CN110261424B - 一种基于超声的材料熔点测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声的材料熔点测量装置。包括：微处理器、超声波收发模块、探头模块、测温导波杆、采集模块以及报警模块；超声波收发模块用于发出超声波信号以及接收超声回波信号和温度值；探头模块与超声波收发模块连接，用于将超声波信号传输至测温导波杆以及样件上，以及用于将样件的超声回波信号以及测温导波杆测量的温度传输至超声波收发模块；测温导波杆用于测量高温炉内的温度；采集模块与超声波收发模块连接，用于存储超声回波信号以及温度值；微处理器根据超声波回波信号以及温度值计算样件的熔点，当熔点达到阈值时，控制报警模块进行报警。本发明装置能够实现样件熔点自动测量，且组成简单、成本低、操作方便、熔点测量范围大。
Description
技术领域
本发明涉及材料熔点测量领域，特别是涉及一种基于超声的材料熔点测量装置。
背景技术
熔点是材料的重要参数之一，熔点测量是辨认物质本性的基本手段，是物质纯度测定的重要方法之一。熔点测量在航空、航天、金属、材料、化工和医药等行业都有重要作用。
熔点影响材料的使用范围，特别是加热或温度有关的领域。如，在核反应堆设计中，为提高热功率，降低成本,要尽量提高燃料元件工作温度。然而，元件工作温度过高，会使二氧化铀燃料芯块熔化，会导致元件包壳变形，甚至破损。因此，需要精确测定二氧化铀熔点，以便控制合理的元件工作温度。
现有的熔点测量方法需要借助其他手段，判断样件是否熔化，不能实现样件熔点自动测量；且测量系统复杂、成本高、操作繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声的材料熔点测量装置，本发明装置能够实现样件熔点自动测量，且组成简单、成本低、操作方便、熔点测量范围大。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超声的材料熔点测量装置，所述熔点测量装置包括：微处理器、超声波收发模块、探头模块、测温导波杆、采集模块以及报警模块；所述超声波收发模块、所述采集模块以及所述报警模块均与所述微处理器连接；
所述超声波收发模块用于发出超声波信号以及接收超声回波信号和温度值；所述探头模块与所述超声波收发模块连接，用于将所述超声波信号传输至所述测温导波杆以及样件上，以及用于将所述样件的超声回波信号以及测温导波杆测量的温度传输至所述超声波收发模块；所述样件的一端以及所述测温导波杆的一端与所述探头模块连接；所述样件的另一端以及所述测温导波杆的另一端放置于高温炉内；所述测温导波杆用于测量高温炉内的温度；所述采集模块与所述超声波收发模块连接，用于存储所述超声回波信号以及所述温度值；所述微处理器根据所述超声波回波信号以及所述温度值计算所述样件的熔点，当所述熔点达到阈值时，控制所述报警模块进行报警。
可选的，所述探头模块包括第一探头以及第二探头，所述第一探头与所述测温导波杆连接，所述第二探头与所述样件连接。
可选的，所述第一探头以及所述第二探头均由超声探头以及聚能器组成。
可选的，所述测温导波杆为金属材料或非金属材料。
可选的，还包括按键模块，与所述微处理器连接，用于对所述微处理器进行设置。
可选的，还包括显示模块，与所述微处理器连接，用于显示样件的熔点信息。
可选的，所述测温导波杆刻有V型刻槽。
可选的，所述样件上刻有V型刻槽。
可选的，所述测温导波杆的测温量程大于所述样件的熔点。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明基于超声的材料熔点测量装置，一方面，选用测温量程大于样件熔点的测温导波杆，基于声学的方法实时监测温度；另一方面，通过超声在样件中传播，根据回波的温度-时移特性和温度-幅值特性，通过对回波数据计算、处理，阈值判断，实现样件熔点自动测量。本发明可实现2300℃下熔点的原位自动测量，适用材料范围广，系统简单，安装、使用方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例图基于超声的材料熔点测量装置的结构框图；
图2为测温导波杆示意图；
图3为测温导波杆铱铑合金丝温度—时差关系图；
图4为样件316不锈钢丝示意图；
图5为1700℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图；
图6为1800℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图；
图7为1900℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图；
图8为包含样件熔化的温度—时间、幅值—时间、时差—时间示意图；
图9为不包含样件熔化的温度—时间、幅值—时间、时差—时间示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于超声的材料熔点测量装置，本发明装置能够实现样件熔点自动测量，且组成简单、成本低、操作方便、熔点测量范围大。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，基于超声的材料熔点测量装置包括：微处理器1、超声波收发模块2、探头模块3、测温导波杆4、采集模块5以及报警模块6。所述超声波收发模块2、所述采集模块5以及所述报警模块6均与所述微处理器1连接。
所述超声收发模块2，一方面实现超声信号激发，另一方面实现超声回波信号接收和调理，如门前沿、门宽控制，滤波，增益调节，阻抗匹配和信号隔离等。
所述探头模块3包括第一探头以及第二探头，第一探头以及所述第二探头均由超声探头和聚能器组成。超声探头实现超声发射和接收，发射时超声探头提供超声波给聚能器，聚能器再把超声波传输给测温导波杆和待测样件；接收时超声探头从聚能器获取超声波，聚能器传输的超声波来自待测样件。聚能器等同于变幅杆，实现发射超声的能量放大。第一探头实现超声收发模块2与测温导波杆4之间的超声发射、耦合、传输和接收，第二探头实现超声收发模块2与样件7之间的超声发射、耦合、传输和接收；所述的探头采用单发单收模式。
所述测温导波杆4的一端与所述探头模块3连接，另一端放置于高温炉内，起到温度传感器的作用，监测样件熔点整个测量过程中的温度。所述测温导波杆的测温量程大于所述样件的熔点。它利用回波的温度—时移关系，实现温度测量。所述测温导波杆4可以是金属材料和非金属材料。所述测温导波杆4可与所述探头模块3中所述的聚能器连接，也可省略去聚能器，直接与所述探头模块3中所述的探头连接。
所述样件7为待测熔点材料，样件7可以是金属材料、非金属材料和半导体材料。所述样件7的一端所述探头模块3连接，另一端放置于高温炉内。所述样件7可与所述探头模块3中所述的聚能器连接，也可代省略去聚能器，直接与所述探头模块3中所述的探头连接。
所述采集模块5与所述超声波收发模块2连接，用于存储所述超声回波信号以及所述温度值。
所述微处理器2根据所述超声波回波信号以及所述温度值计算所述样件的熔点，当所述熔点达到阈值时，控制所述报警模块6进行报警。当超声在样件中传播，利用回波的温度—时移关系、温度—幅值特性，携带样件熔化、未熔化状态，结合所述测温导波杆4测量的温度，实现所述样件7的熔点测量。时移指的是样件槽波与端头波的温度-时移，幅值指的是样件槽波与端头波的温度—幅值。对槽波与端头波间的时差梯度阈值、槽波幅值阈值、槽波幅值梯度阈值，端头波幅值阈值和端头波幅值梯度阈值，融合判断，结合所述测温导波杆4的温度监测，实现所述样件7的熔点测量。从粗略的角度看，对大多数导声材料来说，温度升高，槽波和端头波幅值减小，接近熔化时，槽波和端头波幅值减小梯度快速增大，端头熔化时，端头波会消失，即端头波幅值接近零。
本发明基于超声的材料熔点测量装置还包括按键模块，与所述微处理器连接，用于对所述微处理器进行设置，如测量开始、暂停与停止，报警阈值设置，报警解除等。
还包括显示模块，与所述微处理器连接，用于显示样件的熔点信息。
具体实施方案：
图2为测温导波杆示意图。如图2所示，测温导波杆4包括刻槽11和端头12。为描述方便，以直径φ＝0.5mm的铱铑合金丝为例，实际中还可选用其他材料、其他规格的测温导波杆，只要测温导波杆的熔点比待测样件的熔点高即可；
测温导波杆4刻有V型刻槽11；理论上对刻槽的形状没有特别要求，但V型槽易加工，所以多选择V型刻槽。超声导波传输到刻槽会反射槽波，超声导波传输到加热端头会反射端头波，刻槽与加热端头构成热敏感元。槽波与端头波传输到超声探头有先后，会产生时差，在导波杆(材料、尺寸)确定、节距确定时，槽波与端头波的时差与温度有确定关系，获取时差，即可获取温度。
所述12为端头，端头与V型刻槽的节距等于28mm，测温导波杆4有2个端头，一个端头与探头模块3连接，另一个端头受加热装置加热，下面以高温炉作为加热装置为例，端头12指受高温炉加热的端头；V型刻槽11和端头12的距离，称作节距，记作L1，L1主要根据测温导波杆的声速和探头中心频率确定，主要确定依据如下：
常温下，铱铑合金纵波声速＝3700m/s，即3.7mm/us，每个超声波包由6个周期超声波组成。以1MHz中心频率的超声探头，如果要保证槽波(刻槽11的反射波)和端头波(端头12的反射波)和在整个测温过程中不叠加，则节距
由于测温导波杆直径对超声的频散现象和温度对声速的影响，实际的节距L1比理论值偏大，这里选取L1＝28mm；
熔点测量时，测温导波杆4中的刻槽11放置在高温炉恒温区的边缘，刻槽11的剩余部分到端头12之间的部分，放置在高温炉的恒温区；测温导波杆4的刻槽11到另一端头之间的部分，放置在高温炉的恒温区外。
图3为温导波杆铱铑合金丝温度—时差关系图。其中：图3中“传输时差”指端头波(端头12的反射波)与槽波(刻槽11的反射波)之间的时差。
如图4所示，样件7包括刻槽13和端头14。为描述方便，下面选直径φ＝0.5mm的316L不锈钢丝的样件为例，实际中还可选用其他材料、其他规格的样件，只要待测样件的熔点比所选测温导波杆的熔点低即可，一般可以预先知道材料的熔点的大致范围；
在样件7上刻有V型刻槽13，理论上对刻槽的形状没有特别要求，但V型槽易加工，所以多选择V型刻槽；V型刻槽13和端头14的距离，即节距，记作L2，L2主要根据待测样件的声速和探头中心频率确定，主要确定依据如下：
常温下，不锈钢纵波声速＝5600m/s，即5.6mm/us，每个超声波包由6个周期超声波组成。以1MHz中心频率的超声探头，如果要保证槽波(刻槽13的反射波)和端头波(端头14的反射波)和在整个测温过程中，槽波的尾波和端头波的首波不叠加，则节距
另外由于待测样件直径对超声的频散现象和温度对声速的影响，实际的节距L2比理论值大，这里选取L2＝38mm；
超声导波传输到刻槽会反射槽波，超声导波传输到加热端头会反射端头波，刻槽与加热端头构成热敏感元。槽波与端头波传输到超声探头有先后，会产生时差，在样件(材料、尺寸)确定、节距确定时，槽波与端头波的时差与温度有确定关系，获取时差，即可获取温度。
所述14为端头，样件7有2个端头，一个端头与探头模块3连接，另一个端头受高温炉加热，端头14指受高温炉加热的端头。
测量样件的7熔点时，样件7的刻槽13放置在高温炉恒温区的边缘，样件7刻槽13的剩余部分到端头14之间的部分，放置在高温炉的恒温区；样件7的刻槽13到另一端头之间的部分，放置在高温炉的恒温区外。
图5为1700℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图。其中：槽波最大幅值0.1V，端头波最大幅值0.26V；槽波幅值最大处与端头波幅值最大处对应的时差＝20-9.75＝11.25μs。
图6为1800℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图。其中：槽波最大幅值0.095V，端头波最大幅值0.042V；槽波幅值最大处与端头波幅值最大处对应的时差＝21.5-9.85＝11.65μs。
图7为1900℃时，样件316L不锈钢丝回波波形图。其中：槽波最大幅值0.095V，端头熔化，端头波小至和噪声相当；槽波幅值最大处与端头波幅值最大处的时差无法获取。
图8为包含样件熔化的温度—时间、幅值—时间、时差—时间示意图。温度—时间示意图，指测温导波杆4测得的环境温度(高温炉恒温区温度)随时间变化的关系；幅值—时间示意图，指样件7的端头14反射的端头波最大幅值随时间变化的关系；时差—时间示意图，指样件7的端头14反射的端头波，与样件7的刻槽13反射的槽波之间的时差随时间变化的关系。
在温度—时间示意图中，TA→TB→TC段是升温过程，TA指开始加热时的温度，即常温；TB为样件7的端头14由固态向液态开始变化的温度，即开始熔化的温度；TC为样件7熔点的估计值；TC→TD→TE段是降温过程，TD为样件7的端头14由液态向固态开始变化的温度，即开始凝固的温度；TC为样件7熔点的估计值；TE指加热炉停止加热后，经过一段时间，炉内温度与炉外温度相同，即常温；TA和TE相差不大，一般计为相等。
在幅值—时间示意图中，VA→VB→VC段是升温过程，幅值随时间的变化关系；VA为开始加热时的幅值，即常温TA对应的幅值；VB为样件7的端头14由固态向液态开始变化的幅值，即开始熔化TB对应的幅值。
VD→VE→VF段是降温过程，幅值随时间的变化关系；VD为样件7的端头14由液态向固态开始转化的幅值，即开始凝固的幅值；VF为样件7的端头14完全凝固TD对应的幅值；VF为常温TC对应的幅值；一般VF比VA大△V1，因为端头14熔化后再凝固时会收缩，导致刻槽13和端头14之间的节距变小，即超声传输距离变小，引起超声传输损耗降低，但传输损耗变化不大，△V1很小，通常可以忽略；如果端头14在熔化时易被氧化，会引起材料变性，则端头14声反射系数会发生明显改变，此时△V1会较大；同理，VE和VB之间也会存在△V2。
VC→VD段是端头14熔化时幅值随时间的变化关系，此段幅值较小，小至和噪声相当；熔化本身就是一个复杂的过程，通常还会伴随其他物理、化学过程，所以VC→VD段的幅值会产生一定范围的波动。
结论1：根据幅值—时间示意图，可知：VB→VC段的斜率明显大于VA→VB段的斜率，即VB→VC段的幅值明显衰减；VD→VE段的斜率明显大于VE→VF段的斜率，幅值明显增大；VC→VD幅值达到极小值，且明显小于VA→VB段和VE→VF段的幅值；因此，选取合理的幅值阈值，可获取样件7熔点TC的范围；按照一定温度步长调整TC，就可自动测得样件7的熔点TC。
在时差—时间示意图中，tA→tB→tC段是升温过程，时差随时间的变化关系；tA指开始加热时的时差，即常温TA对应的时差；tB为样件7的端头14由固态向液态开始变化时的时差，即开始熔化时TB对应的时差。
tD→tE→tF段是降温过程，时差随时间的变化关系；tD为样件7的端头14由液态向固态开始转化时的时差，即开始凝固时的时差；tE为样件7的端头14完全凝固时TD对应的时差；tF为常温TE对应的时差；一般tF比tA小△t1，因为端头14熔化后再凝固时会收缩，导致刻槽13和端头14之间的节距变小，即超声传输距离变小，引起时差变小，通常△t1较大；同理，tE和tB之间也会存在△t2。
tC→tD段是端头14熔化，时差随时间的变化关系，因为此段幅值较小，小至和噪声相当，所以很难获取时差，这里通过幅值阈值判断，取定常数做时差。
结论2：根据时差—时间示意图，可知：tB→tC段的斜率明显大于tA→tB段的斜率，时差明显衰减；tD→tE段的斜率明显大于tE→tF段的斜率，时差明显增大；tC→tD段时差达到极小值，且明显小于tA→tB段和tE→tF段的时差；因此，选取合理的时差阈值，可获取样件7熔点的范围；按照一定温度步长调整TC，就可自动测得样件7的熔点TC。
图9为不包含样件熔化的温度—时间、幅值—时间、时差—时间示意图。
温度—时间示意图，指测温导波杆5测得的环境温度(高温炉恒温区温度)，随时间变化的关系；幅值—时间示意图，指样件7的端头14反射的端头波最大幅值，随时间变化的关系；时差—时间示意图，指样件7的端头14反射的端头波，与样件7的刻槽13反射的槽波之间的时差，随时间变化的关系。
在温度—时间示意图中，温度TA→TB段是升温过程，TA指开始加热时的温度，一般指常温，或炉外环境温度；TB为样件7熔点的估计值，即加热的最高温度；TC指加热炉停止加热后，经过一段时间，炉内温度与炉外温度相同，即常温；TA和TC相差不大，一般计为相等。
在幅值—时间示意图中，VA→VB段是升温过程中，幅值随时间的变化关系；VA为开始加热时的幅值，即常温TA对应的幅值；VB为加热温度达到最高TB对应的幅值。
VB→VC段是降温过程，幅值随时间的变化关系；VB为加热温度达到最高TB对应的幅值；VC为常温TC对应的幅值；TA和TC都为常温，且相差不大，所以VA和VC相差不大，基本一致。
在时差—时间示意图中，时差tA→tB段是升温过程，时差随时间的变化关系；tA指开始加热时的时差，即常温TA对应的时差；tB为加热温度达到最高TB对应的时差。
tB→tC段是降温过程，时差随时间的变化关系；tB为加热温度达到最高TB对应的时差；tC为常温TC对应的幅值；TA和TC都为常温，且相差不大，所以VA和VC相差不大，基本一致。
结论3：根据温度—时间示意图、幅值—时间示意图和时差—时间示意图，可知：由于样件7熔点估计值偏小，样件7端头14未熔化，所以不存在熔化对应的幅值和时差。此时，应该增大温度步长，提高TB，重新实验，直至得到熔点。本例中，测得样件316L不锈钢丝的熔点为1900℃。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明基于超声的材料熔点测量装置，一方面，选用测温量程大于样件熔点的测温导波杆，基于声学的方法实时监测温度；另一方面，通过超声在样件中传播，根据回波的温度-时移特性和温度-幅值特性，通过对回波数据计算、处理，阈值判断，实现样件熔点自动测量。本发明可实现2300℃下熔点的原位自动测量，适用材料范围广，系统简单，安装、使用方便。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，所述熔点测量装置包括：微处理器、超声波收发模块、探头模块、测温导波杆、采集模块以及报警模块；所述超声波收发模块、所述采集模块以及所述报警模块均与所述微处理器连接；
所述超声波收发模块用于发出超声波信号以及接收超声回波信号和温度值；所述探头模块与所述超声波收发模块连接，用于将所述超声波信号传输至所述测温导波杆以及样件上，以及用于将所述样件的超声回波信号以及测温导波杆测量的温度传输至所述超声波收发模块；所述样件的一端以及所述测温导波杆的一端与所述探头模块连接；所述样件的另一端以及所述测温导波杆的另一端放置于高温炉内；所述测温导波杆用于测量高温炉内的温度；所述采集模块与所述超声波收发模块连接，用于存储所述超声回波信号以及所述温度值；所述微处理器根据所述超声波回波信号以及所述温度值计算所述样件的熔点，当所述熔点达到阈值时，控制所述报警模块进行报警；
所述探头模块包括第一探头以及第二探头，所述第一探头与所述测温导波杆连接，所述第二探头与所述样件连接；所述第一探头以及所述第二探头均由超声探头以及聚能器组成。
2.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，所述测温导波杆为金属材料或非金属材料。
3.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，还包括按键模块，与所述微处理器连接，用于对所述微处理器进行设置。
4.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，还包括显示模块，与所述微处理器连接，用于显示样件的熔点信息。
5.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，所述测温导波杆刻有V型刻槽。
6.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，所述样件上刻有V型刻槽。
7.根据权利要求1所述的基于超声的材料熔点测量装置，其特征在于，所述测温导波杆的测温量程大于所述样件的熔点。
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