CZ31063U1 - Snímací zařízení pro zjišťování tvaru a rozměrů otvorů objektu v průhledném tekutém radioaktivním prostředí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká snímacího zařízení a způsobu pro bezkontaktní podrobné nasnímání vnitřních ploch otvorů především kruhového průřezu za účelem podrobné analýzy stavu a rozměrů těchto otvorů, například clonek, na objektu, například krytu jaderného reaktoru, nacházejícím se v průhledném prostředí tekutinového charakteru, které může být jinak opticky neznámé, radioaktivní a může být charakterizováno nižším nebo vyšším než atmosférickým tlakem. Dosavadní stav techniky

K měření a vyhodnocování stavu vnitřních ploch otvorů kruhového průřezu se využívají kontaktní nebo bezkontaktní způsoby a měřidla.

První skupinu tvoří metody založené na přiložení nebo rozevření stavitelných prvků mechanických měřidel, kterými dojde ke kontaktu s měřenou plochou o určité předepsané síle ve stanoveném počtu míst. Na základě míry zasunutí či rozepnutí se určí stanovený průměr. Mezi takováto měřidla patří dutinové mikrometry, mezní kalibry, posuvná měřítka apod. Změna stavitelných částí může být snímaná elektricky s možností archivace výsledků. Nevýhodnou uvedeného způsobu je, že měřidla předpokládají ideální ovalitu (kruhovitost) daného otvoru, nelze jimi získat podrobný stav otvoru.

Tento problém úspěšně řeší souřadnicové měřicí stroje. Problémem těchto strojů je vysoká cena, velké rozměry, dlouhá doba měření, vysoké nároky na obsluhu, přístupnost měřených objektů a provozní prostředí, které odpovídá laboratorním podmínkám.

Společnou výhodou kontaktních metod je poměrně nízká cena a vysoká přesnost měření až v řádech mikrometrů, avšak tato přesnost závisí na preciznosti obsluhy měřidla.

Společnou nevýhodou kontaktních metod je nutnost kontaktu, jenž vyžaduje určitou velikost kontaktních ploch a přítlačnou sílu, což má vliv na měřený povrch a podrobnosti nasnímání. Další zásadní nevýhodou je u většiny kontaktních snímačů nemožnost pracovat v kapalinách, neboť by zde došlo k poškození mechanických či elektronických částí z důvodu problematického utěsnění pohyblivých částí.

Druhou skupinu tvoří metody bezkontaktního měření obvykle založené na optických metodách. Mezi ně patří:

1. Stínová metoda měření

Je založená na principu detekce okraje stínu vrhaného objektem nebo okrajem otvoru. U této metody jsou proti sobě umístěny Vysílač (transmitter) s paralelním světelným svazkem s rovinnou vlnoplochou a Přijímač (receiver) vyhodnocující dopadající paprsky z vysílače. Mezi nimi se nachází otvor tak, aby se jeho osa nacházela na rovině vlnoplochy rovnoběžně se směrem paprsků. Světlo prochází pouze otvorem a dopadá na přijímač. Přijímač je většinou liniový a vyhodnocuje délku osvětlené části. Velikost světelného pruhu představuje měřený průměr. Předností metody je převážně u liniového přijímače vysoká přesnost, která v laboratorních podmínkách dosahuje až jednotky mikrometrů.

Další variantou je maticový snímač získávající dvourozměrný obraz. Nejčastěji využívaná konfigurace je založená na průsvitu otvoru, kdy zdroj světlaje v ose s kamerou, umístěný na protilehlé straně měřeného otvoru. Zpřesňuje se tak detekce hrany, avšak metoda umožňuje měřit pouze obrys s nejmenší světlostí. Základním požadavkem je pak možnost umístit zdroj světla na protilehlé straně tělesa, což nemusí být fyzicky možné.

Nevýhodou je v obou případech omezená aplikovatelnost metody pouze pro průchozí otvory s dostatečným prostorem před a za otvorem k umístění vysílače a přijímače, který z principu musí přesahovat rozměry otvoru. Navíc, metodou nelze naskenovat tvar vnitřní plochy, pouze se získá

-1 CZ 31063 Ul nejmenší průměr na celé délce otvoru. Metoda tudíž není vhodná pro hluboké otvory s proměnlivým průřezem. Další nevýhodou je citlivost přijímače na gama záření.

2. Stínové metody založené na měření intenzity světla

Tato metoda je založena na měření intenzity světla procházejícího otvorem. Měřicí systém je jednoduchý, ale umožňuje změřit pouze plochu otvoru, nikoliv jeho rozměry a využívá se pro otvory s menším průměrem. Vyžaduje zdroj světla umístěný v axiální ose otvoru proti fotocitlivému snímacímu prvku tak, aby světlo procházelo otvorem na snímací prvek. Může se využít v kombinaci s referenčním objektem sloužícím jako clona, například koule umístěná do otvoru. Modifikací této metody je využití více zdrojů světla v různé pozici pod různými úhly, což umožňuje částečnou analýzu tvaru otvoru na úkor delšího času měření a složitější konstrukce.

3. Měření rozměrů pomocí zpracování obrazu vstupního otvoru

Tato metoda je založena na vyhodnocení obrazu získaného z kamery umístěné ve vhodné vzdálenosti v ose nad měřeným otvorem. Objektiv kamery musí být na tuto vzdálenost zaostřen. Zvýšením kontrastu se zvýrazní hrany a přechody a určí zvolený obrys otvoru. Ze získaného obrysu se následně určí požadované rozměry otvoru.

Přesnost měření je ovlivněna rozlišením kamery, její polohou vůči ose otvoru, kvalitě objektivu a také zásadně kvalitou nasvícení. Pro získání kvalitního obrazuje nutný objektiv s velkou světelností, tedy s malou hloubkou ostrosti a bez nedefinovaných optických vad, které deformují obraz a nelze je dodatečně kompenzovat. Problematické je měření otvorů s nejasně definovanou, neostrou hranou. Zejména šikmé a oblé hrany je obtížné přesně definovat kvůli lomu světla na hraně, odleskům a stínům. Ke kompenzaci problémů způsobených osvětlením se využívají systémy s více zdroji světla, více kamerami anebo obojím.

Metodou nelze získat tvar vnitřní plochy, pouze se získá společná nejmenší světlost na celé délce otvoru a vnější obrys. Metoda není vhodná pro hluboké otvory s proměnlivým průřezem.

4. Měření konfokálním snímačem

Jedná se o metodu, kde je pomocí soustavy optických čoček polychromatické světlo rozptýleno na monochromatické tak, že světlo různé vlnové délky je zaostřeno na různou vzdálenost. Světlo odražené od povrchu se vyznačuje změnou v barevném spektru, která umožňuje určit vzdálenost s přesností v řádech nanometrů. Existují verze pro axiální, ale také radiální měření, které je vhodné pro přesné měření rozměrů otvorů malých průměrů.

Nevýhodou je citlivost na čistotu prostředí a zejména velmi omezený pracovní rozsah. Snímač nebo snímače pak slouží k jedno či více bodovému měření nebo ke kontinuálnímu skenování, pokud je zajištěna rotace soustavy podél axiální osy tělesa nebo rotuje samo těleso.

Tyto snímače jsou pro měření vnitřních průměrů hojně využívány, ale za předpokladu, že variabilita měřených průměrů je v rámci jednotek milimetrů a tedy lze měřicí systém těmto rozměrům přizpůsobit, nebo obsahuje mikrometrický posuv (ruční nebo motorizovaný) umožňující přizpůsobení soustavy danému rozměru.

Snímač navíc vyžaduje připojení k vyhodnocovací jednotce optickým kabelem, jenž není odolný vůči radiačnímu záření, které s časem mění optické vlastnosti materiálu kabelu. Docházelo by tak ke změnám spektra přenášeného světla, na což je tato metoda velmi citlivá.

Na trhu existuje konfokální snímač s otočnou skenovací hlavou a externím posuvem pro pohyb ve svislé ose pro skenování profilu otvorů s vysokou přesností a malým pracovním rozsahem, který však nelze použít v prostředí s vysokou úrovní radioaktivity a který je určen do suchého provozu.

5. Laserové profilometry s radiální projekcí paprsku

Jedná se o metodu založenou na kolimaci paprsku laseru dopadajícího na hrot kónického zrcátka, sledování polohy paprsku nejméně jednou kamerou s širokoúhlým objektivem a určení rozměrů triangulační metodou na základě zpracování obrazu. Paprsek se při dopadu paprsku transformuje 'Ί

CZ 31063 Ul do rovinné projekce kolmé na osu měřicí soustavy tvořené laserovým emitorem a kamerou. Soustava musí být přizpůsobena měřenému průměru tak, aby byl projektovaný paprsek viditelný kamerou. To vyžaduje kompromis mezi šířkou objektivu a vzdáleností kamery od roviny projekce. S rostoucí šířkou objektivu se zhoršují jeho optické vlastnosti a snižuje přesnost.

Nevýhodou této metody je výpočetní náročnost, vyšší výkon laseru oproti bodovému měření a zejména nižší přesnost v porovnání se skenováním jednobodovým triangulačním senzorem nebo konfokálním snímačem, a to zejména na površích s nekonzistentní odrazivostí.

Na trhu jsou dostupné spektrální laserové interferometrické snímače, které slouží k přesnému skenování vnitřního profilu otvoru či potrubí pomocí otočné hlavy, případně s tříosým posuvem, určené pro suchý (laboratorní) provoz, které nelze použít v prostředí s vysokou úrovní radiačního záření. Vysoká přesnost takového zařízení je dosažena na úkor malého pracovního rozsahu.

Nevýhodou výše uvedených bezkontaktních zařízení je nemožnost použití v radioaktivním prostředí, na které je citlivá zejména jejich nechráněná elektronika stávajících zařízení, dále nejsou tato zařízení konstruována pro kapalná prostředí s vyšším než atmosférickým tlakem. Proto pro analýzy stavu a rozměrů těchto otvorů, například clonek v krytech jaderných reaktorů, tedy v radioaktivním kapalném prostředí s přetlakem jsou v současné době používána pouze mechanická kontaktní měřidla.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje snímací zařízení a způsob pro zjišťování tvaru a rozměrů otvorů objektu v průhledném tekutém radioaktivním prostředí, které jsou popsány níže v popisu a v přiložených nárocích.

Konkrétně jde o bezkontaktní snímací zařízení a způsob pro podrobné nasnímání vnitřních ploch otvorů zejména kruhového průřezu v průhledném, ale jinak opticky neznámém tekutém prostředí s přetlakem, nebo podtlakem, které může obsahovat zdroj ionizující záření, za účelem podrobné analýzy stavu otvoru včetně určení rozměrů. Snímací zařízení je vhodné zejména pro analýzu otvorů o průměru 30 až 2000 mm s přesností až ±0,05 mm.

Snímací zařízení dle technického řešení využívá princip laserového triangulačního dálkoměru, jenž rozšiřuje o nepřímou optiku, kdy je dráha laserového paprsku opticky upravena tak, aby byl laserový paprsek v rámci měřeného rozsahu vůči skenovanému místu vnitřní plochy ve vhodné poloze (poloha, která zajištuje požadovanou přesnost měření), přičemž zdroj a vyhodnocovací prvek polohy odraženého laserového paprsku mohl být umístěn mimo omezený prostor, eventuálně v poloze, která zabraňuje přímému dopadu ionizujícího zářením z okolí zpět na triangulační laserový dálkoměr a aby bylo možné mezi zdroj ionizujícího záření a citlivými prvky optické soustavy umístit neprůhledný absorpční materiál (olovo, nerez, ocel apod.) snižující úroveň radiace pod kritickou hladinu se zachováním optimálního dopadu laserového paprsku na měřený povrch.

Současně optická soustava mění vůči otvoru svou polohu kombinací nebo jedním z pohybů: otáčení kolem nebo posunem podél osy otvoru. Cílem polohování je pokrýt měřenou vnitřní plochu skenovaného otvoru v požadovaném rozsahu. Úhel natočení a velikost posunutí jsou známé (obvykle jsou nezávisle měřeny), takže v celém rozsahu je známá poloha a orientace laserového paprsku. V každé poloze je možné vyhodnotit vzdálenost místa odrazu paprsku od měřené plochy vůči ose otáčení. Ze znalosti úhlu natočení a velikosti vysunutí se vypočtou polohy bodů odrazu v prostoru.

Opakovaným měřením za současné změny polohy měřicí hlavy (vysunutí, otáčení) ve spirále, nebo v řezech v závislosti na plynulost jednotlivých pohybů se získá kvantum bodů reprezentující skenovaný povrch otvoru. Hustota bodů je závislá na zvolené vzorkovací frekvenci měření a rychlosti změny poloh. Tyto parametry mohou být volitelné nebo pevné, ale za všech okolností známé s dostatečnou přesností. Pro zvýšení přesnosti a zvýšení rychlosti nasnímání může být najednou použito více optických soustav. Z nasnímaného kvanta bodů se pak vyhodnocují roz-3CZ 31063 Ul měry a tvar otvoru, a to buď odděleně v jednotlivých vrstvách rovnoběžných skenů představující dílčí řezy otvoru nebo ve 3D z celé nasnímané části modelu otvoru.

Nepřesnost rotačního a výsuvného pohybu spolu s odchylkou měření způsobenou neznámými optickými vlastnosti prostředí může být eliminována kalibrací. Za tímto účelem se používá odnímatelný nebo integrovaný kalibr válcovitého tvaru s minimálně jednou měřitelnou plochou (s nejméně dvěma schodovitě odstupňovanými vnitřními průměry), jenž se nachází ve známé poloze měřicího rozsahu. Rozměry kalibru jsou známé s dostatečnou přesností (obvykle jsou nezávisle změřeny s vyšší přesností, nežli je požadovaná přesnost měření).

Kalibr je umístěn do předepsané polohy nebo rotující a posuvná optická soustava se umístí do precizně vyrobeného kalibru v měřitelném rozsahu tak, aby osa rotace byla shodná s osou kalibru a všechny odstupňované průměry byly dosažitelné posuvným mechanizmem optické soustavy a naskenována každá jeho vnitřní plocha v pevně daných úhlech natočení, čímž jsou získána referenční data. Pro každý úhel se získá sada odměřených vzdáleností, které odpovídají poloměru jednotlivých odstupňovaných průměrů kalibru. Ze sady změřených poloměrů a známých rozměrů kalibru se pro všechny stanovené úhly natočení optické soustavy metodou aproximace získá individuální korekční rovnice závislosti měřeného poloměru na získané hodnotě z laserového triangulačního dálkoměru a úhlu natočení optické sestavy. Ze sady souřadnic středů průřezů změřených válcových ploch kalibru se získá z korekční rovnice závislosti vyosení optické soustavy na míře jejího posunutí. Korekční rovnice křivek (rovnice nelinearity měření v daném prostředí) se aplikují na měřené body otvorů. Měření kalibru je provedeno ve stejném okolním prostředí nacházejí měřených otvorů. Kalibr může být integrovaný do měřicího zařízení nebo odnímatelný.

Optická měřicí soustava snímacího zařízení dle tohoto technického řešení včetně optoelektroniky je uzavřena v odolném pouzdře, které

1) brání vniknutí tekutiny okolního prostředí do zařízení,

2) chrání zařízení před mechanickým poškozením,

3) poskytuje rozhraní pro upevnění k manipulačnímu zařízení.

Snímací zařízení dle technického řešení, které je určené do prostředí s ionizačním zářením má pouzdro vyrobené materiálů, které chrání vnitřní prvky zařízení před účinky ionizujícího záření. Stěny pouzdra slouží jako absorpční vrstva snižující úroveň gama záření, které má negativní vliv na přesnost a spolehlivost zařízení. Rovněž exponované prvky nepřímé optiky jsou vyrobeny z radiačně odolných materiálů, které nemění své vlastnosti vlivem působení ionizujícího záření.

Choulostivé části (zdroj, přijímač odraženého laserového paprsku a případně nepřímá optika) optické soustavy jsou uzavřeny ve vodotěsném pouzdře s průhledem, kterým prochází laserový paprsek z/do vnějšího prostředí, kde se odrazí od měřené plochy. K zabránění vniku tekutiny a zároveň eliminaci deformace průhledů (vzniku neznámého lomu světla v průhledu) vlivem rozdílu vnějšího a vnitřního tlaku se uvnitř pouzdra udržuje tlak o stejné nebo vyšší velikosti, než je tlak okolního prostředí.

Součástí skenovacího zařízení, může být prostředek pro rotaci měřicí hlavy okolo osy otvoru nebo prostředek pro podélný posuv měřicí hlavy podél osy otvoru, nebo oba prostředky současně. V takovémto případě tvoří skenovací jednotku měřící hlava, prostředky umožňující pohyb měřící hlavy a pouzdro. Pouzdro je uchyceno k manipulátoru. Uvnitř měřicí hlavy se nachází optická soustava, jejíž součástí jsou průhledy, jež oddělují vnitřní a vnější prostor měřicí hlavy.

Skenovací zařízení může obsahovat mechanické naváděcí a fixační prvky, které napomáhají zavádět zařízení do měřených otvorů, případně udržovat měřicí zařízení v požadované poloze.

Není-li součástí skenovacího zařízení integrovaný prostředek umožňující požadovaný pohyb, je možné tento pohyb realizovat za pomocí připojeného externího polohovacího zařízení ke skenovací jednotce. Při absenci integrovaného prostředku obou pohybů je pouzdro samo sobě měřicí hlavou.

I

Λ

CZ 31063 Ul

V pouzdře je udržován stejný nebo vyšší tlak, než je tlak okolního prostředí. Tím se zabraňuje vniknutí tekutiny do vnitřního prostoru pouzdra a deformacím citlivých částí měřicí jednotky vlivem rozdílných tlaků.

Operátorské pracoviště je odděleno od měřicího zařízení.

Vlastní měření probíhá ve třech krocích.

1) Po připojení kalibru (není-li integrovanou součástí zařízení) a zavedení skenovacího zařízení do okolního prostředí měřeného otvoru, se provede kalibrace, jejímž výsledkem jsou korekční data. Je-li kalibr integrovanou součástí snímacího zařízení, může se úplná nebo kontrolní kalibrace opakovat před každým skenováním otvoru.

2) Po umístění zařízení do pracovní polohy vůči otvoru se měřicí hlava vysune do počáteční skenovací polohy a za otáčení a případně podélného posuvu provede naskenování požadované části otvoru.

3) Na základě údajů z kalibrace jsou naskenovaná data korigována a následně jsou z nich vyhodnoceny rozměry otvoru, případně další požadované parametry. Data a vypočtené údaje mohou být archivována, vizualizována či jinak zpracována.

Způsob bezkontaktního skenování a vyhodnocování rozměrů otvorů triangulační metodou s nepřímou optikou konkrétně zahrnuje následující kroky:

- Nejméně jeden laserový triangulační dálkoměr je rozšířen o nepřímou optiku, která dráhu laserového paprsku nejméně jednou změní tak, aby v rámci měřeného rozsahu byl vůči skenovanému místu vnitřní plochy v optimální poloze (kolmo na plochu), přičemž zdroj a vyhodnocovací prvek polohy odraženého laserového paprsku mohl být umístěn mimo omezený prostor.

- Nejméně jedna optická sestava se otáčí kolem a posouvá podél osy skenovaného otvoru, tak aby bylo možné pokrýt celou vnitřní plochu otvoru. Úhel natočení a velikost posunutí je nezávisle (absolutně nebo relativně vůči počáteční poloze) odměřován tak, že v celém rozsahu je známá poloha a orientace laserového paprsku. V každé poloze je možné vyhodnotit vzdálenost místa odrazu paprsku od měřené plochy vůči ose otáčení.

- Opakovaným měřením za současné změny polohy vysunutí a otáčení se získá mračno bodů (ve spirále, nebo v řezech v závislosti na plynulost jednotlivých pohybů) reprezentující skenovaný povrch otvoru. Hustota bodů je závislá na zvolené vzorkovací frekvenci měření a rychlosti změny poloh.

- Každý nasnímaný bod je pomocí korekčních rovnic získanými kalibrací přepočítán.

- Z nasnímaného a korigovaného mračna bodů se vyhodnocují rozměry otvoru a to buď odděleně v jednotlivých vrstvách rovnoběžných skenů představující dílčí řezy otvoru, nebo ve 3D z celé nasnímané části modelu otvoru.

Hlavní výhodou snímacího zařízení dle technického řešení je schopnost podrobně nasnímat vnitřní plochy otvorů s vysokou přesností analýzy stavu otvoru včetně měření s přesností ± 0,05 mm v tekutinách s přetlakem v prostředí s vysokou radiací. Měření může probíhat v průhledných plynech s přetlakem nebo v kapalinách ve velkých hloubkách, přičemž nemusí být známé optické vlastnosti těchto tekutin. Dále systém umožňuje vlastní kalibraci pro práci v opticky neznámém prostředí a proplach okolí skenovací hlavy k odstranění nečistot v prostoru měření.

Bezkontaktní způsob skenování je výhodou, protože je nezávislý na mechanických vlastnostech měřeného materiálu, zároveň dokáže povrch nasnímat s vysokou přesností a rozlišením, díky čemuž je možné rozměry otvoru vyhodnotit s přesností až ± 0,05 mm.

Výhodou proti kamerovému systému je zaručení vyšší přesnosti a rychlejšího vyhodnocení měřeného profilu, přičemž způsob snímání dle technického řešení není závislý na kvalitě okolního osvětlení. Oproti systémům založených na stínové metodě umožňuje měření otvorů s přístupem pouze z jedné strany a je prostorově méně náročný.

-5CZ 31063 Ul

Další výhodu je, že vlastní skenování probíhá zcela automaticky, díky čemuž se obsluha může nacházet v bezpečné vzdálenosti od zdroje ionizujícího záření.

Z nasnímaných dat lze vytvořit podrobný 3D počítačový model otvoru (nebo 2D průřezy otvorů), které lze následně vizualizovat, analyzovat či jinak zpracovávat a to i zcela automaticky za pomocí výpočetní techniky.

Skenovací zařízení dle technického řešení není náročné na obsluhu a nevyžaduje precizní umístění skenovacího zařízení do otvoru. Zpracováním 3D modelu lze eliminovat případné odchylky vzniklé nepřesným umístěním skenovacího zařízení.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je schematicky znázorněna clonka a snímací zařízení dle tohoto technického řešení, s integrovaným prostředkem pro rotaci měřicí hlavy a s integrovaným prostředkem pro podélný posuv obr. 2 je znázorněn detail clonky a detail přední části snímacího zařízení se snímací hlavou a prostředkem pro rotaci měřící hlavy s elektromotorem prostředku pro rotaci obr. 3 je znázorněn detail zadní části snímacího zařízení s prostředkem pro podélný posuv měřicí hlavy a zadním víkem obr. 4 je znázorněna měřicí hlava se zdvojenou optickou soustavou obr. 5 je znázorněna měřicí hlava připojitelná k externímu prostředku pro rotaci a podélný pohyb obr. 6 je znázorněna měřicí hlava s integrovaným prostředkem pro rotaci, připojitelná k externímu prostředku pro podélný posuv

Příklady uskutečněni technického řešení

Uvedená uskutečnění znázorňují příkladné varianty provedení technického řešení, která však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.

Způsob zjišťování tvaru a rozměrů otvorů objektu v průhledném tekutém radioaktivním prostředí a zařízení k provádění tohoto způsobu se příkladně využívá na vyhodnocování stavu 314 clon dna šachty jaderných reaktorů typu WER 440, u kterých se z nasnímaných dat vyhodnocuje průměr, ovalita a průtočná plocha kritické části clon. WER-440 je nejrozšířenější typ jaderného tlakovodního reaktoru ve východní Evropě a v Rusku. Většina těchto reaktorů je v provozu více než 20 let. Původní životnost byla odhadována na více než 30 let. Pochopitelnou snahou všech provozovatelů je maximální prodloužení životnosti.

V horní desce dna šachty reaktoru se nachází 314 clon o nominálním průměru 050 H8 souměrně rozprostřených kolem otvorů pro palivové tyče. Přes tyto clony proudí ohřátá voda (cca 300 °C) k parogenerátorům. Clony slouží k usměrnění průtoku vody tak, aby zajistily stejnoměrné ochlazování palivových tyčí s provozní tolerancí do 1 °C.

Vlivem dlouhodobého provozu dochází k postupnému zanášení clon magnetitem, čímž se snižuje jejich vnitřní průměr (světlost). Důsledkem jsou teplotní diference okolo palivových tyčí až v řádu několika °C. Tyto diference pak nedovolují používat palivové tyče v plném rozsahu výkonu. Při vyšších diferencí hrozí i zákaz provozu reaktoru.

Účelem měření je zjistit stav a míru nánosu magnetitu na vnitřních stěnách clon, jenž ovlivňuje proudění chladicí kapaliny a tím rovnoměrnost ochlazování dílčích palivových tyčí. Nerovnoměrnost má vliv na maximální provozní výkon, na kterém lze reaktor provozovat. Na základě měření se určí míra potřebnosti očištění clon a také následná kontrola očištění.

CZ 31063 Ul

Měření způsobem dle technického řešení se provádí u odstaveného reaktoru umístěného v servisní šachtě, kdy je reaktor z důvodu odstínění vysokého ionizujícího záření zaplaven vodou tak, aby výška vodního sloupce byla minimálně 4 metry nad reaktorem. Samotní pracovníci se z důvodu ochrany před účinky ionizujícím zářením nacházejí minimálně 4 metry nad vodní hladinou, odkud provádějí servisní operace.

Jedním příkladem uskutečnění je snímací zařízení dle technického řešení pro měření clon 14 dna jaderného reaktoru WER 440 v servisní jámě pod hladinou v hloubce 4 metrů, v prostředí s vysokým ionizujícím zářením, které slouží k podrobnému naskenování a proměření kritické části clon 14 o nominálním průměru 050 H7. Zařízení tvoří pouzdro I válcového tvaru, které je v zadní části uzavřeno zadním víkem 2 s rozhraním k uchycení manipulátoru. V přední části pouzdra 1 je přední víko 3 s kuželovitým hrdlem 25 s otvorem, ze kterého se vysouvá základní měřicí hlava 4, jak je znázorněno na obr. 1 a 2.

Plášť základní měřicí hlavy 4 je tvořen válcem 6 většího průměru spojeným kuželovitým přechodem 22 s válcem 5 menšího průměru. Válec 5 menšího průměru je navržen tak, aby se dal volně zasunout do měřeného otvoru, a jeho volný konec je uzavřen uzávěrem 8, jenž tvoří radiačně absorpční vrstvu. Válec 5 menšího průměru obsahuje průzor 9 z radiačně odolného skla, situovaného kolmo na osu rotace základní měřicí hlavy 4.

Uvnitř základní měřicí hlavy 4 je umístěna optická soustava 10. kterou tvoří rám II optické soustavy s laserovým triangulačním dálkoměrem 12 a zrcátkem 13 s předním odrazem z radiačně odolného skla.

Laserový triangulační dálkoměr 12 je umístěn ve válci 6 většího průměru tak, aby vysílaný paprsek směřoval rovnoběžně s osou rotace směrem k zrcátku 13, kde je odražen a nasměrován skrz průzor 9 ven na měřenou plochu 15 clony 14 odkud se odrazí zpět. Odraz pak zpětně prochází průzorem 9 a dopadá na zrcátko 13, odkud se odrazí do vyhodnocovací optiky dálkoměru 12.

Ve výhodném provedení je zrcátko 13 vyrobeno z nerezové oceli.

Poloha a orientace laserového triangulačního dálkoměru 12 v základní měřicí hlavě 4 brání přímému dopadu paprsků ionizujícího záření z okolí na citlivé části laserového triangulačního dálkoměru 12. Radiace prochází nejprve absorpční vrstvou pláště základní měřicí hlavy 4 a pouzdra 1, následně vzduchem a teprve pak na laserový triangulační dálkoměr 12. Jedná se o kombinaci ochrany absorpčními vrstvami a vzdáleností od zdroje ionizujícího záření.

Základní měřicí hlava 4 je uložena v přední části pouzdra I, jehož vnitřní válcová plocha je zároveň kluznou plochou pouzdra 16, ve kterém se otáčí a podélně posouvá základní měřicí hlava 4. Při úplném vysunutí se základní měřicí hlava 4 téměř opírá o vnitřní část předního víka 3 a průzor 9 je vysunutý mimo pouzdro 1 v maximální dosažitelné pozici. Při úplném zasunutí je hlava zcela uvnitř pouzdra I chráněna před mechanickým poškozením při manipulaci se zařízením.

Základní měřicí hlava 4 je spojena s prostředkem 17 pro rotaci měřicí hlavy, který zajišťuje plné otáčení základní měřicí hlavy 4 okolo své rotační osy. Prostředek 17 pro rotaci měřicí hlavy je poháněn elektromotorem 18 prostředku pro rotaci. Na druhém konci je rám napojen na prostředek 19 pro podélný posuv, který zajišťuje podélný posuv soustavy prostředku 17 pro rotaci měřicí hlavy spolu se základní měřicí hlavou 4. Prostředek 19 pro podélný posuv je poháněn elektromotorem 20 prostředku pro podélný posuv a obsahuje převodové ústrojí 21, které převádí rotační pohyb na lineární. V zadním víku 2 se nachází vstupní otvory pro šroubení přívodu 23 tlakového plynu nebo směsi plynů, například vzduchu pro vyrovnávání tlaku s okolím, a průchody 24 kabeláže, jak je patrné z obr. 3.

Vnitřní prostor pouzdra I tvoří jeden vzduchotěsný celek.

Pohyby základní měřicí hlavy 4 jsou řízeny a komunikace s laserovým triangulačním dálkoměrem 12 je realizována prostřednictvím řídicí jednotky se softwarem, jenž komunikuje s operátorským pracovištěm. Software operátorského pracoviště ovládá měřicí jednotku, ukládá a vizualizuje naměřená data, vyhodnocuje rozměry, vytváří reporty atd.

-7CZ 31063 Ul

Vlastní měření je zahájeno umístěním snímacího zařízení dle technického řešení do prostoru clony 14 tak, aby se kuželovité zakončení hrdla 25 předního víka opřelo o kuželovité vyústění 26 měřené clony. Tím zároveň dojde k základnímu vystředění měřicího zařízení s osou clony 14. Následně se spustí měření, jehož cílem je zachytit přechodové místo spodní hrany clony 14. Tím se určí poloha plošky kritické části clony 14. Po nalezení přechodového místa se základní měřicí hlava 4 lehce zasune zpět tak, aby laserový paprsek pokrýval střed plošky. Poté se zahájí operace skenování (měření s otáčením), jehož výsledkem je soubor odměřených vzdáleností pro dílčí úhly natočení základní měřicí hlavy 4.

Tyto vzdálenosti se prostřednictvím kalibračních křivek přepočtou na skutečné poloměry. Po naskenování se základní měřicí hlava 4 opět zasune do pouzdra 1, čímž je současně chráněna před mechanickým poškozením pri přemísťování a transportu.

Z naměřených údajů jsou vypočteny potřebné údaje, jako maximální a minimální průměr, ovalita, plocha atd., a je provedena vizualizace. Kritická ploška může být také proměřena v celé své šířce, čímž se získá 3D model inkriminované části clony 14.

Z důvodu neznámého optického prostředí se před vlastním měřením provádí kalibrace. Zařízení se vloží do měřeného prostředí (ponoří do vody), případně se zavede do libovolné clony 14. Poté se zahájí kalibrační procedura, která spočívá v postupném naskenování všech tří kalibračních průměrů kalibru. Procedura končí zasunutím základní měřicí hlavy 4 do parkovací polohy. Následně se z naskenovaných dat pro dílčí úhly natočení základní měřicí hlavy 4 určí sada odměřených vzdáleností, které odpovídají poloměrům jednotlivých odstupňovaných průměrů kalibru. Současně se pro každý stupeň kalibru určí střed průřezu (souřadnice těžiště plochy průřezu). Ze sady poloměrů a známých rozměrů kalibru se pro všechny stanovené úhly natočení optické soustavy 10 metodou aproximace získá individuální korekční rovnice závislosti měřeného poloměru na získané hodnotě z laserového triangulačního dálkoměru 12 a úhlu natočení optické soustavy

10. Spolu s tím se ze souřadnic středů průřezů změřených válcových ploch kalibru určí korekční rovnice závislosti vyosení základní měřicí hlavy 4 na míře jejího vysunutí.

V dalším příkladném provedení je popsána varianta měřicí hlavy 27 se zdvojenou optickou soustavou, jak je patrná z obr. 4. Oproti základní měřicí hlavě 4 se liší tím, že měřicí hlava 27 má dva optické průzory 9 pootočené navzájem o 180°, kterými prochází laserový paprsek dvou oddělených optických soustav W. Uvnitř měřicí hlavy 27 se zdvojenou optickou soustavou se nachází rám 11 optické soustavy se dvěma laserovými triangulačními dálkoměry 12 a dvěma zrcátky 13. Jedna dvojice laserového triangulačního dálkoměru 12 se zrcátkem 13 využívá jeden průzor 9 a druhá dvojice druhý průzor 9. Každá optická soustava 10 se kalibruje a měří odděleně. Přínosem daného řešení je zvýšení rychlosti skenování případně zvýšení hustoty bodů.

V dalším příkladném provedení je integrovaný kalibr 7 nahrazen kalibrem odděleným, který není součásti zařízení, aleje samostatně před kalibrací vložen do tekutiny (prostředí, ve kterém probíhá měření). Následně je zařízení v požadované poloze přiloženo k oddělenému kalibru a poté je kalibrace provedena. Výhodou je, že oddělený kalibr může odpovídat velikosti a tvaru měřeného otvoru.

Na obr. 5 je znázorněna varianta dalšího příkladného provedení samostatné oddělení měřicí hlavy 34 a externího prostředku 35 pro rotaci a podélný posuv. Oproti základní variantě se liší tím, že měřicí zařízení je tvořeno uzavřenou oddělenou měřicí hlavou 34, která je uchycena k externímu prostředku 35 pro rotaci a podélný posuv (např. robotické rameno). Toto zařízení zavádí oddělenou měřicí hlavu 34 do otvoru, otáčí a posouvá podél osy otvoru. Tato varianta se příkladně využívá především pro nasnímání a proměření otvorů o průměrech 0 135 až 150. Kalibrace se provádí na odděleném kalibru.

Na obr. 6 je znázorněna varianta měřicí hlavy 36 s rotací s integrovaným prostředkem 37 pro rotaci měřicí hlavy, ale s externím prostředkem 38 pro podélný posuv. Oproti základní variantě se liší tím, že měřicí hlava 36 s rotací obsahuje interně zabudovaný pouze integrovaný prostředek 37 pro rotaci měřicí hlavy. Podélný posuv je realizován pomocí připojeného externího prostředku 38 pro podélný posuv, který je uchycen k zadnímu víku. Toto zařízení zavádí měřicí hlavu 36 s ro. a.

CZ 31063 Ul tací do otvoru a posouvá podél osy otvoru. Uvedený případ je určen pro nasnímání a proměření otvorů o průměrech 0 150 až 160. Kalibrace se provádí na odděleném kalibru.

V dalším příkladném provedení jsou prostředky pro rotaci a podélný posuv realizovány hydraulicky: válcem a hydromotorem se zpětnou vazbou. Výhodou jsou menší rozměry celého prostředku a vysoká odolnost vůči ionizujícímu záření. Nevýhodou je vyšší cena a potřeba hydrogenerátoru.

V jiném příkladném provedení je mechanický systém lineárního posouvání měřicí hlavy realizován pneumatickým pístem s lineárním odměřováním.

Dalším příkladným provedením je zařízení pro zjišťování tvaru a rozměrů otvorů v prostředí s nízkým nebo neexistujícím zdrojem ionizujícího záření, kde jednotlivé materiály nemusí splňovat podmínku radiačně absorpční odolnosti.

Všechny uvedené varianty mohou být modifikovány pro měření otvorů v rozsahu průměrů především od 30 mm do 2000 mm.

Průmyslová využitelnost

Způsob a výše popsané zařízení dle technického řešení je primárně určeno pro měření profilu a průměru škrtících clon pod vodou, lze však využít pro jakékoliv měření profilu otvorů pod hladinou při omezeních daných konkrétními rozměry zařízení, a to zejména délkou výsuvu měřicí hlavy. Příkladem použití může být přesná kontrola montážních a kotvících otvorů u podvodních staveb, nebo otvorů pro šrouby, čepy a ložiska

Claims (13)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Snímací zařízení pro zjišťování tvaru a rozměrů otvorů objektu, obsahující pouzdro, měřicí hlavu, triangulační laserový dálkoměr, a prvky nepřímé optiky pro změnu směru paprsku, například zrcátko, prostředek pro rotaci měřicí hlavy a prostředek pro podélný posuv měřicí hlavy, manipulátor a rozhraní k uchycení manipulátoru, vyznačující se tím, že zařízení dále obsahuje prvky utěsnění pouzdra vůči průniku vnějšího okolního kapalného prostředí a přívod (23) tlakového plynu nebo směsi plynů, například vzduchu, do pouzdra (1) pro udržení tlaku vnitřního prostředí v pouzdře (1) shodném nebo vyšším, než je tlak okolního prostředí.
2. 2. Snímací zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že má všechny své části, které jsou ve styku s okolním prostředím, a dále části, kterými prochází odražený laserový paprsek z radiačně absorpčních a radiačně odolných materiálů, radiačně odolné.
3. 3. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje odnímatelný nebo integrovaný kalibr (7) tvořený alespoň jedním, s výhodou třemi na sebe navazujícími soustřednými válci o rozdílných průměrech s vnitřní měřicí plochou každého válce.
4. 4. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pouzdro (1) je v zadní části uzavřené zadním víkem (2) opatřeným rozhraním k uchycení manipulátoru, v přední části má přední víko (3) s kuželovitým hrdlem (25) předního víka s otvorem pro vysunutí měřicí hlavy (4, 27, 34, 36), kde vnitřní válcová plocha pouzdra (1) je zároveň kluznou plochou (16) pouzdra pro umožnění otáčení a podélného posuvu měřicí hlavy (4, 27, 34, 36), kde zadní víko (2) obsahuje vstupní otvory pro sroubení přívodu (23) tlakového vzduchu a průchody (24) kabeláže.
5. 5. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že měřicí hlava (4, 27, 34, 36) obsahuje plášť, průzor (9) a uvnitř měřicí hlavy (4, 27, 34, 36) umístěnou optickou soustavu (10).

   -9CZ 31063 Ul
6. 6. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že plášť je tvořen válcem (6) většího průměru spojeným kuželovitým přechodem (22) s válcem (5) menšího průměru, který lze volně zasunout do měřeného otvoru a který je na předním konci opatřený radiačně absorpčním uzávěrem (8), kde válec (5) menšího průměru obsahuje ve stěně průzor (9), situovaný kolmo na osu rotace měřicí hlavy (4, 27, 34, 36).
7. 7. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že optickou soustavu (10) tvoří rám (11) optické soustavy, laserový triangulační dálkoměr (12) umístěný ve válci (6) většího průměru a prvky nepřímé optiky, umístěné ve válci (5) menšího průměru, které zahrnují zrcátko (13).
8. 8. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pohonem prostředku (17) pro rotaci měřicí hlavy (4) je elektromotor (18) prostředku pro rotaci nebo hydraulický pohon prostředku pro rotaci.
9. 9. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že prostředek (19) pro podélný posuv obsahuje převodové ústrojí (21) a je poháněn elektromotorem (20) prostředku pro podélný posuv nebo hydraulickým pohonem nebo pneumatickým pístem.
10. 10. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že měřicí hlava (4, 27) je spojena s integrovaným prostředkem (17) pro rotaci a rám měřicí hlavy (4, 27) je spojen s integrovaným mechanismem lineárního polohování (19) pro podélný posuv mechanického prostředku (17) pro rotaci s měřicí hlavou (4).
11. 11. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že měřicí hlava (36) s rotací je spojena s integrovaným prostředkem pro rotaci (37) měřicí hlavy a k zadnímu víku (2) je připojitelný externí prostředek (38) pro podélný posuv.
12. 12. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že oddělená měřicí hlava (34) je připojitelná k externímu prostředku (35) pro rotaci a podélný posuv.
13. 13. Snímací zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje měřicí hlavu (27) se zdvojenou optickou soustavu, s rámem (11) optické soustavy, se dvěma průzory (9) a dvěma laserovými dálkoměry (12) a dvěma zrcátky (13).