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

Имеются некоторые сведения о результатах испытаний з условиях излучения дифференциально-трансформаторных дат­ чиков давления, но данные радиационных повреждений транс­ форматоров [15] и дифференциальных трансформаторов |16] свидетельствуют о том, что можно создать приборы, надежно работающие в поле излучения. Терри [17] сообщил, что одни дифференциально-трансформаторный датчик, испытанный пя

менениям условий окружающей среды. Большинство выпускае­ мых промышленностью датчиков рассчитаны на то, чтобы ис­ пользовать преимущества мостовых схем измерения индуктив­ ности с двумя или четырьмя активными плечами (рис. 4.15) для компенсации изменений условий окружающей среды.

Сборка Е-образного сердечника с лопастным якорем (рис. 4.16), представляет собой пример контура с переменным магнитным сопротивлением, успешно используемого в датчиках давления [1]. Этот тип магнитного контура, вместе с мостовой электрической схемой измерения индуктивности (см. рис. 4.15) должен быть нечувствительным к температурам и облучению,, если удовлетворяются следующие условия: 1) подаваемое на Е-образный сердечник напряжение поддерживается постоянным; 2) импеданс трансформатора невелик по сравнению с импедан­ сом обмотки датчика; 3) индуктивное сопротивление обмоток датчика велико по сравнению с их электрическим сопротивле-

60

j-шем; 4) магнитное сопротивление воздушного зазора велико по сравнению с магнитным сопротивлением остальной части

Рис. 4.15. Мостовые схемы измерения индуктивности с дву­ мя (о) и четырьмя (б) плечами, применяемые в датчи­ ках давления с переменным магнитным сопротивлением.

вами воздуха); 5) ток, теряемый во внешней цепи, очень мал по сравнению с током; проходящим через обмотки и 6) импеданс изоляции велик по сравнению с импедансом катушек.

Рис. 4.16. Сердечник (Е-образный), применяемый обычно в датчиках давления с упругаш'н элемен­ тами! в виде крученой трубки; якорь соединен с крученой трубкой.

Поскольку, по-видимому, на' практике трудно создать си­ стему датчиков, обладающих всеми указанными выше харак­ теристиками, то для каждой системы датчиков, предназначен­ ных для установки на действующем реакторе, должно оцени­ ваться влияние отклонений реальных условий от идеализиро­

61

•якоря поддерживать ниже точки кюри материалов, а материал не теряет своих ферромагнитных свойств в условиях излучения. На практике труднее всего удовлетворить условие 3), так как соединительные провода часто должны быть длинными, иметь небольшой диаметр и должны быть изготовлены из материалов с относительно небольшой удельной проводимостью. Отсутствие места в реакторе также ограничивает размер обмоток, что,

всвою очередь, ухудшает отношение реактивного сопротивления

кэлектрическому (активному) сопротивлению. Влияние сопро­ тивления контура на напряжение на выходе из датчика можно определить по формуле

а изменения температуры, уровней излучения и т. д. вызывают равные изменения активного и реактивного сопротивлений об­

R= + и L = ± ±

Изменение давления вызывает равные и противоположные изменения Li и- L z и меняет числитель в формуле (4.7), не меняя формулы (4.8).

Условие 6) в практических системах можно удовлетворить соответствующим подбором материалов изоляции обмоток и соединительных проводов, но для получения лучших результа­ тов импеданс контура должен ограничиваться несколькими тысячными ома.

Данные по радиационной чувствительности, полученные при испытаниях в неустановившихся режимах [7, 17], свидетельст­ вуют о том, что можно сконструировать радиационностопкие датчики такого типа, но данных по более продолжительному испытанию под облучением не найдено. На рис. 4.17 приведены данные испытаний датчика с Е-образным сердечником на реак­ торе TREAT.

62

Датчики на вихревых токах. Детекторы перемещения сердеч­ ников на вихревых токах могут воспринимать перемещения в диапазоне от Ю - 6 до Ю - 4 см, и их можно применять для изме­ рения перемещений любых обычных упругих элементов. Серий­ но выпускаемые датчики давления на вихревых токах обычно содержат простые мембранные упругие элементы и являются'

Рис. 4.17. Временная характеристика датчика давления с Е-об- раз«ым сердечником с защитой от нейтронов и без нее при ра­ диационных испытаниях на реакторе TREAT:

/ — без покрытия; 2 — покрытый Cd (0,0005 см); 3 — карбид бора; 4— инте­ гральная мощность (макс.) 450 Мет • сек.

малоинерционнымн датчиками. С экономической точки зрения датчики давления на вихревых токах, по-видимому, оказались бесперспективными для применения там, где размер датчиков не ограничен, а высокая чувствительность и некоторые другиеособенности датчиков такого типа не требуются. Их динамиче­ ские характеристики ограничиваются, главным образом, пара­ метрами упругого элемента, потому что электрическая схема обычно работает в диапазоне мегагерц [14].

Схема простой системы датчика давления на вихревых токах с одной обмоткой показана на рис. 4.18. Ток от генератора последовательно проходит через обмотку и выходной транс­ форматор, создавая напряжение на выходе, прямо пропорцио­

которые создают магнитное поле, противоположное создавае­ мому обмоткой, и вызывают изменение индуктивности обмотки. Индуктивность обмотки будет меняться в зависимости от из­ менения расстояния между обмоткой и мембраной.

63-

Существует, очевидно, много паразитных явлений, которые могут вызывать изменение напряжения на выходе простой системы, показанной на рис. 4.18: изменения напряжения гене­

2>

Рис. 4.19. Схема датчика давления на вихревых токах с эта­ лонной катушкой для компенсации паразитных сигналов: .

/ — активная мембрана; 2 — катушки; 3 — эталонная мембрана .

уменьшить, если в соорке правильно расположить эталонную катушку. Если толщина мембраны меньше глубины проникно­ вения токов, то на чувствительность и систему компенсации тем­ пературных эффектов может оказывать значительное влияние

64

изменение проводимости среды под давлением. Если жидкость является хорошим электрическим проводником, то каждый дат­ чик следует градуировать только в той жидкости, которая бу­ дет применяться при работе.

В литературе нет данных по длительным испытаниям датчи­ ков давления на вихревых токах с двумя катушками в условиях излучения. Автор установил,- что один такой датчик под облу­ чением давал паразитный сигнал, составляющий 2,5% полного

-' Время, сек

Рис. 4.20. Временная характеристика датчика давления на вихре­ вых токах с двумя катушками, установленного на реакторе TREAT:

/ — выход датчика; 2 — интегральная мощность.

ведены на рис. 4.20. Такой тип датчика кажется перспективным для применения в условиях излучения при высоких температу­ рах, где требуется частотная характеристика, превышающая не­ сколько тысяч герц.

Датчик такого типа был разработан [19] для измерения

ускорения, в несколько тысяч раз превышающие ускорения силы тяжести, и индуцированные напряжения в электрических цепях

до 3000 в. Этот датчик, по-видимому, не испытывался в высо­ ких полях излучения или о данных испытаний не сообщено.

Магнитоупругие датчики давления воспринимают изменение магнитной проницаемости ферромагнитного материала, вызван­ ное механическим напряжением упругого элемента. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от вида напряжения, свойств материала и магнитной индукции в мате-

Рис. 4.21. Временная характеристика магнитоупругих датчиков давления без внутренних схем компенсации температуры на ре­ акторе TREAT:

J — датчик А; 2 — датчик В; 3 — мощность реактора.

риале [14]. Зависимость между магнитной проницаемостью и напряжением обычно нелинейна, но в ограниченном диапазоне напряжений для некоторых материалов можно получить необхо­ димую линейность.

Данные по материалам и методы конструирования серийно выпускаемых датчиков давления этого типа обычно считаются собственностью изготовителя, и поэтому очень трудно получить достаточную информацию, чтобы оценить, какие паразитные сигналы могут быть вызваны излучениями. Но из опубликован­ ных данных [14] следует, что изменения температуры будут иметь большое влияние на характеристики таких датчиков, а облучение приведет к изменению физических свойств •мате­ риалов. Обычно изготовители датчиков предусматривают соот­ ветствующие электронные схемы, которые включают в себя чувствительные к температуре элементы, установленные в кор­ пусе датчика. Если схемы не рассчитаны на работу в условиях излучения, они также могут внести большие паразитные сиг­ налы. Данных по продолжительным радиационным испытаниям этого типа датчика не найдено.

66

температуры, подсоединенная к независимому чувствительному, элементу, установленному в корпусе датчика. Этот датчик с не­ зависимым чувствительным элементом при испытании в реак­ торе TREAT давал паразитный сигнал, превышающий полный

4.6. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТЬЮ

В системе или системах датчиков давления с объемным уплотнением (рис. 4.23) имеется вторичная (разделительная) жидкость, которая находится между неупругой первичной мемб­ раной или сильероном и чувствительным элементом [1J. Эти элементы соединяются капиллярной трубкой, имеющей неболь­ шой объем по сравнению с объемом чувствительного элемента.

Датчики с заполненной разделительной жидкостью систе­ мой применяются потому, что они позволяют:

5* 67

2)предупредить затвердевание первичных (рабочих) жидко­ стей в чувствительном элементе;

3)предупредить увлечение газа или изменение плотности первичной (рабочей) жидкости, которые приводят к ошибочным

показаниям приборов из-за изменений статического напора.

Идеальная разделительная жидкость должна обладать нуле­ вым коэффициентом температурного расширения, высокой тем­ пературой кипения, низкой температурой замерзания, малой вязкостью и очень малой плотностью, должна быть сжимаемой, химически инертной и нечувствительной к излучению. Идеаль­ ной жидкости, очевидно, не существует, поэтому в зависи­ мости от условий применения следует принимать какое-либо компромиссное решение и идти на риск. В нашедших прак­ тическое применение системах используются вода, антифриз, углеводороды, силиконовое масло и жидкие металлы. При за-.

он пригоден для динамических измерений только при очень низких частотах. При отсутствии сдвигов мембраны можно ожи­ дать неточностей, вызванных расширением разделительной жидкости, а также погрешностей от всех источников, связанных с использованием в системе обычных датчиков для измерения давления разделительной жидкости.

Датчики давления с заполненной системой применялись в реакторах в течение многих лет [20], поскольку не было других чувствительных устройств, которые могли бы выдерживать высокие температуры и уровни излучения. В некоторых случаях число выходов из строя этих устройств было весьма большим, а проблемы радиоактивного загрязнения и активации препятст-

68

встали тщательному исследованию причин повреждении. Длин­ ная капиллярная трубка подвержена повреждению и закупорке, но нет явных причин, почему правильно сконструированные, изготовленные и установленные датчики давления с заполнен­ ными системами в некоторых случаях не подходят для исполь­

мер первичного элемента будет ограничивать их применение для измерений внутри активной зоны.

4.7.КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Вкомпенсационных датчиках регулирующее давление с од­ ной стороны чувствительного элемента компенсирует давление

рабочей среды, приложенное с другой стороны. Идеальным был

вялая мембрана или очень гибкий сильфом, а газ является тем рабочим телом, которое уравновешивает давление.

мембраны в нулевое положение. Это устройство исключает все проблемы, связанные с электрическими проводами в условиях излучения, и было бы привлекательным для применения внутри корпусов реакторов, если бы была уверенность, что отверстие не будет закупориваться. Но большинство инженеров, имеющих опыт работы с пневматическими приборами, обычно неохотно устанавливают их в недоступных местах. Такой датчик приме-

69