组件塞条厚度超声自动测量系统研制

杨力 孙大朋 刘彦明 王学权 许贵平

【摘 要】组件由若干元件和塞条通过电子束焊焊接而成，塞条的厚度对于控制组件非发热区尺寸的大小具有重要意义，必须对其进行无损测量。基于超声波脉冲反射法测量原理，研制了一套组件塞条厚度超声自动测量系统，并对试样进行了实际测试。测试结果表明，该测量系统对塞条厚度测量的最大偏差为0.05mm，最大相对偏差2.0%，满足测量精度要求。

【关键词】组件;超声测厚;系统研制

中图分类号： TM623;TB559 文献标识码： A 文章编号： 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

组件是反应堆的核心部件之一，它由若干元件和塞条用电子束焊焊接而成，如图1所示。在组件的通道中，元件和塞条的边角附近由于流体对壁面的润湿作用和粘性力的存在，使得角部附近换热能力较差，容易导致过早出现临界热流密度（CHF），造成组件烧毁[1]。为了避免这种情况，通常将组件角部附近设计为非发热区，从而避免边角处传热恶化的发生[2-3]。但另一方面，为了获得一个优化的组件，需要考虑非发热区尺寸的大小。若非加热区尺寸过小，则达不到避免非发热区附近过早的CHF现象;若非发热区尺寸过大，则其产生的无效流量将对整个流道的传热产生影响，降低堆芯出口参数，影响反应堆的运行效率。因此，通过测量塞条的厚度进而评价非发热区尺寸的大小具有重要意义。

由于组件的特殊结构，使用常规的游标卡尺、千分尺等机械方法无法对其塞条进行厚度测量，无损检测中的射线测厚和电磁测厚也受到限制。超声波脉冲反射法测厚不受组件的结构限制且具有测量方便、精度高等特点，为解决组件塞条厚度的测量提供了思路。为此，笔者结合组件塞条厚度的实际测量要求，基于超声波脉冲反射法技術，研制了一套自动、快速、高精度的测量系统，以实现塞条厚度的测量。

1 测量原理

采用去离子水作为耦合剂，超声波由探头发出后经耦合层到达塞条上表面，部分能量反射后被探头接收形成表面回波，部分能量穿过塞条在其底面被反射形成底面回波，若已知超声波在塞条中的传播速度，则通过超声波探伤仪测量超声波在塞条上下底面之间往返一次传播的时间即可求得塞条的厚度。

2 系统组成

塞条厚度超声自动测量系统主要由超声信号发生装置、运动控制装置、数据采集模块和软件模块四个部分组成，整个系统由工控机进行统一控制。在对比试块上标定声速后，工控机发出运动控制指令，扫描装置按预设的路径带动探头到达组件塞条上方后，由超声波探伤仪激励探头发射超声波，超声波穿过耦合层进入塞条并在塞条底部反射后被探头接收传输至探伤仪，经数据采集模块采样并进行A/D转换后获得数字化的超声回波信号，经软件模块分析处理，得到被测塞条的厚度值。系统组成及实物如图2所示。

2.1 超声信号发生装置

超声信号发生装置由超声波探伤仪和超声波探头构成，超声波探伤仪产生电振荡并施加于探头以发射超声波，超声波在耦合剂和塞条中经过一系列的透射和反射后被探头接收，探头将收到的超声信号转换为电振荡信号并传输至探伤仪。为了提高测量的准确性，本系统采用USD15型超声波探伤仪，其在荧光屏满刻度80%内均呈线性显示，水平线性误差为0.1%，垂直线性误差为1.3%;所用探头为水浸点聚焦探头，中心频率15MHz，主声束方向无明显双峰。

2.2 运动控制装置

运动控制装置由运动控制卡、数字式伺服电机、数控滑台、试件定位工作台等组成。根据被测组件的外形尺寸及塞条所处位置，工控机首先进行运动控制装置的相关参数设置，然后调用运动控制卡动态连接库中的函数并向运动控制卡发出运动指令，运动控制卡根据指令向伺服器发送控制信号，伺服器根据发送的指令控制伺服电机运转并驱动数控滑台运动，最终带动超声波探头按规定的路径进行采集运动。

2.3 数据采集模块

数据采集模块实现超声信号的采集、模数转换和特征参数提取等功能，主要由高速数据采集卡组成。在厚度测量前，工控机首先完成超声数据采集工作相关参数及采集方式的设置，然后控制高速数据采集卡对超声波探伤仪中的超声信号进行采集，采集完成后，再调用数据采集卡控制函数获得数据采集卡中的数据。为了保证塞条厚度测量的精度，超声信号的采集工作与运动同步。