組件塞條厚度超聲自動測量系統研制

楊力 孫大朋 劉彥明 王學權 許貴平

【摘 要】組件由若干元件和塞條通過電子束焊焊接而成，塞條的厚度對于控制組件非發熱區尺寸的大小具有重要意義，必須對其進行無損測量。基于超聲波脈沖反射法測量原理，研制了一套組件塞條厚度超聲自動測量系統，并對試樣進行了實際測試。測試結果表明，該測量系統對塞條厚度測量的最大偏差為0.05mm，最大相對偏差2.0%，滿足測量精度要求。

【關鍵詞】組件;超聲測厚;系統研制

中圖分類號： TM623;TB559 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0095-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.039

【Abstract】The assembly is formed by several components and slivers using electron beam welding. The thickness of the sliver is important to control the size of the non-heating zone of the assembly， The thickness of the sliver must be measured by non-destructive method. Based on the principle of ultrasonic pulse reflection method， a set of ultrasonic automatic measuring system for slivers thickness was developed and the samples were tested. The results show that the maximum deviation of the measuring system for the thickness of the sliver is 0.05mm， and the maximum relative deviation is 2%， which meets the measurement accuracy requirements.

【Key words】Component; Thickness measuring by ultrasonic; System evelopment

0 前言

組件是反應堆的核心部件之一，它由若干元件和塞條用電子束焊焊接而成，如圖1所示。在組件的通道中，元件和塞條的邊角附近由于流體對壁面的潤濕作用和粘性力的存在，使得角部附近換熱能力較差，容易導致過早出現臨界熱流密度（CHF），造成組件燒毀[1]。為了避免這種情況，通常將組件角部附近設計為非發熱區，從而避免邊角處傳熱惡化的發生[2-3]。但另一方面，為了獲得一個優化的組件，需要考慮非發熱區尺寸的大小。若非加熱區尺寸過小，則達不到避免非發熱區附近過早的CHF現象;若非發熱區尺寸過大，則其產生的無效流量將對整個流道的傳熱產生影響，降低堆芯出口參數，影響反應堆的運行效率。因此，通過測量塞條的厚度進而評價非發熱區尺寸的大小具有重要意義。

由于組件的特殊結構，使用常規的游標卡尺、千分尺等機械方法無法對其塞條進行厚度測量，無損檢測中的射線測厚和電磁測厚也受到限制。超聲波脈沖反射法測厚不受組件的結構限制且具有測量方便、精度高等特點，為解決組件塞條厚度的測量提供了思路。為此，筆者結合組件塞條厚度的實際測量要求，基于超聲波脈沖反射法技術，研制了一套自動、快速、高精度的測量系統，以實現塞條厚度的測量。

1 測量原理

采用去離子水作為耦合劑，超聲波由探頭發出后經耦合層到達塞條上表面，部分能量反射后被探頭接收形成表面回波，部分能量穿過塞條在其底面被反射形成底面回波，若已知超聲波在塞條中的傳播速度，則通過超聲波探傷儀測量超聲波在塞條上下底面之間往返一次傳播的時間即可求得塞條的厚度。

2 系統組成

塞條厚度超聲自動測量系統主要由超聲信號發生裝置、運動控制裝置、數據采集模塊和軟件模塊四個部分組成，整個系統由工控機進行統一控制。在對比試塊上標定聲速后，工控機發出運動控制指令，掃描裝置按預設的路徑帶動探頭到達組件塞條上方后，由超聲波探傷儀激勵探頭發射超聲波，超聲波穿過耦合層進入塞條并在塞條底部反射后被探頭接收傳輸至探傷儀，經數據采集模塊采樣并進行A/D轉換后獲得數字化的超聲回波信號，經軟件模塊分析處理，得到被測塞條的厚度值。系統組成及實物如圖2所示。

2.1 超聲信號發生裝置

超聲信號發生裝置由超聲波探傷儀和超聲波探頭構成，超聲波探傷儀產生電振蕩并施加于探頭以發射超聲波，超聲波在耦合劑和塞條中經過一系列的透射和反射后被探頭接收，探頭將收到的超聲信號轉換為電振蕩信號并傳輸至探傷儀。為了提高測量的準確性，本系統采用USD15型超聲波探傷儀，其在熒光屏滿刻度80%內均呈線性顯示，水平線性誤差為0.1%，垂直線性誤差為1.3%;所用探頭為水浸點聚焦探頭，中心頻率15MHz，主聲束方向無明顯雙峰。

2.2 運動控制裝置

運動控制裝置由運動控制卡、數字式伺服電機、數控滑臺、試件定位工作臺等組成。根據被測組件的外形尺寸及塞條所處位置，工控機首先進行運動控制裝置的相關參數設置，然后調用運動控制卡動態連接庫中的函數并向運動控制卡發出運動指令，運動控制卡根據指令向伺服器發送控制信號，伺服器根據發送的指令控制伺服電機運轉并驅動數控滑臺運動，最終帶動超聲波探頭按規定的路徑進行采集運動。

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊實現超聲信號的采集、模數轉換和特征參數提取等功能，主要由高速數據采集卡組成。在厚度測量前，工控機首先完成超聲數據采集工作相關參數及采集方式的設置，然后控制高速數據采集卡對超聲波探傷儀中的超聲信號進行采集，采集完成后，再調用數據采集卡控制函數獲得數據采集卡中的數據。為了保證塞條厚度測量的精度，超聲信號的采集工作與運動同步。