超声波螺栓测量仪校准方法探索
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充分应用能源计量网络, 实现能源管理的精细化。 利用各级计量数据开展能源平衡测试工作, 对重点用 能设备 (锻铸工艺设备、热处理加热槽等 ), 甄别出 哪些是能源浪费严重、能耗矛盾突出的能耗设备。针 对能耗不合理设备, 通过实时数据分析, 查找生产工 艺和管理上的薄弱环节, 制定措施加以解决。
科学应用能源计量网络数据的统计分析和在线监 控, 统一优化调度和合理调配能源, 防止能源介质的 跑、冒、滴、漏, 加快系统的故障处理和应对能 源事 故的反应能力; 同时, 能源消耗主要部门从网络数据 库中提取所需的数据和能源消耗动态信息, 进行能源 计量的多方管理、多方监督、共同测量, 为公司 进一 步提升能源管理水平搭建可靠平台。
[ 3] 赵海升, 王京安 1 宽量程蒸汽计量及若干问题的讨论 [ J] 1 区域供热, 2008 ( 5) : 33- 371
[ 4] JJG 1030- 2007超声波流量计 [ S] 1 [ 5] JJG 1029- 2007涡街流量计 [ S] 1 [ 6] JJG 640- 1994 差压式流量计 [ S] 1
4 结束语
能源计量是能源管理的一项重要工作, 要不断加 大能源管理的基 础建设, 完善能源 计量器具 的配备, 做好计量器具的检定、校准工作, 用科学准确的数据 指导生产用能, 通过量化指标管理, 把节能挖潜落到 实处, 使能源计量成为节能降耗的 / 金钥匙 0, 以实现 企业社会效益、经济效益的最大化, 走科学的可持续 发展道路。
采用超声波测量螺栓紧固力, 不但具有无损、快 速、方便的特点, 而且具有较高的精度, 由于是 直接 测量螺栓所承受的应力, 因此不像扭矩扳手那样受摩 擦系数离散性的影响。
1 工作原理
超声波螺栓测量仪使用脉冲 - 回波技术。将超声
波换能器置于紧 固件的一 端, 发射 声脉冲传 入螺栓, 这个脉冲径直穿过紧固件的整个长度。脉冲在另一端 被反射回 来且被超 声波换能 器所接收, 如图 1 所示。 根据声弹性理论和非线性声学, 当各向同性固体材料 受某一方向应力且超声波同应力方向一致时, 声速与 应力为线性关系。对于同种螺栓材料, 螺栓受力后的 机械伸长 量和超声纵波 声程变化量 的比值为 一定值, 与应力无关。因此, 可分别在螺栓松弛和拧紧状态下 精确测量超声纵波传播时间, 并通过标定试验获得各 种螺栓材料系数, 计算螺栓受力后的机械伸长量, 结 合螺栓联接几何尺寸的标称值间接获取螺栓的轴向应 力, 并根据测试数据分析出螺栓应力承受限度。
计 量 、测 试 与 校 准 # 33#
图 2 超声波螺栓测量仪校准装置
校准步骤可按下面进行: 1) 在超 声波螺栓测量 仪中设置标准 螺栓技术 参 数, 包括螺栓的等级、材料、弹性模量、温度补 偿系 数、螺栓的长度、横截面和声速等参数。 2) 将温度传感器和超声换能器与超声波螺栓测量 仪相连, 稳定一段时间, 对仪器调零。 3) 按图 2 所示连接仪器 , 初始态为螺栓松 弛状 态。用扳手拧紧螺母对螺栓施加拉力, 在拉力传感器 示值超过螺栓额定力值的 5% 时, 记录拉力传感器和待 测超声波螺栓测量仪示值。 4) 继续对螺栓施加拉力, 并记录拉力传感器和待 测超声波螺栓测量仪示值, 直至拉力传感器示值接近 螺栓额定力值。
(下转第 43页 )
计测技术
计 测 管 理 # 43#
软件应用模块, 应用公司已有的局域 网络平台, 将能 源计量系统的软件和硬件模块加以连接, 建立计量数据 自动采集管理网络, 构建公司 EMS能源管理系统, 达到 现场控制和管理的无缝联接, 实现能源实时自动计量、 数据资源共享、能耗自动统计、历史 数据可追溯等功 能, 向企业管理者和决策管理层提供准确、及时的能源 数据, 为企业节能减排、降低能耗提供科学依据。
4011 6
01 33
5011 3
01 13
5981 5
01 15
引入各不确定度分量的因素独立不相关, 取 包含
因子 k = 2 , 则测量结果的扩展不确定度为
U = 2 @ uA2 + uB21 + u2B2
=2
0100332 +
011 2 2 @ 3 @ 400 +
01005 2 3 @ 100%
2) 耦合。由于空气与螺栓材质的声特性阻抗相差 很大, 为避免超声换能器与螺栓接触面之间因存在空 气间隙而使超声能量不能有效进入螺栓内部而产生很 大的界面能量反射损失, 须在换能器与螺栓接触端面 之间填充液体声耦合剂, 声耦合剂必须有足够的浸润 性并有尽可能高的声特性阻抗, 以使声能可以尽可能
图 3 超声螺栓检测仪换能器辅助定位装置
U 019%
可见扩展不确定度小于超声波螺栓测量仪测量精
度 ? 2% 的 1 /2, 测试结果满足要求。 此外, 不同厂家生产的同型号螺栓对测试结 果有
时也会引入偏差, 在给出校准结论的同时也应指明所
用的螺栓。
5 总结
采用以拉力传感器示值为参考的比较校准方法可
以直接有效的对超声螺栓测量仪进行校准, 其中螺栓 的选取和超声换能器的安装需注意, 可能引入误差。
多的进入螺栓, 实际应用中一般选 用机油作声耦 合剂。
3) 测试中标准螺栓的选取。一般应选用钢结构常 用的高强度螺栓作为标准螺栓, 主要是因为这种螺栓 是超声螺栓检测仪的主要检测对 象, 也是 GB502052001 5钢结构工程施工质量验收规范 6 中有详细规定 的产品。为保证校准结果, 螺栓表面平行度和轴线垂 直度应维持在一定水平内, 无明显歪曲。主要是对螺 栓表面粗糙度的要求, 依照工业超声探伤对超声进入 面的光洁度要求, 螺栓的超声进入面表面粗糙度应达 到 312Lm, 必要时应对入射面进行处理。
K ey word s: u ltrasonic; bolt load; ca libra tion m ethod
0 序言
螺栓联 接广 泛应用 于机 械、化 工、 交通、电力、 航空等部门的重要设备和结构中。对于这些设备或结 构中所使用的螺栓, 其预紧力是否合适将直接关系到 整个设备或结构工作的可靠性和安全性。
4011 7 5011 4 5981 6
8 10 01 9 20 01 6 30 11 2 40 11 8 50 11 2 59 81 5
9 1001 7 2001 7 3001 9 4011 9 5011 1 5981 9
标准差 /% 10
1001 9
01 17
2001 2
01 18
3011 2
01 17
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中图分类号: TH 823
文献标识码: B
文章编号: 1674- 5795 ( 2010) 02- 0032- 02
R esearch on Calib ratingM ethod of U ltrason ic Bolt M on itor AN Zhaoliang, ZH OU Z iw e i
3 测试要点
1) 换能器的安装。待测超声螺栓测量仪的平面应 同螺栓端面贴合安装, 这样才能保证测试结果的良好 复现性。安装螺栓时可在螺母外端预留几个螺距的余 长, 利用该段剩余螺纹进行换能器径向定位安装。在 定位器上攻 2~ 3个螺距的内螺纹, 与标准螺栓外螺纹 匹配。简单的辅助定位装置如图 3所示。
( 上接第 33页 )
参考应力 /M Pa
10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0
1 1001 5 2001 5 3011 2 4021 2 5011 0 5981 5
2 1001 6 2001 4 3011 3 4021 3 5011 1 5981 5
3 10 01 5 20 01 3 30 11 4 40 11 5 50 11 2 59 81 7
表 1 不同拉力下的测试结果
4 1001 7 2001 2 3001 9
10次测量结果
5
6
10014 10015
20014 20012
30113 30113
7 1001 6 2001 5 3011 1
4011 7 5011 3 5981 5
40 21 5 50 11 3 59 81 8
4021 1 5011 4 5981 5
4 校准案例和不确定度分析
校准中选用拉力传感器等级 015 级; 采取的待测 超声波螺栓检 测仪为 BOLTM ike Ó, 测量 精度 ? 2% , 校准中选用钢结构高强度螺栓 M 22 @ 90 /1019S。
不确定度模型: 超声波螺栓测量仪测试时, 声时 和温度是仪器直接采集的两个数据, 其他数据 ( 标准 螺栓技术参数, 包括 螺栓的 等级、材料、弹性 模量、 温度补偿系数、螺栓的长度、螺栓横截面和声速 ) 皆 为手动输入, 来源于出厂数据。最终的应力是通过一 个复杂的公式得到的, 对这个公式的各个参量都做不 确定度分析是难以实现的。我们采取了一个简单实用 的做法, 把整个超声波螺栓测量仪看做一个黑箱, 不 管它的工作原理如何, 只注重输出的应力值。
参考 文献
[ 1] 全国信息与文献标准化 技术委 员会 1GB 17167- 2006 用能 单位 能源计量器具配备和管理通则 [ S] 1 北京: 中国标准 出版社, 20061
[ 2] 张力新 1 降低漏损率 提高 经济效益 )) ) 超声水表技术特点 与应用 [ J] 1 城镇供水, 2005 ( 4): 67- 681
国内通常采用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手 法、电阻应变片电测法、光测力学法、磁敏电阻 传感 器测量法等。在工程应用中广泛采用扭矩扳手控制螺 栓预紧 力 和 对 施 工 质 量 进行 检 测, GB50205 - 2001 5钢结构工程施工质量验收规范 6 中对钢结构工程中高 强螺栓施工质量检测的标准就是基于扭矩扳手法制定 的。其余三种方法多应用于实验室条件下对螺栓拧紧 和工作状态下轴向应力的实验室测量和分析, 具有测 量精度高的优 点。但由 于设备复 杂和工作 条件苛刻, 目前在工程施工和检测现场还没有得到广泛应用。
( Shanghai Institute ofM easurem en t and T esting T echno logy, Shanghai 201203, China)
Abstrac t: U ltrasonic bo lt mon ito r is a new type o f instrum en t for m easu ring bo lt load1 Its working pr inciple is d ifferen t from trad itiona l instrum ents, thus how to ca librate it becom es a puzzle1 In th is paper, a ca libration m ethod based on compar is ion m ethod is g iven1
表 1是不同拉力下的 10次测试结果, 取表中标准 差的最大值作为 A 类标准不确定度分量 uA。
对于 B类不确定度, 主要考虑超声波螺栓测量仪示 值估读偏差 uB1和拉力传感器测量误差 uB2。超声波螺栓测 量仪为数字式指示装置, 分辨力为其末位有效数字的一个 增量, 按均匀分布估算, 取标准差最大的一组分析; 拉力 传感器为测量精度 015级, 按均匀分布估计测量误差。
# 32# 计 量 、测 试 与 校 准
2010年第 30卷第 2期
超声波螺栓测量仪校准方法探索
安兆亮, 周子炜
(上海市计量测试技术研究院, 上海 201203)
摘 要: 针对超声波螺栓测量仪无法校准而影响实际使用的问题, 提出了一种基于比较法的校准方法, 为此
类仪器的有效校准做了有益的探索。
关键词: 超声波; 螺栓应力; 校准方法
收稿日期: 2010- 01- 08 作者简介: 安光亮 ( 1980- ), 男, 理学硕士, 从事声学计量工作。
图 1 超声波脉冲在螺栓中的传播方式
计测技术
2 测试装置设计及校准方法
采取比较法进行校准。校准装置借鉴浙江大 学张 俊等人的螺栓材料系数测定试验装置结构, 用以实现 超声波螺栓测量仪的校准, 如图 2所示。市面上可见 的超声波螺栓测量仪标称测量精度均不高于 ? 1% , 拉 力传感器的测量精度远高于此, 可满足校准要求。
科学应用能源计量网络数据的统计分析和在线监 控, 统一优化调度和合理调配能源, 防止能源介质的 跑、冒、滴、漏, 加快系统的故障处理和应对能 源事 故的反应能力; 同时, 能源消耗主要部门从网络数据 库中提取所需的数据和能源消耗动态信息, 进行能源 计量的多方管理、多方监督、共同测量, 为公司 进一 步提升能源管理水平搭建可靠平台。
[ 3] 赵海升, 王京安 1 宽量程蒸汽计量及若干问题的讨论 [ J] 1 区域供热, 2008 ( 5) : 33- 371
[ 4] JJG 1030- 2007超声波流量计 [ S] 1 [ 5] JJG 1029- 2007涡街流量计 [ S] 1 [ 6] JJG 640- 1994 差压式流量计 [ S] 1
4 结束语
能源计量是能源管理的一项重要工作, 要不断加 大能源管理的基 础建设, 完善能源 计量器具 的配备, 做好计量器具的检定、校准工作, 用科学准确的数据 指导生产用能, 通过量化指标管理, 把节能挖潜落到 实处, 使能源计量成为节能降耗的 / 金钥匙 0, 以实现 企业社会效益、经济效益的最大化, 走科学的可持续 发展道路。
采用超声波测量螺栓紧固力, 不但具有无损、快 速、方便的特点, 而且具有较高的精度, 由于是 直接 测量螺栓所承受的应力, 因此不像扭矩扳手那样受摩 擦系数离散性的影响。
1 工作原理
超声波螺栓测量仪使用脉冲 - 回波技术。将超声
波换能器置于紧 固件的一 端, 发射 声脉冲传 入螺栓, 这个脉冲径直穿过紧固件的整个长度。脉冲在另一端 被反射回 来且被超 声波换能 器所接收, 如图 1 所示。 根据声弹性理论和非线性声学, 当各向同性固体材料 受某一方向应力且超声波同应力方向一致时, 声速与 应力为线性关系。对于同种螺栓材料, 螺栓受力后的 机械伸长 量和超声纵波 声程变化量 的比值为 一定值, 与应力无关。因此, 可分别在螺栓松弛和拧紧状态下 精确测量超声纵波传播时间, 并通过标定试验获得各 种螺栓材料系数, 计算螺栓受力后的机械伸长量, 结 合螺栓联接几何尺寸的标称值间接获取螺栓的轴向应 力, 并根据测试数据分析出螺栓应力承受限度。
计 量 、测 试 与 校 准 # 33#
图 2 超声波螺栓测量仪校准装置
校准步骤可按下面进行: 1) 在超 声波螺栓测量 仪中设置标准 螺栓技术 参 数, 包括螺栓的等级、材料、弹性模量、温度补 偿系 数、螺栓的长度、横截面和声速等参数。 2) 将温度传感器和超声换能器与超声波螺栓测量 仪相连, 稳定一段时间, 对仪器调零。 3) 按图 2 所示连接仪器 , 初始态为螺栓松 弛状 态。用扳手拧紧螺母对螺栓施加拉力, 在拉力传感器 示值超过螺栓额定力值的 5% 时, 记录拉力传感器和待 测超声波螺栓测量仪示值。 4) 继续对螺栓施加拉力, 并记录拉力传感器和待 测超声波螺栓测量仪示值, 直至拉力传感器示值接近 螺栓额定力值。
(下转第 43页 )
计测技术
计 测 管 理 # 43#
软件应用模块, 应用公司已有的局域 网络平台, 将能 源计量系统的软件和硬件模块加以连接, 建立计量数据 自动采集管理网络, 构建公司 EMS能源管理系统, 达到 现场控制和管理的无缝联接, 实现能源实时自动计量、 数据资源共享、能耗自动统计、历史 数据可追溯等功 能, 向企业管理者和决策管理层提供准确、及时的能源 数据, 为企业节能减排、降低能耗提供科学依据。
4011 6
01 33
5011 3
01 13
5981 5
01 15
引入各不确定度分量的因素独立不相关, 取 包含
因子 k = 2 , 则测量结果的扩展不确定度为
U = 2 @ uA2 + uB21 + u2B2
=2
0100332 +
011 2 2 @ 3 @ 400 +
01005 2 3 @ 100%
2) 耦合。由于空气与螺栓材质的声特性阻抗相差 很大, 为避免超声换能器与螺栓接触面之间因存在空 气间隙而使超声能量不能有效进入螺栓内部而产生很 大的界面能量反射损失, 须在换能器与螺栓接触端面 之间填充液体声耦合剂, 声耦合剂必须有足够的浸润 性并有尽可能高的声特性阻抗, 以使声能可以尽可能
图 3 超声螺栓检测仪换能器辅助定位装置
U 019%
可见扩展不确定度小于超声波螺栓测量仪测量精
度 ? 2% 的 1 /2, 测试结果满足要求。 此外, 不同厂家生产的同型号螺栓对测试结 果有
时也会引入偏差, 在给出校准结论的同时也应指明所
用的螺栓。
5 总结
采用以拉力传感器示值为参考的比较校准方法可
以直接有效的对超声螺栓测量仪进行校准, 其中螺栓 的选取和超声换能器的安装需注意, 可能引入误差。
多的进入螺栓, 实际应用中一般选 用机油作声耦 合剂。
3) 测试中标准螺栓的选取。一般应选用钢结构常 用的高强度螺栓作为标准螺栓, 主要是因为这种螺栓 是超声螺栓检测仪的主要检测对 象, 也是 GB502052001 5钢结构工程施工质量验收规范 6 中有详细规定 的产品。为保证校准结果, 螺栓表面平行度和轴线垂 直度应维持在一定水平内, 无明显歪曲。主要是对螺 栓表面粗糙度的要求, 依照工业超声探伤对超声进入 面的光洁度要求, 螺栓的超声进入面表面粗糙度应达 到 312Lm, 必要时应对入射面进行处理。
K ey word s: u ltrasonic; bolt load; ca libra tion m ethod
0 序言
螺栓联 接广 泛应用 于机 械、化 工、 交通、电力、 航空等部门的重要设备和结构中。对于这些设备或结 构中所使用的螺栓, 其预紧力是否合适将直接关系到 整个设备或结构工作的可靠性和安全性。
4011 7 5011 4 5981 6
8 10 01 9 20 01 6 30 11 2 40 11 8 50 11 2 59 81 5
9 1001 7 2001 7 3001 9 4011 9 5011 1 5981 9
标准差 /% 10
1001 9
01 17
2001 2
01 18
3011 2
01 17
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中图分类号: TH 823
文献标识码: B
文章编号: 1674- 5795 ( 2010) 02- 0032- 02
R esearch on Calib ratingM ethod of U ltrason ic Bolt M on itor AN Zhaoliang, ZH OU Z iw e i
3 测试要点
1) 换能器的安装。待测超声螺栓测量仪的平面应 同螺栓端面贴合安装, 这样才能保证测试结果的良好 复现性。安装螺栓时可在螺母外端预留几个螺距的余 长, 利用该段剩余螺纹进行换能器径向定位安装。在 定位器上攻 2~ 3个螺距的内螺纹, 与标准螺栓外螺纹 匹配。简单的辅助定位装置如图 3所示。
( 上接第 33页 )
参考应力 /M Pa
10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0
1 1001 5 2001 5 3011 2 4021 2 5011 0 5981 5
2 1001 6 2001 4 3011 3 4021 3 5011 1 5981 5
3 10 01 5 20 01 3 30 11 4 40 11 5 50 11 2 59 81 7
表 1 不同拉力下的测试结果
4 1001 7 2001 2 3001 9
10次测量结果
5
6
10014 10015
20014 20012
30113 30113
7 1001 6 2001 5 3011 1
4011 7 5011 3 5981 5
40 21 5 50 11 3 59 81 8
4021 1 5011 4 5981 5
4 校准案例和不确定度分析
校准中选用拉力传感器等级 015 级; 采取的待测 超声波螺栓检 测仪为 BOLTM ike Ó, 测量 精度 ? 2% , 校准中选用钢结构高强度螺栓 M 22 @ 90 /1019S。
不确定度模型: 超声波螺栓测量仪测试时, 声时 和温度是仪器直接采集的两个数据, 其他数据 ( 标准 螺栓技术参数, 包括 螺栓的 等级、材料、弹性 模量、 温度补偿系数、螺栓的长度、螺栓横截面和声速 ) 皆 为手动输入, 来源于出厂数据。最终的应力是通过一 个复杂的公式得到的, 对这个公式的各个参量都做不 确定度分析是难以实现的。我们采取了一个简单实用 的做法, 把整个超声波螺栓测量仪看做一个黑箱, 不 管它的工作原理如何, 只注重输出的应力值。
参考 文献
[ 1] 全国信息与文献标准化 技术委 员会 1GB 17167- 2006 用能 单位 能源计量器具配备和管理通则 [ S] 1 北京: 中国标准 出版社, 20061
[ 2] 张力新 1 降低漏损率 提高 经济效益 )) ) 超声水表技术特点 与应用 [ J] 1 城镇供水, 2005 ( 4): 67- 681
国内通常采用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手 法、电阻应变片电测法、光测力学法、磁敏电阻 传感 器测量法等。在工程应用中广泛采用扭矩扳手控制螺 栓预紧 力 和 对 施 工 质 量 进行 检 测, GB50205 - 2001 5钢结构工程施工质量验收规范 6 中对钢结构工程中高 强螺栓施工质量检测的标准就是基于扭矩扳手法制定 的。其余三种方法多应用于实验室条件下对螺栓拧紧 和工作状态下轴向应力的实验室测量和分析, 具有测 量精度高的优 点。但由 于设备复 杂和工作 条件苛刻, 目前在工程施工和检测现场还没有得到广泛应用。
( Shanghai Institute ofM easurem en t and T esting T echno logy, Shanghai 201203, China)
Abstrac t: U ltrasonic bo lt mon ito r is a new type o f instrum en t for m easu ring bo lt load1 Its working pr inciple is d ifferen t from trad itiona l instrum ents, thus how to ca librate it becom es a puzzle1 In th is paper, a ca libration m ethod based on compar is ion m ethod is g iven1
表 1是不同拉力下的 10次测试结果, 取表中标准 差的最大值作为 A 类标准不确定度分量 uA。
对于 B类不确定度, 主要考虑超声波螺栓测量仪示 值估读偏差 uB1和拉力传感器测量误差 uB2。超声波螺栓测 量仪为数字式指示装置, 分辨力为其末位有效数字的一个 增量, 按均匀分布估算, 取标准差最大的一组分析; 拉力 传感器为测量精度 015级, 按均匀分布估计测量误差。
# 32# 计 量 、测 试 与 校 准
2010年第 30卷第 2期
超声波螺栓测量仪校准方法探索
安兆亮, 周子炜
(上海市计量测试技术研究院, 上海 201203)
摘 要: 针对超声波螺栓测量仪无法校准而影响实际使用的问题, 提出了一种基于比较法的校准方法, 为此
类仪器的有效校准做了有益的探索。
关键词: 超声波; 螺栓应力; 校准方法
收稿日期: 2010- 01- 08 作者简介: 安光亮 ( 1980- ), 男, 理学硕士, 从事声学计量工作。
图 1 超声波脉冲在螺栓中的传播方式
计测技术
2 测试装置设计及校准方法
采取比较法进行校准。校准装置借鉴浙江大 学张 俊等人的螺栓材料系数测定试验装置结构, 用以实现 超声波螺栓测量仪的校准, 如图 2所示。市面上可见 的超声波螺栓测量仪标称测量精度均不高于 ? 1% , 拉 力传感器的测量精度远高于此, 可满足校准要求。