本發(fā)明涉及一種高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法和裝置，屬于絕緣材料無損檢測與評價技術領域。

背景技術：

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，它不僅應有優(yōu)良的電氣性能、機械性能和化學穩(wěn)定性，同時還應具有優(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機填料組成，聚四氟乙烯熔融態(tài)的黏度高達1011～1012pa·s，基本不流動，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的方法，先將聚四氟乙烯和填料進行混料、壓制和燒結，制成形狀簡單的毛坯，然后通過機加工獲得形狀復雜、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脂粉末的密度不同，在混合料加工過程中如果混料方法、壓制力或壓制時間控制不當，往往會出現(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，密度降低會導致噴口電氣強度、拉伸強度、表面硬度降低，在斷路器開斷過程中出現(xiàn)擊穿事故。

目前，滅弧噴口零部件質(zhì)量檢測中常用的手段是X射線實時成像，該方法對于噴口內(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射線成像板上幾乎不能造成影像黑度的差異，因而檢測靈敏度很低。就目前而言，在噴口零部件生產(chǎn)過程中，對于密度減小缺陷尚缺少可用的無損檢測方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法和裝置，用于解決滅弧噴口零部件密度的無損檢測這一技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法，包括以下方案：

方法方案一：包括

步驟1，對待測滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖；

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

步驟3，將所述超聲波速度和反射信號的峰值幅度與關系庫進行比對，進而獲取所述待測滅弧噴口的密度；所述關系庫是通過對各種密度不同的滅弧噴口測試樣品進行超聲波測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的峰值幅度的對應關系。

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

方法方案三：在方法方案一或方法方案二的基礎上，步驟3中獲取所述關系庫的步驟包括：

(1)獲取不同密度標準的滅弧噴口測試樣品；

(2)對所述滅弧噴口測試樣品發(fā)射超聲波脈沖；

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

(4)測量所述滅弧噴口測試樣品的密度；

(5)根據(jù)所述滅弧噴口測試樣品的密度、滅弧噴口測試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測試樣品下底面超聲波反射信號的峰值幅度，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峰值幅度對應關系的關系庫。

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

本發(fā)明還提供了一種高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測裝置，包括以下方案：

裝置方案一：包括

用于對待測滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖的單元；

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

用于將所述超聲波速度和反射信號的峰值幅度與關系庫進行比對，進而獲取所述待測滅弧噴口的密度的單元；所述關系庫是通過對各種密度不同的滅弧噴口測試樣品進行超聲波測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的峰值幅度的對應關系。

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

裝置方案三：在裝置方案一或裝置方案二的基礎上，獲取所述關系庫的裝置包括：

用于獲取不同密度標準的滅弧噴口測試樣品的單元；

用于對所述滅弧噴口測試樣品發(fā)射超聲波脈沖的單元；

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

用于測量所述滅弧噴口測試樣品的密度的單元；

用于根據(jù)所述滅弧噴口測試樣品的密度、滅弧噴口測試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測試樣品下底面超聲波反射信號的峰值幅度，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峰值幅度對應關系的關系庫的單元。

裝置方案四：在裝置方案三的基礎上，用于測量所述滅弧噴口測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出所述滅弧噴口測試樣品的密度。

本發(fā)明的有益效果是：通過檢測在待測滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測滅弧噴口下底面超聲波反射信號的峰值幅度，比對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峰值幅度對應關系的關系庫，進而獲取待測滅弧噴口的密度，有效實現(xiàn)滅弧噴口的無損檢測，為高壓斷路器滅弧裝置的安全性分析提供有效依據(jù)。

附圖說明

圖1是在5種不同壓力下所獲得的滅弧噴口試驗樣品；

圖2是超聲波檢測系統(tǒng)的結構圖；

圖3-1是壓力機壓力設定為70kN時的超聲波反射信號峰值幅度變化圖；

圖3-2是壓力機壓力設定為80kN時的超聲波反射信號峰值幅度變化圖；

圖3-3是壓力機壓力設定為90kN時的超聲波反射信號峰值幅度變化圖；

圖3-4是壓力機壓力設定為110kN時的超聲波反射信號峰值幅度變化圖；

圖3-5是壓力機壓力設定為123kN時的超聲波反射信號峰值幅度變化圖；

圖4是在不同壓力下所獲得的噴口試塊在不同采樣點的超聲波反射信號峰值幅度；

圖5是在不同壓力下所獲得的噴口試塊中在不同采樣點的超聲波聲速；

圖6是在不同壓力下所獲得的滅弧噴口測試樣品超聲波反射信號的峰值幅度與滅弧噴口測試樣品密度的對照關系；

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

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法的實施例。

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峰值幅度對應關系的關系庫，主要包括以下步驟：

(1)獲取不同密度標準的滅弧噴口測試樣品。

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

(2)對滅弧噴口測試樣品發(fā)射超聲波脈沖。

本實施例中采用構建的便攜式超聲波檢測系統(tǒng)進行超聲波的相關測量，該套檢測系統(tǒng)由便攜式超聲波探傷儀、數(shù)據(jù)線、三通連接器、超聲波探頭、耦合劑、數(shù)字示波器、USB閃存盤和計算機組成，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。本實施例中的便攜式超聲波探傷儀采用美國GE公司生產(chǎn)的USM Go超聲波探傷儀，超聲波探頭的型號為2.5Z10N。利用數(shù)據(jù)線實現(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數(shù)據(jù)線與超聲波探頭之間實現(xiàn)電氣連接，三通連接器的另一端通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字示波器之間實現(xiàn)電氣連接，將耦合劑涂抹到噴口密度試塊的待檢測部位，利用超聲波探頭對噴口密度試塊上涂抹耦合劑的部位進行檢測。

當然，在可實現(xiàn)對滅弧噴口測試樣品超聲波相關測量的情況下，也可采用現(xiàn)有的超聲波檢測系統(tǒng)。

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

利用構建的超聲波檢測系統(tǒng)對不同密度的噴口測試樣品進行超聲波信號采集。采用脈沖反射式檢測方式進行測量，用數(shù)字示波器分別記錄滅弧噴口測試樣品上表面和下底面的超聲波反射信號，經(jīng)USB閃存盤將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算機上進行分析。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試樣品的超聲波信號反射信號的采集結果，每種壓力下所獲得的噴口測試樣品分別進行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的下底面超聲波反射信號的峰值幅度，如圖4所示。

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

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

(4)測量滅弧噴口測試樣品的密度。

采用機加工的方法在已經(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所獲得的滅弧噴口試塊進行密度測量。首先在空氣中測出圓柱形試塊的質(zhì)量m₁，之后將盛水的水槽放入分析天平中，對天平進行調(diào)零，調(diào)零后將樣品放入水槽中，樣品完全浸沒在水中，此時測出的質(zhì)量為m₂，則圓柱形試塊的密度ρ的表達式為：

其中，ρ_水表示水的密度。

利用上述方法對5種不同加載壓力下噴口測試樣品進行測量，其中每種測試樣品進行5次測量求平均值，所測得的5種測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?，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試樣品的密度、滅弧噴口測試樣品內(nèi)的超聲波速度和滅弧噴口測試樣品下底面超聲波反射信號的峰值幅度，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峰值幅度對應關系的關系庫。

對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。當噴口材料密度減小時，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數(shù)大于因此可以用聲速c來測量噴口材料的密度變化。超聲波衰減是影響反射信號幅度的重要因素，當噴口材料密度減小時，其孔隙含量增加，導致衰減系數(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測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試樣品的下底面反射波峰值幅度和滅弧噴口測試樣品內(nèi)的超聲波聲速與滅弧噴口測試樣品密度的對照關系。由圖6和圖7可以看出，滅弧噴口測試樣品密度的變化關系與滅弧噴口測試樣品下底面反射波峰值幅度和滅弧噴口測試樣品內(nèi)的超聲波聲速的變化關系之間具有很好的對應性，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峰值幅度對應關系的關系庫。當需要測量滅弧噴口的密度時，只需要獲取待測滅弧噴口內(nèi)的超聲波速度以及待測滅弧噴口下底面超聲波反射信號的峰值幅度，并與關系庫進行比對，即可得到待測滅弧噴口的密度。

在上述實施例中，僅是以5種不同密度標準的滅弧噴口測試樣品為例來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峰值幅度對應關系的關系庫的方法，在實際建立關系庫的過程中，需要對多種密度標準的滅弧噴口測試樣品進行多次采樣，且選用的密度標準的種類越多，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峰值幅度對應關系的關系庫中的信息就越完整和精確。

當然，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峰值幅度的對應關系也可通過查表或者是現(xiàn)有技術中已有的計算公式來獲取。

另外，本實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峰值幅度的對應關系的方法是對一個滅弧噴口測試樣品先進行超聲波檢測，再在該滅弧噴口測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量試塊的密度，當然，也可以采用其他方法來測量該試塊的密度，將該試塊的密度看作是滅弧噴口測試樣品的密度。也可以對一個滅弧噴口測試樣品先進行超聲波檢測，然后直接對整個測試樣品進行密度測量，或者是對于可認為是相同密度的多個滅弧噴口測試樣品，選擇對其中一部分樣品進行超聲波檢測，對另外一部分樣品進行密度測量，通過多次測量求均值法，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峰值幅度對應關系的關系庫。

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峰值幅度對應關系的關系庫，高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法具體包括以下步驟：

步驟1，對待測滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖；

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

步驟3，將超聲波速度和反射信號的峰值幅度與關系庫進行比對，進而獲取待測滅弧噴口的密度。

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

高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測裝置的實施例：包括

用于對待測滅弧噴口發(fā)射超聲波脈沖的單元；

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

用于將所述超聲波速度和反射信號的峰值幅度與關系庫進行比對，進而獲取所述待測滅弧噴口的密度的單元；所述關系庫是通過對各種密度不同的滅弧噴口測試樣品進行超聲波測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的峰值幅度的對應關系。

本發(fā)明中的高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測裝置，實際上是基于上述高壓開關設備用滅弧噴口的密度無損檢測方法的一種計算機解決方案，即一種軟件構架，該軟件可以運行于滅弧噴密度檢測設備中。由于對上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，故不再詳細進行描述。