Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Рис. 6.18. Дифференциальный индуктивный датчик (а) и схема включения (б)

Самая жесткая диафрагма обладает собственной частотой 40 кГц и чувствительностью к ускорению, равной 0,003 %/g. Такие диапазоны собственных частот говорят о высоком быстродействии, и поэтому эти типы датчиков используются в качестве эталонных для измерений времени реакции датчиков давления.

Потенциометрические датчики. Самой простой формой потен-

циометрического датчика является проволочный резистор со

тельного элемента датчика. Пьезоэлектрические датчики также могут применяться для из-

мерения перемещений и деформаций чувствительных элементов в датчиках давления.

На рис. 6.20 показан принцип работы кварцевого датчика. Сигнал от пьезоэлектрического датчика зависит от направления усилия, т. е. растяжение и сжатие дают сигналы противоположной полярности. Дополнительно к применению в датчиках давления кварц часто применяется в датчиках, измеряющих вибрацию.

131

Рис. 6.20. Пьезоэлектрический датчик с сильфоном

6.3.Передачасигналовдавления

Вбольшинстве измерительных систем датчики давления и показывающее или регистрирующее оборудование расположены вдали друг от друга для обеспечения безопасности и нормальных условий эксплуатации. Например, на атомных электростанциях, где есть зоны с опасными радиационными условиями, или на химических предприятиях, где под высоким давлением могут находиться коррозийные или воспламеняющиеся материалы, передача информации о давлении на расстояние в место, удаленное от технологического процесса, позволяет операторам считывать показания приборов и управлять процессом, находясь в безопасном месте. Обычно датчики давления расположены в зоне процесса, а индикаторы, записывающие устройства и другие приборы расположены в удаленном месте, например в месте расположения пульта управления, в нескольких сотнях метров от зоны процесса.

Существуют два метода передачи сигналов давления на расстояние: пневматическая и электрическая. При пневматической передаче движение эластичного элемента в датчике давления обычно преобразуется в стандартный сигнал с давлением от 20 до 102 кПа, который передается на расстояние по трубопроводу. При электрической передаче движение эластичного элемента обычно преобразуется в электрический сигнал. Рассмотрим более подробно пневматические и электрические системы передачи сигналов от датчиков давления.

132

Пневматическая передача. Для пневматической передачи сигналов давления используется регулятор давления, чтобы преобразовывать давление процесса в диапазоне от 0 до 100 % в пропорциональный сигнал с давлением от 20 до 100 кПа. Рассмотрим принцип действия передающего пневматического датчика и пневматического индикатора.

Пневматическая система измерения давления обычно состоит из четырех основных частей:

1)источникасжатоговоздухаспостояннымдавлением140 кПа;

2)регулятора давления, модулирующего давление сжатого воздуха в соответствии с движением эластичного элемента в датчике давления;

3)соединительной линии небольшого диаметра (например, измедной или пластиковой трубки) для передачи сигнала давления от технологического процесса;

4)принимающий прибор для преобразования модулированного сигнала давления в механическое перемещение или электрический сигнал.

На рис. 6.21 показан пневматический передатчик.

Рис. 6.21. Схема работы пневматического передатчика

Изменения давления от передатчика (входной сигнал) передаются через регулируемый игольчатый клапан, обеспечивающий демпфирование, на принимающий сильфон, который перемещает рычаг, передающий усилие. Пружина, сдерживающая расширение сильфона в осевом направлении, обеспечивает регулировку нуля и

133

рабочего диапазона. Регулируя эффективную длину пружины, устанавливают рабочий диапазон, а регулировкой начального натяжения пружины устанавливают прибор на нуль. Силовой рычаг соединен с тягой, приводящей в движение механизм стрелочного указателя. Изменяя длину тяги поворотом имеющейся на ней гайки, регулируют угловое отклонение указателя.

Пневматические передающие системы давления имеют два серьезных недостатка: они обладают сильным запаздыванием во времени, которое может ограничить максимальное расстояние передачи сигнала, и им требуется сжатый воздух высокого качества, свободный от влаги и нежелательных жидкостей, таких, как смазочное масло.

Любая влага в подаваемом воздухе может вызвать замерзание воздушных линий в зимнее время. По этой причине часто необходимо проверять температурный режим в зоне прохождения линий, что делает пневматическую передающую систему источником постоянных проблем в техобслуживании.

Электрическая передача свободна от недостатков пневматической передачи. Устройства обратной связи передающих систем обеспечивают пропорциональность выходного тока измеряемому давлению таким образом, что изменения в сопротивлении линии не вызывают потерь при передаче сигнала по линиям.

Герметичные системы измерения давления. Чтобы избежать контакта с технологической средой, чувствительный элемент некоторых датчиков давления размещают в герметичном контейнере, заполненном подходящей жидкостью, например, силиконовым маслом. В качестве примера

такого чувствительного элемента на рис. 6.22 показан модуль, используемый в передающих датчиках давления «Rosemount».

На рис.6.23 показано внутреннее устройство измерительной ячейки. Давление, действующее на изолированную диафрагму герметизирующего устройства, приводит к вытеканию некоторого количества заполняющей жидкости из герметизированной полости в капил-

134

лярные каналы керамической вставки и далее к ее чувствительному элементу.

Рис. 6.23. Устройство измерительной ячейки

Герметичные системы измерения давления обладают высоким разрешением и быстрой реакцией на изменения давления в месте расположения изолирующей диафрагмы. Упругость изолирующей диафрагмы должна быть низкой по сравнению с упругостью чувствительного элемента, чтобы гарантировать, что весь смещаемый объем жидкости подействует на чувствительный элемент в требуемом рабочем диапазоне. Идеальная система характеризуется низкой упругостью диафрагмы, сочетаемой с максимальным смещением объема наполняющей датчик жидкости.

В идеальном случае жидкость, наполняющая герметичный датчик давления, должна быть несжимаема, иметь высокую точку кипения, низкую температуру замерзания, низкий коэффициент теплового расширения и низкую вязкость. Она должна быть совместима с диафрагмой и частями конструкции датчика, с которыми она контактирует, и не должна наносить вреда, если датчик потеряет герметичность. Жидкость на силиконовой основе пользуется наибольшей популярностью для данной цели и используется в большинстве промышленных датчиков давления.

135

Перед заполнением жидкостью система вакуумируется; она должна быть полностью заполнена жидкостью и свободна от любых воздушных включений, которые бы сжимались или расширялись во время работы, приводя к ухудшению динамической характеристики. Точность любой герметичной системы измерения давления зависит от качества этой операции.

Системы демпфирования давления. При измерении сигналов дав-

ления, подверженных флуктуациям, для получения стабильных результатов измерений иногда важно применять демпфер. Используют два типа демпферов: механические демпферы (их также называют подавляющими устройствами или демпферами пульсаций) и электронные демпферы (также называемые схемами задержки или фильтрами нижних частот). Эти устройства рассматриваются в двух следующих разделах.

Механические демпферы могут использоваться как в механических, так и в электромеханических датчиках давления, в то время как электронные демпферы могут использоваться лишь в электромеханических датчиках. Механический демпфер устанавливается в линию давления, ведущую к датчику.

Преимущество механических демпферов в том, что они могут устанавливаться в измерительных линиях давления перед чувствительным элементом не только для того, чтобы обеспечить стабильный результат измерений, но и для того, чтобы продлить срок службы датчика. Это же обстоятельство является их недостатком – нахождение демпферов в зоне процесса может вызывать их засорение, а также ведет к ухудшению характеристик из-за старения. Механические демпферы могут также создавать проблемы при техническом обслуживании.

На рис. 6.24 показаны типичные виды механических демпферов. Демпфер, показанный на рис. 6.24, а оснащен регулируемым игольчатым клапаном для демпфирования и высокоточным шаровым затвором для блокировки внезапных скачков давления и ударных волн. Игольчатый клапан позволяет получать регулируемые характеристики демпфирования при помощи ослабления контргайки на регулировочном винте и регулировки настройки игольчатого клапана. В гасителе пульсаций (рис. 6.24, б) в качестве демпфирующего элемента используется пористая мембрана. Номинальную пропускную

136

способность демпфера устанавливают, выбирая размер пор, наиболее подходящий к вязкости среды, передающей давление; мембраны с различными размерами пор применяют с маслами, водой, газами или ртутью.

Рис. 6.24. Виды механических демпферов

Принцип работы пульсирующего демпфера, показанного на рис. 6.24, в, заключается в свободном колебании небольшого плунжера в цилиндрическом отверстии втулки. Так как не существует дроссельного устройства, действующего эффективно при разных сочетаниях величины и частоты флуктуации давления и вязкости среды, его передающей, то по этой причине во втулке сделаны пять отверстий разного размера, пронумерованных от 1 до 5. Плунжер можно перемещать из одного отверстия в другое в зависимости от требуемой степени демпфирования. Все отверстия, кроме того, которое используется, герметизируются при помощи уплотняющего диска. Отверстие номер один обладает максимальным эффектом демпфирования, так как оно имеет наименьший диаметр и потому обеспечивает наименьший зазор между плунжером и отверстием.

Электронные демпферы состоят из активного или пассивного электронного контура, такого как RC-цепочка с одним или более резисторами, Преимуществом этих демпферов является то, что их можно отрегулировать для любого желаемого уровня демпфирования (фильтрации). Более того, нет необходимости устанавливать электронные демпферы в зоне процесса, их можно установить в легкодоступной стойке для приборов,

Недостаток электронных демпферов в том, что в отличие от механических демпферов они не защищают чувствительный элемент от флуктуации давления, поэтому они не обеспечивают защиты от

137

старения датчиков, вызываемого вибрацией. В датчиках давления со встроенными электронными демпферами можно регулировать степень демпфирования, когда это необходимо.

Если необходим датчик с быстрой реакцией, то механические или электрические демпферы могут мешать измерению динамики сигналов давления. Демпферы давления увеличивают время реакции систем измерения давления пропорционально величине используемого демпфирования. Уменьшить этот нежелательный эффект можно путем вычисления необходимого времени реакции демпфера, чтобы получить уверенность, что используемое демпфирование не является чрезмерным для данного применения. Другим способом борьбы с этим явлением является внесение в результаты измерения поправок на задержку, связанную с демпфированием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6

1.Какие принципы измерения давления вы знаете?

2.Что такое трубка Бурдона?

3.Что такое сильфон?

4.Что такое диафрагма и как она используется для измерения давле-

ния?

5.Как устроен механический датчик давления?

6.Как устроен электромеханический датчик давления?

7.В чем заключается тензометрический метод измерения давления?

8.В чем заключается пьезорезистивный метод измерения давления?

9.В чем заключается емкостной метод измерения давления?

10.В чем заключается резонансный метод измерения давления?

11.В чем заключается индуктивный метод измерения давления?

138

7. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА АЭС

7.1. Типы датчиков давления на АЭС

Первичные преобразователи давления или датчики, используемые на АЭС, являются электромеханическими системами, предназначенными для измерения давления или перепада давления (в том числе с целью определения уровня и расхода).

Датчик давления может рассматриваться как сочетание двух систем: механической и электронной. Механическая система датчика давления включает в себя гибкий чувствительный элемент (диафрагму, сильфон, трубку Бурдона и т.п.), который реагирует (изгибается, сжимается и т.д.) на действие давления. Движение этого чувствительного элемента передаётся на датчик смещения и преобразуется в электрический сигнал, который пропорционален давлению.

Для измерений давления на АЭС, связанных с обеспечением безопасности, обычно используются два типа датчиков давления:

датчики равновесия перемещений и датчики равновесия сил, раз-

личающихся тем, каким образом движение чувствительного элемента датчика преобразуется в электрический сигнал. В датчиках равновесия перемещений движение чувствительного элемента измеряется датчиком смещения (например, тензометром или емкостным датчиком) и преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный давлению. В датчиках равновесия сил прилагаемое давление приводит к тому, что чувствительный стержень датчика отклоняется; это отклонение компенсируется электромеханической системой обратной связи датчика, включающей в себя силовой двигатель, который используется для удержания чувствительного стержня в равновесном положении. Сила тока, подаваемого на двигатель в этом случае, будет пропорциональна прикладываемому давлению.

Электронная система датчика состоит из активных и пассивных компонентов, а также электронных схем, выполняющих обработку сигнала, температурную компенсацию и обеспечивающих линейность выходного сигнала. Обычно электронные системы для дат-

139

чиков низкого и высокого давлений одни и те же, в то время как чувствительные элементы разные. Например, одна из фирм, производящих датчики давления, применяет три различных гибких элемента для того, чтобы обеспечить измерение давления в нескольких диапазонах от 0 до 200 бар, используя одну и ту же конструкцию для остальной части датчика.

На АЭС обычно используют примерно от 200 до 800 датчиков давления и перепада давления (дифференциального давления) для измерения давления, уровня и расхода теплоносителя в первичном и вторичном контурах станции. Точное число датчиков, используемых для основных измерений, обычно определяется типом и конструкцией АЭС. Например, число датчиков, использующихся на АЭС с водо-водяным реактором, зависит от числа петель охлаждения реактора. На рис. 7.1 показана петля первичного контура охлаждения реактора и некоторые датчики, которые обычно установлены в ней.

Рис. 7.1. Петля первичного контура охлаждения реактора

В число этих датчиков входят датчики перепада давления. Датчик перепада давления применяют для измерения расхода и уровня рабочей среды, в то время как обычный датчик давления используют для измерения абсолютного или манометрического давления.

140