Аблеев Лабораторный практикум Безопасност 2007

11

3

192

2

1

300

Рис. 5. Конструкция измерительного узла установки МУЗА

Программное обеспечение

Программное обеспечение разработано в среде структурного программирования Lab VIEW под Windows. Программа обеспечивает:

1)задание и изменение рабочей частоты синтезатора, работающего как генератор качающейся частоты. При этом на экране ПК отображается амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) таблетки в выбранной полосе частот;

2)отображение и протоколирование обработанных результатов. После включения ПК и запуска программы «МУЗА 1.Vi». Lab

VIEW на экране монитора отображается передняя панель виртуального инструмента (ВИ). Передняя панель «МУЗА 1.Vi» показана на рис. 6 и состоит из окон графика, на которых отображается амплитудно-частотная характеристика таблетки, органов управления и индикаторов. В табл. 2 показано назначение основных органов управления и индикаторов «МУЗА 1.Vi». На большом окне графика отображается АЧХ таблетки в полосе существования двух

31

нижних резонансных частот — первой крутильной и первой изгибной. На меньших графиках каждый пик отображается отдельно. При этом левый график соответствует первой крутильной моде, а правый – первой изгибной. Изгибная мода вырождена, что проявляется в наличии двух близко расположенных резонансных пиков. В правом верхнем углу графиков отображаются измеренные резонансные частоты пиков, причем значение частоты для изгибной моды соответствует низкочастотному пику, как более чувствительному к локальным дефектам в таблетке. В верхней части передней панели отображаются результаты контроля. На индикаторе «Добротность» большими красными цифрами показано текущее значение добротности таблетки. Если оно меньше, чем установленное на органе управления «Порог добротности», то объемная дефектность таблетки признается повышенной (недоспеченность, фазовая неоднородность, внутренние напряжения и т.п.), что приводит к включению цветового индикатора «Объемная дефектность». Индикатор «Отклонение частоты, кГц» показывает отклонение первой изгибной частоты относительно расчетной в соответствии с формулой

(3). Если указанное отклонение оказывается больше, чем установлено на органе управления «Порог дефектности», то локальная дефектность таблетки (одиночные трещины, крупные поры и т.п.) признается повышенной, что приводит к включению цветового индикатора «Локальная дефектность». Индикатор «Плотность, г/см3» показывает значение плотности таблетки, признанной бездефектной (в соответствии с формулой (5) и рис. 4), а индикатор «Высота таблетки, мм» показывает высоту контролируемой таблетки. Органы управления, расположенные в нижней части передней панели (под графиками) носят вспомогательный характер и настраиваются при изменении вида контролируемых таблеток. Самый нижний ряд органов управления относится к большому окну графика. «Усиление» отвечает за величину выходного сигнала пьезопреобразователя. «Порог» — показывает порог обнаружения резонансных пиков. Например, если «Порог» показывает 150, а «Усиление» — 10, то на большом графике автоматически обнаружатся те пики, амплитуда которых (число по оси « y ») превышает значение, равное произве-

дению показаний «Порог» и «Усиление», т.е. 150 × 10 = 1500. «Полоса частот» регулирует полосу частот в килогерцах (длина оси x окна графика). «Центральная частота» – отвечает за изменение

32

Таблица 2

Назначение основных органов управления и индикаторов

33

центральной частоты в килогерцах (середина оси x окна графика). Ручкой «Прокачка» регулируется скорость изменения частоты в выбранной полосе частот. Ряд органов управления под меньшими графиками относится непосредственно к регулированию процесса измерений. Так орган «Усиление 1, 2» изменяет коэффициент усиления для обоих графиков, а «Уровень 1» и «Уровень 2» — порог амплитуды сигнала для первого и второго графиков соответственно, при превышении которого происходит измерение частот резонансных пиков и добротности.

Для сохранения полученных результатов служит горизонтальный ряд индикаторов под большим графиком. Для этого в меню Window вызывают «Show Tools Palette» и после нажатия клавиши «А» вводят текст в соответствующие ячейки (номер партии, номер таблетки, а также путь нахождения файла, куда будут записаны результаты). Запись результатов в выбранный файл происходит после нажатия кнопки «ОК». При этом автоматически сохраняются в выбранном файле: номер партии и образца, значения резонансных частот, высота и плотность таблетки, добротность и отклонение частоты изгибного пика от расчетного значения. Записанные данные в дальнейшем можно обрабатывать с помощью табличных редакторов (например, Excel).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение дефектности таблеток.

1.Включить БЭО и ПК.

2.Загрузить программу «МУЗА 1.Vi». При этом на экране монитора отображается передняя панель виртуального инструмента (ВИ) (рис. 6), предназначенного для определения дефектности и плотности таблеток. Включить выполнение программы, нажав на стрелку в левом верхнем углу передней панели.

3.При необходимости изменить значения «Порог дефектности»

и«Порог добротности» в зависимости от решаемой задачи контроля. (По умолчанию «Порог дефектности» равен 1 кГц, а «Порог добротности» —1000.)

4.Отвести шток датчика и установить на измерительный столик контролируемую таблетку.

34

5.Переместить шток датчика, обеспечив контакт таблетки с пьезопреобразователями.

6.На индикаторных экранах ВИ отобразится амплитудночастотная характеристика таблетки и произойдет автоматическое определение вида дефектности путем включения световых индикаторов («локальная дефектность» и (или) «объемная дефектность»)

иплотности таблетки.

7.Указать в окне «путь» файл для записи данных контроля.

8.Произвести запись данных контроля в выбранный файл, указав номер таблетки и нажав «ОК».

9.Установить следующую таблетку.

10.Повторить измерения для других таблеток, указав их номер 11.После окончания работы остановить выполнение программы нажатием красной кнопки в левом верхнем углу передней панели. 12.С помощью табличного редактора «Excel» построить зависи-

мость f2 от f1 , подобную приведенной на рис. 3.

Задание 2. Определение модулей упругости таблеток.

1.По результатам предыдущего задания выбрать бездефектную таблетку и записать значения ее частот f1 и f2 .

2.С помощью штангенциркуля измерить геометрические размеры таблетки (высота, диаметр, диаметр внутреннего отверстия).

3.Вычислить объем таблетки.

4.Взвесить таблетку на лабораторных весах.

5.На основании полученных данных рассчитать плотность таблетки.

6.Вычислить отношение высоты к диаметру hd .

7.Для полученного отношения hd по графику рис. 3 определить коэффициент формы k2 для частоты f2 .

8.Рассчитать модуль Юнга E = 4h2 f22kiρ.

9.Рассчитать значение модуля сдвига G = 4h2 f12ρ.

10.Вычислить значение коэффициента Пуассона υ=(E2G)−1.

35

Рис. 6. Передняя панель ВИ «МУЗА 1.Vi»

Контрольные вопросы

1.Какие требования предъявляются к качеству топливных таблеток?

2.Каковы физические основы резонансного метода контроля качества топливных таблеток?

3.Перечислите основные виды дефектов и их влияние на резонансные характеристики таблетки.

4.Какие свойства таблеток можно изучать при их нагреве?

5.Объясните понятия «узлы» и «пучности» колебаний.

6.Какая форма колебаний в спектре таблеток имеет самое низкое значение частоты?

7.Какие формы колебаний в спектре таблеток являются вырожденными?

8.Какие резонансные частоты в спектре таблеток используются для целей контроля в настоящей работе?

36

Список рекомендуемой литературы

1.Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 320 с.

2.Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топ- ливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, А.М. Карасевич, Е.М. Кудрявцев, В.В. Ремизов, Г.А. Сарычев. —

М.: Наука, 1998. — 304 с.

3.Баранов В.М., Карасевич А.М., Сарычев Г.А. Испытания и контроль качества материалов и конструкций. — М.: Высшая шко-

ла, 2004. — 360 с.

4.Диагностика материалов и конструкций: Учеб. пособие / В.М. Баранов, А.М. Карасевич, Г.А. Сарычев. — М.: Высшая шко-

ла, 2007. — 380 с.

37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ ГЕЛИЯ В ТВЭЛАХ ВВЭР-440 УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ИМПЕДАНСНЫМ МЕТОДОМ

Цель: ознакомление с основами акустического импедансного метода контроля компонентов активной зоны энергетических ядерных реакторов и работой созданной в МИФИ установки «акустический измеритель давления» — АИДА, предназначенной для измерения давления гелия в тепловыделяющих элементах ВВЭР-440.

Теоретическая часть

Контроль давления гелия в герметичных твэлах при их производстве является обязательной операцией, обеспечивающей выходное качество продукции и её соответствие техническим условиям (ТУ). К настоящему моменту для целей контроля давления предложен ряд различных методов. Наиболее проработанным на сегодняшний момент является тепловой метод измерения давления в компенсационном объеме. Однако при реализации в производственных условиях он отличается сравнительной сложностью и нестабильностью. В настоящей лабораторной работе рассматривается разработанный в МИФИ ультразвуковой импедансный метод измерения давления, являющийся альтернативой тепловому методу. Метод и установка в настоящее время внедряются в технологическую цепочку на твэльном производстве.

Изучаемый метод контроля давления гелия в твэле базируются на эффекте демпфирования резонансных колебаний оболочки твэла топливными таблетками через газовый зазор. В качестве информативного параметра используется добротность таких колебаний Qn .

Чем выше давление гелия в зазоре, тем лучше акустическое согласование между оболочкой и таблетками, и, следовательно, тем меньше добротность Qn колебаний оболочки. В настоящей работе

для целей контроля выбраны окружные резонансные моды механических колебаний оболочки на волнах Лэмба, которые могут быть локализованы по ее длине на участке, равном 3 — 4 диаметра.

38

Волны Лэмба — упругие волны, распространяющиеся в пластинах, оболочках и трубках, то есть объектах, имеющих две границы раздела сред. При распространении волн Лэмба колебательное смещение частиц пластины происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно ее плоскости. Волны Лэмба представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе, которым являются пластина или оболочка, с границами свободными от механических напряжений. Волны Лэмба делятся на симметричные, обозначаемые символом s , и антисимметричные — a . В симметричных волнах смещение частиц среды происходит симметрично относительно срединной плоскости пластины. В антисимметричных волнах — антисимметрично относительно указанной плоскости, то есть в верхней и нижней половинах пластины смещения имеют противоположные знаки. В пластине толщиной 2h при заданной частоте ω может распространяться определенное конечное число симметричных и антисимметричных волн Лэмба, различающихся фазовыми и групповыми скоростями, а также модой (формой) колебаний. Под модой понимается характерное распределение колебательных смещений и напряжений по толщине пластины при заданной частоте ω. Число таких волн тем больше, чем выше значение параметра ωhct , где ct — фазовая

скорость сдвиговых (поперечных) волн. При малых толщинах объекта, например оболочки твэла, на частотах, используемых при контроле давления, отношение ωhct <1. В этом случае возможно

распространение только двух волн Лэмба нулевого порядка s0 и a0 , которые представляют соответственно продольную и изгибную волны в оболочке. Продольная волна s0 схожа с продольной вол-

ной в неограниченном твёрдом теле. В ней преобладает продольная компонента смещения, и только вследствие того, что грани пластины свободны от напряжений, появляется небольшое смещение, которое в ct ωh раз меньше продольного. Вследствие уменьшения

продольной жёсткости из-за податливости боковых граней, фазовая скорость этой волны clпл несколько меньше фазовой скорости про-

дольной волны cl в неограниченном твёрдом теле и равна clпл = cl (1−2υ)(1−υ)2 ,

39

где υ — коэффициент Пуассона. При увеличении толщины пластины свойства этих волн меняются — они всё более становятся похожими одна на другую.

Волны Лэмба более высокого порядка (выше нулевого) появляются только при некоторых критических значениях параметра ωhct . При докритических толщинах и частотах эти волны пред-

ставляют собой движение, быстро затухающее вдоль пластины. При критических значениях параметра ωhct =ωnhct по толщине

пластины укладывается чётное или нечётное число продольных или сдвиговых полуволн. Возникающая при этом волна представляет собой соответственно чисто продольную или чисто сдвиговую стоячую волну, образованную двумя волнами с соответствующей поляризацией и равными амплитудами, распространяющимися в положительном и отрицательном направлениях поперек пластины.

Анализ основных особенностей волн Лэмба показывает, что для целей контроля давления в твэлах целесообразно использовать нижние гармоники симметричных волн нулевого порядка s0 . Они,

с одной стороны, хорошо демпфируются, с другой — слабо чувствительны к изменению толщины стенки оболочки. В цилиндрической оболочке с тонкими стенками уравнение резонансных частот

где R — радиус срединной линии оболочки; n – номер гармоники; ρ, E — соответственно плотность и модуль Юнга материала

оболочки. Как указано выше, в качестве информативного параметра при контроле давления гелия используется добротность окружных колебаний. Добротность Qn характеризует диссипативные

свойства колебательной системы, в нашем случае участка оболочки, при колебании на n -й гармонике

где Wn — колебательная энергия участка трубы при колебаниях на частоте ωn (энергия, запасённая в колебательной системе в течение периода колебаний T = 2πωn ); ∆Wn — потери энергии за период колебаний.

40