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        技術常識

        壓電超聲波高溫測厚難點及釋疑(一)

        來源:時代集團 發布日期:2020-05-11 14:21:10

         

         

        ★文中觀點,歡迎討論交流    calvinhiker@126.com  

        ★如需轉載引用,請注明作者和出處  

         

        高溫測厚的場合

        v   石化、煉化、化工、制藥等行業的塔、罐體、管道。

        v   在役運行時,這些容器管道內的介質(無論液態還是汽態)處于高溫狀態,傳導到金屬外壁,溫度仍有數百度。

        v   高溫加劇腐蝕,同時介質的流動是靠壓力驅動 —— 因此,這些容器管道壁厚減薄的程度必須予以監控,尤其是管道的彎道部位以及三通等閥體的彎頭部位。

         

        壓電超聲測厚的原理

        v   要點:

        1, 由于壓電產生的超聲波在空氣中難以傳播,因此探頭與被測面之間必須涂抹耦合劑、“擠掉”空 氣間隙,使超聲波有效地傳播進入被測件內部,并獲得底面(即,內壁)的反射號;

        2, 該反射信號必須足夠穩定、明確、清晰,儀器才能辨識并進行計算,從而顯示厚度值。  

         

        壓電超聲測厚的原理圖

        注: t0 點是發射的起始時間點(始脈沖), t1 點是第一次底面反射回波被接收到的時間點。兩者的時間差乘以聲速,再除以 2 ,就是超聲波在工件一個單程傳遞的路程,即厚度值  

         

        高溫狀態下的影響因素  

        v   耦合劑、探頭、被測面狀況、被測物體的材質、儀器 

         

        關于耦合劑  

        v   高溫時,耦合劑中的水分瞬間蒸發,于是,失去“擠掉”空氣間隙的效果。因此,儀器只能“看到”一閃即逝的反射信號、往往來不及辨識計算。 

        v   為了保護探頭底面不被“燙傷”,所謂的超高溫耦合劑往往摻雜一些礦物顆粒,以確保探頭底面不會直接接觸到高溫的被測面,但這也導致礦物顆粒在高溫下(耦合劑水分被瞬間蒸發后)容易碳化并粘連到探頭底面,反而影響測量(相當于探頭底面有了“麻點”)。 

         

        關于探頭  

        v   探頭內置“晶振片”,靠它產生和接收超聲信號。晶振片有一個物理參量,“居里溫度點 Tc” ,這代表在該溫度值以下,晶振片產生的超聲波,其聲阻抗比較適當、也即傳播的難易程度適當。不同材質的晶振片,其 Tc 值不同。 

        v   現有的晶振片材質中, Tc 值能達到 500℃ 的,其另外一個參量,“機械品質因子 θ m ”卻非常高,達 106 次方 , 導致無法獲得有效的信號分辨力——超聲測厚儀使用的晶振片,其 θ m 都在 1000 以下,否則厚度的起測點就得在 500mm 以上。

        因此,現有的所謂“高溫”探頭,都無法在最本質的晶振片上獲得突破,目前所解決,都只不過是對探頭本身的保護,(比如,探頭底面的保護膜不容易被“燙壞”、外殼加裝保護套等等),都沒有辦法解決壓電超聲信號在高溫介質中的有效傳播(發射與接收)的問題。 

         

        關于被測面的狀況  

        v   當探頭置放在被測面表面,超聲波以垂直于該接觸點切線的方向傳播,到底面(內壁),同樣以垂直切線的方向原路反射,這個效果是最理想的(仍參見原理圖)。這個效果,在平面測量、以及大直徑的筒、管、罐測量中,比較容易實現。但是對于彎道和彎頭部位(尤其是 90 度外凸的那個點),很顯然,往往難以擺正探頭位置。 

        v   另外,現場環境下,被測表面的油漬、漆面(尤其是鼓包),都會對測量帶來影響。 

         

        關于被測物體的材質  

        v   任何情況下,超聲波的傳遞,都要受到被測物體材質的影響,從而帶來散射效果、聲速的變化。只不過,在大多數情況下,這些影響帶來的干擾不大、引起的細微誤差都在可忽略的范圍內。 

        v   但是,由于要耐受高溫高壓腐蝕,有些部件,其材質所帶來的影響不能被忽略。比如,不同規格標號的不銹鋼閥門閥體,信號的散射衰減程度迥異。 

         

        關于儀器 —— 通常的問題  

        v   通常的超聲波測厚儀,都是讀數型的 —— 在“看到”一個穩定、明確、清晰的反射信號后,“盯住”它,進行計算,最終顯示出來的,只是一個計算的結果。 

        v   在高溫狀態下,由于前述幾個因素,導致反射信號達不到所謂的“穩定、明確、清晰”的程度,儀器無法“看到”信號、或者無法“盯住”它、或者“看花眼”了,于是出現“無讀值”、“讀值錯誤”等現象。 

         

        關于儀器 —— 初級解決辦法  

        1 ,原來的儀器,它的“眼睛”只能“撲閃撲閃”每秒鐘“看到”四次信號?,F在,我們讓它快點“撲閃”,每秒鐘“看到” 20 次信號,這叫掃查功能;同時,最好能夠顯示出掃查到的最大值或最小值,這叫“極值顯示”。 

        2 ,信號太弱,“看”不到。那就把信號增強,這叫“增益調節”,最好是數字化調節、而不是分檔調節; 

        3 ,由于信號出現很短暫,儀器剛讀完這個信號,他就消失了,儀器不敢確定。那就讓它把讀到的信號先顯示出來,這叫“讀值保持”。 

         

        關于儀器 —— 高級解決辦法  

        前面提到,測量能實現,本質上就是“看到”并且能“盯住”信號。讀數型儀器,可能會“看”不到、“盯”不住、“看”花了(其實可能有信號閃現)。那么,我們讓儀器把它所能捕捉的信號都顯示出來,不讓它自己判斷、改由操作者來判斷,這就是 “A 信號掃描測厚儀”。 

        A 掃測厚儀帶來的改進: 最本質的,就是信號可以由操作者自己觀察,不用擔心讀數型儀器錯過、漏過信號。在功能上,除了同樣具備掃查、讀值功能外,增益可以數字調節而不是分檔調節(這樣更精確),另外,增加了雜波屏蔽功能,可以讓儀器讀取指定的信號 —— 這很重要!

         

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