2铝材标定试样尺寸图；

图3铝材标定试样内超声传播速度与温度的关系图；

图4内部温度场重建曲线图；

图5内部温度场重建方法准确性验证原理图；

图6铝材标定试样热电偶分布图；

图7实测温度与重建温度的比较曲线图。

图中各部件与附图标记的对应关系为，1-高温超声探头；2-贴片式热电偶；3-保温装置；4-标尺；5-加热器；6-标定试样；7-超声测量仪；8-计算机；9-热电偶测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

采用如图1所示的装置，进行步骤一。首先，选用圆柱体形状的均匀铝材作为标定试样6(具体尺寸如图2所示)，利用标尺4测量标定试样6的厚度d，为200mm；随后，在标定试样6的顶面安装高温超声探头1和贴片式热电偶2，将高温超声探头1与超声测量仪7连接，以获取在不同温度状态T_i下标定试样6中的超声渡越时间t_i，将贴片式热电偶2与热电偶测量仪9连接，以获取标定试样6顶面的温度，将超声测量仪7和热电偶测量仪9与计算机8相连；接着，控制加热器5加热标定试样6，同时利用保温装置3保证标定试样6内部的温度整体一致，在热电偶测量仪9测得的不同温度状态T_i下，利用高温超声探头1向标定试样6中发射超声信号并接收在底面加热端反射回来的超声回波信号得到t_i(测量数据见表1)，根据V_i＝2d/t_i将测量获得的在不同温度状态T_i下的超声传播速度V_i传输给计算机8以根据公式(1)确定均匀铝材中超声传播速度与温度之间关系，得到标定试样6内超声传播速度与温度的关系图，如图3所示，通过最小二乘法获取的拟合方程为：V(T)＝-0.9652T+3375(m/s)，即得到标定系数m＝-0.9652，n＝3375。

表1不同均匀温度下的超声渡越时间

序号	Ti/K	ti/μs
			1	302.35	129.8555
2	323.15	130.4231
			3	348.15	131.2583
4	373.15	132.6767
			5	398.15	133.2086
6	423.15	134.0407
			7	448.15	135.3090
8	468.15	136.1175

再次利用上述装置来模拟实际工况，此时将标定试样6作为待测均匀材质构件，进行步骤二至四。首先，控制加热器5加热标定试样6的底面，加热温度为773.15K；然后关闭保温装置3令标定试样6内部存在温度梯度；依据步骤二，利用标尺4测量标定试样6的长度L为200mm(实际中应用中也可以根据结构设计有关资料获取待测均匀材质构件的厚度)，利用贴片式热电偶2测量标定试样6顶面的温度，热电偶测量仪9获得的温度，即冷端温度T_冷为493.25K；依据步骤三，高温超声探头1向标定试样6中发射超声信号并接收由标定试样6底面(即热端)反射回来的超声回波信号，超声测量仪7接收高温超声探头1中的超声回波信号，处理得到超声渡越时间t_tof为144.6243μs；最后依据步骤五，将m、n、L、T_冷和t_tof传输到计算机8中，根据公式(8)进行牛顿迭代求解，迭代收敛准则取|a_j+1-a_j|≤10^-6，获得a，再根据公式(5)，将a、L和T_冷代入，得到标定试样6内部任一点x的温度T(x)，即实现了内部温度场重建，内部温度场重建曲线如图4所示。

为验证本发明所述方法的准确性，在上述测量的基础上，在标定试样6中安装了热电偶，以测量标定试样6的内部温度场分布，如图5所示，其中热电偶具体的分布，如图6所示，比较在分布位置的热电偶实测温度与依据本发明所述方法的内部温度场重建曲线上对应位置的重建温度，误差如表2所示。

表2实测温度与重建温度比较与分析

为了更直观的看到实测温度与重建温度的关系，根据上述数据得到了实测温度与重建温度的比较曲线图，如图7所示。由图中可知，本方法重建的温度与实测温度近似，相对误差在1.092％～3.392％之间，重建精度较高。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和/或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基于标定试样，确定均匀材质中超声传播速度与温度之间的关系：1)选取与待测均匀材质构件材质相同的材料制成厚度为d的标定试样；2)将标定试样放入温控装置中，所述温控装置包括加热器和保温装置，加热器用于加热标定试样，保温装置用于使标定试样整体的温度达到一致，通过加热和保温使标定试样达到整体温度为T_i，i＝1，2，3，...，N，共N个温度状态；3)将高温超声探头垂直安装在标定试样的顶面，发射超声信号并接收经标定试样底面反射回来的超声回波信号，测量标定试样在不同温度状态T_i下的超声渡越时间t_i；4)根据V＝2d/t计算在不同温度状态T_i下的超声传播速度V_i，采用线性拟合，得到标定试样的温度T与超声传播速度V(T)之间的关系：

V(T)＝mT+n (1)

式中，m、n为标定系数；

步骤二、确定待测均匀材质构件的厚度及其冷端的温度T_冷；

步骤三、基于脉冲回波法确定待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof：将高温超声探头垂直安装于待测均匀材质构件的冷端，高温超声探头从冷端向该构件的热端方向激发脉冲信号，经热端边界反射后接收超声回波信号，得到超声由冷端至热端往返的渡越时间t_tof；

步骤四、利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布：

1)确定待测均匀材质构件内部温度场的解析式；

依据均匀材质中一维稳态常物性导热方程：

$\frac{d^{2}T\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}=0---\left(2\right)$

式中，x为待测均匀材质构件内一点沿热端至冷端方向与热端的距离，T(x)为待测均匀材质构件内点x处的温度；

对式(2)积分得到待测均匀材质构件内部的导热方程：

T(x)＝ax+b (3)

式中，a，b为常数；

根据待测均匀材质构件冷端的边界条件：

T(x)|_x＝L＝T_冷 (4)

式中，L为所述构件冷端与热端间距，即构件的厚度；

将式(4)代入式(3)，得到待测均匀材质构件内部温度场的解析式：

T(x)＝a(x-L)+T_冷 (5)

2)确定式5)中的常数a；

根据超声渡越时间t_tof理论方程：

$t_{tof}=2{\∫}_0^L\[1/V\left(T\right)\]dx---\left(6\right)$

将式(1)、(5)代入式(6)，可得：

t_tof＝2[ln(AL+B)-ln(B)]/A (7)

其中，A＝am，B＝mT_冷+n-amL；

根据牛顿迭代法，求解上述方程，可得：

将冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m，n，构件厚度L代入式(8)求解，其中，迭代收敛准则取|a_j+1-a_j|≤10^-6，j为迭代次数，待收敛后求解得到a；

3)将a代入式(5)即可得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度T(x)。

2.根据权利要求1所述的一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法，其特征在于，所述均匀材质构件为金属构件。