книги из ГПНТБ / Боланд Дж. Приборы контроля ядерных реакторов (внутризонные)

пара. Для систем, заполненных только жидкостью, а и х равны нулю, а для газовых систем — единице.

Частотная характеристика тахометрического расходомера определяется инерционностью ротора турбинки и постоянной времени регистрирующего прибора. Увеличение числа лопастей или обмоток уменьшает общее время работы схемы, измеряю­ щей частоту. Таким образом, инерционность ротора обычно является тем фактором, который определяет минимальное характеристическое время тахометрического расходомера. Типичный тахиметрический расходомер для измерений внутри активной зоны имеет постоянную времени около 15 мсек при средней скорости теплоносителя 1 м/сек [5].

Потери давления на тахометрическом расходомере могут быть сведены к минимуму, если обеспечить большое свободное

перепады давлений, равные перепадам на штатных кассетах, может оказаться делом весьма трудным, особенно для реакто­ ров с естественной циркуляцией. Например, в недавних экспе­ риментах в Гарнльяно [6] расход через топливные кассеты с установленными в них измерительными приборами почти в два раза превышал расход через «среднюю» кассету. Почти поло­ вина этого расхода объясняется увеличением перепада давле­ ний на входе в штатные кассеты из-за отложений, происшедших в предыдущий период работы реактора. Ниже приведены харак­

100

Срок службы тахометрического расходомера в первую оче­ редь ограничивается свойствами подшипников ротора. В на­ стоящее время для подшипников, работающих в воде, принята сталь по графиту [5, б, 7]. Для работы в натрии оси турбинки выполняются из хастеллоя С и опираются на молибденовые подпятники [8]. Поскольку для измерений расхода внутри активной зоны требуется вертикальное расположение ротора турбинки, износ подшипников можно уменьшить, подобрав вес ротора так, чтобы он уравновешивался силой гидравлического напора при рабочей скорости потока теплоносителя. В реакторе MBWR часть тахометрических расходомеров оставалась работо­ способной после трех лет эксплуатации, а часть очень быстро вышла из строя [9].

Большинство случаев выхода из строя подшипников из-за остановок ротора имело место при работе турбинок в условиях, значительно отличавшихся от проектных. К серьезным трудно­ стям могла привести вибрация лопастей турбинок, поэтому пришлось провести тщательные исследования в широком диапазоне скоростей их вращения, чтобы определить скорость, при которой начинается вибрация прежде, чем р-асходомер будет установлен в реакторе. Искажение формы потока тепло­ носителя на входе в кассеты также может привести к опасным последствиям, которые нельзя обнаружить, если конструкция расходомера не проверена заранее на соответствующей модели с такой же геометрией входной части кассеты. Очевидно также, что тахометрические расходомеры непригодны для установки в системы, содержащие высоко абразивные материалы.

Воспринимающие обмотки тахометрических расходомеров,- предназначенных для установок в трубопроводах, обычно не­ пригодны для измерений внутри активных зон, поскольку обмотки выступают из корпуса на несколько сантиметров и не защищены. Создание обмоток малых размеров (которые монти­ руются на корпусе расходомера и не должны увеличивать диаметр кассеты, должны выдерживать высокие температуры; давления и безотказно работать при высоких потоках нейтро­ нов) представляло основную трудность для изготовления тахо­ метрических расходомеров для измерений внутри активных зон. Некоторые типы новых обмоток описаны в работах [2, 5]. Если

101

высокой температуре и облучении. Сплавы альнико V и ферра-

попадание воды внутрь обмоток и внутрь выводящих сигналы кабелей. Например, около 20% всех тахомегрических расходо­ меров, использованных впервые в реакторе HBWR [10], вышли из строя из-за намокания изоляции, а в реакторе в Гарильяно по той же причине выходили из строя каждые три прибора из восьми. Используемые сейчас в реакторе HBWR механические уплотнения [5] для подсоединения кабелей к обмоткам оказа­ лись более надежными, чем, соединения пайкой. В настоящее время задачи выбора обмоток и кабелей в основном связаны с изготовлением и способами их установки и, следовательно, ре­ шение этих -проблем не вызовет существенных затруднений.

7.4.РАСХОДОМЕРЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПРИНЦИПЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Вэтой главе рассматриваются расходомеры, принцип дей­ ствия . которых основан на наведении э. д. с. в жидкости, движущейся в магнитном поле. Обзор теории электромагнит­

магнитный расходомер на вихревых токах».

Электромагнитные расходомеры. Основные детали электро­ магнитного расходомера показаны на рис. 7.2. Магнитное поле может создаваться постоянными магнитами или электро­

иметь удельное сопротивление, намного превышающее удельное сопротивление жидкости. Если трубопровод изготовлен из отно­ сительно хорошо проводящего материала, то электроды могут быть-расположены на-наружной стенке трубопровода. Электро-

102

ды должны проходить сквозь изоляцию трубопровода и иметь хороший электрический контакт с жидкостью.

Электромагнитные расходомеры впервые были использованы для специальных измерений всего несколько лет назад, но широкого применения в промышленности они не нашли. В то

ный коэффициент для магнитного поля.

Поправочный коэффициент на шунтирование трубопроводом

нему диаметру трубопровода и близок к единице при отноше­ нии, превышающем пять, если воздушный зазор между поверх­ ностью полюса и трубопроводом достаточно мал [13, 14].

Если магнитное поле переменно, то в коэффициенты Ki и К2 надо ввести поправки, учитывающие меняющиеся индуктивность, я емкость [15]. Электромагнитные расходомеры с возбужде­

ний возрастает с увеличением частоты и удельного сопротивле­ ния жидкости.

103

2. Для достижения быстродействия прибора требуется гене­

3)малая чувствительность к изменению давления, темпе­ ратуры пли расхода;

4)быстродействие, позволяющее легко получать динамиче­ ские данные;

5)отсутствие неправильных показаний при незначительных изменениях плотности жидкости или температуры;

6)малая чувствительность из-за низкого выходного импе­ данса как к наведенным излучениями ложным токам, так п к погрешностям шунтирования, связанным с низким удельным сопротивлением изоляции кабелей в случае жидких металлов.

Однако вполне вероятно, что приведенные ниже недостатки электромагнитных расходомеров, используемых для измерений внутри активных зон, окажутся существенными.

1. В случае жидкостей с высоким удельным сопротивлением большое значение выходного импеданса может сделать расхо­ домер чувствительным к изменениям, вызванным наведенными излучением токами, низким удельным сопротивлением электри­ ческих кабелей и материала трубопровода.

2. Трудность стабилизации магнитов, работающих при высо-' ких температурах и в полях с высоким уровнем излучения.

3.Зависимость калибровки от температуры.

4.Ограниченность напряженности магнитного поля и вы­

Детальное рассмотрение преимуществ и недостатков элект­ ромагнитных расходомеров показывает, что они будут приме­ няться для измерений внутри активных зон скорее в жидкометаллкческих реакторах, чем в водоохлаждаемых. В настоящее время создаются образцы таких расходомеров для работы при температурах до 650°С и планируется проведение испытаний [13] магнитных материалов для изучения их устойчивости в условиях, подобных тем, которые ожидаются в жндкометаллических реакторах на быстрых нейтронах.

104

На рис. 7.3 показана схема электромагнитного расходомера, для измерений внутри активной зоны быстрого реактора с натриевым охлаждением.

Калибровочные коэффициенты для электромагнитных расхо­ домеров, работающих с жидкометаллическим теплоносителем,, можно найти из выражения (7.3) с погрешностью ~ 3 % , если, известны значения магнитной индукции и размеры. Однако с

со временем из-за переменности тепловых режимов работы и механических ударов. Эти эффекты можно уменьшить, стабили­ зируя магниты до окончательной сборки расходомеров [13].

Электромагнитные расходомеры на вихревых токах. Расхо­ домеры с наведенным полем или так называемые расходомеры на вихревых токах были запатентованы в 1948 г. Ледом и Лангом [16]. Этот тип расходомера в настоящее время предпола­ гается использовать в экспериментальном реакторе на быстрых нейтронах FFTR [17] и английском прототипе реактора на быстрых нейтронах PFR [18]. В проекте реактора FFTR обмотки, в которых возбуждаются вихревые токи, располага­

На центральную часть обмотки, называемую первичной,, подается напряжение от источника переменного тока с опреде­ ленной частотой, позволяющее оптимизировать глубину проник­ новения вихревых токов в жидкость. Вторичные, или восприни­ мающие обмотки, расположенные относительно первичной выше- и ниже по ходу потока, изготавливаются в максимально воз­ можной степени одинаковыми и соединяются навстречу друг другу. В случае неподвижной жидкости генерируемые первич­ ной обмоткой вихревые токи возбуждают магнитное поле, которое почти симметрично, и наведенные во вторичных

105

обмотках напряжения будут почти равны, а разность напряже­ ний— минимальной. Движение жидкости приведет к тому, что наведенное магнитное поле сместится по направлению движе­

дов, что позволит упростить вывод кабелей наружу или исполь­ зовать их в качестве подвижных датчиков для составления кар­ ты расходов.

7.5. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Проволочный датчик термопары или анемометр с термопа­ рой является, может быть, наиболее известным представителем калориметрических расходомеров и наиболее широко приме­ няемым прибором для измерений расхода газов [19]. Типичный анемометр с термопарой (рис. 7.5) состоит из проволочки, под­ вешенной в потоке газа и включенной в схему для измерения подводимой к ней мощности и температуры. Если подаваемый на нее нагревающий ток поддерживается постоянным, то от скорости газа будут зависеть температура, сопротивление про­ волочки и падение напряжения вдоль нее. Если постоянным поддерживать падение напряжения, то от скорости газа будет зависеть нагревающий ток.

Каждый датчик должен калиброваться в той среде и гео­ метрии, в которых он будет работать. При применении анемо-

.106

метров с термопарой для измерения скоростей газов внутри активных зон в добавление к обычным техническим проблемам износа проволочки возникают проблемы, аналогичные внутриреакторной термометрии сопротивлений.

2

Рис. 7.5. Схема расходомера — анемометра с термопарой:

/— нагреваемая проволочка; 2— крепление из изоляционного материала .

Поппер [2] изучал работу анемометров с термопарой в дви­ жущихся жидкостях в условиях, которые ожидаются в реак­ торе EBWR, и нашел, что основные трудности связаны с обры­ вом проволочки и загрязнением ее посторонними веществами.

Рис. 7.6. Схема калориметрического расходо­ мера.

Хотя в принципе термопары можно использовать для изме­ рений внутри активных зон, но они не пригодны для этих целей из-за чувствительности к изменениям их теплопередающих свойств и теплопроводности керамической изоляции, меняю­ щейся под облучением.

Успешно применялись те калориметрические расходомеры, принцип действия которых основан на измерении разности тем­ ператур, вызванной нагревателем, расположенным между

.датчиками на одной линии по движению жидкости [19, 20]. Основными элементами этой системы (рис. 7.6) являются два детектора с регистрирующими приборами и нагревающий эле­ мент с соответствующей схемой измерения регулируемого коли-

107

чества подводимого тепла. Соотношение между расходом Qr температурой и мощностью нагревателя можно записать в виде

Лоток

теплоносителя

Рис. 7.7. Схема калориметрического расходомера, изготов­ ленного в Аргоннскон Национальной Лаборатории:

/ — термопары; 2 — тепловая изоляция: 3 — нагреватель.

носителя; К— постоянная. Точность такого прибора, очевидно, зависит от точности измерений как мощности нагревателя, так и температур. Поскольку для измерения полного расхода тепло­ носителя через кассету реактора с помощью такого расходомера потребовалась бы чрезвычайно высокая мощность нагревателя для получения заметной разности температур, то такая система для практических измерений внутри активных зон может рабо­ тать только с помощью специального байпасирующегсустройства. Если расход через кассету меняется в широких пределах, то часто трудно создать байпас, который отбирал бы пропорциональную долю теплоносителя в систему с малым проходным сечением. Миниатюрный калориметрический расхо­

волн) от источника звука через движущуюся жидкость к при­ емникам звука. Иногда приемники располагаются на равных, расстояниях от источника вверх и вниз по направлению дви­ жения жидкости, что позволяет откорректировать полученные данные, если звуковые характеристики жидкости неизвестны..

108

соответственно вниз и вверх по направлению движения жидко сти можно записать в виде

мера измеряется фазовый сдвиг между излученным и приняты­

.сигналами, принятыми приемниками звука, которые располо­

расстоянии от их стенок, поскольку, если поместить их на стен- л<ах труб, прямое распространение звука по металлическим стенкам способствует наведению паразитных сигналов. Поэтому в измерительные системы часто включаются электронные схемы, предназначенные для эффективного подавления паразитных •сигналов. Однако описанные в литературе расходомеры, пред­ назначенные для работы в обычных жидких или газовых средах [19], не выдерживают реакторных условий.

В настоящее время для применения в реакторах разрабаты­ ваются [21] ультразвуковые расходомеры со специально защи­ щенными устройствами для ввода сигналов и вывода их к чувствительным элементам (рис. 7.9). Специальная передающая

.линия в виде волновода позволяет располагать ультразвуковые датчики вне корпуса реактора. Однако кажется маловероятным, что расходомер такого типа будет практически создан для

109