CN111060043A - 一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法，属于超声波测厚技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤1，得到常温下管道的传播声速V₀；步骤2，利用超声波测厚方法测得待测管道壁厚S₀；步骤3，测得工作温度下管道的壁厚以及波导杆长度之和；步骤4，对工作温度下波导杆的长度进行标定；步骤5，对实时工作状态下管壁的厚度进行标定；步骤6，在实时工作状态下对波导杆内部的温度分布进行仿真，得到波导杆内部的温度分布函数，确定温度补偿值；步骤7，得到管壁厚度的精确值。在本基于温度补偿的超声波厚度测量方法中，通过设置波导杆，并针对波导杆中的温度进行仿真，最大程度上避免了管壁测量的影响，消除了安全隐患。

Description

一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法

技术领域

一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法，属于超声波测厚技术领域。

背景技术

超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。在工业领域特别是化工领域，经由管道传输的介质经常为强腐蚀材料，因此该介质对于管道内壁有一定的腐蚀作用，久而久之造成管道厚度发生变化，因此得到管道实时厚度对于安全生产具有极为重要的意义，而在化工领域，使用超声波测厚方法是进行管道管壁测量的常用方法之一。

在实际工业现场，当管道温度与环境温度差别不大(±10℃范围内)时，管道内介质温度对于管壁厚度的影响可以忽略不计，然而当管道内介质温度与环境温度相差较大时，环境温度会对管道内介质温度会对管壁的厚度、超声波在管壁中的传播速度等多个参数造成影响，从而使得最终测得的厚度数据出现较大误差，存在一定安全隐患，因此，研究一种针对超声波测厚的温度补偿方法是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置波导杆，并针对波导杆中的温度进行仿真，进一步实现管道管壁厚度的精确值，最大程度上避免了环境温度与管道内温度温差较大时对管壁测量的影响，消除了安全隐患的基于温度补偿的超声波厚度测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，得到常温下管道的传播声速V₀；

步骤2，在传播声速为V₀的前提下，利用超声波测厚方法测得待测管道壁厚S₀；

步骤3，在待测管道表面设置波导杆，测得工作温度下管道的壁厚以及波导杆长度之和；

步骤4，对工作温度下波导杆的长度进行标定；

步骤5，对实时工作状态下管壁的厚度进行标定；

步骤6，在实时工作状态下对波导杆内部的温度分布进行仿真，得到波导杆内部的温度分布函数，确定温度补偿值；

步骤7，得到管壁厚度的精确值。

优选的，所述的步骤1包括如下步骤：

步骤1-1，取一个与待测管道材料相同且处于相同环境中的试块，得到试块的温度T₀；

步骤1-2，取测试管道，人为设定超声波在该测试管道中的传播速度V，利用超声波测厚的方法测得该测试管道的厚度d₁，求得超声波在该测试管道中的传播时间t：t＝2×d₁×V；

步骤1-3，使用机械测量工具，测量得到该测试管道的厚度d₂，然后求得超声波在常温下该管道中的传播声速V₀：

优选的，所述的步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，得到超声波在工作温度T₁下在待测管道中的传播声速V₁：V₁＝V₀-k(T₁-T₀)，其中k表示声速系数，取值为1.1；

步骤3-2，在待测管道表面沿管道径向放置波导杆，然后利用超声波测厚方式测得波导杆长度与待测管道壁厚的总长度H₁，则

其中t₁表示超声波在待测管道以及波导杆中的总传输时间。

优选的，所述的步骤6包括如下步骤：

步骤6-1，确定仿真条件；

步骤6-2，利用ANSYS软件对每个长度的波导杆在每个测试温度下的温度分布进行仿真，得到仿真曲线；

步骤6-3，得到需要补偿的精确解；

步骤6-4，进行温度补偿仿真，得到的温度补偿值Δt的计算公式；

步骤6-5，对步骤6-4中得到的温度补偿值Δt的计算公式进行简化，得到简化后的温度补偿值Δt的计算公式。

优选的，所述的步骤6-3中，得到需要补偿的精确解，包括如下步骤：

步骤6-3-1，将温度T用基于波导杆长度L的函数表示：T＝f₁(L)，

步骤6-3-2，将声速关系公式V₁＝V₀-k(T₁-T₀)利用温度T的函数表示：

V₁＝V₀-k(T₁-T₀)＝f₂(T)

步骤6-3-3，实际测量得到的待测管道厚度中超声波的传播时间t为：

步骤6-3-4，得到需要补偿的精确解为：

其中：T₁＝f₁₁(l)表示步骤3-2中温度-距离函数；T₂＝f_1n(l)表示步骤4中温度-距离函数；α表示待测管道的线胀系数。

步骤6-3-5，对步骤6-3-4中得到的需要补偿的精确解公式进行二次整理：

由于f₂(T)为线性函数，得到整理后的公式：

优选的，所述的步骤6-4中，进行温度分布仿真，包括如下步骤：

设待测管道管壁温度为T₁，环境温度为T₂，当管壁温度T₁和环境温度为T₂均为定值时， T＝f₁(L)为单调曲线，由此可得：T＝f(T₁，T₂，L)，则温度补偿值Δt为：

由仿真曲线中每隔20mm取一个数据点，将温度补偿值Δt转化为四维非线性曲面拟合问题。

优选的，所述的步骤6-5中，简化后的温度补偿值Δt的计算公式为：

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

在本基于温度补偿的超声波厚度测量方法中，通过设置波导杆，并针对波导杆中的温度进行仿真，进一步实现管道管壁厚度的精确值，最大程度上避免了环境温度与管道内温度温差较大时对管壁测量的影响，消除了因管壁测量误差而带来的安全隐患。

附图说明

图1为基于温度补偿的超声波厚度测量方法流程图。

具体实施方式

图1是本发明的最佳实施例，下面结合附图1对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法，包括如下步骤：

步骤1，常温下管道声速的标定。

其具体标定步骤如下：

步骤1-1，取一个与待测管道材料相同且处于相同环境中的试块，得到试块的温度T₀；

步骤1-2，取测试管道，人为设定超声波在该测试管道中的传播速度V，利用超声波测厚的方法测得该测试管道的厚度d₁，求得超声波在该测试管道中的传播时间t：t＝2×d₁×V。

步骤1-3，用游标卡尺等测量工具，测量得到该测试管道的厚度d₂，然后求得超声波在常温下该管道中的传播声速V₀：

步骤2，常温下管道壁厚的测量；

取待测管道，在传播声速为V₀的前提下，利用超声波测厚方法测得待测管道壁厚，其测量值即为S₀，则

其中t₀表示超声波在待测管道中的传输时间。

步骤3，工作温度下管道壁厚的测量；

其具体测量步骤如下：

步骤3-1，得到超声波在工作温度T₁下在待测管道中的传播声速V₁：V₁＝V₀-k(T₁-T₀)，其中k表示声速系数，取值为1.1，则上述公式可表示为：V₁＝V₀-1.1×(T₁-T₀)。

步骤3-2，在待测管道表面沿管道径向放置波导杆，然后利用超声波测厚方式测得波导杆长度与待测管道壁厚的总长度H₁，则

其中t₁表示超声波在待测管道以及波导杆中的总传输时间。

为保证超声波在波导杆以及待测管壁内可靠传输，在波导杆与待测管壁之间涂抹耦合剂，且波导杆用于待测管道材质相同。

步骤4，工作温度下波导杆长度的标定；

将波导杆的长度记为H₀，则

用公式的方式对波导杆的长度进行表达，将波导杆的所处环境温度以及超声波的传播速度等变量对波导杆进行标记，针对温度变化的环境，相比较通过常规测量侧方式得到某定值来表示波导杆长度的方式更为准确。

步骤5，实时工作状态下管壁厚度的标定；

在正常工作状态下，将超声波的传播速度确定为V₁，同时将管壁温度确定为T₁，则波导杆长度与待测管道壁厚的总长度H_n可表示为：

其中t_n表示超声波在实施工作状态下待测管道以及波导杆中的总传输时间。

则实时工作状态下管壁厚度可表示为：

其中：V₁表示超声波在工作温度T₁下的传播声速；t_n表示超声波在实施工作状态下待测管道以及波导杆中的总传输时间；t₁表示超声波在工作状态(温度T₁)下待测管道以及波导杆中的总传输时间；t₀表示超声波在常温状态下在待测管道中的传输时间；V₀表示超声波在常温下的传播声速，Δt表示温度补偿值。

步骤6，得到波导杆温度分布函数，确定温度补偿值。

对波导杆内部的温度分布进行仿真，得到波导杆内部的温度分布函数，其具体仿真过程如下：

步骤6-1，确定仿真条件。

(1)波导杆的选取。在实际工况中，最为常用的三种长度的波导杆的分别为170mm、200mm以及230mm。

(2)波导杆测试温度的选择。波导杆其中一个端面为环境温度，另外一个端面的温度分别为150℃、300℃以及600℃。

(3)空气对流系数为12，环境气温为30℃。

(4)在波导杆的外部设置保温层，在测试温度为150℃时保温层的厚度为80mm，当测试温度为300℃以及600℃时保温层的厚度为100mm。

(5)在波导杆设置在环境温度中的端面上设置散热片，散热片直径为100mm。

步骤6-2，利用ANSYS软件对每个长度的波导杆在每个测试温度下的温度分布进行仿真，得到仿真曲线。

步骤6-3，将温度T用基于波导杆长度L的函数表示：T＝f₁(L)，

将上述声速关系公式V₁＝V₀-k(T₁-T₀)利用温度T的函数表示：

V₁＝V₀-k(T₁-T₀)＝f₂(T)

则实际测量得到的待测管道厚度中超声波的传播时间t为：

由此，需要补偿的精确解为：

其中：T₁＝f₁₁(l)表示步骤3-2中温度-距离函数；T₂＝f_1n(l)表示步骤4中温度-距离函数；α表示待测管道的线胀系数。

由于f₂(T)为线性函数，所以公式(1)整理后表示为：

由公式(2)可知，温度补偿值式Δt中仅有温度-距离函数未知，由此进行温度分布仿真。

步骤6-4，进行温度补偿仿真。

设待测管道管壁温度为T₁，环境温度为T₂，当管壁温度T₁和环境温度为T₂均为定值时， T＝f₁(L)为单调曲线，由此可得：T＝f(T₁，T₂，L)，则温度补偿值Δt为：

由仿真曲线中每隔20mm取一个数据点，则公式(3)即转化为四维非线性曲面拟合问题。

步骤6-5，对步骤6-4中得到的温度补偿值Δt表达式进行简化。

设上述步骤3-2以及步骤4中待测管道管壁温度一致，则T＝f(T₁，T₂，L)可变化为：T＝f(T₂，L)上述公式(3)可简化为：

同样由仿真曲线中每隔20mm取一个数据点，则公式(3)转化为三维非线性曲面拟合问题。

步骤7，得到管壁厚度的精确值。

将步骤6(步骤6-1-5)中得到的温度补偿值式Δt代入步骤步骤5中，求得实时工作状态下待测管壁厚度的精确值S_n。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例步骤6-1-5中，对温度补偿值Δt表达式的简化方式不同：

在本实施例中，取四维线性平面拟合结果为：

T＝aL+bT₂+cT₁＝-1.6171L+0.5839T₂+0.7543T₁

则温度补偿值为：

其中：

A＝a²k²

B＝-ak(2V₀+2kT₀-2kcT₁-kbT₂₁-kbT_2n)

C＝[(V₀+kT₀)-k(bT_2n+cT₁)][(V₀+kT₀)-k(bT₂₁+cT₁)]

D＝(V₀+kT₀)-kb(T_2n-T₂₁)+αb(T_2n-T₂₁)(V₀+kT₀)-kαb(T_2n-T₂₁)(bT_2n+cT₁)

E＝-kαab(T_2n-T₂₁)

由此得出：

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例步骤6-1-5中，对温度补偿值Δt表达式的简化方式不同：

在本实施例中，采用差分方法，则实施例1中的公式(1)转化为：

其中，m＝200，记P_i＝f_1n(il/200)，Q_i＝f₁₁(il/200)，则：

式中未知量P_i、Q_i通过非线性拟合方法得到，由数据拟合得：

其中：b₀＝-11122.6714，b₁＝6392.3854，b₂＝-1061.9037，b₃＝28.9878，b₄＝4.3368， b₅＝3.5600，L单位m。

则：

进一步得到：

实施例4：

本实施例与实施例3的区别在于：在本实施中，未知量P_i、Q_i通过非线性拟合方法得到。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，得到常温下管道的传播声速V₀；

步骤2，在传播声速为V₀的前提下，利用超声波测厚方法测得待测管道壁厚S₀；

步骤3，在待测管道表面设置波导杆，测得工作温度下管道的壁厚以及波导杆长度之和；

步骤4，对工作温度下波导杆的长度进行标定；

步骤5，对实时工作状态下管壁的厚度进行标定；

步骤6，在实时工作状态下对波导杆内部的温度分布进行仿真，得到波导杆内部的温度分布函数，确定温度补偿值；

步骤7，得到管壁厚度的精确值。

2.根据权利要求1所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤1包括如下步骤：

步骤1-1，取一个与待测管道材料相同且处于相同环境中的试块，得到试块的温度T₀；

步骤1-2，取测试管道，人为设定超声波在该测试管道中的传播速度V，利用超声波测厚的方法测得该测试管道的厚度d₁，求得超声波在该测试管道中的传播时间t：t＝2×d₁×V；

步骤1-3，使用机械测量工具，测量得到该测试管道的厚度d₂，然后求得超声波在常温下该管道中的传播声速V₀：

3.根据权利要求1所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，得到超声波在工作温度T₁下在待测管道中的传播声速V₁：V₁＝V₀-k(T₁-T₀)，其中k表示声速系数，取值为1.1；

步骤3-2，在待测管道表面沿管道径向放置波导杆，然后利用超声波测厚方式测得波导杆长度与待测管道壁厚的总长度H₁，则

其中t₁表示超声波在待测管道以及波导杆中的总传输时间。

4.根据权利要求1所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤6包括如下步骤：

步骤6-1，确定仿真条件；

步骤6-2，利用ANSYS软件对每个长度的波导杆在每个测试温度下的温度分布进行仿真，得到仿真曲线；

步骤6-3，得到需要补偿的精确解；

步骤6-4，进行温度补偿仿真，得到的温度补偿值Δt的计算公式；

步骤6-5，对步骤6-4中得到的温度补偿值Δt的计算公式进行简化，得到简化后的温度补偿值Δt的计算公式。

5.根据权利要求4所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤6-3中，得到需要补偿的精确解，包括如下步骤：

步骤6-3-1，将温度T用基于波导杆长度L的函数表示：T＝f₁(L)，

步骤6-3-2，将声速关系公式V₁＝V₀-k(T₁-T₀)利用温度T的函数表示：

V₁＝V₀-k(T₁-T₀)＝f₂(T)

步骤6-3-3，实际测量得到的待测管道厚度中超声波的传播时间t为：

步骤6-3-4，得到需要补偿的精确解为：

其中：T₁＝f₁₁(l)表示步骤3-2中温度-距离函数；T₂＝f_1n(l)表示步骤4中温度-距离函数；α表示待测管道的线胀系数。

步骤6-3-5，对步骤6-3-4中得到的需要补偿的精确解公式进行二次整理：

由于f₂(T)为线性函数，得到整理后的公式：

6.根据权利要求4所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤6-4中，进行温度分布仿真，包括如下步骤：

设待测管道管壁温度为T₁，环境温度为T₂，当管壁温度T₁和环境温度为T₂均为定值时，T＝f₁(L)为单调曲线，由此可得：T＝f(T₁，T₂，L)，则温度补偿值Δt为：

由仿真曲线中每隔20mm取一个数据点，将温度补偿值Δt转化为四维非线性曲面拟合问题。

7.根据权利要求4所述的基于温度补偿的超声波厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤6-5中，简化后的温度补偿值Δt的计算公式为：

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