本發(fā)明涉及一種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法和裝置，屬于絕緣材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

滅弧噴口是SF6高壓斷路器滅弧裝置中控制電弧、創(chuàng)造高速氣吹條件的核心部件，它不僅應(yīng)有優(yōu)良的電氣性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還應(yīng)具有優(yōu)良的耐電弧燒蝕性能。滅弧噴口材料由聚四氟乙烯和三氧化二鋁無(wú)機(jī)填料組成，聚四氟乙烯熔融態(tài)的黏度高達(dá)1011～1012pa·s，基本不流動(dòng)，所以既不能用熔融加工法，也不能用溶解加工法。在生產(chǎn)中一般采用冷壓燒結(jié)的方法，先將聚四氟乙烯和填料進(jìn)行混料、壓制和燒結(jié)，制成形狀簡(jiǎn)單的毛坯，然后通過(guò)機(jī)加工獲得形狀復(fù)雜、尺寸精度高的噴口零部件。采用上述工藝制造的滅弧噴口，由于填料氧化鋁和聚四氟乙烯樹(shù)脂粉末的密度不同，在混合料加工過(guò)程中如果混料方法、壓制力或壓制時(shí)間控制不當(dāng)，往往會(huì)出現(xiàn)噴口局部密度降低的現(xiàn)象。密度是影響噴口使用性能的重要指標(biāo)，密度降低會(huì)導(dǎo)致噴口電氣強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、表面硬度降低，在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中出現(xiàn)擊穿事故。

目前，滅弧噴口零部件質(zhì)量檢測(cè)中常用的手段是X射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像，該方法對(duì)于噴口內(nèi)部的金屬夾雜和氣孔等體積型缺陷比較敏感。但是，由于X射線(xiàn)在噴口材料內(nèi)部的衰減系數(shù)較小，噴口密度的微小變化在X射線(xiàn)成像板上幾乎不能造成影像黑度的差異，因而檢測(cè)靈敏度很低。就目前而言，在噴口零部件生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于密度減小缺陷尚缺少可用的無(wú)損檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法和裝置，用于解決滅弧噴口零部件密度的無(wú)損檢測(cè)這一技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法，包括以下方案：

方法方案一：包括

步驟1，對(duì)待測(cè)滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖；

步驟2，檢測(cè)在所述待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度并獲取待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度；

步驟3，將所述超聲波速度和反射信號(hào)的峰值幅度與關(guān)系庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而獲取所述待測(cè)滅弧噴口的密度；所述關(guān)系庫(kù)是通過(guò)對(duì)各種密度不同的滅弧噴口測(cè)試樣品進(jìn)行超聲波測(cè)試得到的滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

方法方案二：在方法方案一的基礎(chǔ)上，步驟2中通過(guò)多次檢測(cè)求均值法來(lái)獲取在所述待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度。

方法方案三：在方法方案一或方法方案二的基礎(chǔ)上，步驟3中獲取所述關(guān)系庫(kù)的步驟包括：

(1)獲取不同密度標(biāo)準(zhǔn)的滅弧噴口測(cè)試樣品；

(2)對(duì)所述滅弧噴口測(cè)試樣品發(fā)射超聲波脈沖；

(3)檢測(cè)在所述滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度并獲取所述滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度；

(4)測(cè)量所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度；

(5)根據(jù)所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度、滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)。

方法方案四：在方法方案三的基礎(chǔ)上，步驟(4)中利用分析天平和阿基米德排水法原理測(cè)出所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度。

本發(fā)明還提供了一種高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)裝置，包括以下方案：

裝置方案一：包括

用于對(duì)待測(cè)滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖的單元；

用于檢測(cè)在所述待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度并獲取待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的單元；

用于將所述超聲波速度和反射信號(hào)的峰值幅度與關(guān)系庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而獲取所述待測(cè)滅弧噴口的密度的單元；所述關(guān)系庫(kù)是通過(guò)對(duì)各種密度不同的滅弧噴口測(cè)試樣品進(jìn)行超聲波測(cè)試得到的滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

裝置方案二：在裝置方案一的基礎(chǔ)上，通過(guò)多次檢測(cè)求均值法來(lái)獲取在所述待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度。

裝置方案三：在裝置方案一或裝置方案二的基礎(chǔ)上，獲取所述關(guān)系庫(kù)的裝置包括：

用于獲取不同密度標(biāo)準(zhǔn)的滅弧噴口測(cè)試樣品的單元；

用于對(duì)所述滅弧噴口測(cè)試樣品發(fā)射超聲波脈沖的單元；

用于檢測(cè)在所述滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度并獲取所述滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的單元；

用于測(cè)量所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度的單元；

用于根據(jù)所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度、滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)的單元。

裝置方案四：在裝置方案三的基礎(chǔ)上，用于測(cè)量所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度的單元利用分析天平和阿基米德排水法原理測(cè)出所述滅弧噴口測(cè)試樣品的密度。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)檢測(cè)在待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，比對(duì)滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)，進(jìn)而獲取待測(cè)滅弧噴口的密度，有效實(shí)現(xiàn)滅弧噴口的無(wú)損檢測(cè)，為高壓斷路器滅弧裝置的安全性分析提供有效依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是在5種不同壓力下所獲得的滅弧噴口試驗(yàn)樣品；

圖2是超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3-1是壓力機(jī)壓力設(shè)定為70kN時(shí)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度變化圖；

圖3-2是壓力機(jī)壓力設(shè)定為80kN時(shí)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度變化圖；

圖3-3是壓力機(jī)壓力設(shè)定為90kN時(shí)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度變化圖；

圖3-4是壓力機(jī)壓力設(shè)定為110kN時(shí)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度變化圖；

圖3-5是壓力機(jī)壓力設(shè)定為123kN時(shí)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度變化圖；

圖4是在不同壓力下所獲得的噴口試塊在不同采樣點(diǎn)的超聲波反射信號(hào)峰值幅度；

圖5是在不同壓力下所獲得的噴口試塊中在不同采樣點(diǎn)的超聲波聲速；

圖6是在不同壓力下所獲得的滅弧噴口測(cè)試樣品超聲波反射信號(hào)的峰值幅度與滅弧噴口測(cè)試樣品密度的對(duì)照關(guān)系；

圖7是在不同壓力下所獲得的滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波聲速與滅弧噴口測(cè)試樣品密度的對(duì)照關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法的實(shí)施例。

首先，獲取滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)，主要包括以下步驟：

(1)獲取不同密度標(biāo)準(zhǔn)的滅弧噴口測(cè)試樣品。

滅弧噴口零部件的生產(chǎn)流程為：混料—模壓—燒結(jié)—切削加工—清理及包裝。通過(guò)改變模壓過(guò)程中壓力機(jī)壓力可以得到一系列密度不同的噴口壓制坯料，之后經(jīng)過(guò)燒結(jié)、切削加工得到噴口樣品。壓力機(jī)壓力分別設(shè)定為70kN、80kN、90kN、110kN和123kN，最終獲得的圓柱形測(cè)試樣品如圖1所示。

(2)對(duì)滅弧噴口測(cè)試樣品發(fā)射超聲波脈沖。

本實(shí)施例中采用構(gòu)建的便攜式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波的相關(guān)測(cè)量，該套檢測(cè)系統(tǒng)由便攜式超聲波探傷儀、數(shù)據(jù)線(xiàn)、三通連接器、超聲波探頭、耦合劑、數(shù)字示波器、USB閃存盤(pán)和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本實(shí)施例中的便攜式超聲波探傷儀采用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的USM Go超聲波探傷儀，超聲波探頭的型號(hào)為2.5Z10N。利用數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)便攜式超聲波探傷儀與三通連接器之間的電氣連接，三通連接器的一端通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與超聲波探頭之間實(shí)現(xiàn)電氣連接，三通連接器的另一端通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與數(shù)字示波器之間實(shí)現(xiàn)電氣連接，將耦合劑涂抹到噴口密度試塊的待檢測(cè)部位，利用超聲波探頭對(duì)噴口密度試塊上涂抹耦合劑的部位進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)然，在可實(shí)現(xiàn)對(duì)滅弧噴口測(cè)試樣品超聲波相關(guān)測(cè)量的情況下，也可采用現(xiàn)有的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。

(3)檢測(cè)在滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度并獲取該滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度。

利用構(gòu)建的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同密度的噴口測(cè)試樣品進(jìn)行超聲波信號(hào)采集。采用脈沖反射式檢測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量，用數(shù)字示波器分別記錄滅弧噴口測(cè)試樣品上表面和下底面的超聲波反射信號(hào)，經(jīng)USB閃存盤(pán)將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。圖3-1到圖3-5分別給出了5種不同壓力下所獲得的噴口測(cè)試樣品的超聲波信號(hào)反射信號(hào)的采集結(jié)果，每種壓力下所獲得的噴口測(cè)試樣品分別進(jìn)行10次采樣。在圖3-1至圖3-5給出的波形圖中直接讀出在不同壓力下所獲得的噴口試塊在不同采樣點(diǎn)的下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，如圖4所示。

在圖3-1至圖3-5中，測(cè)量出噴口測(cè)試樣品上表面和下底面超聲波反射信號(hào)之間的時(shí)間間隔Δt，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量5種不同密度噴口試樣的厚度d，則噴口的聲速c的計(jì)算公式為：

根據(jù)公式(1)，求取在5種不同壓力下所獲得的噴口測(cè)試樣品在不同采樣點(diǎn)的超聲波聲速，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

(4)測(cè)量滅弧噴口測(cè)試樣品的密度。

采用機(jī)加工的方法在已經(jīng)加工好的噴口樣品上截取φ20×10mm²的圓柱形試塊，利用分析天平和阿基米德排水法原理對(duì)所獲得的滅弧噴口試塊進(jìn)行密度測(cè)量。首先在空氣中測(cè)出圓柱形試塊的質(zhì)量m₁，之后將盛水的水槽放入分析天平中，對(duì)天平進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零后將樣品放入水槽中，樣品完全浸沒(méi)在水中，此時(shí)測(cè)出的質(zhì)量為m₂，則圓柱形試塊的密度ρ的表達(dá)式為：

其中，ρ_水表示水的密度。

利用上述方法對(duì)5種不同加載壓力下噴口測(cè)試樣品進(jìn)行測(cè)量，其中每種測(cè)試樣品進(jìn)行5次測(cè)量求平均值，所測(cè)得的5種測(cè)試樣品的密度分別為2.18875g/cm³、2.18067g/cm³、2.18933g/cm³、2.199g/cm³和2.198g/cm³?？梢?jiàn)，隨著加載壓力的增大噴口密度整體上逐漸增大，80kN下的密度略小于70kN，120kN下的密度略小于110kN。

(5)根據(jù)所獲得的滅弧噴口測(cè)試樣品的密度、滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測(cè)試樣品下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)。

對(duì)于分布均勻的滅弧噴口材料，滅弧噴口內(nèi)的超聲波聲速c的表達(dá)式為：

其中，E為材料的彈性模量，單位為Gpa，ρ為材料密度，單位為g/cm³。當(dāng)噴口材料密度減小時(shí)，內(nèi)部孔隙含量增加，彈性模量也將減小，并且E的減小比密度的減小更快，即彈性模量的密度導(dǎo)數(shù)大于因此可以用聲速c來(lái)測(cè)量噴口材料的密度變化。超聲波衰減是影響反射信號(hào)幅度的重要因素，當(dāng)噴口材料密度減小時(shí)，其孔隙含量增加，導(dǎo)致衰減系數(shù)增大，底面反射波能量減小，因此可以用底面反射波幅度來(lái)測(cè)量噴口材料的密度變化。

圖6和圖7分別給出了在5種不同壓力下所獲得的滅弧噴口測(cè)試樣品的下底面反射波峰值幅度和滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波聲速與滅弧噴口測(cè)試樣品密度的對(duì)照關(guān)系。由圖6和圖7可以看出，滅弧噴口測(cè)試樣品密度的變化關(guān)系與滅弧噴口測(cè)試樣品下底面反射波峰值幅度和滅弧噴口測(cè)試樣品內(nèi)的超聲波聲速的變化關(guān)系之間具有很好的對(duì)應(yīng)性，因此可以將聲速和峰值幅度作為參量，建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)。當(dāng)需要測(cè)量滅弧噴口的密度時(shí)，只需要獲取待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，并與關(guān)系庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，即可得到待測(cè)滅弧噴口的密度。

在上述實(shí)施例中，僅是以5種不同密度標(biāo)準(zhǔn)的滅弧噴口測(cè)試樣品為例來(lái)具體介紹建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)的方法，在實(shí)際建立關(guān)系庫(kù)的過(guò)程中，需要對(duì)多種密度標(biāo)準(zhǔn)的滅弧噴口測(cè)試樣品進(jìn)行多次采樣，且選用的密度標(biāo)準(zhǔn)的種類(lèi)越多，每種密度的采樣次數(shù)越多，所建立的滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)中的信息就越完整和精確。

當(dāng)然，滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下表面超聲波反射信號(hào)峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系也可通過(guò)查表或者是現(xiàn)有技術(shù)中已有的計(jì)算公式來(lái)獲取。

另外，本實(shí)施例中獲取滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法是對(duì)一個(gè)滅弧噴口測(cè)試樣品先進(jìn)行超聲波檢測(cè)，再在該滅弧噴口測(cè)試樣品上截取圓柱形試塊，利用分析天平和阿基米德排水法原理測(cè)量試塊的密度，當(dāng)然，也可以采用其他方法來(lái)測(cè)量該試塊的密度，將該試塊的密度看作是滅弧噴口測(cè)試樣品的密度。也可以對(duì)一個(gè)滅弧噴口測(cè)試樣品先進(jìn)行超聲波檢測(cè)，然后直接對(duì)整個(gè)測(cè)試樣品進(jìn)行密度測(cè)量，或者是對(duì)于可認(rèn)為是相同密度的多個(gè)滅弧噴口測(cè)試樣品，選擇對(duì)其中一部分樣品進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)另外一部分樣品進(jìn)行密度測(cè)量，通過(guò)多次測(cè)量求均值法，建立滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下表面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)。

基于上述獲得的滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下表面超聲波反射信號(hào)峰值幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系庫(kù)，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法具體包括以下步驟：

步驟1，對(duì)待測(cè)滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖；

步驟2，檢測(cè)在待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度并獲取待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度；

步驟3，將超聲波速度和反射信號(hào)的峰值幅度與關(guān)系庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而獲取待測(cè)滅弧噴口的密度。

為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，步驟2中通過(guò)多次檢測(cè)求均值法來(lái)獲取在待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度，并且每次測(cè)量應(yīng)該選用滅弧噴口上的不同測(cè)量點(diǎn)。

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)裝置的實(shí)施例：包括

用于對(duì)待測(cè)滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖的單元；

用于檢測(cè)在所述待測(cè)滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度并獲取待測(cè)滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的單元；

用于將所述超聲波速度和反射信號(hào)的峰值幅度與關(guān)系庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而獲取所述待測(cè)滅弧噴口的密度的單元；所述關(guān)系庫(kù)是通過(guò)對(duì)各種密度不同的滅弧噴口測(cè)試樣品進(jìn)行超聲波測(cè)試得到的滅弧噴口密度與滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口下底面超聲波反射信號(hào)的峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明中的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)裝置，實(shí)際上是基于上述高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備用滅弧噴口的密度無(wú)損檢測(cè)方法的一種計(jì)算機(jī)解決方案，即一種軟件構(gòu)架，該軟件可以運(yùn)行于滅弧噴密度檢測(cè)設(shè)備中。由于對(duì)上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，故不再詳細(xì)進(jìn)行描述。