[发明专利]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

说明书

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。

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t_i时刻的超声波传播时间t_tof,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，t_tof,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t_tof,m，

采用的目标函数为：

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，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；