鋯管尺寸超聲波測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

李恒羽，張 軍，許 妍，盧 輝

（國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司，寶雞 721013）

核用鋯合金管材常用于制作核反應(yīng)燃料組件的包覆材料，起著防止反應(yīng)物逸出的重要作用。因此，工程設(shè)計(jì)上對(duì)管材的內(nèi)在質(zhì)量要求高，同時(shí)有著嚴(yán)格的尺寸要求，偏差一般為30～40μm。對(duì)于此類精密管材的尺寸測(cè)量，目前多采用超聲測(cè)量技術(shù)［1］，即在對(duì)管材進(jìn)行超聲波探傷的同時(shí)，完成對(duì)管材的外徑、內(nèi)徑、壁厚和橢圓度等尺寸特性的測(cè)量。由于該技術(shù)具有測(cè)量點(diǎn)多、精度高、測(cè)量數(shù)據(jù)全、不與管材直接接觸和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在核用鋯管材的生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

筆者針對(duì)鋯管材的實(shí)際情況，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施，以保證檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確和可靠。

1 鋯管尺寸超聲波測(cè)量系統(tǒng)

超聲波測(cè)量尺寸采用兩探頭組合技術(shù)［2］，即兩個(gè)點(diǎn)聚焦探頭分別置于管材兩側(cè)，并且位于管材的中心軸線上，探頭與管材表面之間充滿清潔無(wú)氣泡的介質(zhì)水，尺寸測(cè)量原理如圖1所示。兩個(gè)探頭分別發(fā)出的超聲波經(jīng)水耦合后進(jìn)入管材中，經(jīng)管內(nèi)壁的反射形成多次回波，檢測(cè)系統(tǒng)則分別測(cè)出兩探頭到管表面的水距L1和L2，以及所對(duì)應(yīng)的壁厚W1和W2。通過(guò)以下關(guān)系式可由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算管材的尺寸，即

式中：C為兩探頭之間的距離；DO為管材外徑；DI為管材內(nèi)徑；W1、W2為管材壁厚；L1、L2為檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到的水程距離。

圖1 鋯管尺寸超聲測(cè)量示意

檢測(cè)系統(tǒng)采用探頭旋轉(zhuǎn)、管材直線前進(jìn)的檢測(cè)方式，即測(cè)量時(shí)，檢測(cè)探頭圍繞管材高速旋轉(zhuǎn)，管材直線前進(jìn)。由于測(cè)量系統(tǒng)的工作頻率高達(dá)數(shù)千赫茲，即每秒可發(fā)出數(shù)千次聲波，而每次發(fā)出的聲波，均可測(cè)量出一組管材的外徑、內(nèi)徑、壁厚及橢圓度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管材尺寸的連續(xù)測(cè)量。

正常檢測(cè)前，采用尺寸標(biāo)樣管對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使系統(tǒng)獲得較高的準(zhǔn)確性。隨著檢測(cè)時(shí)間的推移，由于水溫變化、儀器飄移等內(nèi)部因素，檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性會(huì)受到影響；因此，需對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行分析，確定控制措施，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2 重復(fù)性和再現(xiàn)性分析［3］

對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，可識(shí)別檢測(cè)過(guò)程問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因，從而有助于提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性是指在盡可能相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一測(cè)量對(duì)象進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量所產(chǎn)生的波動(dòng)。重復(fù)性波動(dòng)主要反映量具本身的波動(dòng)，記為EV。

測(cè)量系統(tǒng)的再現(xiàn)性是指不同的時(shí)間段，對(duì)相同的零件進(jìn)行多次測(cè)量而產(chǎn)生的波動(dòng)。再現(xiàn)性主要是度量不同的時(shí)間段在測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的波動(dòng)，記為AV。

測(cè)量系統(tǒng)是否有能力準(zhǔn)確、可靠地反映被測(cè)對(duì)象的尺寸特性，是測(cè)量系統(tǒng)分析關(guān)注的主要問(wèn)題。因此，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的能力做出有效評(píng)價(jià)應(yīng)關(guān)注以下方面。

2.1 樣品的數(shù)量和測(cè)量次數(shù)

確定用于檢測(cè)能力分析的樣品數(shù)量和測(cè)量次數(shù)（包括試驗(yàn)次數(shù)）：試驗(yàn)次數(shù)為2時(shí)，最少樣品數(shù)和最少測(cè)量次數(shù)分別為10，3；試驗(yàn)次數(shù)不小于3時(shí)，最少樣品數(shù)和最少測(cè)量次數(shù)分別為5，3。在確定以上參數(shù)時(shí)需要考慮可檢驗(yàn)性、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的代表性。試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)越多，試驗(yàn)分析所得的結(jié)論越能說(shuō)明問(wèn)題。

所選樣品應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品中隨機(jī)選取樣品，使其具有足夠的代表性，并對(duì)樣品進(jìn)行排序和編號(hào)。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)后，要求測(cè)量系統(tǒng)按設(shè)定的方案對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)記錄在“數(shù)據(jù)單”的欄目里。

2.3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

測(cè)量系統(tǒng)能力是反映測(cè)量系統(tǒng)在對(duì)其特定的測(cè)量對(duì)象測(cè)量時(shí)所得測(cè)量值的變異程度。表示測(cè)量能力的指標(biāo)有P／T和RR。其中P／T是測(cè)量系統(tǒng)的精度與公差范圍的比率，RR是測(cè)量精度的估計(jì)值與過(guò)程范圍的比率。為了準(zhǔn)確反映測(cè)量系統(tǒng)的波動(dòng)與過(guò)程波動(dòng)的比率，選用RR作為測(cè)量系統(tǒng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)比較合適。RR指標(biāo)分為如下三種情況：①RR≤10%，則測(cè)量系統(tǒng)良好。②RR在10%～30%之間，則測(cè)量系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。對(duì)于處于臨界狀態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的使用部位、維護(hù)費(fèi)用等方面綜合考慮，進(jìn)行性價(jià)比評(píng)估，以決定是否需要改進(jìn)。若測(cè)量系統(tǒng)使用的部位不重要，維護(hù)費(fèi)用昂貴，則考慮在臨界狀態(tài)繼續(xù)使用測(cè)量系統(tǒng)。③RR＞30%，則測(cè)量系統(tǒng)不合格，可能會(huì)導(dǎo)致接受超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，測(cè)量系統(tǒng)需要進(jìn)行改進(jìn)或更換。

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)不滿足要求時(shí)，如果重復(fù)性（EV）大于再現(xiàn)性（AV），則說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在一定缺陷，須對(duì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，可從以下方面進(jìn)行調(diào)整：① 測(cè)量探頭重新調(diào)整。② 測(cè)量?jī)x器的參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置。③ 檢測(cè)系統(tǒng)的同心度進(jìn)行調(diào)整。④ 對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)不滿足要求時(shí)，如果再現(xiàn)性（AV）大于重復(fù)性（EV），則說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性存在問(wèn)題，須對(duì)影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行分析，有可能做出以下調(diào)整：① 重新測(cè)定校準(zhǔn)系統(tǒng)的樣管。②重新校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器。③ 調(diào)整檢測(cè)系統(tǒng)的水溫控制精度。④縮短校準(zhǔn)系統(tǒng)的時(shí)間間隔。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

采用德國(guó)制造的ROTA25多通道數(shù)字化超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)知名鋯材專業(yè)生產(chǎn)廠家均采用該系統(tǒng)或類似的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行核用鋯合金管材的檢測(cè)。測(cè)量時(shí)，先啟動(dòng)系統(tǒng)，按要求對(duì)系統(tǒng)校準(zhǔn)后連續(xù)運(yùn)行，每隔2h試驗(yàn)一次，共試驗(yàn)3次，試驗(yàn)所用的樣品數(shù)為5支鋯合金管材，每次的測(cè)量次數(shù)為5次。

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

三次試驗(yàn)分別編號(hào)為A、B、C，時(shí)間間隔為2h。所選的鋯合金管材外徑10mm（允許偏差±0.03mm），隨機(jī)選取5支管材，編號(hào)1～5。每次試驗(yàn)時(shí)，對(duì)同支管材連續(xù)測(cè)量5次，并記錄測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋯管尺寸的超聲波測(cè)量數(shù)據(jù) mm

3.2 數(shù)據(jù)分析

使用均值－極差控制圖對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以保證所獲得數(shù)據(jù)沒(méi)有畸變點(diǎn)，圖2為試驗(yàn)所得的均值－極差控制圖。可以看出：極差控制圖上的所有點(diǎn)應(yīng)均在控制線內(nèi)，滿足要求。均值控制圖中50%以上的點(diǎn)不在控制線內(nèi)，滿足要求。通過(guò)分析，說(shuō)明試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)不存在畸變點(diǎn)，滿足要求。

圖2 均值－極差控制圖

使用EV、AV和RR對(duì)檢驗(yàn)重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行分析，通過(guò)相應(yīng)定義和公式（此處省略）計(jì)算獲得：分組數(shù)為13（≥5），分辨率滿足要求；EV為3.77%，AV為10.19%，RR為10.86%。

3.3 結(jié)果判定

由于試驗(yàn)測(cè)得RR為10.86%＞10%，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，需要進(jìn)行分析和改進(jìn)。試驗(yàn)顯示再現(xiàn)性大于重復(fù)性，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性是主要影響因素。對(duì)同一支管材，對(duì)照前后三個(gè)不同時(shí)間段的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)存在逐漸偏小的趨勢(shì)，使得檢測(cè)的再現(xiàn)性變差。因此，在正常檢測(cè)過(guò)程中，可適當(dāng)增加設(shè)備校準(zhǔn)的頻次，以改善測(cè)量系統(tǒng)的再現(xiàn)性。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果，可再次重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，但在試驗(yàn)過(guò)程中需增加校準(zhǔn)系統(tǒng)的頻次。因每次試驗(yàn)用時(shí)20min，因此，驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中校準(zhǔn)系統(tǒng)的時(shí)機(jī)是：在首次校準(zhǔn)系統(tǒng)后完成第一次測(cè)試，2h后，在完成第二次測(cè)試后再校準(zhǔn)一次系統(tǒng)，再隔2h完成第三次測(cè)試。

對(duì)三次測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，計(jì)算獲得的分組數(shù)為19（≥5），分辨率滿足要求，并較前得到了進(jìn)一步的改善。重復(fù)性EV為3.96%，再現(xiàn)性AV為6.47%，重復(fù)性和再現(xiàn)性RR為7.59%（＜10%），測(cè)量系統(tǒng)能力良好，說(shuō)明系統(tǒng)在此狀態(tài)下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)是可靠的。

4 結(jié)論

（1）所闡述的測(cè)量系統(tǒng)能力分析方法適用于超聲波測(cè)量管材尺寸的能力評(píng)價(jià)，并對(duì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)能力具有促進(jìn)作用。

（2）所用的ROTA25超聲波檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的測(cè)量重復(fù)性；在進(jìn)行管材檢測(cè)時(shí)，須在測(cè)量前、檢測(cè)過(guò)程中每2h對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，可確保系統(tǒng)的再現(xiàn)性，保證整個(gè)檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)的可靠。

［1］李恒羽，袁改煥，王德華.核用鋯合金管材的超聲波檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2008，30（4）：255－257.

［2］李恒羽，袁改煥，李曉紅.超聲波測(cè)量核用鋯管尺寸技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2007，29（5）：288－290.

［3］伯格.注冊(cè)質(zhì)量工程師手冊(cè)［M］.王曉生，張孔峰，段桂江，譯.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：212－217.