[发明专利]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

说明书

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。

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t_i时刻的超声波传播时间t_tof,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：

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，t_tof,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：

式中：k为材料的导热系数，C_p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；