CN116608802A - 厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质 - Google Patents

厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN116608802A CN202310869735.7A CN202310869735A CN116608802A CN 116608802 A CN116608802 A CN 116608802A CN 202310869735 A CN202310869735 A CN 202310869735A CN 116608802 A CN116608802 A CN 116608802A
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向静
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Abstract

本发明公开了厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质，该方法属于无损探测技术领域，该方法通过给定初始热流、厚度、材料物性参数及判断准则求解热传导方程获得温场分布，再计算得到超声波在介质中的传播时间，通过交替迭代计算更新每个时刻下的热流和厚度，在厚度发生变化的条件下中实现对结构内部温度和厚度的超声同步测量。本发明对结构厚度尺寸的变化进行准确测量，为高温结构的数理建模热安全评估提供了更多的基准数据和评价依据。

Description

厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明属于无损探测技术领域，尤其涉及厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质。
背景技术
超声波法是无损检测领域的重要方法之一，具有非接触测量、实时性好等优点。内部温度分布的在线和同步测量对结构的健康监测和热安全评估来讲十分重要。
在航空航天、能源化工等领域，高温氧化、流体高速冲刷等因素使得结构表面发生厚度变化成为了一个不可回避的问题，会给设备的正常运行带来严重的安全隐患。
因此，在结构内部温度进行超声测量的同时，如若对结构厚度尺寸的变化进行准确测量，就为高温结构的数理建模热安全评估提供了更多的基准数据和评价依据。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质, 基于超声波与温度的关联关系，在结构厚度发生变化的过程中对其内部温度和厚度进行同步和在线的测量。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种厚度变化时温度和厚度同步测量方法，所述方法包括：
步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
步骤B：求解在所述热流和所述厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
所述热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度，/>表示预先设定的时间区间上限，t=0表示初始时刻，T0为初始时刻结构内部温度场的温度分布；
所述目标函数包括：
；
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间,表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到第一更新热流，固定更新热流，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到第一更新厚度，交替N次后得到第N更新热流和第N更新厚度，N为自然数，求解在所述第N更新热流和所述第N更新厚度条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度，代入目标函数检查是否小于迭代停止准则；
步骤D：若不小于迭代停止准则，则继续交替迭代计算更新的热流和厚度；若小于迭代停止准则，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度。
进一步的，所述方法在执行前设置厚度的变化量、厚度的变化速率和总变化时间，所述方法还包括：
步骤E：在停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度后，判断是否达到预设的总测量时间，若已达到则停止测量流程；若没有达到，则进入下一时刻的厚度条件的测量流程。
进一步的，厚度条件改变后的初始温度分布获取方式包括：
以上一时刻未发生厚度变化时结构内部的温度分布经插值获得厚度变化后的初始温度分布。
进一步的，所述超声波在固体介质中的传播时间基于超声波传播速度与温度之间的关系进行表示：
；
其中，表示超声波在结构中的传播速度，V（T（x，t））表示在T（x，t）温度条件下超声波在结构中的传播速度。
进一步的，所述波速和温度的关系为：，其中a、b为预先标定的常数。
另一方面，本发明还提供了一种结构厚度变化条件下的内部温度和厚度同步测量装置，所述装置包括：
参数获取模块，用于执行步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
计算模块，用于执行步骤B：求解在所述热流和所述厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
所述热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度；
所述目标函数包括：
；
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间,表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
迭代模块，用于执行步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到第一更新热流，固定更新热流，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到第一更新厚度，交替N次后得到第N更新热流和第N更新厚度，N为自然数，求解在所述第N更新热流和所述第N更新厚度条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度，代入目标函数检查是否小于迭代停止准则；
输出模块，用于执行步骤D：若不小于迭代停止准则，则继续交替迭代计算更新的热流和厚度；若小于迭代停止准则，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度。
另一方面，本发明还提供了一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现上述的任意一种厚度变化时温度和厚度同步测量方法。
另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现上述的任意一种厚度变化时温度和厚度同步测量方法。
本发明的有益效果在于：
区别于以往结构厚度不变的条件下进行测温测厚，本发明能够在厚度发生变化的条件下中实现对结构内部温度和厚度的超声同步测量，且精度较高。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的厚度变化时温度和厚度同步测量方法流程示意图；
图2是本发明实施例2得到的边界热流与给定边界热流的对比图；
图3是本发明实施例2在不同时刻下重构得到的温度场与已知热流和厚度值条件下求解热传导正问题得到的温度分布示意图；
图4是本发明实施例3提供的厚度变化时温度和厚度同步测量装置结构框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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。
在航空航天、能源化工等领域，高温氧化、流体高速冲刷等因素使得结构表面发生厚度变化成为了一个不可回避的问题，会给设备的正常运行带来严重的安全隐患。
为了解决上述技术问题，提出了本发明厚度变化时温度和厚度同步测量方法、装置、设备及介质的下述各个实施例。
实施例1
一维传热条件下，当结构厚度随时间发生变化时，厚度发生变化的一端始终为热流加热边界，另一端为超声探测端，为绝热边界。固体厚度（初始厚度）每间隔/>减小。结构内部每一时刻下的瞬态非均匀温度分布可由一维无内热源的热传导问题求得，表示为如下的数学模型（热传导方程）：
其中表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数，比热和密度，/>表示预先设定的时间区间上限，/>和/>分别表示边界热流和结构厚度（/>还表示超声波的单向传播距离），为待测量的两个未知量。
随着传热和厚度变化过程的同步进行，每一时刻对应的厚度和温度分布下，基于超声波传播速度与温度之间的关系，超声波在固体介质中的传播时间可以用下式表示：
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间，V（T（x，t））表示在T（x，t）温度条件下超声波在结构中的传播速度。其中，超声波在固体介质中的传播速度与温度的关系为V=aT+b，a和b为常数，通过针对某一固体材料，开展超声波传播速度与温度关系的标定实验得到。
若边界热流和每一时刻下的厚度值/>已知，初始时刻（0时刻）结构内部温度场为均匀温度分布/>。厚度发生变化的过程中，热流/>持续作用在加热端，当加热端厚度发生变化时，其厚度发生变化后的初始内部温度分布可由上一时刻未发生厚度变化时结构内部的温度分布经插值获得，之后，厚度变化后结构内部的温度分布便可继续通过求解热传导方程获得，进而得到每一时刻下超声波在结构中的传播时间和超声探测端的温度。
将该问题转化为重构热传导边界和厚度信息的优化问题，优化目标则是：实测的超声波传播时间与数值计算所得的传播时间两者差值最小。在结构厚度随时间发生变化的过程中，通过测量一段时间内超声波在固体介质中的传播时间和超声探测端的温度/>，构造目标函数/>：
其中，表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造。
其中为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造。目标函数确定后，则该初边值识别问题就转化为求解如下的非线性优化问题：
结合超声波在固体介质中的传播时间公式和波速和温度线性关系得到每一时刻下（每一厚度）的边界热流和厚度/>，再通过求解热传导方程获得不同厚度下的结构内部温度分布。
参照图1，如图1所示是本实施例提供的厚度变化时温度和厚度同步测量方法流程示意图。该方法具体包括以下步骤：
步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
步骤B：求解在热流和厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度；
目标函数包括：
；
其中，表示超声波在固体介质中的传播时间，/>表示超声探测端的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到热流，固定热流/>，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到厚度/>；以此类推，交替迭代/>步后得到、/>。求解/>、/>条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，代入目标函数检查是否达到停止准则；
步骤D：若，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度数据处理结果，否则，令/>。
步骤E：根据实际需要，还可以在执行测量前预先设置厚度的变化量和变化的速率，在具体测量时，检查是否达到预设的总测量时间，若已达到，则数据处理过程全部结束。否则以下一时刻的厚度条件进入测量流程。
例如，若只需要测量厚度20mm、21mm、22mm、 23mm和24mm厚度条件下的厚度，可以设置初始厚度为20mm，厚度变化速率为1mm/s，测量总时长设置为5s，则可以得到20mm、21mm、22mm、 23mm和24mm五个状态下的厚度和温度场，达到预设时间后自动停止测量。
本实施例区别于以往结构厚度不变的条件下进行测温测厚，能够在厚度发生变化的条件下中实现对结构内部温度和厚度的超声同步测量，且精度较高。
实施例2
初始厚度=60mm的固体结构一端为热流加热边界/>，另一端为超声探测端，为绝热边界，固体材料的物性参数为：K=48W/(K·m)，比热容c=400J/(kg·K)，密度ρ=7000(kg/m3)。厚度按照如下的分段函数进行规律变化，每间隔20s变化一次，每次变化0.5mm：
给定初始0时刻的温度分布：=26℃，给定边界热流/>。超声横波在固体材料中的传播速度与温度的关系采用式/>。超声探测频率为每1s激发一次超声波，探测总时间100s。
变厚度前后5个时刻下的厚度重构结果如下表所示，可以看出：变厚度条件下的重构方法得到的厚度值精度较高。
厚度重构结果（q=105 J/s）
参照图2，如图2所示是本实施例变厚度条件下结构内部温度场重构方法得到的边界热流与给定边界热流的对比图，除起始点处出现了较大误差，其他各个时间点的热流重构结果与本案例中的热流给定值吻合度较高，剔除起始点数据，热流重构的相对误差约为0.42%。参照图3，如图3所示是本实施例在不同时刻下重构得到的温度场与已知热流和厚度值条件下求解热传导正问题得到的温度分布示意图，图3对比了20s、40s、60s三个时刻下重构得到的温度场与已知热流和厚度值条件下求解热传导正问题得到的温度分布，三个时刻下温度场重构结果的整体平均偏差为1.04℃，重构精度较好。
实施例3
参照图4，如图4所示是本实施例提供的厚度变化时温度和厚度同步测量装置结构框图。该装置具体包括以下结构：
参数获取模块，用于执行步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
计算模块，用于执行步骤B：求解在热流和厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度，/>表示预先设定的时间区间上限，t=0表示初始时刻，T0为初始时刻结构内部温度场的温度分布；
目标函数包括：
；
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间,表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
迭代模块，用于执行步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到第一更新热流，固定更新热流，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到第一更新厚度，交替N次后得到第N更新热流和第N更新厚度，N为自然数，求解在第N更新热流和第N更新厚度条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，代入目标函数检查是否小于迭代停止准则；
输出模块，用于执行步骤D：若不小于迭代停止准则，则继续交替迭代计算更新的热流和厚度；若小于迭代停止准则，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度。
本实施例区别于以往结构厚度不变的条件下进行测温测厚，能够在厚度发生变化的条件下中实现对结构内部温度和厚度的超声同步测量，且精度较高。
实施例4
本优选实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以实现本申请实施例所提供的厚度变化时温度和厚度同步测量方法任一实施例中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的厚度变化时温度和厚度同步测量方法的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
实施例5
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。为此，本发明实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的厚度变化时温度和厚度同步测量方法中任一实施例的步骤。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
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 (8)

1.一种厚度变化时温度和厚度同步测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
步骤B：求解在所述热流和所述厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
所述热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度，/>表示预先设定的时间区间上限，t=0表示初始时刻，T0为初始时刻结构内部温度场的温度分布；
所述目标函数包括：
；
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间,/>表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到第一更新热流，固定更新热流，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到第一更新厚度，交替N次后得到第N更新热流和第N更新厚度，N为自然数，求解在所述第N更新热流和所述第N更新厚度条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度，代入目标函数检查是否小于迭代停止准则；
步骤D：若不小于迭代停止准则，则继续交替迭代计算更新的热流和厚度；若小于迭代停止准则，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度。
2.如权利要求1所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法，其特征在于，所述方法在执行前设置厚度的变化量、厚度的变化速率和总变化时间，所述方法还包括：
步骤E：在停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度后，判断是否达到预设的总测量时间，若已达到则停止测量流程；若没有达到，则进入下一时刻的厚度条件的测量流程。
3.如权利要求1所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法，其特征在于，厚度条件改变后的初始温度分布获取方式包括：
以上一时刻未发生厚度变化时结构内部的温度分布经插值获得厚度变化后的初始温度分布。
4.如权利要求1所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法，其特征在于，所述超声波在固体介质中的传播时间基于超声波传播速度与温度之间的关系进行表示：
；
其中，表示超声波在结构中的传播速度，V（T（x，t））表示在T（x，t）温度条件下超声波在结构中的传播速度。
5.如权利要求4所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法，其特征在于，所述超声波在结构中的传播速度和温度的关系为：，其中a、b为预先标定的常数。
6.一种结构厚度变化条件下的内部温度和厚度同步测量装置，其特征在于，所述装置包括：
参数获取模块，用于执行步骤A：获取待测材料的物性参数、热流和厚度的迭代初值以及迭代停止准则；
计算模块，用于执行步骤B：求解在所述热流和所述厚度条件下的热传导方程，获得温度场分布，计算超声波在固体中的传播时间，并结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度计算目标函数；
所述热传导方程包括：
；
其中，表示/>时刻/>位置处的温度，/>，/>和/>分别代表固体介质材料的导热系数、比热和密度，/>表示热流，/>表示结构厚度，/>表示预先设定的时间区间上限，t=0表示初始时刻，T0为初始时刻结构内部温度场的温度分布；
所述目标函数包括：
；
其中，表示根据温度场分布计算得到的超声波在介质中的传播时间,/>表示实际测量的超声波传播时间，L（t）表示t时刻超声波在介质中的，T（L（t），t）表示计算得到的t时刻所在位置的温度，/>表示t时刻超声探测端实际测量的温度，/>为正则化参数，根据Tikhonov正则化准则，正则项由边界温度数据构造；
迭代模块，用于执行步骤C：固定厚度，采用精确搜索下的PRP共轭梯度法更新得到第一更新热流，固定更新热流，采用Wolfe-Powell搜索下的最速下降法更新得到第一更新厚度，交替N次后得到第N更新热流和第N更新厚度，N为自然数，求解在所述第N更新热流和所述第N更新厚度条件下的热传导方程并计算超声波传播时间，结合实际测量得到的超声波传播时间和超声探测端温度，代入目标函数检查是否小于迭代停止准则；
输出模块，用于执行步骤D：若不小于迭代停止准则，则继续交替迭代计算更新的热流和厚度；若小于迭代停止准则，则停止迭代，输出当前厚度下热流和厚度。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1-5任一项所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1-5任一项所述的厚度变化时温度和厚度同步测量方法。
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