一种多角度超声检测换热污垢厚度方法、系统及装置

本发明属于换热污垢厚度检测，具体涉及一种多角度超声检测换热污垢厚度方法、系统及装置。

背景技术：

1、换热设备在电力、航天、化工等行业及日常生活中广泛应用。然而，换热设备内异常结垢将直接导致换热效率下降，并可能引发安全事故。因此，建立换热设备内污垢实时检测系统具有重要意义。

2、目前，换热污垢厚度检测方法存在实现困难、无法在线进行等问题。较为常用、可在线进行的热学检测方法也具有可靠性低等缺点。虽然将超声时域反射法用于污垢检测具有实现简单、准确可靠、能满足实时检测需求的优点，但受污垢对象由于本身质地特点和物理环境等条件影响，存在反射信息微弱模糊和干扰复杂的问题，因此难以准确获取有效信息。综上，如何开发一种可靠性高的换热污垢检测方法成为本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供一种多角度超声检测换热污垢厚度方法、系统及装置，基于多个斜入射角度求取污垢层厚度进行融合，进而提高换热污垢层厚度计算的准确性。

2、本发明提供一种多角度超声检测换热污垢厚度方法，所述方法包括：

3、步骤s1：基于各关键回波对应的反复透射系数计算各斜入射角度对应的探头间距；所述各关键回波包括管壁层回波和污垢层回波；所述探头间距为超声发射探头及超声接收探头之间的距离。

4、步骤s2：按照所述各斜入射角度对应的探头间距调整所述超声发射探头和所述超声接收探头的位置，利用所述超声发射探头按照各斜入射角度发射纵波，利用所述超声接收探头接收各斜入射角度对应的多个回波。

5、步骤s3：对所述各斜入射角度对应的多个回波进行筛选，获得各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波。

6、步骤s4：根据所述各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波计算各斜入射角度对应的超声渡越时间。

7、步骤s5：根据所述各斜入射角度以及对应的超声渡越时间计算各斜入射角度对应的污垢层厚度。

8、步骤s6：对所述各斜入射角度对应的污垢层厚度进行融合，获得污垢层厚度均值。

9、可选地，所述基于各关键回波对应的反复透射系数计算各斜入射角度对应的探头间距，具体步骤包括：

10、基于斜入射时的法向声阻抗率计算反折系数；所述反折系数包括：纵波反射系数、纵波折射系数和横波折射系数。

11、根据所述反折系数计算各关键回波对应的反复透射系数。

12、以各关键回波对应的所述反复透射系数为纵坐标，以斜入射角度为横坐标，仿真绘制各关键回波对应的反复透射系数随斜入射角度变化的波形示意图。

13、根据所述各关键回波对应的反复透射系数随斜入射角度变化的波形示意图确定斜入射角度取值范围。

14、从所述斜入射角度取值范围内选取多个斜入射角度。

15、利用各斜入射角度及声线模型确定各斜入射角度对应的探头间距。

16、可选地，所述对所述各斜入射角度对应的多个回波进行筛选，获得各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波，具体步骤包括：

17、对所述各斜入射角度对应的多个回波进行降噪处理，获得各斜入射角度对应的多个降噪回波。

18、将改进的混沌螺旋教与学优化算法与匹配追踪算法相结合，基于各斜入射角度对应的多个降噪回波提取各降噪回波对应的回波特征。

19、随着各斜入射角度增加，根据多个降噪回波的回波特征的幅值变化趋势，将理论信号与产生各回波对应，排除干扰波，获得各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波。

20、可选地，所述根据所述各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波计算各斜入射角度对应的超声渡越时间，具体步骤包括：

21、根据各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波分别绘制包络线，获得各斜入射角度对应的第一包络线和第二包络线。

22、根据所述各斜入射角度对应的第一包络线确定各斜入射角度对应的第一波至时间，根据所述各斜入射角度对应的第二包络线确定各斜入射角度对应的第二波至时间。

23、根据所述各斜入射角度对应的第一波至时间和第二波至时间计算各斜入射角度对应的超声渡越时间。

24、可选地，所述根据所述各斜入射角度以及对应的超声渡越时间计算各斜入射角度对应的污垢层厚度，具体计算公式为：

25、

26、其中，xk表示第k个斜入射角度对应的污垢层厚度，c1表示超声波在超声水中的声速，c2表示污垢层中的声速，αk表示第k个斜入射角度，δtk表示第k个斜入射角度对应的超声渡越时间。

27、可选地，所述对各斜入射角度对应的污垢层厚度进行融合，获得污垢层厚度均值，具体计算公式为：

28、wk＝ek exp(-λ(k-1)),k＝1,2,…,n；

29、

30、

31、其中，xk表示第k个斜入射角度对应的污垢层厚度，表示污垢层厚度均值，n表示斜入射角度的总个数，λ表示指数函数衰减系数，αk表示第k个斜入射角度，ek和wk均表示中间变量，η与μ表示按工况选取的权重系数。

32、本发明还提供一种多角度超声检测换热污垢厚度系统，所述系统包括：

33、探头间距计算模块，用于基于各关键回波对应的反复透射系数计算各斜入射角度对应的探头间距；所述各关键回波包括管壁层回波和污垢层回波；所述探头间距为超声发射探头及超声接收探头之间的距离。

34、位置调整模块，用于按照所述各斜入射角度对应的探头间距调整所述超声发射探头和所述超声接收探头的位置，利用所述超声发射探头按照各斜入射角度发射纵波，利用所述超声接收探头接收各斜入射角度对应的多个回波。

35、回波筛选模块，用于对所述各斜入射角度对应的多个回波进行筛选，获得各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波。

36、超声渡越时间计算模块，用于根据所述各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波计算各斜入射角度对应的超声渡越时间。

37、污垢层厚度计算模块，用于根据所述各斜入射角度以及对应的超声渡越时间计算各斜入射角度对应的污垢层厚度。

38、污垢层厚度融合模块，用于对所述各斜入射角度对应的污垢层厚度进行融合，获得污垢层厚度均值。

39、可选地，所述探头间距计算模块，具体包括：

40、反折系数计算单元，用于基于斜入射时的法向声阻抗率计算反折系数；所述反折系数包括：纵波反射系数、纵波折射系数和横波折射系数。

41、反复透射系数计算单元，用于根据所述反折系数计算各关键回波对应的反复透射系数。

42、波形示意图绘制单元，用于以各关键回波对应的所述反复透射系数为纵坐标，以斜入射角度为横坐标，仿真绘制各关键回波对应的反复透射系数随斜入射角度变化的波形示意图。

43、斜入射角度取值范围确定单元，用于根据所述各关键回波对应的反复透射系数随斜入射角度变化的波形示意图确定斜入射角度取值范围。

44、斜入射角度选取单元，用于从所述斜入射角度取值范围内选取多个斜入射角度。

45、探头间距计算单元，用于利用各斜入射角度及声线模型确定各斜入射角度对应的探头间距。

46、可选地，所述回波筛选模块，具体包括：

47、降噪处理单元，用于对所述各斜入射角度对应的多个回波进行降噪处理，获得各斜入射角度对应的多个降噪回波。

48、回波特征提取单元，用于将改进的混沌螺旋教与学优化算法与匹配追踪算法相结合，基于各斜入射角度对应的多个降噪回波提取各降噪回波对应的回波特征。

49、干扰波排除单元，用于随着各斜入射角度增加，根据多个降噪回波的回波特征的幅值变化趋势，将理论信号与产生各回波对应，排除干扰波，获得各斜入射角度对应的污垢层回波和管壁层回波。

50、本发明还提供一种多角度超声检测换热污垢厚度装置，所述装置具体包括：

51、超声发射探头，用于按照各斜入射角度发射纵波。

52、超声接收探头，用于接收各斜入射角度对应的多个回波。

53、同步调节探头角度及位置的液罩，用于同步调节所述超声发射探头和所述超声接收探头的斜入射角度及位置。

54、脉冲发射接收装置，分别与所述超声发射探头和所述超声接收探头连接，用于控制所述超声发射探头发射纵波和用于控制所述超声接收探头接收各斜入射角度对应的多个回波。

55、采集卡，与所述脉冲发射接收装置连接，用于采集各斜入射角度对应的多个回波信号。

56、计算机，与所述采集卡连接，用于采用上述步骤s3-s6的步骤计算污垢层厚度均值，还用于采用上述步骤s1计算各斜入射角度对应的探头间距。

57、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

58、本发明利用多组斜入射角度进行超声检测，获得多组超声渡越时间数据，进而基于多组超声渡越时间数据分别计算污垢层厚度，并对多组污垢层厚度进行融合，相比于垂直入射的超声检测方式，减少因材料密度、厚度、结构等差异导致的测量误差，提高了测量的准确性。

59、本发明基于各关键回波对应的反复透射系数计算各斜入射角度对应的探头间距，以使后续按照各斜入射角度对应的探头间距调整超声发射探头和超声接收探头的位置，进而能够提高超声接收探头准确接收回波的概率。