CN109506807B - 一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法，解决了稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚无法同时测量的问题，该方法基于超声检测信号，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。其中，采用增大初始时间和时间步，使得瞬态求解得到的结构内部非均匀温度场与稳态结果保持一致，将稳态传热条件下的一个有效测量数据转化为瞬态条件下的多个有效测量数据，以有效解决多参数识别中输入信息不足带来的矩阵奇异问题。该方法通过求解热传导反问题，可快速、无损、非接触地测量稳态传热条件下相关的结构内部温度和厚度。

Description

一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法。
背景技术
基于超声波法的高温测厚特别是高温定点测厚是石油、化工、机械等领域安全评价中最常用的无损检测方法之一。然而，工程实际中结构温度和壁厚二者通常都是未知的，常采用的温度系数补偿法难以准确描述被测结构内部非均匀温度场的梯度变化，会过大或过小预测超声波传播路径上的声时，给高温测厚带来严峻挑战。同时，大多数在役高温设备长时间运行条件下，结构内部温度场通常是稳态的，这使得超声波声时信息的测量中仅能获得一个有效的测量数据。当测量数据小于被测参数个数时，基于反问题求解无法获得准确的待预测值。这进一步增加了高温测厚的难度。因此，考虑高温设备实际运行条件，开展稳态条件下同时预测结构温度和壁厚的测量方法研究具有重要的工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法。基于超声检测信号，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。其中，采用增大初始时间和时间步，使得瞬态求解得到的结构内部非均匀温度场与稳态结果保持一致，将稳态传热条件下的一个有效测量数据转化为瞬态条件下的多个有效测量数据，以有效解决多参数识别中输入信息不足带来的矩阵奇异问题。该方法通过求解热传导反问题，可快速、无损、非接触地测量稳态传热条件下相关的结构内部温度和厚度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
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、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，其中，无论i值大小，ttof,i,m均采用稳态条件下实际测量得到的同一超声波声时值ttof,m，
采用的目标函数为：
Figure GDA0002426821810000021
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 GDA0002426821810000022
Figure GDA0002426821810000023
式中：k为材料的导热系数，Cp为材料的比热，ρ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)采用瞬态传热的数值求解状态方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J的值；
(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，采用瞬态传热下的超声测量方法，即数值模拟中采用增大初始时间和时间步方法，获得与稳态传热相一致的结构内部温度场分布状态，将稳态传热条件下的一个有效测量数据转化为瞬态条件下的多个有效测量数据。
综上所述，本发明由于采用了上述技术方案，具有的有益效果是：
本发明采用增大初始时间和时间步，使得瞬态求解得到的结构内部非均匀温度场与稳态结果保持一致，将稳态传热条件下的一个有效测量数据转化为瞬态条件下的多个有效测量数据，有效解决多参数识别中输入信息不足带来的矩阵奇异问题，对稳态条件下结构温度和壁厚的同时测量具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1是稳态条件下同时测量结构内部温度场及结构厚度的流程图。
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示意图。
图3为稳态条件下超声波和热电偶测量结果示意图。
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。
实验采用圆柱形20#钢材料试件。试件上端放置水冷换热器，而试件底部与平板加热器接触以进行加热。待试件内部非均匀温度场稳定后(由热电偶测量值评估)，将电磁超声探头放置在试件顶部，每0.2s激发/接收信号一次，取10次平均值为稳态条件下的声时测量结果。同时，为验证测温的准确性，在试件表面进行错位打孔(高度方向间隔5mm，环向每隔45度)安装热电偶进行温度测量，而试件沿加热方向的高度(厚度)由游标卡尺进行5次测量后取平均值为49.99mm。测试时，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。
通过图1所示的流程对试件内部温度和结构厚度进行测量，图3给出了稳态条件下超声波声时和热电偶测温的三次测量结果。其中，基于第一次测量，同时反演结构热边界TC0和厚度，分别为71.43℃和50.00mm，对应误差分别为3.42％和0.02％。基于三次测量平均值，结构热边界TC0和厚度预测值分别为71.60℃和50.00mm，对应误差分别为3.31％和0.02％。图2则给出了基于第一次测量和三次测量平均值反演获得的结构内部温度场重建结果。可以看出，超声预测结果与热电偶测量值较为吻合。
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 (1)

1.一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法，其特征在于包括如下步骤：
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、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，其中，无论i值大小，ttof,i,m均采用稳态条件下实际测量得到的同一超声波声时值ttof,m，
采用的目标函数为：
Figure FDA0002426821800000011
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 FDA0002426821800000012
Figure FDA0002426821800000013
式中：k为材料的导热系数，Cp为材料的比热，ρ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)采用瞬态传热的数值求解状态方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J的值；
(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)；
采用瞬态传热下的超声测量方法，即数值模拟中采用增大初始时间和时间步方法，获得与稳态传热相一致的结构内部温度场分布状态，将稳态传热条件下的一个有效测量数据转化为瞬态条件下的多个有效测量数据。
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