Установка контроля плотности цилиндрических изделий
DENSITY CONTROL UNIT FOR CYLINDRICAL PRODUCTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам контроля структуры таблеток ядерного топлива для тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано для контроля плотности таблеток ядерного топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что для обеспечения длительной и безопасной работы ядерного реактора необходимо снаряжать тепловыделяющие элементы (твэлы) топливными таблетками с параметрами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ и ТУ. Один из таких параметров является плотность таблеток ядерного топлива. Большой разброс по плотности топливных таблеток приводит к неравномерности загрузки урана по длине твэла и, следовательно, к неравномерному нагреву по длине твэла, а при высокой плотности, топливная таблетка, имеет повышенную хрупкость, что может привести к ее растрескиванию. Выше перечисленные факторы влияют на надежность, длительность и безопасность эксплуатации ядерного топлива в реакторе.
Известен способ измерения плотности путем определения массы контролируемого вещества и помещения его в измерительную емкость, уменьшения ее объема и измерения изменения давлений в измерительной емкости до и после помещения в нее контролируемого вещества при изменении объема измерительной емкости на величину, пропорциональную массе вещества, при этом дополнительно изменяют на фиксированную величину объем герметично закрытой измерительной емкости без контролируемого материала, измеряют изменение давления, определяют отношение полученного изменения давления к изменению давлений до и после помещения контролируемого материала в измерительную емкость и о плотности судят по разности этих отношений (RU 2540247 опуб. 10.02.2015).
Недостатком данного способа является то, что измерение объема тела должно быть выполнено при измерении давления в пустой емкости и измерении давления в емкости с телом, а расчет объема выполняется вручную. Кроме того, данный способ наиболее применим для измерения плотности тел имеющих большие размеры.
Известен способ определение плотности твердых тел, включающий взвешивание исследуемого тела, помещенного в измерительную кювету, при этом взвешивание проводят в рабочей жидкости в воздушном пузыре, вначале - при нормальном давлении, затем - при пониженном, после чего очищают кювету от исследуемого тела, заполняют ее рабочей жидкостью и определяют вес кюветы в рабочей жидкости. Расчет плотности проводят по формуле (RU 2203480, опуб. 27.04.2003).
Недостатком данного способа является то, что все операции по передаче изделий выполняются вручную, визуальный контроль проводимых измерений, а также применение жидкости, приготавливаемой из специальных растворов с использованием дистиллированной воды и необходимостью постоянного контроля за температурой жидкости. Все это значительно усложняет процесс измерения.
Известна установка контроля плотности таблеток ядерного топлива, содержащая измерительный узел, включающий источник гамма-излучения и блок детектирования, транспортное устройство для перемещения таблеток и поджимную пяту, а также блок управления и обработки результатов измерения, предназначенный для управления работой транспортным устройством, для обработки результатов измерения и разбраковки таблеток. Транспортный механизм для перемещения таблеток включает механизм вращения, предназначенный для фиксации, вращения и сортировки таблеток. Таблетки из узла загрузки поштучно подаются в зону контроля на валы механизма вращения, таблетка поджимается пятой к измерительной призме, просвечивается потоком гамма-излучения, который регистрируется блоком детектирования. Механизм вращения дважды поворачивает таблетку на 120 градусов и измерение повторяется. За результат измерения принимается среднее значение трех измерений для одной таблетки (RU 2209477, опуб. 27.07.2003).
Недостатком данной установки является низкая производительность, обусловленная поштучной подачей таблеток в зону контроля. Они непригодны для сплошного контроля и применяются только для выборочного контроля плотности таблеток ядерного топлива.
Известен геометрический способ определения плотности твердых тел (Воджайло Е.Г., Кожокарь М.Ю. «ФИЗИКА. Определение плотности твердых тел по их геометрическим размерам и массе» СПб. 2016 г., 30). В данном способе при помощи штангенциркуля или микрометра измеряются геометрические размеры тела, и по этим размерам вычисляется его объем, затем тело взвешивается на весах и по соотношению массы к объему находят плотность тела.
Недостатком данного способа является необходимость выполнения большого количества измерений, математических вычислений и возможность определения плотности только тех твердых тел, которые имеют правильную геометрическую форму.
Наиболее близким аналогом изобретения является установка контроля плотности таблеток ядерного топлива, содержащая измерительный узел, включающий источник гамма-излучения и блок детектирования, транспортный механизм для перемещения таблеток и поджимное устройство, а также блок управления и обработки результатов измерения, предназначенный для управления работой транспортного механизма, для обработки результатов измерения и разбраковки таблеток. Транспортный механизм включает первый транспортный узел для перемещения исходной и выходной паллет для столбиков таблеток в поперечном направлении, второй транспортный узел для продвижения столбика таблеток через измерительный узел с исходной на выходную паллету, а поджимное устройство выполнено с возможностью поджатия таблеток при продвижении столбика таблеток через измерительный узел (RU 2458416, опуб. 10.08.2012).
Недостатком данной установки является наличие источников ионизирующего излучения, требующих установки защитных экранов для защиты людей от излучений и большая погрешность измерения плотности, связанная с тем, что измеряется плотность не всего изделия, а плотность в сечении изделия.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачами изобретения являются:
- автоматизация технологического процесса контроля плотности каждого цилиндрического изделия (топливной таблетки) в топливном столбе;
- исключение влияния «человеческого фактора» при контроле плотности цилиндрических изделий;
- исключение необходимости применения источников ионизирующего излучения, требующих установки специального защитного оборудования;
- обеспечение заданной производительности, при контроле плотности цилиндрических изделий;
- исключение необходимости введения коэффициентов пересчета, учитывающих нелинейные размеры изделий;
- автоматизация процесса формирования, сохранения и передачи результатов измерения плотности изделий.
Техническим результатом заявленного изобретения является: автоматизированный, оперативный, высоконадежный, исключающий человеческий фактор контроль плотности цилиндрических изделий с режимом автоматического расчета плотности и передачей результатов измерения в базу данных.
Указанный технический результат достигается за счет того, что установка контроля плотности цилиндрических изделий состоит из последовательно установленных узла загрузки изделий, содержащего входной накопитель с затвором для поштучной подачи изделий, узла выгрузки изделий, содержащего устройство выталкивания изделий и выходной накопитель, в который выгружаются изделия, системы управления и обработки данных. Установка содержит узел измерения массы изделий, узел измерения объема изделий, включающий преобразователь разности давлений с двумя полостями, одна из которой соединена с измерительной камерой, в которую загружается контролируемое изделие, другая соединена с образцовой камерой, в которой постоянно находится образец изделия, а каждая камера снабжена клапаном, открывающим и закрывающим вход в полость преобразователя разности давлений. Клапаны в узле измерения объема изделий магнитные и управляются пневмоцилиндром. Узел измерения массы изделий содержит высокоточные электронные весы. Устройство выталкивания представляет собой пневмоцилиндр с установленным на его штоке рычагом. В качестве системы управления и обработки данных, она содержит контроллер.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема установки с ее основными узлами.
На фиг. 2 представлена функциональная схема узла измерения объема.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цилиндрические изделия (например, топливные таблетки) вручную укладываются на входной накопитель 1, откуда при отрывании затвора 2, поштучно поступают в ложемент линейно-поворотного механизма 3. Линейно-поворотный механизм 3 подает изделие в измерительную камеру 8 узла измерения объема.
В состав узла измерения объема входят измерительная камера 8, в которую загружается контролируемое изделие и образцовая камера 9, в которой постоянно находится образец изделия, имеющий объем равный нижнему пределу измерения объема установки. Измерительная и образцовая камеры соединены соответственно с «минусовой» и «плюсовой» полостью преобразователя разности давлений 10. В камере подготовки образцового давления 12, при помощи исполнительных механизмов создается первое образцовое давление, которое поступает в измерительную и образцовую камеры. Камеры перекрываются магнитными клапанами, управляемыми пневмоцилиндром ПЦ1. Контроль давления осуществляется по преобразователю абсолютного давления 11. Затем в камере подготовки образцового давления 13 создается второе образцовое давление, которое заполняет «минусовую» и «плюсовую» полости преобразователя разности давлений 10. Магнитные клапана, управляемые пневмоцилиндром ПЦ2, перекрывают «минусовую» и «плюсовую» полости преобразователя разности давлений 10. С помощью команды от контроллера пневмоцилиндр ПЦ1 автоматически открывает клапана, соединяет измерительную камеру и образцовую камеру соответственно с «минусовой» и «плюсовой» полостью преобразователя разности давлений 10. Из-за того что в измерительной камере находится изделие с большим объемом, ее свободный объем меньше, чем свободный объем образцовой камеры, в полученных замкнутых системах: измерительная камера 8 - «минусовая» полость преобразователя разности давлений 10 и образцовая камера 9 - «плюсовая» полость преобразователя разности давлений 10, создаются разные давления. Полученная разность давлений измеряется преобразователем разности давлений 10 и зависит от объема загружаемого изделия.
После измерения объема открывается магнитный клапан управляемый пневмоцилиндром ПЦ3, соединяя пневматическую систему с атмосферой и линейно-поворотный механизм 3 извлекает изделие из измерительной камеры и выгружает его в ложемент рычажно-поворотного механизма 4. Рычажно-поворотный механизм 4 выгружает изделие на призму весов 6, для измерения массы изделия. После измерения массы, устройство выталкивания 5 перемещает изделие в выходной накопитель 7. По полученным результатам измерения массы и объема изделия, система управления (контроллер) выполняет расчет плотности.
Годные по плотности проконтролированные изделия возвращаются в партию для продолжения технологического процесса по изготовлению изделий. Изделия с отклонением по плотности, как и вся партия изделий, из которой они отбирались, отправляются в брак.