CN109060596B

CN109060596B - 一种燃料芯块真密度自动测量仪及方法

Info

Publication number: CN109060596B
Application number: CN201810964082.XA
Authority: CN
Inventors: 蒋开宇; 程春林; 阎旭; 李晨浩
Original assignee: Sichuan Tongren Precision Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Tongren Precision Technology Co ltd
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: CN109060596A

Abstract

本发明公开了一种燃料芯块真密度自动测量仪及方法，该测量仪包括安装平台、输送模块、称重模块、机械转运手和体积测量模块。其中称重模块设置在安装平台中央的一侧边缘，在安装平台上另一侧位于称重模块的中央位置设置有机械转运手，输送模块固定在安装平台一端，在安装平台的另一端设置有体积测量模块，输送模块、机械转运手和体积测量模块位于安装平台上的同一侧。本发明方法通过测量气体置换法测量芯块的骨架体积，从而得到芯块的真密度。本发明装置结构简单，解决了浸渍法和光电测量法测密度误差大，测量不准确的缺陷。

Description

一种燃料芯块真密度自动测量仪及方法

技术领域

本发明属于密度测量技术领域，具体涉及一种燃料芯块真密度自动测量仪及方法。

背景技术

燃料芯块为核燃料元件的核心部分，由易裂变材料235U和239Pu构成。核燃料可分为金属型、陶瓷型和弥散型，外面敷以铝合金、镁合金、锆合金以及不锈钢等包壳材料。燃料芯块的表面必须机械磨光，以保证与包壳材料的配合。为适应燃料芯块的辐照膨胀，芯块的上下面压制成凹碟形，中部有小通孔，烧结后整个几何体为不规则异型面。由于该芯块体积较小(φ(4～8mm)*h(8～14mm))采用传统的浸渍法和光电测量法难以进行精确测量。采用浸渍法由于芯块中部有小孔，小孔具有气密性，液体难以全部浸入所测体积，难以保证其准确度。同时芯块具有辐照特性，测量液体的后处理也比较复杂，增加用户的使用成本，所测密度仅为表面体积，所得到的密度仅为表观体积，与芯块的实际密度误差大，且自动化程度低，需要人工的全程配合操作，操作繁琐，且在辐照环境对操作者的伤害大。

因此，急需一种自动测量燃料芯块真密度的装置，以有效解决浸渍法存在的测量芯块密度误差大，自动化程度低，需要人工的全程手工操作，直接操作影响操作人员的身体健康，增加使用单位的人力成本，浸润液后处理复杂等问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种燃料芯块真密度自动测量仪及方法，该装置可以在辐照环境中自动测量燃料芯块密度，解决浸渍法和光电测量法测密度误差大，以及实现自动化，可远程操作完成芯块真密度的测量，实现操作者在无辐射环境中远程操作。

为了达到上述技术效果，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种燃料芯块真密度自动测量仪，包括安装平台，所述的安装平台***一侧安装有称重模块，在安装平台上与称重模块相对应位置的另一侧安装有机械转运手，所述的机械转运手的两侧分别安装有输送模块和体积测量模块，所述的体积测量模块包括第一测量单元和第二测量单元，所述的第一测量单元通过升降滑座固定在安装座上，所述的安装座固定在安装平台上，所述的第二测量单元固定在安装平台上且与第一测量单元相向对应设置。

所述的安装平台为凹字形结构，在安装平台的沿边设置有包覆件，在安装平台四周形成凸缘放置防止芯块掉落至下层。

所述的称重模块安装在内凹的缺口处，所述的称重模块底部设置有手动升降台，便于维修和检修称重模块。

所述的输送模块包括托盘和气动滑台，所述的托盘设置在气动滑台上，托盘沿气动滑台侧边的滑道移动；在托盘的中央固定有样品容器。

所述的第一测量单元属于基准仓；第二测量单元属于样品仓，用于放置被测芯块；第一测量单元与第二测量单元接口处采用硅胶密封圈密封。

所述的安装平台与升降滑座相对应位置的底面设置有顶升气缸，所述的顶升气缸与升降滑座连接，用于控制第一测量单元的上升或下降。

所述的机械转运手包括回转台、升降气缸、转轴、夹持爪和支撑座，所述的回转台设置在安装平台上，所述的支撑座设置在回转台上部，所述的升降气缸位于的支撑座内，所述的转轴与升降气缸连接，所述的夹持爪通过横向杆悬空与转轴固定连接。

本发明的另一目的在于提供一种燃料芯块真密度的测量方法，包括以下步骤：

将待测芯块和样品容器置于测试腔，排空测试腔和基准腔内的气体，关闭排气阀，待压力稳定，记录压力P1，所述的测试腔和基准腔体积相同且连通，在连通通道上设置有测试阀；

关闭测试阀，向基准腔内注入气体并记录稳定后的压力P2；

打开测试阀，样品测试腔与基准腔连通并记录稳定后的压力P3；

分别测量待测芯块和样品容器总质量M₀；

根据供公式(1)计算得出待测芯块真密度：

其中，M₁表示样品容器质量，V₁表示测试腔体积，V₂表示基准腔体积，V₃表示样品容器体积。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于测量燃料芯块真密度的测量装置和方法，该装置采用自动化操作，可以避免由于燃料芯块的辐照特性对操作人员造成的伤害，可远程操作完成芯块真密度的测。同时本发明方法测量方法解决了浸渍法和光电测量法测密度误差大，测量不准确的缺陷，简单实用。具体还具有以下优点：

1)机械转运手采用回转供料方式，完成多工位燃料芯块的转运，结构简单，升降采用气动方式、采用常闭式夹爪，通过单圈磁电绝对编码器进行各工位的定位，成本较关节机械手便宜，控制较笛卡尔坐标机器人简单；

2)体积测量模块，基准仓设计成升降机构，采用导轨导向，气缸推动升降，是自动化测量燃料芯块这密度的基础；

3)称量模块安装在手动升降台上，便于维修、维护，减少维护人员的辐照时间；

5)芯块输送模块采用气动滑台形式，气动滑台且设计有防护罩防止芯块因意外掉落后不至于掉落在缝隙中，导致人员没办法拾取芯块。

附图说明

图1是本发明测量仪器的结构示意图；

图2是本发明安装平台的结构示意图；

图3是本发明称重模块的结构示意图；

图4是本发明输送模块的结构示意图；

图5是本发明体积测量单元的结构示意图；

图6是本发明机械转运手的结构示意图；

图7是本发明壳体的的结构示意图；

图中：1、安装平台，2、称重模块，21、分析天平，22、防护罩，23、手动升降台，3、机械转运手，31、支撑座，32、转轴，33、夹持爪，34、升降气缸，35、右接近开关，36、磁电单圈绝对编码器，37、回转台，38、左接近开关，4、输送模块，41、托盘，42、样品容器，43、气动滑台，44、机械限位块，5、体积测量模块，51、安装座，52、升降滑座，53、第一测量单元，54、第二测量单元，55、顶升气缸，6、壳体，61、窥视玻璃窗，62、手套孔。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对燃料芯块密度测量不准确和操作危害大的技术缺陷，提出一种燃料芯块真密度自动测量仪，如图1所示，该测量仪包括安装平台1、输送模块4、称重模块2、机械转运手3和体积测量模块5。其中称重模块2设置在安装平台1中央的一侧边缘，在安装平台1上另一侧位于称重模块2的中央位置设置有机械转运手3，输送模块4固定在安装平台1一端，在安装平台1的另一端设置有体积测量模块5，输送模块4、机械转运手3和体积测量模块5位于安装平台1上的同一侧。

如图2所示，安装平台1为凹字形结构，在安装平台1的沿边设置有包覆件，在安装平台1四周形成凸缘放置防止芯块掉落至下层，在安装平台1的底部用机架固定，机架采用标准型材焊接去应力后加工而成，安装平台1所使用材质为316不锈钢。

如图3所示，称重模块2安装在内凹的缺口处，称重模块2底部设置有手动升降台23，手动升降台23通过支架固定于安装平台1的下面。本实施例中称重模块2采用万分之一分析天平21，分析天平21外设置有防护罩22，防护罩22与安装平台1固定，将分析天平21的电路处理单元，用装有厚度为12mm的铅沙的防护罩22包裹，避免其内部对辐照敏感的电器元件损坏。手动升降台23的作用是用于调节分析天平21的高度，便于方便维护和检修。由于防护罩22较重，对分析天平21维护或维修时，只需将手动升降台23进行升降即可完成，提高了设备的可维护性和可检修性。

如图4所示，输送模块4包括托盘41和气动滑台43，托盘41设置在气动滑台43上，托盘41沿气动滑台43侧边的滑道移动，在滑道两端分别设置有机械限位块44，在托盘41的中央固定有样品容器42，用于将待测芯块从放料工位转运至取料工位。输送模块4采用316材质的封板包裹，防止芯块掉落其缝隙中，便于人工拾取。

如图5所示，体积测量模块5包括第一测量单元53和第二测量单元54，第一测量单元53通过升降滑座52固定在安装座51上，安装座51固定在安装平台1上，第二测量单元54固定在安装平台1上且与第一测量单元53相向对应设置。第一测量单元53属于基准仓；第二测量单元54属于样品仓，用于放置被测芯块；第一测量单元53与第二测量单元54接口处采用硅胶密封圈密封。安装平台1与升降滑座52相对应位置的底面设置有顶升气缸55，顶升气缸55与升降滑座52连接，用于控制第一测量单元53的上升或下降。

初始状态顶升气缸55缩回，第一测量单元53与第二测量单元45结合。机械转运手3将被测芯块至称重工位置时，顶升气缸55伸出，第一测量单元53与第二测量单元54分离。机械转运手3将芯块从称重位置转运至第二测量单元54中，机械转运手3和顶升气缸55缩回，夹持爪33打开放置好芯块。机械转运手3和顶升气55缸伸出，夹持爪33闭合，运动至称重工位。顶升气缸55缩回，第一测量单元53向下运动与第二测量单元54结合密封。开始测量芯块体积。

如图6所示，机械转运手3包括回转台37、升降气缸34、转轴32、夹持爪33和支撑座31，回转台37设置在安装平台1上，支撑座31设置在回转台37上部，升降气缸34位于的支撑座31内，转轴32与升降气缸34连接，升降气缸34驱动转轴32升降，转轴32上安装可调节的机械限位块44，用于调节定位。夹持爪33通过横向杆悬空与转轴32固定连接，夹持爪33安装在常闭夹持气缸上，常闭夹持气缸即使在断气的转态下，能保证芯块不掉落。机械转运手3将被测芯块和样品容器42从原点(取料工位)分别转运至称重平台和体积测量模块5上，完成重量和体积测量。在回转台37底部设置有磁电单圈绝对编码器36，用于控制回转台37的旋转角度，且在回转台37左右极限位安装有机械式左接近开关38和右接近开关35，同时设置有限位块。

待芯块体积测量完毕后，顶升气缸55伸出，第一测量单元53与第二测量单元54分离。机械转运手3从称重工位运动至第二测量单元54中，夹持爪33打开，升降气缸34缩回，抓取芯块时夹爪闭合，升降气缸32伸出，将芯块转运至初始取料位置，完成芯块骨架体积测量的过程。

如图7所示，该测量仪器还包括壳体6，壳体6材质为316不锈钢，在壳体6的正前方和侧方设置有窥视玻璃窗61，在正前方的窥视玻璃窗61下设置有两个手套孔62，同时在壳体6的正前方、背部以及侧方设置有检修口，壳体6内部布置有照明灯，壳体6开口处采用硅胶垫密封。壳体6报复固定在安装平台1上。

在壳体6的窥视玻璃窗61上装有摄像头，用于监控箱内情况，壳体6内出线方式采用真空航插接头与外界控制柜实现电气相连，气动回路采用快插接头的方式，与气源连接，保证壳体6的密封性。

本实施例测量仪器在使用时，机械转运手3升降气缸34上升，夹持爪33张开，输送模块4托盘41运动到放料工位，机械转运手3回转台37旋转45°后，升降气缸34下降到位后，夹持爪33闭合爪取待测芯块。升降气缸34上升，机械转运手3将待测芯块从转运至称重模块2，待测芯块沉重完成后，机械转运手3从称重模块2将样品容器42转运至体积测量模块5，完成体积测量，根据测量结果计算即可。

本发明另一方面提供了一种燃料芯块真密度的测量方法，具体包括以下内容：

本仪器设计中，芯块体积测量应用阿基米德原理--气体膨胀置换法，利用小分子直径的惰性气体，在一定条件下的玻尔定律(PV＝nRT)，通过测定测试腔内样品所排开的气体体积，来精确测试样品的骨架体积(含闭孔)，从而得到其真密度，真密度＝质量/骨架体积。

气体膨胀置换法是以气体取代液体测定样品所排开的体积。此法可避免浸液法中由于样品溶解和浸湿造成的测试误差，具有不损坏样品的优点。因为气体能渗入样品中极小的孔隙和表面的不规则孔隙，因此测出的样品体积更接近样品的骨架体积。因此，密度计算值也更接近样品真实密度。测试***由测试腔和基准腔构成，具体如下：

待测芯块和样品容器总质量：M₀(g)；

待测芯块和样品容器骨架总体积：V₀(cm³)(待测)；

测试腔体积：V₁(cm³)；

基准腔体积：V₂(cm³)；

样品容器质量：M₁(g)；

样品容器体积：V₃(cm³)。

关闭测试阀，向基准腔内注入气体并记录稳定后的压力P2；

打开测试阀前后测试腔和基准腔内气体的总摩尔量是相等的，由此可知：

P₁(V₁-V₀)+P₂V₂＝P₃[(V₁-V₀)+V₂]

即:V₀＝V₁-(P²-P₃)V₂/(P₃-P₁)

由此，可得到芯块和样品容器的体积。

计算芯块体积：V＝V₀-V₃；

采用分析天平测量待测芯块和样品容器总质量：M0；

测量待测芯块质量：M＝M₀-M₁

得出待测芯块密度：

即:

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种燃料芯块真密度自动测量仪，其特征在于，包括凹字形结构安装平台（1），在安装平台（1）的沿边设置有包覆件；

所述的安装平台（1）内凹的缺口处安装有称重模块（2），称重模块（2）底部设置有手动升降台（23）；在安装平台（1）上与称重模块（2）相对应位置的另一侧安装有机械转运手（3），所述的机械转运手（3）的两侧分别安装有输送模块（4）和体积测量模块（5），所述的体积测量模块（5）包括第一测量单元（53）和第二测量单元（54），所述的第一测量单元（53）通过升降滑座（52）安装在安装座（51）上，所述的安装座（51）固定在安装平台（1）上，所述的安装平台（1）与升降滑座（52）相对应位置的底面设置有顶升气缸（55），所述的顶升气缸（55）与升降滑座（52）连接；所述的第二测量单元（54）固定在安装平台（1）上且与第一测量单元（53）相向对应设置；所述的第一测量单元属于基准仓；第二测量单元属于样品仓，用于放置被测芯块；第一测量单元与第二测量单元接口处采用硅胶密封圈密封；所述的样品仓和基准仓体积相同且连通，在连通通道上设置有测试阀；

所述的输送模块（4）包括托盘（41）和气动滑台（43），所述的托盘（41）设置在气动滑台（43）上，托盘（41）沿气动滑台（43）侧边的滑道移动，用于将待测芯块从放料工位转运至取料工位；在托盘（41）的中央固定有样品容器（42）；

所述的机械转运手（3）包括回转台（37）、升降气缸（34）、转轴（32）、夹持爪（33）和支撑座（31），所述的回转台（37）设置在安装平台（1）上，所述的支撑座（31）设置在回转台（37）上部，所述的升降气缸（34）位于的支撑座（31）内，所述的转轴（32）与升降气缸（34）连接，所述的夹持爪（33）通过横向杆悬空与转轴（32）固定连接；

在使用时，机械转运手（3）的升降气缸（34）上升，夹持爪（33）张开，输送模块（4）的托盘（41）运动到放料工位，机械转运手（3）的回转台（37）旋转45°后，升降气缸（34）下降到位后，夹持爪（33）闭合爪取待测芯块，升降气缸（34）上升，机械转运手（3）将待测芯块从取料工位转运至称重模块（2），待测芯块称重完成后，机械转运手（3）从称重模块（2）将样品容器（42）转运至体积测量模块（5）；初始状态，顶升气缸（55）缩回，第一测量单元（53）与第二测量单元（54 ）结合；机械转运手（3）将被测芯块移动至称重工位置时，顶升气缸（55）伸出，第一测量单元（53）与第二测量单元（54）分离；机械转运手（3）将芯块从称重位置转运至第二测量单元（54）中，机械转运手（3）和顶升气缸（55）缩回，夹持爪（33）打开放置好芯块；机械转运手（3）和顶升气缸（55）伸出，夹持爪（33）闭合，运动至称重工位；顶升气缸（55）缩回，第一测量单元（53）向下运动与第二测量单元（54）结合密封，开始测量芯块体积，待芯块体积测量完毕后，顶升气缸（55）伸出，第一测量单元（53）与第二测量单元（54）分离，机械转运手（3）从称重工位运动至第二测量单元（54）中，夹持爪（33）打开，升降气缸（34）缩回，抓取芯块时夹爪闭合，升降气缸（34 ）伸出，将芯块转运至初始取料位置，完成芯块骨架体积测量的过程。