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

\j}one_ излучения _[

Рис. 3.5. Эквивалентная электрическая схема моста Уитстона, два плеча которого находятся в поле излучения:

а — рекомендуемый вариант; б — нежелательный вариант.

•Значение U0 близко к нулю, если значения переменных с индексом А равны значениям переменных с индексом В. Для варианта б

40

Однако у варианта б отсутствуют какие-либо практические преимущества, и применение его для внутрнреакторных измере­ ний нецелесообразно.

На рис. 3.6 показана схема моста Уитстона, все четыре плеча которой находятся в поле излучения. Анализ этой схемы, оче­

Рис. 3.6. Эквивалентная электрическая схема моста Уитсто­ на, четыре плеча которого находятся >в поле излучения.

компенсация возможна в том случае, если идентичны эффекты воздействия излучений на каждое плечо и каждый проводник линии связи. Однако в реальных системах редко наблюдаются одинаковые по величине эффекты воздействия излучения, по­ этому даже для наиболее тщательно рассчитанных ч'етырехплечных схем моста Уитстона, помещенных в поле излучения, следует ожидать наведенные излучением паразитные сигналы.

3.4. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Поскольку интенсивность излучений и наводимые ими токи имеют подобные частотные спектральные плотности, следовало' бы ожидать, что схемы переменного тока будут менее чувстви­ тельны к излучению, чем схемы постоянного тока. Справедли­ вость этого предположения была продемонстрирована испыта­ ниями, проведенными в нестационарных режимах [12, 13],. однако для более полной реализации потенциальных преиму­ ществ внутрнреакторных измерительных схем переменного тока следует предусматривать в процессе их проектирования некото­ рые специальные меры предосторожности. Постоянная состав­ ляющая наведенного излучением тока должна исключаться по­ средством емкостной связи или трансформатора, установленного между усилителем и помещенным в поле излучения датчиком. Ослабление высокочастотных составляющих, создаваемых коле­ баниями интенсивности поля излучения, должно определяться

4Ь

частотными характеристиками усилителя и схемы демодулятора. Оптимизация этих характеристик может быть проведена в соот­ ветствии с условиями, имеющими место в каждом конкретном •случае. Однако влияние напряжений смещения на величину на­ водимых излучением токов становится более существенным,

.когда к датчикам и проводам линий связи приложено перемен­ ное напряжение.

\нсилитель пеоетшго тока

Демодулятор

Рис. 3.7. Эквивалентная электрическая схема моста Уитстона переменного тока, одно плечо которого нахо­ дится в поле излучения.

Воздействие напряжения переменного тока может так из­ менить распределение спектральной плотности наведенных то­ ков, что основная составляющая этих токов будет иметь те же спектральные характеристики, что и приложенное напряжение.

Предмет дальнейшего рассмотрения — методы предотвраще­ ния фоновых выходных сигналов усилителя переменного тока, создаваемых наведенными излучением токами. Сначала рас­ смотрим цепь моста сопротивлений с одним плечом, помещен­ ным в поле излучений и подключенным, как показано на рис. 3.7, к источнику переменного напряжения и к усилителю. За исклю­ чением усилителя и источника переменного напряжения данная •схема идентична схеме, представленной на рис. 3.4. С учетом переменных токов различной частоты для данной схемы приме­ нимо уравнение (3.4). Для упрощения предположим, что час­ тота рабочего напряжения превышает наивысшую частоту гар­ моник наведенных излучением токов и что усилитель чувстви­ телен только к сигналам с рабочей частотой. В связи с этим сигналы, рассматривавшиеся для схемы постоянного тока, не пройдут через усилитель.

В данном случае наведенные излучением токи будут нендентичны токам, наводимым в случае постоянного рабочего напря­ жения, поскольку напряжение на каждом из проводников будет иметь свою полярность о частотой рабочего напряжения и за-

•42

висящая от напряжения составляющая наведенного тока будет

.лежать в пределах частотной полосы пропускания усилителя. Выражение для выходного напряжения схемы, представленной на рис. 3.7, будет иметь вид:

.идентичны применявшимся в уравнении (3.4).

СаноинддктцВный- датчик с переменной индукцией

Jlone ^зт/чения_ Усилитель переменного тока

Демодулятор

Рис. 3.8. Эквивалентная электрическая схема индуктивного датчика, подключенного к усилителю переменного тока.

Из уравнений (3.4) и (3.8) видно, что фоновые сигналы, вызываемые изменениями сопротивления при облучении одного плеча мостовых схем переменного и постоянного тока, одина­ ковы, однако составляющая тока, обусловленная токами, наве­ денными излучением, меньше для схем переменного тока. В на­ стоящее время экспериментальные и теоретические данные не позволяют даже приблизительно рассчитать относительные фоновые токи, ожидаемые при использовании схем как пере­ менного, так и постоянного тока. Но когда в поле излучения, находится только одно плечо моста, схемы переменного тока, безусловно, имеют' на выходе меньшие фоновые сигналы, чем схемы постоянного тока. Варианты моста с двумя или четырьмя плечами, находящимися в поле излучения, очевидно, будут обла­ дать при работе на переменном токе компенсационной способ­ ностью такой же, как и при работе на постоянном токе.

На рис. 3.8 показана схема обычного усилителя сигналов несущей частоты, подключенного к индуктивному датчику. Опустим описание устройства и принципов действия датчика, упомянув лишь, что изменение измеряемой величины приводит к изменению тока, проходящего через трансформатор Тр.1. Для простоты предположим, что сопротивление цепи мало, индук­ тивность всех составляющих схемы, за исключением датчика,

43

очень низка, а шунтирующая емкость и сопротивление изоляции проводов линии связи несущественны. Эти упрощающие допу­ щения для многих реальных схем могут оказаться необоснован­ ными, поэтому в процессе исследования чувствительности к из­ лучению реальных схем необходимо знать все их параметры, пока относительно некоторых из них не будет установлено, что

Датчик, действующий на принципе

Взаимной индукции

Генератор U

|/7о/?е изпучения_[ &г

Рис. 3.9. Эквивалентная электрическая схема датчика, действующего на принципе взаимной индукции и под­ ключенного к демодулятору типа мостикового выпря­ мителя.

они несущественны. Кроме того, предположим, что усилитель настроен только на рабочую частоту сигнала и будет сильно ослаблять сигналы на других частотах. Ток 1а протекает через обмотку трансформатора Тр. 2 на землю, а ток /& близок к нулю, поскольку напряжение в точке b относительно земли недоста­ точно для создания зависящей от него составляющей тока. С учетом этих предположений соотношение между выходным напряжением и наведенным излучением током будет иметь вид:

нием токов через сопротивление изоляции на землю и вызовет накопление в цепи нестационарного по величине заряда. В идеальных условиях,при подключении земли вместо клеммы

виях также станет равным нулю (хотя даже незначительный разбаланс любой из частей схемы создает условия, далекие от идеальных). Поэтому наилучшим решением следует считать под­ ключение земли только в одной точке схемы — в центре обмот­ ки индуктивности.

44

На рис. 3.9 представлена схема датчика, действующего на принципе взаимной индукции, подключенного к источнику пита­ ния переменного тока и к распространенному в простейших при­ борах демодулятору типа мостикового выпрямителя. В отноше­ нии наводимых излучением токов эта схема весьма напоминает схему, приведенную на рис. 3.2, и для практических целей вы­ ходное напряжение, обусловленное наведенными излучением

Датчик, деишВуюшдаг

на принципе ' \ Взаимной индукции \!

Усипитель переменного тока

Синхронный ?, демоаупятор "о

Рис. 3.10. Эквивалентная электрическая схема датчика, дейст­ вующего на принципе взаимной индукции и подключенного к синхронному демодулятору.

токами, можно оценить с помощью уравнения (3.2). Применение этой схемы для виутриреакторных измерений нецелесообразно. При введении между датчиком и демодулятором емкостной связи путем исключения составляющей постоянного тока реали­ зуется значительное понижение чувствительности данной схемы к наведенным излучением токам, что может сделать ее приме­ нимой в некоторых практических случаях. Однако наибольшими преимуществами обладают схемы, аналогичные представленной на рис. 3.10, которые устойчиво показывали хорошие результаты при испытаниях в нестационарных режимах [12]. Для схемы, представленной на рис. 3.10, с помощью методов, аналогичных применявшимся при выводе уравнения (3.8), можно показать, что величина наведенного излучением фонового сигнала опре­ деляется существующим на самом деле различием конструк­ тивно идентичных элементов схемы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Jones D. С, editor. Transient Radiation Effects on Electronics Handbook, DASA-1420, Battelle Memorial Insitute, Columbus, Ohio.

2.Thatcher R. K. e. a. The Effect of Nuclear Radiation on Electronic Compo­ nents, Including Semiconductors. R E I C Report No. 36, Battelle Memorial Insitute, Columbus, Ohio, October 1964.

3.Olesen H. L. Radiation Effects on Electronic Systems. N. Y., Plenum Press, 1966.

4.Kircher J. F., Bowman R. E., editors. The Effects of Radiation on Materials

45

Глава четвертая

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Недостаточное количество устройств для облучения в высо­ ком потоке нейтронов, особенно устройств с высоким потоком быстрых нейтронов, несомненно, задерживает разработку радиационностойких датчиков давления. В большинстве случаев конструкторы приборов для ядерных реакторов не располагают ни временем, ни устройствами для испытания датчиков давле­ ния в условиях излучения, воспроизводящих ожидаемые рабочие условия. Вполне возможно, что отсутствие испытания прото­ типов объясняет многие известные недостатки датчиков давле­ ния. Однако идет непрерывный процесс накопления данных по радиационному повреждению материалов, пригодных для ис­ пользования в датчиках давления, и тщательная оценка этих данных позволит конструировать более надежные датчики.

4.2. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

При измерениях давления обычно используют принцип изме­ нения высоты столба жидкости или прогиб упругого элемента. Однако датчики, работающие на принципе изменения высоты столба жидкости, не нашли широкого применения для измере­ ний в активной зоне и в корпусе реактора из-за возможного случайного смешивания измерительной жидкости с теплоноси­ телем реактора. Поэтому обсуждение приборов для измерения давления будет ограничено упругими чувствительными эле­ ментами.

Существуют три типа упругих элементов: 1 — сильфон; 2 — мембрана;

3 — пружина Бурдона.

Принцип действия упругих элементов для наиболее общих случаев применения основан на линейной зависимости упругой деформации материалов от приложенного усилия. Обычные типы упругих чувствительных элементов подробно описаны в работах [1, 2J. В настоящей работе даны только краткие описа­ ния, позволяющие понять достоинства различных типов чувст­ вительных элементов для измерений в активной зоне.

47

Давление можно измерять с помощью чувствительных эле­ ментов либо размещенных внутри корпуса, либо подсоединен­ ных к штуцерам давления, выведенным за пределы корпуса. При этом необходимо учитывать следующие факторы: 1) огра­ ничения, налагаемые противоаварийиой оболочкой, удовлетво­ ряющей условиям безопасности; 2) инерционность, связанную с длиной трубопроводов; 3) помещение для размещения трубо­ проводов и электрических проводов; 4) относительную стои­ мость и время простоя установки для градуировки, технического обслуживания или замены приборов и 5) пригодность устрой­ ства и вероятность его безотказной работы при ожидаемых тем­ пературах, давлениях и уровнях излучений в течение заданного времени. Технические проблемы, связанные с измерением пара­ метров в активной зоне чувствительными элементами, располо­

•48

деления изменения характеристик элемента в результате воз­ действия температуры или излучения.

Вялую мембрану (рис. 4.2) можно применять с пружинным устройством, чтобы чувствительный элемент был полностью независим от упругих свойств мембраны.. Таким образом можно изолировать материал пружины от среды под давлением и ис­ ключить необходимость иметь материал, который обладал бы

Противодействующая

хорошими упругими свойствами и был бы химически-совместим со средой под давлением. Вялую мембрану применяют также для изоляции двух жидкостных систем с тем, чтобы можно было располагать чувствительный элемент давления при низкой температуре или в поле излучения.

Сильфоны. Сильфом (рис. 4.3) представляет собой гофриро­ ванную тонкостенную трубку, которая легко растягивается или сжимается в осевом направлении и мало — в радиальном. Если перемещение его от незагруженного положения ограничено, то сильфом работает как упругий элемент, и перемещение пропор­ ционально приложенному давлению. Уравнения прогиба для оильфона довольно сложные [1, 4] и дают большие погреш­ ности. Однако изменение характеристик за счет изменений

стоянная сильфона, которая определяется его геометрией и не зависит от свойств материалов.