Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

является лучшее время реакции, а недостатком – трудность их замены. Преимуществом ТДС с термоканалами является легкость их замены. Недостатком является худшее быстродействие и склонность к увеличению времени реакции со временем из-за изменения свойств изоляционного материала в термоканале.

Рис. 4.1. Установка ТДС прямого погружения

Рис. 4.2. Установка ТДС с термоканалом

71

Помимо крайне высокой надежности и способности сохранять свою работоспособность при аварии, требуется, чтобы ТДС, относящиеся к обеспечению ядерной безопасности, имели хорошую калибровку и небольшое время реакции, так как эти характеристики важны для обеспечения безопасности и хороших экономических показателей станции. На рис. 4.3 приводится упрощенная схема первого контура охлаждения АЭС с реактором водо-водяного типа. В принципе, мощность реактора (Р) равна произведению прироста температуры ( Т) теплоносителя в активной зоне на его расход (m) через первый контур (т.е., Р ≈ m Тk, где k - теплоемкость носителя). Типичный прирост температуры составляет примерно 30 °С, поэтому ошибка в измерении Т, равная одному градусу, соответствует ошибке в мощности, равной 3,3 %, поэтому точная калибровка ТДС имеет большое значение для экономических показателей станции. По этой причине ТДС первого контура перед установкой обычно калибруют с точностью 0,3 ºС или выше. Более того, эту точность калибровки периодически проверяют в течение времени работы ТДС на АЭС при помощи метода перекрестной калибровки.

Рис. 4.3. Упрощенная схема петли первого контура охлаждения реактора

При ситуации, когда происходит ступенчатое изменение температуры теплоносителя первого контура реактора, ТДС должен своевременно подать соответствующий сигнал к действиям, уменьшающим опасность, включая, если необходимо, аварийный останов реактора в целях обеспечения безопасности. Поэтому к времени реакции ТДС первого контура предъявляются жесткие

72

требования. Эти требования для разных станций разные. Например, для АЭС, где ТДС первого контура установлены в термоканалы, времена реакции должны быть в диапазоне от 4,0 до 8,0 с. Для ТДС прямого погружения, устанавливаемых в байпасных контурах, требуются времена реакции от 1,0 до 3,0 с.

На некоторых станциях байпасные линии используются для облегчения отбора проб воды, охлаждающей реактор, из всех петель теплоносителя для смешивания их перед тем, как использовать для измерения температуры теплоносителя первого контура. Вследствие этого ТДС байпасных петель должны обычно иметь короткое время реакции, чтобы компенсировать задержку во времени, вызываемую движением воды от трубопровода первого контура до того места, где измеряется температура.

4.3.Термины, относящиеся к измерениям температуры на АЭС

Рассмотрим ряд общепринятых терминов, связанных с измерительными устройствами для измерения температуры на АЭС.

Воспроизводимость. Способность получать одинаковый результат, используя тот же датчик в тех же условиях. Воспроизводимость равна максимальной разнице между результатами повторных измерений одним и тем же датчиком с использованием одних и тех же измерительных устройств и процедуры при заданных условиях. Также называется прецизионностью.

Время реакции. Время, требующееся для того, чтобы сигнал на выходе датчика после ступенчатого изменения температуры достиг 63,2% от своего конечного значения. Время реакции характеризуется «постоянной времени». (Заметим, что термин «постоянная времени» имеет смысл лишь для динамической системы первого порядка. Хотя датчики температуры не обязательно являются системами первого порядка, термин постоянная времени часто используется, чтобы количественно охарактеризовать их динамическую реакцию.)

73

Датчики канального типа. Датчики, конструкция которых предполагает их установку в термоканал. Их также называют датчиками с термоканалами.

Датчики «мокрого типа» («прямого погружения»). Датчики,

которые устанавливаются непосредственно в рабочую среду в отличие от датчиков, устанавливаемых в термоканалы. Их также называют датчиками непосредственного погружения.

Деградация. Изменения в калибровке или времени реакции температурного датчика. Изменения времени реакции обычно называют деградацией, а изменения в калибровке – дрейфом или смещением.

Дрейф. Изменения в точности, происходящие с течением времени.

Испытания в режиме on-line. Испытания датчиков дистанционно, на месте их установки во время работы станции.

Испытания без демонтажа. Испытания без демонтажа означают, что приборы остаются установленными на своих местах на технологической установке в противоположность их удалению из технологического оборудования с целью их испытания.

Калибровка. Связь между сигналом на выходе датчика и температурой. Таблица, в которой приводится перечень значений сопротивления ТДС в виде функции от температуры называется калибровочной таблицей, а график зависимости сопротивления от температуры, называется калибровочной кривой. Чтобы обеспечить уровни точности, требующиеся в атомной промышленности, необходимо отдельно калибровать каждый ТДС. Поэтому ТДС, используемые на АЭС, калибруются индивидуально в лабораторных условиях перед установкой на станции. Термопары обычно индивидуально не калибруют, а калибруется представительная выборка термопар, изготовленных по одинаковым техническим условиям, полученные результаты используются и для остальных термопар, входящих в ту же партию.

Неопределенность. Потенциально возможная разница между истинной температурой процесса и сигналом на выходе приборов, измеряющих температуру.

Обычное старение. Естественная деградация рабочих характеристик датчика по мере того, как он подвергается воздействию

74

обычной для него внешней среды и типичных условий эксплуатации.

Ошибка. Применяется в том же значении, что и неопределенность, неточность или точность.

Перекрестная калибровка. Сравнение среднего показания взаимодублируемых ТДС с каждым индивидуальным показанием с целью проверить их согласованность и выявить выбросы. Метод перекрестной калибровки применим для проверки в режиме on-line. На некоторых станциях перекрестная калибровка используется также для термопар. Обычно перекрестная калибровка термопар выполняется, сравнением со средним показанием взаимодублируемых ТДС как наиболее точных датчиков температуры.

Рабочие характеристики. Общий термин, используемый для описания статических (калибровка и точность) и динамических (время реакции) характеристик датчика.

СПТС. Стандартный платиновый термометр сопротивления, называемый также стандартным ТДС или ПТС (платиновым термометром сопротивления). СПТС обычно калибруют в измерительной лаборатории и используют в качестве промежуточного эталона для калибровки промышленных датчиков температуры.

Самонагрев. Это явление, в котором электрический ток, используемый для измерения сопротивления ТДС, нагревает датчик изнутри.

Систематическая ошибка. Постоянная ошибка или смещение. Случайная ошибка. Ошибки, которые по величине могут быть положительными или отрицательными по отношению к истинному значению температуры. Случайные ошибки иногда называют не-

систематическими.

Смещение. Изменения в зависимости сопротивления ТДС от температуры, также называемые дрейфом. Смещение предполагает внезапное изменение, происходящее в конце какого-либо периода времени или испытания, в то время как под дрейфом подразумевают постепенные изменения.

Совместный дрейф. Направленный в одну сторону дрейф калибровки группы взаимодублируемых датчиков. Если все датчики группы дрейфуют в положительном или отрицательном направлении, говорят, что у них имеется «совместный дрейф».

75

Сопротивление изоляции. Электрическое сопротивление между любым соединительным проводом на выходе из датчика и заземленным проводом.

Старение. Нарушение калибровки или ухудшение времени реакции датчика с течением времени при работе в нормальной технологической среде и при штатных условиях эксплуатации. Так как характеристики температурных датчиков на АЭС регулярно проверяются, ухудшение их работоспособности не накапливается, и поэтому слово «накапливающаяся» не включено в определение старения ТДС, данное выше.

Стабильность. Способность температурного датчика сохранять свою точность. Количественной характеристикой стабильности является дрейф или скорость дрейфа (ºC/год). Термин стабильность (или противоположный ему термин нестабильность) также применяется для описания величины флуктуаций температуры технологического процесса. Относительно спокойный процесс называют стабильным, а процесс с большими флуктуациями – нестабильным (или с высоким уровнем шумов).

ТДС. Температурный датчик сопротивления, используемый для промышленных целей. Если чувствительный элемент ТДС сделан из платиновой проволоки, то ТДС называют также платиновым термометром сопротивления (ПТС) или платиновым ТДС.

ТДС коммерческого класса. ТДС для общих целей, изготовленный для обычных промышленных применений, в отличие от применений, связанных с ядерной безопасностью.

ТДС ядерного класса. Платиновый ТДС, сконструированный для применения в системах обеспечения безопасности АЭС. Представительный комплект ТДС ядерного класса любого типа должен пройти аттестационные испытания на соответствие стандартам. Глубина аттестационных испытаний зависит от местоположения ТДС на АЭС.

Термоканал. Защитная трубка (чехол), используемая для защиты датчика от рабочей среды и для того, чтобы его можно было легко заменять.

Точность. Максимальное положительное или отрицательное отклонение, которое может наблюдаться между истинным значением температуры технологического процесса и температурой, которую

76

показывает датчик. Этот термин включает ошибки калибровки, а также такие присущие ТДС ошибки, как вызываемые гистерезисом, ограниченной воспроизводимостью результатов измерений и самонагревом. Более правильным термином, чем точность, является неопределенность, но это выражение применяется редко из-за возможности его отрицательного толкования.

Чувствительный элемент. Проволока (обычно платиновая), размещенная внутри ТДС, сопротивление которой изменяется в зависимости от температуры. Что касается термопар, их чувствительным элементом является измерительный спай, где две проволоки термопары соединяются на оконечности датчика.

4.4. Неисправности ТДС на АЭС

Работа ТДС может сопровождаться дрейфом калибровки, снижением сопротивления изоляции, появлением неустойчивых сигналов на выходе, неисправностями в соединительных проводах и тому подобными нарушениями в работе. Вышеперечисленные неисправности у ТДС ядерного класса встречаются существенно реже, чем у ТДС коммерческого класса, из-за гораздо более высокого качества первых. Испытания показали, что ТДС ядерного класса обычно в два раза превышают показатели датчиков коммерческого класса по своей работоспособности и отсутствию неполадок в работе.

При использовании ТДС на АЭС обычно сталкиваются с некоторыми проблемами, такими, как:

1)ухудшение динамической характеристики;

2)повреждение соединительных линий;

3)низкое сопротивление изоляции;

4)преждевременный выход из строя;

5)ошибочные калибровочные таблицы;

6)незакреплённые или некачественные контакты;

7)большие ошибки, вызываемые ЭДС;

8)разрыв чувствительного элемента;

9)утончение платиновой проволоки;

10)дисбаланс соединительных проводов;

77

11)проникновение химических загрязнений из соединительной головки в термоканал;

12)трещины в термоканале;

13)ошибки в показаниях.

Рассмотрим эти проблемы подробнее.

Динамическая характеристика. Как было указано выше, время реакции ТДС первого контура измеряют на АЭС с PWR периодически, используя метод испытания без демонтажа, известный как метод РСТ (реакция на ступеньку тока). Этот метод позволяет обнаруживать случаи, когда ТДС, установленные на АЭС, не отвечают требованиям к их времени реакции.

В табл. 4.1 [2] приведены три примера, когда требования к времени реакции для ТДС на АЭС не были выполнены. Заметим, что в примерах рассмотрены ТДС трёх различных изготовителей и эти неисправности имели место на трёх различных АЭС. Причинами почти всех подобных случаев являлись: плохой контакт на чувствительной оконечности датчика, в частности, загрязнённость ТДС; загрязнённость термоканалов; отложения, оставшиеся от использования в термоканале компаундов для улучшения теплопередачи; а также несоблюдение допусков на размеры ТДС и (или) термоканала.

Для измерения времени реакции ТДС был использован метод РСТ без демонтажа во время нормальной работы АЭС.

Повреждение соединительных линий. Эта проблема возникает из-за неисправности соединительных линий вследствие низкокачественной пайки серебром внутри ТДС, где провода ТДС прикрепляются к соединительным проводам, выходившим из датчика.

Низкое сопротивление изоляции. Обычно сопротивление изоля-

ции промышленных ТДС должно составлять не менее 100 МОм

78

при комнатной температуре (20 °С) и при напряжении 100 В. Большинство ТДС ядерного класса отвечают этому требованию, и их сопротивление изоляции на порядок и более превышает эту величину. Но если в ТДС проникает влага, значение сопротивления изоляции может упасть вплоть до нескольких килоом. Часто даже очень большое падение сопротивления изоляции остаётся незамеченным, если его не измерять, поэтому перед установкой ТДС в технологическое оборудование АЭС его следует испытать, чтобы убедиться в достаточно высоком сопротивлении изоляции.

Преждевременный выход из строя. Такое явление может возни-

кать из-за недостаточно отработанной технологии изготовления датчиков при производстве новых разработок или освоении новых технологий.

Ошибочные калибровочные таблицы. Наблюдались случаи, ко-

гда калибровочные таблицы для различных партий ТДС были перепутаны изготовителем, и на АЭС поступала одна партия ТДС, а калибровочные таблицы к ней относились к другой партии.

Незакреплённые или некачественные контакты. В электриче-

ской цепи ТДС имеется несколько переходных участков по пути от места измерения температуры до приборных стоек в помещении пульта управления. На этом пути находятся клеммные панели, сварные или спаянные соединения, а также сращивания; в этих местах часто обнаруживались незакреплённые или некачественные соединения.

Большие ошибки, вызываемые ЭДС. ЭДС может возникнуть в контуре ТДС, если в датчике имеются различные металлы, находящиеся в месте перепада температур внутри ТДС. При этом сопротивление ТДС будет зависеть от того, в каком направлении его измерять, то есть если его измерить при одном направлении тока, а затем повторить при противоположном, то результаты будут различаться.

Таким образом, возникновение ЭДС приводит к ошибке в измерении температуры, и если это происходит, то правильное значение температуры может быть всё же получено путём усреднения результатов двух измерений. В прецизионной термометрии для измерения сопротивлений используются мосты переменного, а не постоянного тока. Это объясняется тем, что при использовании моста

79

переменного тока любая ЭДС, возникающая в цепи, не оказывает влияния на измерения, и в результате получается истинное значение сопротивления ТДС. По существу, мост переменного тока позволяет как бы измерить сопротивление ТДС при двух противоположных направлениях тока и показать среднее значение этих двух измерений.

Разрыв чувствительного элемента. Платиновая проволока чув-

ствительного элемента ТДС отличается высокой хрупкостью и может треснуть или разорваться под влиянием вибрации, механической нагрузки и взаимодействия с другим материалом, присутствующим в ТДС. Обычно слабыми местами, где происходит разрыв чувствительных элементов ТДС, являются места сварки или изгиба элемента.

Отказу ТДС из-за разрыва чувствительных элементов иногда предшествуют неустойчивые показания датчика, при которых сигнал ТДС демонстрирует большой разброс значений, резкие отклонения и произвольный дрейф.

На рис. 4.4 показаны данные on-line мониторинга четырёх ТДС на горячем участке контура охлаждения АЭС с реактором PWR.

Рис. 4.4. Неустойчивые показания ТДС первого контура теплоносителя на АЭС с реактором PWR, предшествовавшие выходу датчика из строя

80