小管径管材外形尺寸的高精度测量技术

求机械安装精度的前提下，提高核级小管径管材外形尺寸的测量精度。并通过自研的TESC-200 管材高速检测系统在4 000 r-min_1的条件下进行试验，验证了该方法的有效性。关键词：外径测量；高精度；周期分析；置信度

中图分类号：TG115.28 文献标志码：A 文章编号:1000-6656(2020)12-0044-04High precision measurement technology of small diameter pipeZHANG Yicheng. NIE Yong. CAI Jiafan(In-Service Inspection Centre» China Nuclear Power Operation Corporation, Ltd.» Wuhan 430072, China)Abstract: When the outer diameter of the small diameter pipe is measured by the double ultrasonic probe

immersed in water, the axis of the probe group cannot be completely coincident, and the imeasurable deviation of the rotation center of the probe group and the axis of the tube to be detected shall result in the error of the outside

diameter being beyond the nuclear level o£ small diameter pipe measurement requirements・ To this end, the discrete signal cycle separation and statistics of small pipe diameter measurement method were established, which shall improve the nuclear grade small diameter pipe diameter measurement accuracy without demanding mechanical

installation accuracy. And the validity of the method was verified by the self-developed TESC-200 pipe high-speed

detection system under the condition of 4 000 r-min 1.Key words:diameter measurement； high precision； cycle analysis； confidence核级小管径管材是指外径在6〜20 mm的特种

与统计技术，是以同相位角对比技术为基础,最大程 度地弱化机械安装误差和采集系统误差的影响的一 种技术。精密管材，被广泛应用在核电堆芯及换热器等核心 部件中。核级小管径管材在核电机组的建设与运营

期间使用量极大，以AP1000核电站的蒸发器为例，

每台蒸发器换热管的数量多达10 000多根,总长度

1管材测量误差分析理论上，相位角相差180°的两个直探头可用于

约为225 km。为此，核电厂需要在管材安装前对其 进行快速的自动化测量，并保证管材的测量效率和 测量精度。采用传统的双探头水浸超声自动化检测 系统进行检测时，由于检测系统的机械存在偏心，数

直径测量。直径计算可用以下公式表示。D=L-(Zi +f2) • V/2 (1)式中:D为被测管在某周向方位角(相位角)的直径;

字化超声采集系统存在系统误差，导致难以达到微 米级的测量精度口勿。针对核级小管径管材设计的离散信号周期分离L为两个直探头之间的距离;“，&分别为两个直探

头的界面波回波时间(全声程);V为水中的声速。该公式成立的充要条件有:①两个探头的旋转 中心与被检管材轴心重合;②两个探头的声束轴线

收稿日期:2020-06-21作者简介：张益成(1984-),男，博士，高级工程师，主要从事无 损检测技术研究工作完全重合;③水中声速稳定;④两探头之间距离为定 值;⑤超声采集系统不存在系统误差。但实际上，上 述要求均无法采用物理方式进行保证,且充要条件引

通信作者：张益成，zhangyc02@cnnp. com. cn起的测量误差也各不相同。44 2020年第42卷第12期张益成，等：小管径管材外形尺寸的高精度测量技术双水浸探头组超声米集系统如图1所示。I探头”・■・■[被检管材】■■■■■[探头

::图1双水浸探头组超声采集系统示意(1)探头偏心⑶当探头的旋转中心偏离被检管材中心d mm时, 探头测得的“(或者&)最大值和最小值的差值为

2d/V,并且在不同相位角上均不相同。偏差值与相

位角的关系为Ar, (，0八)

= V-------------------------------------------(jRcos O')2 + (J?sin 6 — S')2 _ R (2)式中:R为被检管材半径;0为探头所处的相位角

(0=90°时,偏差值4最小，为一8/V)„由探头偏心产生的误差可以由对向的探头进

行一定程度的补偿，两个探头的声程时间偏差值 之和为AT = Az (00)+ Az ((9i)=

[J(Rcos ¥ + (Rsin 0。一d)，+J(Rcos Qi)' + (Rsin g —d)? — 2K]/V (3)

式中:00,01分别为两探头所在的周向相位角。(2) 探头轴线偏离根据式(3)可知，当且仅当0与0。相差180°

时,偏差值最小。但是机械安装存在一定程度的偏

差,因此上述偏差值会被放大。如图2所示，假设

5=0.01 R时，若两个探头相位角相差180°(实线),

则最大声程时间偏差值为1.0X10-4I?/V；当两个探 头相位角相差180.5°时(虚线)，最大声程时间偏差 值为1.87X10TR/V,是前者的1.87倍。(3) 水中声速⑷水中声速受环境变化影响，可以通过对比参考探头探测固定靶的回波时间的方式进行修正。(4) 探头间距探头是安装在旋转部件上的，当旋转组件髙

速旋转时，探头的安装间隙会减小，具体的间隙距 离与机械状态相关，无法精确测量，其会影响管材

的外形尺寸测量。但是可以认为同一个机械系统 在相同的转速条件下，安装间隙(L)不变。因此，

可以通过AT的计算获得相对准确的管材外形

尺寸。(5) 超声数字采集系统误差超声数字采集系统是通过模数转换将超声的模

拟信号转换成数字信号，即将连续信号转换成离散 信号。该过程存在信息丢失，在/ = 100 MHz的模

数转换频率下，单探头信号的理论时间精度为

±5 ns,双探头情况下理论时间精度为±10 ns,转

换成水中半声程的距离为土0.007 4 mm。2离散信号周期分析由上述分析可知，采用双水浸探头检测管材的 外形尺寸误差为±(0.5// + 47)°因此，采用离散

信号周期分析的方式将AT值尽可能地降低。采用自研的TESC-200管材自动检测系统以

1 350 r-min\"1的速度，对直径为6.6 mm的标定管

进行直径测量。用等时间间隔(0.125 ms)的方式采

集两个直探头的管壁回波，记录各自的全声程时间

(分别记为\"，仇)。采集的原始数据及\"局 部放大波形如图3所示。由图3可以发现心心均

以周期震荡的方式变化的，计算发现其震荡周期为

17.0 r艮1、A叵 6..5O运lx6.皱 5.U

虹

IX5 .5O0 2 4 6 8 10 12 14 16 18采集时序/( X125 ms)卑(a)原始数据、叵富昵肛烟垢回區殊

(b)_局部放大图图3 t\\、t2采集的原始数据及“局部放大波形2020年第42卷第12期45张益成.等：小管径管材外形尺寸的高精度测量技术44.65 ms,反算旋转头的转速为1 343.7 r・min「.近

似为设置转速。其误差来源于模拟信号到数字信号 的采样间隔偏差。图3中儿数据的局部放大图显示，一个周期中 最大最小值的点数多达数十个，且每个周期略有不

同，因此难以用极值点作为周期判断的标准。采用

如图4所示的峰值截断方式获得每个离散数据周期 的特征区间.以区间的中点位置作为周期的特征值

点。通过计算发现，相邻的最大值和最小值相差接 近半个周期（平均为17&49个采集点）。对&数据

进行相同的处理，可获得相同的结论，且其周期与 的相等。叵•&磋K

图4周期及半周期的算法数据将两组数据进行纵向平移处理（采用临近点插值

算法进行偏移计算），得到图5所示结果。放大其中若干个周期后观察，发现卩与5相差并非半个周期, 采用上述周期算法，可得出周期相差约165.51个采样点，即两个探头的周向相位角相差约166.91°,采用0.15宝、0.10叵

-&^

0.05K

0.00础-0.05坦

回-0.10IsIff歟

-0.15-0.206

8

10 12 14 16 18采集时序/(X125ms)38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

采集时序/（X125 ms）图5纵向平移后的两组数据对比及其局部放大462020年第42卷第12期式（3）进行计算则偏差值远大于第1节中的算例。将

t2向横坐标正方向平移13.09个数据点，可以使其

与n的相位刚好相差180°。t2平移后的数组与Zj 直接叠加后，可用于计算任意时刻任意相位角的管 材直径。3检测数据统计在标定管轴向不移动的情况下.使用TESC-

200 采集系统采集到的以和t2数据理论上在每个

周期中应该保持一致。在实际数据采集过程中，发 现在不同的相位角上存在整数倍测量精度的误差

（NX0.007 4 mm.N<2）o这是系统误差，不易去

除。将26个完整周期的数据.通过平移放置于同一

周期后的显示结果如图6所示，图中可较为清晰地

观察到各相位角上的误差范围。卑

、叵起^<则集回

畤

Is图6 26个周期数据的重叠显示统计其中某一个相位角（74.2°）上的数据分布, 得到的纵向数据分布如图7所示。图中14.310〜

14.311 “s的数据占数据总量的46.2%,其他数据占

了 53.8%。由于系统较为稳定，假设采集到数据的

置信度大于80%,通过搜索计算，得出14.310-

14.318爪范围内的数据均是合理数据的结论。采用相同的方法，计算每一个相位角置信度

大于80%的数据范围，可获一个周期内的可信数

据范围（见图8）。将测量数据平移至相同周期后

进行比较，超出范围的数据差值即是测量值与标准值的差值矣蔬定富S

界面回波全声程时间/声图7 74.2°相位角上的纵向数据分布张益成，等：小管径管材外形尺寸的高精度测量技术程度地消除超声数字采集系统的偏差。在某核级管

材加工厂，用自研的TESC-200检测系统对其生产

式中：为直径测量结果与标称值的差值；\"，& 为两个直探头标定后所得的管材界面波回波时间范 围（全声程）汀”5为两个直探头实际测量得到的管

的0 6.6 mm管材.0 9 mm管材进行直径测量。发 现当被检管材正常进行检测时（探头与管材呈相对 螺旋运动），直径测量误差在士 16 “m内。正常检测

材界面波回波时间（全声程）；V为标定时的名义声 速;Vend为通过参考探头实时修正的声速。的精度低于静态标定精度在±8 “m内，这是因为采 用对比法进行直径测量时.用于比较的基准值（标定

式中的一是表示仃超出“范围的值.可用公 式表示为的管外径非正圆）本身也存在偏差。5结论t 1 V

» r 1 Vmod =采用离散信号的周期分析方法，分析两个测量 探头各自不同相位角上的标定管的测量值，进行置 信度区间统计.获得标定管各相位角的外径标定值;

卩 lmaxV I^mod t I^^mod

' lmi\" V\"

t ImaxVI^mod0 t ImaxV i 1 Vmod ;S： t IminV （5）I'lminV tlVmod

置信区间的下限。采用相同的测量条件测量被检管材，计算同相位角 上探头的测量值与标定值偏差.作为被测管材的外径

式中山噺表示八数据置信区间的上限\"Imin为数据

式⑷中的\"，5*1*2均需进行预处理（横向

值与标定管外径的差值,以此获得被测管材外径值。采用自研的TESC-200检测系统进行测试，得 出以下结论。平移）至t「与切相位角相差180°,九与“相位角相（1） 在标定管标定位置处的测量误差，被控制

在数字采集系统的理论误差范围（0.5 V-f1）内。殳、叵起盟<

（2） 在正常采集过程中，因为未采用正圆标定管,

导致测量误差略大,在实际应用中仍在可接受范围内。相关。因此，采用离散信号周期分析与数据可信度统

集回區S

计的方法，可以最大程度地获得被检管材的高精度

外形尺寸。图8 —个周期内的可信数据范围参考文献：4实际检测结果采用基于离散信号周期分析的方法.理论上可

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