CN103837434A - 一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置，包括电子分析天平、固定于电子分析天平之上的精密定位平台、以及一组直径测量装置和一组高度测量装置；UO₂芯块位于精密定位平台之上；直径测量装置包括第一LED、第一扩散器、第一准直仪、第一远心光学***、第一HL-CCD；高度测量装置包括第二LED、第二扩散器、第二准直仪、第二远心光学***、第二HL-CCD；第一HL-CCD和第二HL-CCD与计算机***连接。本发明实现了对芯块直径、高度、重量在一个工位的同时测量，以及测量数据的自动采集和数据库管理，极大地提高了芯块几何密度的测量效率，工作稳定、重复性高，提高了芯块检验的自动化水平。

Description

一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置

技术领域

本发明涉及一种用于UO₂燃料芯块几何密度测量的一体化装置，特别是涉及一种工作稳定、重复性高，自动化水平高的用于UO₂燃料芯块几何密度测量的一体化装置。

背景技术

UO₂芯块是由UO₂粉末经压制、烧结、磨削而成的具有一定尺寸、形状、强度和密度的二氧化铀陶瓷体，其外形如小圆柱形，根据UO₂芯块的技术条件要求，需要对芯块的直径、高度、重量进行测量，以验证芯块质量满足技术条件要求的程度，同时通过这些数据计算出UO₂芯块的几何密度。目前所用的采用测量UO₂芯块几何密度方法最大的问题是生产效率低，人工出错的概率较高。首先由于UO₂芯块生产量的迅速增加，检验人员每天需要对芯块的直径、高度、重量进行上万次的测量，这些数据都是由检验人员人工录入到计算机中，整体检验效率较低，已无法满足产量日益扩大的需要；而且，大量数据依赖人工录入，录入出错的概率较高，已多次出现由于数据录入出错造成的质量问题；此外，对UO₂芯块直径和高度的测量，以往采用数显千分尺进行接触式直接测量，这样不仅造成测量速度较慢，而且数显千分尺长时间频繁测量后，容易造成测量头磨损，产生累积误差。因此亟需提供一种新型的用于UO₂燃料芯块几何密度测量的一体化装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工作稳定、重复性高，自动化水平高的用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置。

为解决上述技术问题，本发明一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置，包括电子分析天平、固定于电子分析天平之上的精密定位平台、以及一组直径测量装置和一组高度测量装置；UO₂芯块位于精密定位平台之上；直径测量装置包括第一LED、第一扩散器、第一准直仪、第一远心光学***、第一HL-CCD；高度测量装置包括第二LED、第二扩散器、第二准直仪、第二远心光学***、第二HL-CCD；第一LED发出的光束，经第一扩散器与第一准直仪，以平行光束照射UO₂芯块，然后经第一远心光学***成像于第一HL-CCD；第二LED发出的光束，经第二扩散器与第二准直仪，以平行光束照射UO₂芯块，然后经第二远心光学***成像于第二HL-CCD；第一HL-CCD和第二HL-CCD与计算机***连接。

精密定位平台包括定位块与定位套环，定位块上设有圆柱形的凸块，定位套环的内径与凸块的直径一致，凸块的高度小于定位套环轴向长度；UO₂芯块位于凸块之上，位于定位套环之内。

第一远心光学***与第一HL-CCD整体置于直径测量升降平台之上，实现7mm，5mm，3mm三种扫描距离。

本发明实现了对芯块直径、高度、重量在一个工位的同时测量，以及测量数据的自动采集和数据库管理，极大地提高了芯块几何密度的测量效率。现场测量数据实现了无纸化后，减少了大量的纸质废物，实现节能减排，绿色发展做出了积极的贡献。通过安装客户端，可以轻松实现远程管理，包括数据的查询、统计等，提高了公司、车间的质量管理水平。本发明非常稳定、重复性高，提高了芯块检验的自动化水平。

附图说明

图1为本发明所提供的一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置的示意图。

图2为定位块与定位套环的示意图。

图中：1为电缆，2为显示控制器，3为PC机，4为第一HL-CCD，5为第一远心光学***，6为直径测量升降平台，7为精密定位平台，8为电子分析天平，9为UO2芯块，10为第一准直仪，11为第一扩散器，12为服务器，13为第二HL-CCD，14为第二远心光学***，15为第二准直仪，16为第二扩散器，17为第二LED，18为第一LED，19为定位块，20为定位套环。具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明包括电子分析天平8、固定于电子分析天平8之上的精密定位平台7、以及一组直径测量装置和一组高度测量装置.

精密定位平台7包括定位块19与定位套环20，定位块19上设有圆柱形的凸块，定位套环20的内径与凸块的直径一致，凸块的高度小于定位套环20轴向长度；UO₂芯块9位于凸块之上，位于定位套环20之内。

直径测量装置包括第一LED18、第一扩散器11、第一准直仪10、第一远心光学***5、第一HL-CCD4；第一远心光学***5与第一HL-CCD4整体置于直径测量升降平台6之上，实现7mm，5mm，3mm三种扫描距离；高度测量装置包括第二LED17、第二扩散器16、第二准直仪15、第二远心光学***14、第二HL-CCD13。

第一LED18发出的光束，经第一扩散器11与第一准直仪10，以平行光束照射UO₂芯块9，然后经第一远心光学***5成像于第一HL-CCD4；第二LED17发出的光束，经第二扩散器16与第二准直仪15，以平行光束照射UO₂芯块9，然后经第二远心光学***14成像于第二HL-CCD13；第一HL-CCD4和第二HL-CCD13通过电缆1与显示控制器2，PC机3连接。PC机3与服务器12连接。

本装置需要测量的几何尺寸是芯块的直径、高度，通过测量所得的芯块直径和高度，就可以得出圆柱体芯块的总体积，而后减去倒角和碟形部分的空腔体积（空腔体积由另一个***测量得到，这里一般默认为常数），进而得到芯块的体积，质量一般采用电子分析天平8来进行测量，利用密度公式可计算出芯块的几何密度。

$\mathrm{\ρ}=\frac{M}{V}$

$=\frac{M}{\mathrm{\π}\·{\left(\frac{D}{2}\right)}^2\·H-V_v}---\left(1\right)$

式中：ρ：芯块的几何密度，g/cm³；

M：芯块重量，g；

D：芯块直径，cm；

H：芯块高度，cm；

Vv：空腔体积，按常数计算，cm³。

自动测量***对芯块直径和高度的测量采用光学遮挡法进行，测量原理为LED发出的辐射光经过散射器件和准直仪镜头变成一定宽度均匀的平行光，然后投射到待测芯块上，由于芯块不透光并且自身遮挡的部分呈现阴影。没有被遮挡的那部分平行光，进入接收端的远心光学***。远心光学***的作用是只允许平行光透过，以确保测量的精度。通过远心光学***后进入HL-CCD（高速线性CCD），这样被测芯块的影像就显示在HL-CCD。在HL-CCD上游光照射的处于亮区，被待测物遮挡的处于暗区，通过检测亮区和暗区的边缘来测量待测参数。由于亮区和暗区之间的界限不是很清晰，因此在输出参数之前必须进行边缘检测，本***采用DE（数字边缘检测）处理器对边缘进行检测。边缘检测完成之后，通过CPU进行数据处理，再将数据通过串口线传输给计算机。

表1 UO₂芯块直径、高度测量仪性能表

表2 UO₂芯块称重用电子分析天平性能表

测量范围	0~120g
		可读性	0.1mg
平均响应时间	≤2s
		重复性	≤±0.1mg
线性	≤±0.2mg

核燃料芯块直径是影响核反应堆运行工况下，UO₂芯块9与包壳的机械相互作用（PCI）因素之一。芯块在完成磨削加工后在锥度、圆柱度存在偏差的情况下，仅仅对芯块中间的一个断面进行测量将无法有效反映芯块直径的真实状况，因此在确保精度的前提下，为更准确得到芯块直径的测量值，对芯块直径进行多点测量很有必要。根据光透过式传感器发射器发射具有一定宽度的平行光，接收器通过接收其中心截面待测物体的影像从而获取物体尺寸的原理，测量***将采取步进电机驱动安装于直径测量升降平台6上的接收器来完成直径的扫描式测量。在保证精度的前提下，可以满足7mm，5mm，3mm三种扫描距离选择（每个距离可扫描20个点，可选择最大值，最小值、平均值）。芯块直径的测量可以选择四种方式，分别是1点、3mm、5mm、7mm测量。

Claims (3)

1.一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置，其特征在于：包括电子分析天平、固定于所述电子分析天平之上的精密定位平台、以及一组直径测量装置和一组高度测量装置；所述UO₂芯块位于精密定位平台之上；所述直径测量装置包括第一LED、第一扩散器、第一准直仪、第一远心光学***、第一HL-CCD；所述高度测量装置包括第二LED、第二扩散器、第二准直仪、第二远心光学***、第二HL-CCD；所述第一LED发出的光束，经第一扩散器与第一准直仪，以平行光束照射UO₂芯块，然后经第一远心光学***成像于所述第一HL-CCD；所述第二LED发出的光束，经第二扩散器与第二准直仪，以平行光束照射UO₂芯块，然后经第二远心光学***成像于所述第二HL-CCD；所述第一HL-CCD和第二HL-CCD与计算机***连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置，其特征在于：所述精密定位平台包括定位块与定位套环，所述定位块上设有圆柱形的凸块，所述定位套环的内径与凸块的直径一致，所述凸块的高度小于所述定位套环轴向长度；所述UO₂芯块位于所述凸块之上，位于定位套环之内。

3.根据权利要求1所述的一种用于二氧化铀燃料芯块几何密度测量的一体化装置，其特征在于：所述第一远心光学***与第一HL-CCD整体置于直径测量升降平台之上，实现7mm，5mm，3mm三种扫描距离。

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