CN108490237A - 一种便携式金属管道热电势无损测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式金属管道热电势无损测量的装置及方法，该装置包括用于与被测金属管道直接接触并用于检测与被测金属管道相接触区域的温度和电势的第一探头(10)、第二探头(18)，第一电动滑台(7)用于带动第一探头(10)移动，加热器(11)置于第一探头(10)内部；基座(20)为拱桥形，包括用于与被测金属管道贴合接触的圆弧面；固定组件(21)为末端带有吸盘的可伸缩金属杆，该固定组件(21)与基座(20)的侧面相连。本发明通过对装置关键的测量原理、各个组件的结构细节构造，以及该装置适用的测量方法中关键的升温速率控制、压力取值、测量位置点选择等进行改进，非常便于现场测量金属管道热电势。

Description

一种便携式金属管道热电势无损测量的装置及方法

技术领域

本发明属于测试装置技术领域，更具体地，涉及一种测量金属管道热电势的装置及方法，该装置及方法尤其可对金属管道热电势进行便携式的无损测量。

背景技术

热电势是材料的固有属性，它可以描述为当材料中通以热流时产生电流的能力，这种现象称为Seebeck效应。当两种不同的导电材料形成闭合回路，由于二者连接的两个地方处于不同的温度下，在回路中形成了温度梯度ΔT，从而产生了电势差ΔV，该导电材料的热电势可以表示为

S＝ΔT/ΔV

一般金属材料的热电势为1μV/K到几十μV/K，符号由于多数载流子的种类不同而不同，p型材料，即空穴作为多数载流子时，其热电势为正值，n型材料，即电子作为多数载流子时，其热电势为负值。

核电站压水反应堆中的金属管道较多采用的是铸造双向不锈钢，由于长期在高温高压辐射等恶劣条件下服役，金属管道的机械性能会因为热老化、低周疲劳或中子辐射脆化等而发生变化，比如铁素体中Fe、Cr、Ni等元素的析出，富Ni、Si的金属间化合物的沉淀，等等。由于核电站的特殊性，对这些金属管道的性能评估显得尤为重要。通常用到的检测金属管道性能的方法有磁化率(MS)法、热电势(TEP)法、涡流(EC)法、电位差检测(ACPD)法和横波双折射(SWBR)法等。实验室的研究表明，铸造双向不锈钢的热电势与铁素体含量和老化参数成线性关系，这个老化参数与老化时间和温度成阿累尼乌斯关系，即

P＝Ate^Q/RT

其中活化能Q与Cr在不锈钢中的扩散能(300℃下约为230KJ/mol)有关。该研究表明铸造双向不锈钢的热电势同它的微观结构密切相关，从而可以通过测量金属管道的热电势来评估其机械性能的变化。而且，研究者已经得到了金属管道的热电势和缺口韧性的相关曲线。我们可以通过测量得到的热电势直接得出性能参数。

核电站中需要使用热电势(TEP)法检测的主要是直径为860mm的大型铸造不锈钢管道，现有测量材料热电势的仪器只能用于小的条状或片状样品，由于我们无法直接从金属管道上获取满足条件的样品，以往都是在实验室中使用小样品模拟金属管道的服役条件来研究材料的性能变化。由于实验室模拟研究的局限性，使得研究结果与真实情况具有较大的差异。为了获得金属管道机械性能的真实变化情况，国内外一些研究机构在测量装置方面做了很多研究工作。比如苏州热工所的专利申请201510546773.4提出了一种金属热电势检测仪器。该发明实现了对大型金属部件热电势的测量，但存在很多不足之处，主要有以下几点，(1)该发明兼顾了测量大型金属管道和小尺寸的样品，这样就使得装置设计上存在先天不足，主要表现在仪器的基座上下表面都为平面，基座与管道为线接触，二者间的摩擦力有限，使得仪器安装不稳定，容易晃动；(2)仪器的固定方式为绑带固定，这样就使得仪器安装至少需要两人操作，而且绑带无法很好地将仪器固定在管道的水平方向。这种固定方式的另一个不足之处是没有考虑离地或离墙壁很近的管道，在这种情况下，绑带固定无法操作；(3)没有给出测量方法。测量方法的实施需要软件编程和硬件搭建的结合，相关参数的确定需要大量的实验予以验证，该发明未能验证所设计装置的实用性。针对已有发明的一些不足之处，本发明研制了一种便携式的金属管道热电势无损测量装置，该装置除了具有可以直接用于工业现场测量，且测量过程对金属管道没有任何损害，方便携带、易于操作、测量精度高等方面的优点外，针对工业现场的实际情况和实际需求，提出了新颖的基座构造和固定组件，并首次提出了利用本发明测量金属管道热电势的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种便携式金属管道热电势无损测量的装置及方法，其中通过对装置关键的测量原理、各个组件的结构细节构造，以及该装置适用的测量方法中关键的升温速率控制、压力取值、测量位置点选择等进行改进，与现有技术相比能够有效解决现场测量金属管道热电势不便的问题，并且该装置便于携带且易于操作，非常适宜于极端环境下金属管道热电势的测量，测量准确性高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，包括位于箱体内的第一电动滑台(7)、第二电动滑台(15)、第一探头(10)、第二探头(18)和加热器(11)，以及位于该箱体外部的基座(20)和固定组件(21)，其中，

所述第一探头(10)和所述第二探头(18)均用于与被测金属管道直接接触，所述第一电动滑台(7)用于带动该第一探头(10)沿所述被测金属管道的轴向方向移动并能够使所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加压力，所述第二电动滑台(15)则用于带动该第二探头(18)使所述第二探头(18)向所述被测金属管道施加压力；

所述第一探头(10)通过第一绝缘绝热体(9)与第一力传感器(8)相连，该第一力传感器(8)还与所述第一电动滑台(7)相连，并用于检测所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加的压力；所述第二探头(18)通过第二绝缘绝热体(17)与第二力传感器(16)相连，该第二力传感器(16)还与所述第二电动滑台(15)相连，并用于检测所述第二探头(18)向所述被测金属管道施加的压力；

所述加热器(11)置于所述第一探头(10)内部，用于加热所述第一探头(10)使该第一探头(10)和所述第二探头(18)之间产生温差；所述第一探头(10)内设置有第一热电偶(12)，所述第二探头(18)内设置有第二热电偶(19)；所述第一探头(10)和所述第二探头(18)用于检测与所述被测金属管道相接触区域的温度和电势；

所述基座(20)为拱桥形，包括用于与所述被测金属管道贴合接触的圆弧面以及用于与所述箱体相接触的平面；

所述固定组件(21)为末端带有吸盘的可伸缩金属杆，该固定组件(21)通过U型连接件与所述基座(20)的侧面相连，所述吸盘通过U型连接件连接在所述可伸缩金属杆的末端上；所述固定组件(21)的数量不低于4个。

作为本发明的进一步优选，所述被测金属管道为核电站中服役的直径为860mm的金属管道，所述基座(20)上的所述圆弧面对应的直径优选为860mm。

作为本发明的进一步优选，所述第一电动滑台(7)与第一水平步进电机(3)相连，该第一水平步进电机(3)用于驱动该第一电动滑台(7)沿所述被测金属管道的轴向方向移动，从而进一步带动所述第一探头(10)沿所述被测金属管道的轴向方向移动；所述第一电动滑台(7)还与第一竖直步进电机(5)相连，该第一竖直步进电机(5)用于驱动该第一电动滑台(7)沿所述被测金属管道的径向方向移动，从而进一步带动所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加压力或取消压力；

所述第二电动滑台(15)与第二竖直步进电机(13)相连，该第二竖直步进电机(13)用于驱动该第二电动滑台(15)沿所述被测金属管道的径向方向移动，从而进一步带动所述第二电动滑台(15)向所述被测金属管道施加压力或取消压力。

作为本发明的进一步优选，所述第一探头(10)和所述第二探头(18)均为带有锥度的铜质圆柱，该第一探头(10)和该第二探头(18)上用于与所述被测金属管道接触的尖端均为截头圆锥体。

作为本发明的进一步优选，所述第一电动滑台(7)、所述第一力传感器(8)、所述第一绝缘绝热体(9)、所述加热器(11)、所述第一探头(10)和所述第一热电偶(12)沿所述被测金属管道的轴向方向和径向方向上移动的位移均一一对应，保持一致；

所述第二电动滑台(15)、所述第二力传感器(16)、所述第二绝缘绝热体(17)、所述第二探头(18)和所述第二热电偶(19)沿所述被测金属管道的径向方向移动的位移均保持一致。

作为本发明的进一步优选，所述第一热电偶(12)和第二热电偶(19)均为铠装热电偶。

作为本发明的进一步优选，所述第一电动滑台(7)和所述第二电动滑台(15)均由铸铁制造；所述箱体由铝合金制造。

按照本发明的另一方面，本发明提供了利用上述便携式金属管道热电势无损测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)装置的安装：将便携式金属管道热电势无损测量装置通过基座和固定组件固定在被测金属管道上；

(2)测量准备：通过第一竖直步进电机和第二竖直步进电机来控制第一探头和第二探头与被测金属管道的接触，使得第一力传感器和第二力传感器均检测到大于0的压力值；然后，通过加热器加热使两个探头与被测金属管道接触的区域形成所要求的温差；

(3)采集温度及电位：利用第一热电偶和第二热电偶同步测量采集第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位，其中，

第一热电偶所测温度值即为第一探头与被测金属管道接触区域的温度，第二热电偶所测温度值即为第二探头与被测金属管道接触区域的温度，并且，将与第一探头和第二探头分别接触良好的两根导线同时接入数据采集卡的某一通道采集得到的电压值即为第一探头与第二探头与被测金属管道接触区域的电位差；

(4)计算热电势：记某一时刻所述第一热电偶和所述第二热电偶测量采集得到的温度差值为ΔT_i，所述第一热电偶和所述第二热电偶测量采集得到的电位差值为V_i，根据ΔT_i和V_i计算该被测金属管道某一区域的热电势。

作为本发明的进一步优选，所述测量方法还包括步骤：

(5)通过第一竖直步进电机使第一探头沿被测金属管道的轴向方向移动，然后重复所述步骤(2)～所述步骤(4)，得到不同采集位置点对应的热电势。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(5)重复若干次，从而得到30～50个不同采集位置点对应的热电势，此外，相邻两个采集位置点的间距为0.1～1mm。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述第一力传感器与所述第二力传感器检测到的压力值均不小于10N且均不超过30N；所述数据采集卡的采集速度为1～5次/s，所述加热器的加热速率为0.3～0.4℃/s；

所述步骤(3)中，采集第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位是当所述第一热电偶和所述第二热电偶测量得到的温度差值达到20℃时开始的；所述步骤(3)采集到的第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位优选为15组。

通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明中的装置能够对大型金属管道的热电势进行无损测量。目前测量热电势的仪器对样品尺寸有严格的要求，一般为条状样品或片状样品，尺寸为几个毫米到十几个毫米，无法直接测量大型金属管道的热电势。要想获得大型金属管道的热电势，必须对其进行破坏性取样，从而使其失去了完整性；使用相同材质的小尺寸样品在实验室模拟大型部件的服役条件，用传统仪器测量获得热电势数据，这种间接测量的数据与实际情况往往有偏差。本装置实现了直接对大型金属管道热电势的无损测量，对被测金属管道没有任何损伤，可用于获得工业现场的第一手数据。

2、测量的可操作性强。本发明中便携式金属管道热电势无损测量的装置，通过设计具有特殊结构的基座和安装组件，使得装置整体可以非常方便地安装在管道上，同时，本装置体积小，重量轻，便于携带，操作简单，并且可以远程操作，非常适合在工业现场对金属管道热电势的无损测量。

3、测量准确性高。本发明还通过选取最佳的加热速率和采集温度，从而保证了采集的电压差和温差的线性，提高了结果的精度；选取了最佳的接触压力，从而最大限度的减小了接触热阻和接触电阻，提高了采集数据的可信度；优选了采集位置点的个数和相邻位置点的间距，从而更加真实的反映了金属管道各个区域微观结构的差异，也因此更加真实的反映了金属管道各个区域机械性能的变化。为了避免数据的采集速度大于数据采集卡的采样频率时发生的数据精度丢失以及产生大量无效数据，数据的采集速度过低导致测量效率下降，最佳的采集速度为1～5次/s。本发明为了保证第一探头和第二探头的温差与加热时间的线性关系，加热器的加热速率控制为0.3～0.4℃/s。当第一力传感器和第二力传感器所显示的压力均不小于10N时，即可认为探头与金属管道的接触电阻和接触热阻可以忽略，如压力大于30N，则可能损坏电动滑台，为了最大可能地降低接触电阻和接触热阻，同时不影响电动滑台的正常工作，本发明中第一力传感器与第二力传感器检测到的压力值均满足10～30N。此外，本发明考虑到材料微观结构的变化范围较小，相邻两个采集位置点的间距应尽可能小，这对驱动电动滑台运动的步进电机的精度提出了很高的要求；可以使用日本东方马达VEXTA型号为PX535MA-H的五相步进电机，该电机可以实现0.5微米的高精度行走和高精度定位，完全满足本发明对于步进电机精度的要求。基于步进电机的精度，并综合其他因素，本发明中相邻两个采集位置点的间距可以为0.1mm，也可以为0.1mm到1mm(如0.25mm等)。

总结起来，本发明相较于之前已有的专利，其装置具有以下特点以及相应的好处：

(1)本发明通过上述的结构设计，实现了在工业现场对大型金属部件热电势的精确测量，相较于其他的发明，具有可行的测量方法。

(2)核电站中利用热电势法检测的主要是直径为860mm的金属管道。本发明基于核电站现场检测的实际需求，将基座设计为圆弧直径为860mm的拱桥式结构。由于平板基座易于加工，现有的测量装置的基座均为平板，这就使得安装时出现偏移、滑动，操作不便；本发明中拱形的基座与金属管道良好贴合，增大了装置与管道表面的接触面积，使得装置的安装变得十分方便。也就是说，与传统的平板基座相比，本发明中的测量装置与被测金属管道的接触由线接触变为面接触，增加了装置与管道的接触面积，提高了装置安装的便利性和稳定性。本发明中基座采用航空铝材，兼顾了材料强度大和易于加工的要求；测量装置的模块化设计支持更换基座以适应不同的测量对象。

(3)本发明将装置的固定组件由传统的绑带变为带有吸盘的可伸缩金属杆。这种设计克服了已有发明中装置固定需要多人操作、安装过程繁琐、装置无法在管道水平面安装、装置无法在离地或离墙壁很近的管道上安装等诸多缺点，本装置单人即可完成固定；安装过程简单快速高效，有效地减少了检测人员被辐射的时间。固定组件中的U型连接件使得金属管和吸盘可以旋转180°以适应不同的接触角度，吸盘的底部采用软质材料可以适应带弧度的金属管道，每个吸盘可承受超过20kg的切向应力，装置通过吸盘在被测金属管道上的吸合固定于被测金属管道上；四个吸盘的吸合力超过80kg，这就使得装置可以安装在管道径向的任意位置，增加了管道可检测的范围；可以安装在任意走向的管道表面，使用场合大大增加。也就是说，相比于传统的绑带固定，本发明中的装置有如下优势：①扩大了装置可使用的场合。对于一些离地或离墙壁很近且直径很大的管道，绑带固定等传统结构无法操作，而采用本发明的固定组件却可以轻易地安装装置。②简化了装置的安装。传统的绑带固定至少需要两人操作，而且固定过程繁琐，固定效果不佳，本发明的装置安装过程只需一人操作，且实现了快速高效地安装，有效减少了测量人员在恶劣环境中的曝光时间。

(4)本发明设计了小体积的高精度十字电动滑台，实现了第一探头在两个方向上的运动；同时，通过对步进电机的控制，实现了第一探头的高精度行走和高精度定位，根据需要，第一探头每步移动位移可低至0.5μm。

(5)本发明还首次将装置的所有组件封装在箱体中，这样设计有以下几方面的好处，①封装了所有组件，提高了装置的整体性；②避免了某些组件遭受人为的损坏，保护了装置的各个组件；③实现了装置的模块化设计，提高了装置的可维护型。计算机通过从箱体中引出的导线实现对装置的远程控制，检测人员无须停留在工业现场。这种设计既保护了检测人员，同时使得检测变得更加灵活。

相应的，对比已有发明，本发明的测量方法也具有其特有的特点。首先，本发明的测量方法中电压数据和温度数据是同步采集的，这样就避免了由于数据滞后而导致的测量误差；其次，采集的数据个数和采集速率都经过精心设计，这样不仅可以避免大量数据的冗余，还提高了数据的可分析性。最后，程序支持对测量位置点的数量和相邻位置点的间距进行设置，这样检测人员可以根据实际需要进行调整，实现了灵活操作和对用户友好。适宜于本发明装置的测量方法，在保证第一探头和第二探头与被测金属管道良好接触而不损害电动滑台的最佳接触压力10～30N，采集位置点的个数推荐为30～50个，而为了更加准确地测量不同区域的热电势差异，相邻测量位置点的间距为0.1～1mm，每个位置点采集15组ΔT和V值。ΔT_i和V_i为多组，将多组ΔT_i和V_i线性拟合后的斜率即为该区域的热电势。通过测量多个区域的热电势可以获得该被测金属管道体各个位置的热电势差异。

综上，本发明具有便于携带和安装的优点，能够在工业现场对金属管道进行无损测量，具有较高的精确度和自动化程度。本发明提供的装置和方法，实现了在工业现场测量大型金属管道的热电势，有利于评估金属管道的服役状况，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中测量金属管道热电势的装置原理示意图。

图2为本发明中测量金属管道热电势的装置结构示意图。

图3为本发明中测量金属管道热电势的装置固定组件示意图。

图4、5、6、7为多组ΔT和V原始数据拟合TEP值的曲线图(测量材料均为304不锈钢，第二探头温度均为25℃)。

图中各附图标记的含义如下：1为活动提手，2为箱体，3为第一水平步进电机，4为第一水平丝杠，5为第一竖直步进电机，6为第一竖直丝杠，7为第一电动滑台，8为第一力传感器，9为第一绝缘绝热体，10为第一探头，11为加热器，12为第一热电偶，13为第二竖直步进电机，14为第二竖直丝杠，15为第二电动滑台，16为第二力传感器，17为第二绝缘绝热体，18为第二探头，19为第二热电偶，20为基座，21为固定组件，22为金属管道，23为电缆，24为计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，测量金属管道热电势的装置包括第一电动滑台7、第二电动滑台15、第一力传感器8、第二力传感器16、第一绝缘绝热体9、第二绝缘绝热体17、第一探头10、第二探头18、加热器11、第一热电偶12、第二热电偶19、基座20、固定组件21；其中，

第一探头10和第二探头18上端分别通过第一绝缘绝热体9和第二绝缘绝热体17与第一力传感器8和第二力传感器16相连，下端直接与被测物体接触。第一探头10和第二探头18是一个热和电的良导体，第一绝缘绝热体9和第二热源绝热体17阻绝了热和电的向上传播。

加热器11置于第一探头10内部，用于对被测物体与第一探头10接触的一端加热，使两个接触点产生温差。第一热电偶12和第二热电偶19置于第一探头10和第二探头18的垂直高度相同的某一位置，用于检测被测物体与第一探头10和第二探头18接触区域的温度。

第一力传感器8和第一电动滑台7相连，记被测金属管道的轴向方向为水平方向(X轴)，被测金属管道的径向方向(任意一个径向方向)为竖直方向(Z轴)，则第一电动滑台7由第一水平步进电机3驱动沿水平方向(X轴)运动，带动第一探头10在X轴方向移动；由第一竖直步进电机5驱动沿竖直方向(Z轴)运动，提供第一探头10对被测物体的压力。所述第一力传感器8用于检测第一探头10对被测物体的垂直压力。

第二力传感器16和第二电动滑台15相连，第二电动滑台15由第二竖直步进电机13驱动沿竖直方向(Z轴)运动了，提供第二探头18对被测物体的压力。所述第二力传感器16用于检测第二探头18对被测物体的垂直压力。

第一竖直步进电机5驱动沿竖直方向(Z轴)运动，带动第一探头10在Z轴方向运动，并提供第一探头10对被测金属管道的压力，保证二者的良好接触，最大程度地减小接触电阻和接触热阻。第二电动滑台15由第二竖直步进电机13驱动沿竖直方向(Z轴)运动，带动第二探头18在Z轴方向移动，并提供第二探头18对被测金属管道的压力，保证二者的良好接触，最大程度地减小接触电阻和接触热阻。

所述第一电动滑台7、所述第一力传感器8、所述第一绝缘绝热体9、所述加热器11、所述第一探头10和所述第一热电偶12均可以在水平方向(X轴)和竖直方向(Z轴)作一致移动。所述第二电动滑台15、所述第二力传感器16、所述第二绝缘绝热体17、所述第二探头18和所述第二热电偶19均可以在竖直方向(Z轴)作一致移动。

所述基座20为一拱桥式设计，与被测金属管道接触的一面为直径为860mm的圆弧面，与箱体接触的一面为平面。

所述固定组件21为四根带有吸盘的可伸缩金属杆，通过吸盘在被测金属管道上的吸合将装置固定于被测金属管道上。

本实施例中，加热器11在加热时可以使第一探头10和第二探头18之间产生温差。

再一种更为优选的实施方案中，电动滑台由铸铁制造，箱体由铝合金制造，活动提手由不锈钢制造，这种不同材料的配置，既可以保证装置的结构强度，又可以减轻装置的重量。

本实施例中，通过固定组件21将装置固定在被测金属管道上。

本实施例中，通过第一水平步进电机3和第一竖直步进电机5驱动电动滑台7带动第一探头10在水平方向上移动以测量不同位置的热电势，在竖直方向上移动以保证第一探头10与被测金属管道的良好接触和分离。

本实施例中，通过第二竖直步进电机13驱动电动滑台15带动第二探头18在竖直方向上移动以保证第二探头18与被测金属管道的良好接触和分离。

该装置可以通过tM-C8模块与计算机相连，通过程序输出命令控制电路板实现对步进电机3,5,13和加热器11的控制。

该装置可以通过数据采集卡与计算机相连，实现数据的自动采集，包括温度信号，电压信号和压力信号。数据采集卡可以通过RS485模块与计算机通信，通过电脑程序来控制采集卡的采集。本发明中第一探头与第二探头与被测金属管道接触区域的电位差的检测及传输，可以将与第一探头和第二探头分别接触良好的两根导线(如铜导线)同时接入数据采集卡的某一通道，采集得到的电压值即为第一探头与第二探头与被测金属管道接触区域的电位差。

运用上述装置得到金属管道热电势的整个过程，可分为测试阶段和计算阶段，其中：

测量阶段首先要安装装置，然后再进行测量。

安装要求为：将装置通过固定组件固定在被测金属管道上某一需要测量的区域，由于基座采用拱桥式设计，可以和管道很好的贴合，提高了安装的便利性。如果装置无法沿管道径向和轴向移动，即认为安装完成。

测量过程如下：装置安装完成后开始测试过程。首先通过电脑程序控制电动滑台调整第一探头和第二探头的间距，然后使第一探头和第二探头与管道接触压力为10～30N，开始启动加热器对第一探头进行加热，这时第一探头的温度不断增加，而冷端探头的温度和管道保持一致。当第一热电偶和第二热电偶的温度值之差达到20℃后，通过数据采集卡开始连续采集15组数据，每一组数据包括第一热电偶温度值T₁，第二热电偶温度值T₂，第一探头与第二探头的电压差V。

计算阶段包括如下步骤：

首先根据每组数据中第一热电偶的温度(记为T₁),以及第二热电偶的温度(记为T₂),求得二者的温差，记为ΔT，

ΔT＝T₁-T₂

使用最小二乘法对15组V和ΔT进行线性拟合，得到的直线斜率即为金属管道在该点的热电势S₁。

改变测量点的位置，使两点之间的间距为某一确定值，进行测量，得到S_i，根据需要确定i值的大小，比较S₁，S₂……S_i，同时参考热电势与断口韧度的关系，即可评估该测量区域材料的力学性能的变化。需要指出的是，在测量金属管道热电势的过程中，第一探头和第二探头对管道外壁的压力值在10～30N的范围内即可，并不要求两个压力值完全一致，这是因为在此范围内，管道外壁与探头之间的接触热阻和接触电阻可以忽略，对采集的电压信号和温度信号几乎没有影响。

误差分析：

塞贝克系数的相对误差为：

若δ_T,δ_V分别为温度和电压测试值与真实值之间产生的误差，则可得到如下公式：

对于δ_V，由于本发明中所选用的数据采集卡为泓格I-7018Z模块，量程档选择为15mv，其分辨率小于0.5μv，而其本身的转换误差仅为0.5％，所以，δ_V的值为0.5％。对于δ_T，以△T＝10K，α＝50μv/K估算误差，则大约为0.6％；对于δ_T，主要有热电偶误差、A/D转换误差和由于接触热阻产生的误差，我们采用Pt-Pt-10％Rh热电偶测温，由于该种热电偶本身有一随机误差，如在0－1300℃时误差为±0.25％，根据误差处理方法，这一误差可以通过多次测量的办法得以降低，如用n次测量的温度算术平均值替代真实温度(T₀)时的标准偏差为：

由于微机采集数据读数很快(每秒钟采集10个点)，我们采用每个温度点读200次，然后取平均值，如测温点为500℃时，100次读数随机误差可减小到±0.25％×500/200^1/2＝0.09℃，则由此产生的温差|η_ΔT|误差为0.18K。而数据采集卡对热电偶的电势信号采集及转变成温度值的过程中，结合Pt-Pt-10％Rh热电偶的特性，得到在温度≥0℃时，试样两端的读数Th、Tc误差均<0.15K，则|η_ΔT|<0.3K。对于由于接触热阻产生的误差，如果接触材料选择得当，并且加工精度比较高，保证样品接触良好，对于这种误差基本可以忽略不计。由此看来，总共产生的误差大约为|η_ΔT|<0.48K，如果以△T＝10K估算误差，则|η_ΔT|/η<4.8％，则根据误差加和性原理，每组数据产生的误差都应该基本一致，故热电势总的误差在5％左右。

利用本测量装置对304不锈钢在室温下的热电势进行测量，测量的四组数据如图3、4、5、6，针对每组数据所拟合出来的热电势求平均得到平均热电势，并与用Namicro-Ⅳ型热电参数综合测试仪测量的数值进行对比，得出了偏差和误差，如表1。

表1

本实施例结合测量装置的结构，给出了配套的测量标准，提高了测量质量。

本发明还可以设计专门的测量程序，例如，选用美国NI公司的LabVIEW作为测量程序的开发语言，得到了与本发明中测量装置和方法配套的测量程序，实现测试为电脑一体化控制、采集、计算、显示输出的过程。

为了贴合接触，被测金属管道的外径与基座圆弧面对应的直径两者相等(或者，基座圆弧面对应的直径略大于被测金属管道的外径)，因此，当被测金属管道的外径发生变化时，也可以采用其他相对应的拱桥形基座。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，包括位于箱体内的第一电动滑台(7)、第二电动滑台(15)、第一探头(10)、第二探头(18)和加热器(11)，以及位于该箱体外部的基座(20)和固定组件(21)，其中，

所述第一探头(10)和所述第二探头(18)均用于与被测金属管道直接接触，所述第一电动滑台(7)用于带动该第一探头(10)沿所述被测金属管道的轴向方向移动并能够使所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加压力，所述第二电动滑台(15)则用于带动该第二探头(18)使所述第二探头(18)向所述被测金属管道施加压力；

所述第一探头(10)通过第一绝缘绝热体(9)与第一力传感器(8)相连，该第一力传感器(8)还与所述第一电动滑台(7)相连，并用于检测所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加的压力；所述第二探头(18)通过第二绝缘绝热体(17)与第二力传感器(16)相连，该第二力传感器(16)还与所述第二电动滑台(15)相连，并用于检测所述第二探头(18)向所述被测金属管道施加的压力；

所述加热器(11)置于所述第一探头(10)内部，用于加热所述第一探头(10)使该第一探头(10)和所述第二探头(18)之间产生温差；所述第一探头(10)内设置有第一热电偶(12)，所述第二探头(18)内设置有第二热电偶(19)；所述第一探头(10)和所述第二探头(18)用于检测与所述被测金属管道相接触区域的温度和电势；

所述基座(20)为拱桥形，包括用于与所述被测金属管道贴合接触的圆弧面以及用于与所述箱体相接触的平面；

所述固定组件(21)为末端带有吸盘的可伸缩金属杆，该固定组件(21)通过U型连接件与所述基座(20)的侧面相连，所述吸盘通过U型连接件连接在所述可伸缩金属杆的末端上；所述固定组件(21)的数量不低于4个。

2.如权利要求1所述便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，所述被测金属管道为核电站中服役的直径为860mm的金属管道，所述基座(20)上的所述圆弧面对应的直径优选为860mm。

3.如权利要求1所述便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，所述第一电动滑台(7)与第一水平步进电机(3)相连，该第一水平步进电机(3)用于驱动该第一电动滑台(7)沿所述被测金属管道的轴向方向移动，从而进一步带动所述第一探头(10)沿所述被测金属管道的轴向方向移动；所述第一电动滑台(7)还与第一竖直步进电机(5)相连，该第一竖直步进电机(5)用于驱动该第一电动滑台(7)沿所述被测金属管道的径向方向移动，从而进一步带动所述第一探头(10)向所述被测金属管道施加压力或取消压力；

所述第二电动滑台(15)与第二竖直步进电机(13)相连，该第二竖直步进电机(13)用于驱动该第二电动滑台(15)沿所述被测金属管道的径向方向移动，从而进一步带动所述第二电动滑台(15)向所述被测金属管道施加压力或取消压力。

4.如权利要求1所述便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，所述第一探头(10)和所述第二探头(18)均为带有锥度的铜质圆柱，该第一探头(10)和该第二探头(18)上用于与所述被测金属管道接触的尖端均为截头圆锥体。

5.如权利要求1所述便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，所述第一电动滑台(7)、所述第一力传感器(8)、所述第一绝缘绝热体(9)、所述加热器(11)、所述第一探头(10)和所述第一热电偶(12)沿所述被测金属管道的轴向方向和径向方向上移动的位移均一一对应，保持一致；

所述第二电动滑台(15)、所述第二力传感器(16)、所述第二绝缘绝热体(17)、所述第二探头(18)和所述第二热电偶(19)沿所述被测金属管道的径向方向移动的位移均保持一致。

6.如权利要求1所述便携式金属管道热电势无损测量的装置，其特征在于，所述第一热电偶(12)和第二热电偶(19)均为铠装热电偶；优选的，所述第一电动滑台(7)和所述第二电动滑台(15)均由铸铁制造；所述箱体由铝合金制造。

7.利用1－6任意一项所述便携式金属管道热电势无损测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)装置的安装：将便携式金属管道热电势无损测量装置通过基座和固定组件固定在被测金属管道上；

(2)测量准备：通过第一竖直步进电机和第二竖直步进电机来控制第一探头和第二探头与被测金属管道的接触，使得第一力传感器和第二力传感器均检测到大于0的压力值；然后，通过加热器加热使两个探头与被测金属管道接触的区域形成所要求的温差；

(3)采集温度及电位：利用第一热电偶和第二热电偶同步测量采集第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位，其中，

第一热电偶所测温度值即为第一探头与被测金属管道接触区域的温度，第二热电偶所测温度值即为第二探头与被测金属管道接触区域的温度，并且，将与第一探头和第二探头分别接触良好的两根导线同时接入数据采集卡的某一通道采集得到的电压值即为第一探头与第二探头与被测金属管道接触区域的电位差；

(4)计算热电势：记某一时刻所述第一热电偶和所述第二热电偶测量采集得到的温度差值为ΔT_i，所述第一热电偶和所述第二热电偶测量采集得到的电位差值为V_i，根据ΔT_i和V_i计算该被测金属管道某一区域的热电势。

8.如权利要求7所述测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括步骤：

(5)通过第一竖直步进电机使第一探头沿被测金属管道的轴向方向移动，然后重复所述步骤(2)～所述步骤(4)，得到不同采集位置点对应的热电势。

9.如权利要求8所述测量方法，其特征在于，所述步骤(5)重复若干次，从而得到30～50个不同采集位置点对应的热电势，此外，相邻两个采集位置点的间距为0.1～1mm。

10.如权利要求7所述测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述第一力传感器与所述第二力传感器检测到的压力值均不小于10N且均不超过30N；所述数据采集卡的采集速度为1～5次/s，所述加热器的加热速率为0.3～0.4℃/s；

所述步骤(3)中，采集第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位是当所述第一热电偶和所述第二热电偶测量得到的温度差值达到20℃时开始的；所述步骤(3)采集到的第一探头和第二探头与被测金属管道接触区域的温度和电位优选为15组。