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技术常识

压电超声波高温测厚难点及释疑(一)

来源:时代集团 发布日期:2020-05-11 14:21:10

 

 

★文中观点,欢迎讨论交流    calvinhiker@126.com  

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高温测厚的场合

v   石化、炼化、化工、制药等行业的塔、罐体、管道。

v   在役运行时,这些容器管道内的介质(无论液态还是汽态)处于高温状态,传导到金属外壁,温度仍有数百度。

v   高温加剧腐蚀,同时介质的流动是靠压力驱动 —— 因此,这些容器管道壁厚减薄的程度必须予以监控,尤其是管道的弯道部位以及三通等阀体的弯头部位。

 

压电超声测厚的原理

v   要点:

1, 由于压电产生的超声波在空气中难以传播,因此探头与被测面之间必须涂抹耦合剂、“挤掉”空 气间隙,使超声波有效地传播进入被测件内部,并获得底面(即,内壁)的反射号;

2, 该反射信号必须足够稳定、明确、清晰,仪器才能辨识并进行计算,从而显示厚度值。  

 

压电超声测厚的原理图

注: t0 点是发射的起始时间点(始脉冲), t1 点是第一次底面反射回波被接收到的时间点。两者的时间差乘以声速,再除以 2 ,就是超声波在工件一个单程传递的路程,即厚度值  

 

高温状态下的影响因素  

v   耦合剂、探头、被测面状况、被测物体的材质、仪器 

 

关于耦合剂  

v   高温时,耦合剂中的水分瞬间蒸发,于是,失去“挤掉”空气间隙的效果。因此,仪器只能“看到”一闪即逝的反射信号、往往来不及辨识计算。 

v   为了保护探头底面不被“烫伤”,所谓的超高温耦合剂往往掺杂一些矿物颗粒,以确保探头底面不会直接接触到高温的被测面,但这也导致矿物颗粒在高温下(耦合剂水分被瞬间蒸发后)容易碳化并粘连到探头底面,反而影响测量(相当于探头底面有了“麻点”)。 

 

关于探头  

v   探头内置“晶振片”,靠它产生和接收超声信号。晶振片有一个物理参量,“居里温度点 Tc” ,这代表在该温度值以下,晶振片产生的超声波,其声阻抗比较适当、也即传播的难易程度适当。不同材质的晶振片,其 Tc 值不同。 

v   现有的晶振片材质中, Tc 值能达到 500℃ 的,其另外一个参量,“机械品质因子 θ m ”却非常高,达 106 次方 , 导致无法获得有效的信号分辨力——超声测厚仪使用的晶振片,其 θ m 都在 1000 以下,否则厚度的起测点就得在 500mm 以上。

因此,现有的所谓“高温”探头,都无法在最本质的晶振片上获得突破,目前所解决,都只不过是对探头本身的保护,(比如,探头底面的保护膜不容易被“烫坏”、外壳加装保护套等等),都没有办法解决压电超声信号在高温介质中的有效传播(发射与接收)的问题。 

 

关于被测面的状况  

v   当探头置放在被测面表面,超声波以垂直于该接触点切线的方向传播,到底面(内壁),同样以垂直切线的方向原路反射,这个效果是最理想的(仍参见原理图)。这个效果,在平面测量、以及大直径的筒、管、罐测量中,比较容易实现。但是对于弯道和弯头部位(尤其是 90 度外凸的那个点),很显然,往往难以摆正探头位置。 

v   另外,现场环境下,被测表面的油渍、漆面(尤其是鼓包),都会对测量带来影响。 

 

关于被测物体的材质  

v   任何情况下,超声波的传递,都要受到被测物体材质的影响,从而带来散射效果、声速的变化。只不过,在大多数情况下,这些影响带来的干扰不大、引起的细微误差都在可忽略的范围内。 

v   但是,由于要耐受高温高压腐蚀,有些部件,其材质所带来的影响不能被忽略。比如,不同规格标号的不锈钢阀门阀体,信号的散射衰减程度迥异。 

 

关于仪器 —— 通常的问题  

v   通常的超声波测厚仪,都是读数型的 —— 在“看到”一个稳定、明确、清晰的反射信号后,“盯住”它,进行计算,最终显示出来的,只是一个计算的结果。 

v   在高温状态下,由于前述几个因素,导致反射信号达不到所谓的“稳定、明确、清晰”的程度,仪器无法“看到”信号、或者无法“盯住”它、或者“看花眼”了,于是出现“无读值”、“读值错误”等现象。 

 

关于仪器 —— 初级解决办法  

1 ,原来的仪器,它的“眼睛”只能“扑闪扑闪”每秒钟“看到”四次信号。现在,我们让它快点“扑闪”,每秒钟“看到” 20 次信号,这叫扫查功能;同时,最好能够显示出扫查到的最大值或最小值,这叫“极值显示”。 

2 ,信号太弱,“看”不到。那就把信号增强,这叫“增益调节”,最好是数字化调节、而不是分档调节; 

3 ,由于信号出现很短暂,仪器刚读完这个信号,他就消失了,仪器不敢确定。那就让它把读到的信号先显示出来,这叫“读值保持”。 

 

关于仪器 —— 高级解决办法  

前面提到,测量能实现,本质上就是“看到”并且能“盯住”信号。读数型仪器,可能会“看”不到、“盯”不住、“看”花了(其实可能有信号闪现)。那么,我们让仪器把它所能捕捉的信号都显示出来,不让它自己判断、改由操作者来判断,这就是 “A 信号扫描测厚仪”。 

A 扫测厚仪带来的改进: 最本质的,就是信号可以由操作者自己观察,不用担心读数型仪器错过、漏过信号。在功能上,除了同样具备扫查、读值功能外,增益可以数字调节而不是分档调节(这样更精确),另外,增加了杂波屏蔽功能,可以让仪器读取指定的信号 —— 这很重要!

 

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