Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Показания одного из четырёх датчиков неустойчивы. Примерно через месяц после того, как были зарегистрированы эти данные, ТДС вышел из строя из-за разрыва чувствительного элемента и был заменен.

Утончение платиновой проволоки. Утончение проволоки чувст-

вительных элементов ТДС ядерного класса происходит из-за коррозии, вызываемой химическими соединениями, применяющимися для очистки элементов при их изготовлении или во время сборки датчика. Это приводит к уменьшению поперечного сечения проволоки и увеличению её сопротивления.

Утончение проволоки может также происходить в результате химического взаимодействия между чувствительным элементом и изоляционным материалом ТДС.

Дисбаланс соединительных проводов. Эта неисправность может возникать в трёхпроводных ТДС, присоединённых для измерения температуры к трёхпроводным измерительным мостам. Оба провода, соединяющие концы чувствительного элемента ТДС с плечами моста, должны иметь равные сопротивления. В противном случае измерение сопротивления ТДС может дать ошибочный результат. Аналогичная неисправность может иметь место в ТДС с холостыми компенсационными проводами.

Проникновение химических загрязнений в термоканал. Соедини-

тельная головка некоторых ТДС заполняется пеноматериалом для выполнения требований, предъявляемых к ТДС ядерного класса. На АЭС были отмечены проблемы с такими ТДС, в том числе ухудшение времени реакции датчика, когда химическое соединение пеноматериала проникало в термоканал ТДС.

Трещины в термоканале. Глубина установки ТДС в трубопроводы с теплоносителем должна учитывать силы, с которыми поток рабочей среды действует на датчик, а также механическую прочность ТДС в сборе с термоканалом. Были отмечены случаи, когда действие на ТДС потока теплоносителя, приводило к искривлению датчика и появлению в нём трещин, что увеличивало вероятность возникновения аварии с потерей теплоносителя, или к тому, что датчик полностью отрывался от места его установки в трубопроводе.

81

По разным причинам у ТДС ядерного класса наблюдались значительные неисправности, приводившие к ошибкам в их показаниях. В табл. 4.2 приведены примеры некоторых наиболее серьёзных ошибок в показаниях ТДС, которые наблюдались на АЭС в США, а также указаны их причины [2].

4.5. Неисправности термопар на АЭС

На АЭС с реакторами водо-водяного типа на выходе из активной зоны обычно устанавливают от 50 до 60 термопар. Неофициальная оценка этих термопар, касающаяся почти 50 АЭС, приводит

копределенным выводам.

1.От 10 до 20 процентов термопар на выходе из зоны на АЭС типа ВВЭР выходят из строя в течение первых 20 лет работы станции. Отказы выражаются в виде большого калибровочного дрейфа (например, ошибки от 10 до 30 °С при температуре 300 °С), неустойчивого и с высоким уровнем помех сигнала или достижения сигналом предельного значения из-за насыщения.

У некоторых термопар возникает неисправность в соединительных кабелях, хотя сами термопары остаются исправными. Известны случаи, когда на станциях заменяли термопару на выходе из зоны, а впоследствии обнаруживалось, что неисправность была не в ней, а в соединительных проводах, разъёмах или ещё где-нибудь в электрической цепи. Поэтому, прежде чем заменять термопару, следует провести проверку кабеля с целью отличить неисправности кабеля или соединительных разъёмов от неисправностей термопары.

82

2.Термопары могут быть случайно присоединены с неправильной полярностью, т.е. положительный и отрицательный проводы могут быть перепутаны при установке термопары или присоединении к ней проводов. В этих случаях при комнатной температуре показания термопары могут показаться нормальными, но когда температура повысится, термопара покажет отрицательное значение.

3.Даже правильно присоединённые термопары могут давать правильные показания при комнатной температуре, но отклоняться от истинной температуры по мере разогрева установки. На рис.

4.5показаны результаты мониторинга в режиме on-line группы термопар на АЭС с реактором типа ВВЭР.

Рис. 4.5. Результаты мониторинга в режиме on-line группы термопар на выходе из активной зоны

Видно, что показания термопар сравнимы друг с другом в состоянии холодного останова станции, но одна термопара даёт показания, существенно отличающиеся от остальных, при достижении установкой рабочей температуры.

4. Время реакции термопар может существенно ухудшаться по мере их старения. В табл. 4.3 показаны результаты измерения времени реакции идентичных термопар на выходе из зоны на четырёх похожих АЭС с ВВЭР. Заметим, что среднее время реакции термопар после первых 10 лет работы составило примерно 1 с, а после 20

83

лет работы достигло примерно 2 с, т.е. увеличилось на 100 %. Это несущественно для эксплуатации или обеспечения безопасности работы станции, но показывает, что по мере старения термопар их время реакции увеличивается. Подобное явление и другие схожие наблюдения привели к тому, что на некоторых АЭС стали проводить измерение времени реакции термопар для управления процессом старения.

В частности, важно установить реперные значения времени реакции термопар для новой станции или когда термопары только что установлены, а затем периодически (например, раз в пять лет) повторять измерения для определения того, наблюдается ли ухудшение характеристик датчиков по сравнению с номинальными.

Обычно термопары не так точны, как ТДС. Это частично объясняется тем, что термопары не калибруют индивидуально, а калибруют проводники, используемые для их изготовления, или представительную выборку из большой партии термопар и эту калибровку используют для всех термопар в партии. В табл. 4.4 представлены оценки точности измерения температур при помощи промышленных термопар в диапазоне от 50 до 500 °С.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4

1.Назовите датчики температуры, которые в основном применяются на АЭС.

2.Какие требования предъявляются к датчикам температуры на АЭС?

3.Что такое термоканал? Назовите преимущества и недостатки установки термодатчика в термоканале.

4.Что такое «мокрый» датчик? Назовите преимущества и недостатки термодатчика прямого погружения.

5.Перечислите возможные неисправности ТДС на АЭС.

6.Назовите приблизительную величину времени реакции ТДС прямого погружения.

7.Назовите приблизительную величину времени реакции ТДС, установленного в термоканале.

8.Назовите приблизительную величину ошибки измерения температуры с помощью термопары.

85

5. ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Все механические величины условно можно разделить на три группы.

К1-й группе относятся линейные и угловые перемещения. Диапазон измерения линейных перемещений от единиц ангстрем до многих тысяч километров, а угловых – в пределах 3-4 порядков.

Ко 2-й группе можно отнести силовые воздействия (механические напряжения, силы, моменты сил, давление и т. п.). Диапазон

измерений здесь также огромен. Давление, например, измеряют от

10-8 до 108 Па.

К3-й группе относятся механические величины, характеризующие движение (скорость, ускорение). Диапазон измерений здесь также очень велик.

5.1. Датчики линейных и угловых перемещений

Простейший преобразователь перемещений представляет собой

резистивный потенциометрический делитель. Потенциометр со-

стоит из трека длиной L (или αм) сопротивлением Rп, на котором равномерно намотана высокоомная проволока или нанесен пленочный проводящий пластик, по которым перемещается электрический скользящий контакт.

Контакт соединяется с объектом. Напряжение, снимаемое с движка потенциометра, пропорционально линейному l (рис. 5.1, а) или угловому α (рис. 5.1, б) перемещению объекта. Соответствующие им значения сопротивлений равны Rl и Rα.

Рис. 5.1. Линейный (а) и угловой (б) потенциометричнеские датчики

аб

86

Разрешение для проволочных треков составляет 1,5÷0,5 мм, для пленочных треков оно определяется размерами контакта. Нелинейность 0,1÷1 % для проволочного трека и около 0,05 % для проводящего пластика. Сопротивление 20 Ом ÷ 200 кОм для проволочного трека и 500 Ом ÷ 80 кОм для проводящего пластика.

Проводящий пластик имеет более высокую температурную зависимость по сравнению с проволокой. На точность измерений влияет величина сопротивления нагрузки.

Износ контакта существенно ограничивает срок службы потенциометра, поэтому разработаны бесконтактные реостатные элементы, управляемые с помощью узкого светового луча (рис. 5.2). В таком датчике фоточувствительный слой 3 контактирует со слоем металла высокого сопротивления 4 и контактной шиной 1. Фоточувствительный слой в точке падения луча 2 от источника 5 становится проводящим и выполняет роль подвижного контакта. Выходное напряжение Uвых пропорционально перемещению и Uвозб.

Рис. 5.2. Бесконтактный потенциометрический датчик

Индуктивные преобразователи перемещения используют изме-

нение самоиндукции катушки при приближении к ней магнитопроницаемого тела. Такие измерители являются обычно бесконтактными. В связанных индуктивных преобразователях сердечник катушки механически связан с телом, перемещение которого измеряется. Наиболее типичными преобразователями этого типа являются индуктивные датчики с переменной длиной δ воздушного зазора (рис. 5.3, а). В этом случае сопротивление магнитной цепи в основном определяется воздушным зазором. Индуктивность датчика будет приблизительно равна L = w2μ0S/(2δ), где w – число витков обмотки; δ – величина воздушного зазора; μо – магнитная проницаемость воздуха; S – поперечное сечение магнитопровода.

87

а б

Рис. 5.3. Индуктивный датчик (а) и зависимость тока через обмотку от δ (б)

Учитывая, что активное сопротивление обмотки много меньше индуктивного, ток в цепи возбуждения будет равен

I = Uвозбδ/ωw2μ0S,

где ω – частота напряжения возбуждения Uвозб. Зависимость I = f(δ) показана на рис. 5.3, б. При δ = 0 ток I ≠ 0, так как магнитное сопротивление магнитопровода Rμ ≠ 0, а L ≠ ∞.

Недостатком индуктивного преобразователя является также наличие электромагнитной силы, действующей на якорь. От этих недостатков свободен датчик, построенный по дифференциальной схеме (рис. 5.4, а).

аб

Рис. 5.4. Дидифференциально-трансформаторный датчик (а) и зависимость тока через обмотку от δ (б)

Если не учитывать входного сопротивления измерительного прибора, статическая характеристика такого датчика линейна и проходит через нуль (рис. 5.4, б).

88

Рис. 5.5. Дидифференциально-трансформаторные датчиков (а, б), их эквивалентная схема (в), эпюры выходных напряжений для различных положений плунжера (г) и зависимость выходного напряжения от положения плунжера (д)

89

Использование принципа усиления потокосцепления. Датчики этого типа являются трансформаторными, т. е. имеют, как минимум, две обмотки, одна из которых используется для возбуждения,

ас второй снимается выходной сигнал (рис. 5.5).

Всхеме рис. 5.5, а ферромагнитный плунжер 5, перемещаясь по горизонтали, изменяет потокосцепление между обмоткой возбуждения 2 и выходными обмотками 1 и 3. При этом максимальное потокосцепление и, как следствие, максимальный выходной сигнал получаем на той обмотке, вблизи которой находится плунжер.

Всхеме рис. 5.5, б роль плунжера играет короткозамкнутый виток 5. Перемещение витка в каком-либо направлении приводит к уменьшению потокосцепления в этом же направлении. Из-за неидентичности обмоток в среднем положении плунжера выходной

сигнал Uвых ≠ 0, что повышает порог чувствительности устройства или его погрешность.

Метрологические характеристики определяются конструкцией и точностью изготовления датчика.

С помощью специальной конфигурации сердечника можно измерять угловые перемещения, т. е. при повороте сердечника вокруг оси будет изменяться потокосцепление между первичной и вторичной обмотками.

Для повышения линейности характеристики Uвых = f(δ) применяют специальную намотку обмоток, когда обмотка намотана поверх другой, а количествово витков изменяется вдоль длины намотки.

Микросин. Этот небольшой механизм состоит из ферромагнитных статора с четырьмя полюсами и ротора. На каждом полюсе намотаны по две обмотки, первичная и вторичная. Первичные обмотки соединены последовательно и питаются переменным напряжением

Uвозб с частотой до 10 кГц. Вторичные обмотки соединены последовательно и включены две согласно, а две встречно (рис. 5.6).

Напряжение на выходе равно Uвых = e1 + e3 – e2 – e4, где e1, e2, e3, e4 – напряжения на вторичных обмотках. Когда ротор расположен

симметрично относительно полюсов (как показано на рис.), Um= 0. Это нуль датчика. При отклонении от этого положения возникает

Um ≠ 0.

90