CN109506806B - 一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法，解决了瞬态条件下结构内部温度和厚度无法同时测量的问题。该方法根据介质温度‑超声传播特性，将结构厚度和内部温度的同时测量转化为热传导问题热边界条件和结构厚度的多参数识别问题。采用超声回波法，获得瞬态传热条件下超声传播时间，通过求解热传导反问题可快速、无损、非接触地测量相关的结构内部温度和厚度。该方法适用于瞬态传热条件下高温锅炉、管道和模具等高温设备相关结构厚度和内部温度的同时测量。

Description

一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法。
背景技术
超声波测厚是最常用的无损检测方法之一，已经被广泛应用于石油、化工、机械、冶金、电力、船舶等领域。随着高温科学实验及工程应用越来越多，越来越复杂，对高温测厚特别是高温定点测厚的精度要求也越来越高。与常温测厚相比，高温测厚的难点在于由于被测结构内部非均匀温度场的梯度变化，使得超声波传播路径上的声速是变化的。因此，传统的采用温度系数补偿法测厚其存在问题是：一是被测结构温度是需要预先给定，再根据温度与声速关系进行测量数据的修正；二是由于温度场的梯度变化，仅根据某单一温度值进行修正很可能会带来很大的模型误差。与此同时，基于超声法的测温技术可实现对结构内部稳态/瞬态温度场的无损式探测，能够满足工业生产、科学研究中温度精确测量和在线控制的需要。然而，这些测温研究中通常假定壁厚(即超声传播的距离)是已知。显然，现有的大多数研究都是假定温度进而预测壁厚，或是固定壁厚进而预测温度，而在工程实际中通常这二者都是未知的。因此，开展同时预测结构温度和结构厚度的超声测量方法研究更具工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法。根据介质温度-超声传播特性，采用超声回波法，获得瞬态传热条件下超声传播时间，通过求解热传导反问题可快速、无损、非接触地测量相关的结构内部温度和厚度。该方法适用于瞬态传热条件下高温锅炉、管道和模具等高温设备相关结构厚度和内部温度的同时测量。
本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：
步骤一、对被测结构进行取样，通过实验测量超声波传播速度V和介质温度T的关系；
步骤二、通过超声脉冲回波法，获得被测结构在ti时刻的超声波传播时间ttof,m；
步骤三、基于超声回波信号，将结构厚度和内部温度的同时测量转化为热传导问题热边界条件和结构厚度的多参数识别问题，并采用如下目标函数：
Figure GDA0002402379970000021
式中：q为热边界条件，L为超声波在固体介质中单向传播的距离，即L为被检测结构的厚度，ttof,i,c为计算得到的超声波传播时间，下标i表示测量时间序数，n表示采样点数，V是固体介质中声波的传播速度；
约束条件为：
Figure GDA0002402379970000022
式中：k为材料的导热系数，Cp为材料的比热，ρ为材料的密度；
步骤四、求解热传导反问题，获得被测结构内部温度场，
所述求解过程为：
(1)给定参数初值；
(2)数值求解状态方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J的值，其中x为结构厚度方向的位置；
(3)数值求解灵敏度方程，得出灵敏度矢量；
(4)采用Hooke-Jeeves方法或其它梯度优化方法对参数值进行优化，得q及L；
(5)判断是否收敛(取ε≤1e-6)，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛准则；
(6)基于热传导正问题计算，获得被测结构内的温度场T(x,t)。
在上述技术方案中，传热模型中将热边界条件表示为随时间变化的分段函数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
基于多参数识别技术，能够同时测量高炉炉壁、高温蒸汽管道和模具等结构内部非均匀温度场及壁厚(结构厚度)，有效提升了高温定点测厚的准确性，极大拓宽了超声检测技术的适用范围。
等效热边界条件表示为随时间变化的分段函数式，这避免了需求预先给出热边界条件随测量时间的函数关系式或先验信息等限制条件，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1是变温热边界条件的超声探测值与热电偶测量值对比。
图2是试件内温度分布的超声探测值与热电偶测量值对比。
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。
实验采用圆柱体型的20#钢材料试件。采用游标卡尺测量试件厚度，测量5次取平均值，为50.01mm。测量试件底部与平板加热器接触，以对试件进行随时间变化的温度条件进行加热(变温加热)，总时长300s。电磁超声探头放置在试件顶部，每1s激发/接收信号一次。同时，为验证超声测量结构内部温度场的准确性，在试件表面进行错位打孔(厚度方向间隔约5mm，环向每隔45度)安装热电偶进行温度测量。试件周围采用隔热材料进行包裹，以使得试件内的温度场尽可能保持为一维状态。
分别采用4、5和6分段函数的热边界模型同时进行加热边界和试件厚度(超声波单向传播的距离)，其中试件厚度的预测结果分别是49.27mm、50.00mm和49.99mm，而加热边界的预测结果如图1所示，初始输入的热边界条件均为q(t)＝26℃。同时，图2对比了基于超声法6分段热边界模型以及基于热电偶测量得到的随时间变化的结构内部温度变化。
不同分段模型的研究表明，超声探测可以有效同时测量结构厚度及其内部瞬态的温度场分布，其中厚度测量中4、5和6分段模型的误差分别为1.48％、0.02％和0.04％，而热边界的预测误差(以每个分段中心点对应的温度值比较)分别为2.44％、4.66％和4.24％。实际应用中，从兼顾精度和效率的角度，可以选4分段模型。
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 (2)

1.一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对被测结构进行取样，通过实验测量超声波传播速度V和介质温度T的关系；
步骤二、通过超声脉冲回波法，获得被测结构在ti时刻的超声波传播时间ttof,m；
步骤三、基于超声回波信号，将结构厚度和内部温度的同时测量转化为热传导问题热边界条件和结构厚度的多参数识别问题，并采用如下目标函数：
Figure FDA0002402379960000011
式中：q为热边界条件，L为超声波在固体介质中单向传播的距离，即L为被检测结构的厚度，ttof,i,c为计算得到的超声波传播时间，下标i表示测量时间序数，n表示采样点数，V是固体介质中声波的传播速度；
约束条件为：
Figure FDA0002402379960000012
式中：k为材料的导热系数，Cp为材料的比热，ρ为材料的密度；
步骤四、求解热传导反问题，获得被测结构内部温度场，
所述求解过程为：
(1)给定参数初值；
(2)数值求解状态方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J的值，其中x为结构厚度方向的位置；
(3)数值求解灵敏度方程，得出灵敏度矢量；
(4)采用Hooke-Jeeves方法或其它梯度优化方法对参数值进行优化，得q及L；
(5)判断是否收敛, 取ε≤1e-6，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛准则；
(6)基于热传导正问题计算，获得被测结构内的温度场T(x,t)。
2.根据权利要求1所述的一种瞬态条件下高温结构内部温度及厚度的同时测量方法，
其特征在于传热模型中将热边界条件表示为随时间变化的分段函数。
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