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

Установкой пружинного устройства, подобного использован­ ному в элементе с вялой мембраной, можно добиться, чтобы перемещение сильфонного элемента не зависело от • упругих характеристик сильфона.

Основным преимуществом сильфонного элемента перед прос­ той мембраной является большое перемещение сильфона при

сравнимых радиусах и напряжениях в материалах обоих при­ боров.

Пружины Бурдона. Многие чувствительные к давлению эле­ менты основаны на деформации трубки некруглого сечения, которая изменяет свою форму под действием внутреннего дав­ ления. Е. Бурдон в 1852 г. запатентовал измеритель давления, действующий на этом принципе. На рис. 4.4 показано четыре

и эмпирические формулы, позволяющие оценить их прогибы, описаны в работе [1J. Излучение, вызывающее изменения мо­ дуля упругости материала пружины, будет менять чувствитель­ ность этого типа элемента обратно пропорционально изменению модуля упругости. .

4.4. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Обычно применяются два различных типа тензометрнческих датчиков давления: тензометры, связанные с напряженной час­ тью датчика, и простые проволочные тензометры с проволокой, натянутой между рамой и подвижным элементом. Первые назы­

типа тензометров. Описания многих выпускаемых промышлен­ ностью тензометрнческих датчиков и их поведения при высоком

50

уровне излучения не входят в объем этой книги. Поэтому фак­ торы, которые могут влиять на характеристики обоих типов тензометрических датчиков в зоне излучения, будут даны без ссылки на какие-либо датчики.

экспериментально, потому что изменение сопротивления зависит от деформации, а теоретическое значение для коэффициента тензометрии, основанное на изменении только физических раз-" меров, недостаточно точно.

Изменение сопротивления тензометра в зависимости от де­ формации невелико, так как изменение длины должно на­ ходиться в пределах упругой деформации проволоки. Поэтому всякое явление помимо деформации, способное вызывать изме­ нение сопротивления тензометра, необходимо исключать или следует разработать методы компенсации нежелательных изме­ нений сопротивления проволоки под действием температуры, влияния соединительных проводов и изменений в металлах, вызванных коррозией, облучением или изменением температуры.

К методам, разработанным для уменьшения этих паразитных эффектов при отсутствии излучения, относятся [1, 2]: 1) уста­ новка и подсоединение в мостовую схему компенсирующих тен­ зометров так, чтобы изменение в компенсирующем тензометре компенсировало изменение в активном тензометре; 2) под­ соединение чувствительных к температуре сопротивлений по­ следовательно или параллельно с тензометром для компенсации температурных эффектов и 3) подсоединение соеднительных проводов в схему моста так, чтобы изменения в соединительных проводах не вызывали разбаланса моста.

Наиболее общим и, вероятно, наилучшим методом компен­ сации тензометров в случаях применения датчиков давления является мостовая схема, показанная на рис. 4.6. Из четырех одинаковых активных тензометров два устанавливаются так, чтобы с увеличением давления деформация возрастала, в то воемя как два других устанавливаются таким образом, чтобы

4* 51

с увеличением давления деформация тензометра уменьшалась. Изменения температуры будут вызывать равные изменения со­ противления всех четырех тензометров и, следовательно, слабо сказываются на выходном сопротивлении моста. Небольшие изменения сопротивлений тензометров и изоляции при облуче­ нии, которые обычно дают большой сигнал деформации каждого тензометра, не оказывают значительного влияния на всю схему

сопротивления соединительных проводов и сопротивления изоляции, можно легко определить по формуле (4.6). Исключив погрешности, вносимые изменением сопротивления изоляции, можно использовать эквивалентное сопротивление тензометра и изоляции для значений R и учитывать, что сопротивление изоляции не чувствительно к деформации. Если тензометр при­ меняется в цепях переменного тока, то в формуле (4.6) зна­ чения импеданса следует заменить значениями сопротивления; а в выражении для выходного напряжения следует учитывать изменения как амплитуды, так и фазы.

Свободные тензометрические датчики. Схематическое изоб­ ражение свободного тензометрического датчика показано на рис. 4.7. Проволока намотана между стержнями, установлен­ ными на неподвижной раме и подвижном якоре. Проволока при сборке тензометра натягивается так, чтобы перемещение якоря уменьшало натяжение в одной половине проволоки и увеличи­ вало в другой на ту же величину, образуя тензометр с четырьмя активными плечами, подобный тому, который показан на рис. 4.6. Разработано большое количество типов рам и якорей, предназначенных для работы с различными типами упругих элементов и для компенсации нежелательных тепловых расши­ рений. Предел перемещения якоря обычно ограничивается вели-

52

чиной 0,0254 мм, а изменение сопротивления тензометра, вызванное этим перемещением, обычно составляет менее 1%. Тензометрические датчики изготавливаются с сопротивлением в пределах от 50 до 5000 ом.

Основную трудность при изготовлении приборов такого типа представляет тепловое расширение различных участков свобод­ ной тензометрической сборки. Поэтому особенно тщательно

о 1Го

Рис. 4.7. Схема свободного тензометра сопротивления:

должны быть выбраны материалы и установочные устройства, чтобы уменьшить различие в тепловых расширениях в том слу­ чае, когда датчик находится при постоянной температуре. Приводимые изготовителями параметры теплового дрейфа осно­ ваны на испытаниях, проведенных после установления равно­ весных температур. Когда датчик устанавливается в зоне излу­ чения, TeivmepaTypa каждой из его частей определяется ее поглощением излучений и характеристиками теплопередачи.

Было разработано большое число свободных тензометри-. ческих датчиков давления с применением материалов, свойства которых не ухудшались в полях излучения. Данные испытаний подтвердили, что они работают удовлетворительно после облу­ чения довольно высокими дозами нейтронов и у-излучения. Эти датчики часто рекламируются как радиациоиностойкие. По­ скольку параметры датчика давления в специфическом поле

53

Гаррис и Бампус [9] исследовали сигналы, вызванные излу­ чением, от свободных тензометрических датчиков, применяемых для измерений давлений при переходных режимах в реак-

датчиков давления в условиях излучения при установив­

торе KEWB. Установив компенсирующий датчик рядом с актив-, ным. они получили сигнал, который можно вычесть из выход­ ного сигнала активного датчика, чтобы уменьшить величину составляющей в зарегистрированном сигнале, вызванную, излу­ чением. Суммарная доза на импульс при этих испытаниях была недостаточной, чтобы вызывать значительный нагрев датчика.

поглощении излучений генерировали сигналы, которые отлича­

ческих датчиков могут содержать сигнал, который мгновенно следует за изменением нейтронного потока, и другой, пропор-

55

аномальный суммарной энергии, выделившейся в переходном режиме. Сигнал, который мгновенно следует за изменением по­ тока, можно исключить за счет соответствующего выбора электрических схем (см. гл. 3). Сигнал, пропорциональный суммарной энергии переходного режима, по-видимому, вызван радиационным нагревом датчика. На рис. 4.11 показаны ре-

7,7 7,2 1,3 Ц 1,5 1,S 1,7 1,8 ~~LJ 2,0 2,1 Время, сек

Рис. 4.П. Влияние электрических схем на ч\'ветвите.и,ность сво­

зультаты испытаний типичного свободного теизометрнческого датчика в реакторе TREAT.

Автор хотел бы подчеркнуть, что свободные тензометрические датчики давления для радиационных испытаний, имев­ шиеся до сих пор в распоряжении, специально не предназнача­ лись для работы в условиях излучения, в которых они испытывались.

Прикрепленные тензометрические датчики. Ко всем обыч­ ным типам упругих элементов или к напряженным конструк­ циям присоединялись тензометры, образуя таким образом при­ крепленные тензометрические датчики давления 11, 2, 12|. Датчики создавались на диапазоны давлений от нескольких сантиметров водяного столба до сотен тысяч атмосфер. Эти датчики можно было сделать довольно небольшими, и имеются сведения, что некоторые датчики, рассчитанные на большие диапазоны давлений, работали при частотах, превышающих 4000 гц.

56

Испытания, проведенные на прикрепленном тензометрическом датчике давления в высоких нейтронных и у-полях, пока­ зали, что некоторые из их узлов не могут применяться в актив­ ных зонах ядерных реакторов или вблизи них. Подходящие узлы, вероятно, можно создать, но для этого требуется провести значительное количество исследований и разработок. Многиеисследователи полагают, что основной причиной повреждений является изменение свойств приклеивающих веществ под облу­ чением.

Термическое сопротивление между напряженной проволокой и корпусом прикрепляемого тензометрического датчика обычнониже, чем у свободных тензометрических датчиков. Следова­ тельно, ложных сигналов, вызывающих тепловые градиенты в датчике этого типа из-за поглощения излучения, должно быть, меньше, чем в свободном.

Испытания [13] тонкопленочных тензометрических датчиков,

+ 1,3 и —3,9% полной шкалы. Температурный диапазон датчикадля этих испытаний составлял 28—135° С. Поскольку инте­ гральный поток быстрых нейтронов при этих испытаниях не превышал 5,7-1017 нейтрон/см2, то по этим данным нельзя сде­ лать никаких выводов относительно стойкости этих датчиков к радиационному повреждению. Один из датчиков удовлетво­ рительно работал при испытаниях реактора NRX-6. Датчики изготовлялись напылением под вакуумом тензометров из сплава

Автор незнаком с программой разработок прикрепленных тензометрических датчиков для измерений в ядерных реакторах.

4.5.МАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Кэтому классу датчиков относятся датчики давления, осно­ ванные на изменении самоили взаимоиндукции, магнитного' сопротивления или магнитной проницаемости, вызванные пере­ мещениями или механическими напряжениями в упругих эле­ ментах. Датчики выпускаются промышленностью различных ви­ дов, и здесь не будут обсуждаться их относительные достоинства.

Воздействие излучения на характеристики этого класса дат­ чиков может зависеть, главным образом, от материалов кон­ струкции и технологии изготовления. Поскольку изготовители неохотно сообщают подробные данные о конструкции, во мно-

•57

тих случаях трудно или невозможно определить, будет ли дат­ чик надежно работать в поле излучений.

Дифференциально-трансформаторные датчики. Простои диф­ ференциальный трансформатор состоит из одной первичной и

Электрическая схема и характеристика «выходное напряже­ ние— перемещение» чувствительного элемента для типичного дифференциального трансформатора показаны на рис. 4.13. Чувствительность и линейность выходного напряжения диффе­ ренциального трансформатора самые низкие, если сердечник находится в центральном положении. Поэтому в некоторых .дат­ чиках давления сердечник смещается от центра в положитель­ ном направлении при нулевом давлении. Вторичное напряжение прямо пропорционально первичному току и относительной

.58

.взаимоиндукции между первичной и каждой вторичной обмот­ ками. Выходной импеданс будет зависеть от деталей конструк­ ции и может меняться в диапазоне от нескольких ом до не­ скольких тысяч ом. Составляющая активного сопротивления выходного импеданса обычно преобладает и не изменяется при смещении сердечника, а индуктивная составляющая может из­ меняться при его смещении. Схемы усилителя с высоким импе­ дансом делают выходное напряжение нечувствительным к изме­ нениям вторичного импеданса. Первичная обмотка должна подсоединяться к источнику постоянного тока, чтобы уменьшить погрешности, вносимые напряжением источника или измене­ ниями импеданса первичной обмотки.

Перемещение сердечника относительно оси катушки может вызываться изменениями окружающей температуры и радиа­ ционным нагревом и может быть снижено за счет тщательной разработки механической конструкции дифференциального трансформатора, связи между сердечником трансформатора и.

в местах с высоким температурным градиентом или если излу­ чение вызывает неодинаковый нагрев различных частей при­ бора, то его чувствительность к изменениям температуры будет,1 вероятно, значительно выше той, которую гарантирует изгото­ витель. Поскольку заранее трудно точно предсказать, какие температурные градиенты будут иметь место в датчике, уста-, новленпом в высоком поле излучения, дифференциальный трансформатор, вероятно, не подходит для измерения пере­ мещения простых упругих элементов мембранного типа, но должен быть пригодным для работы с сильфонами пли пружи­ нами Бурдона, которые отклоняются, по крайней мере, на не­ сколько тысячных сантиметра при изменении давления во всем диапазоне.

На дифференциальные трансформаторные датчики могут^ оказывать влияние различные магнитные материалы, рассеян­ ные магнитные поля или электрические провода. Выпускаемые промышленностью датчики обычно экранируются, но при кон­ струировании каждой измерительной системы указанные дефек­ ты следует учитывать. Влияние создаваемых дифференциаль­ ными трансформаторами магнитных полей на другие приборы также должно изучаться конструктором приборов.

Динамические характеристики датчиков этого типа ограни­ чиваются массой сердечника, частотой переменного тока, по­ данного на первичную обмотку, и регистрирующим устройст­ вом. Поскольку чувствительность и другие параметры данного датчика зависят от несущей частоты [14], то улучшение дина­ мических характеристик за счет увеличения несущей частоты выше той, на которую первоначально рассчитывался датчик, может оказаться невозможным.

59