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

ления внутри тепловыделяющего элемента происходит медленно (в нормальных рабочих условиях) и образуются умеренно вы­ сокие давления, то от прибора не требуется ни быстродействия, ни высокой чувствительности.

70

4.8.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Ввысокоактивных средах дифференциальное давление изме­ рять труднее, чем абсолютное или избыточное давления. К тому же все трудности конструирования датчиков для измерения

абсолютного давления добавляются к трудностям, связанным

сконструированием дифференциальных датчиков. Элементы,

Консольная балка с тензодатчиком

Рис. 4.26. Схема двух типов обычных дифференциальных датчи­ ков давления с противовключенными сильфонами.

работающие на принципе измерения высоты столба жидкости, обычно используемые в промышленности для измерений диф­ ференциального давления в малых диапазонах, как правило, не пригодны для применений в реакторных системах по причи­ нам, обсуждавшимся ранее. Некоторые типы дифференциальных датчиков давления не применимы в реакторах с негазовым теплоносителем, поскольку их чувствительные элементы не за­ щищены от его воздействия. Следовательно, выбор датчиков ограничивается теми из них, в которых применяются два отдель­ ных упругих элемента или в которых имеется какой-либо тип уплотнения между средой под давлением и чувствительным эле­ ментом.

На рис. 4.26 показано два типа обычных дифференциальных датчиков давления, имеющих два отдельных упругих элемента. Чувствительность этих датчиков ограничена, потому что упру­ гие элементы должны выдерживать давление в системе без оста­ точной деформации.

На рис. 4.27 показаны два дифференциальных датчика дав­ ления с уплотняющим устройством. Радиационностойкий диф­ ференциальный датчик давления сильфонно-дифференциального трансформаторного типа также легко проектируется, как и дат­ чик абсолютного давления такого же общего типа. Через уплот-' нение высокого давления не передается никакого механического перемещения, а максимальная чувствительность ограничивается только размером и гибкостью сильфонов.

Еще до создания датчиков дифференциального давления, пригодных для установки в корпусах реакторов, дифферен-

71

циальные давления измеряли с помощью датчиков, устанавли­ ваемых за пределами корпуса реактора [25]. Точность и чувст­ вительность таких измерений значительно ограничивались длиной импульсных линий от места отбора давления до дат-

Рнс. -1.27. Схема двух типов обычных дифференциальных дат­ чиков давления с уплотняющим устройством:

/ — герметичный сильфон; 2— вялая мембрана: 3 — тензометр: 4 — пру­ жина смещения; 5 — п р у ж и н а диапазона: л'— дифференциальным транс­ форматор .

чика. Необходимость в таких датчиках значительно уменьши­ лась, поскольку были созданы приборы различных типов для измерения расхода и уровня жидкости.

Дифференциальное давление внутри активной зоны можно измерить с помощью тензометрических или подобных датчиков, если для создания давления со стороны чувствительного эле­ мента мембраны использовать газ от внешнего источника 126]. Система, основанная на этом принципе, показана на? рис. 4.28. Эталонный датчик в такой системе обычно играет роль чувст­ вительного элемента электропневматической сервосистемы, кото-

72

рая поддерживает противодавление на обоих датчиках равным давлению в системе, приложенному к эталонному датчику. Сигнал от другого датчика будет пропорционален разности дав­ лении между двумя чувствительными точками. Очевидной опас­ ностью, связанной с такой системой, является неисправность системы компенсации давления, которая может вызвать разрыв мембран датчика, если они не снабжены ограничителями избы­ точного давления.

Дифференциальные датчики давления с заполненной систе­ мой применялись для измерений в условиях высоких темпера­ тур внутри корпуса реактора [27], но размер сильфонных упру­ гих элементов ограничил их применение для измерений внутри активной зоны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2.Perry С. C , Lissner H. R. The Strain Gage Primer. Second Edition. N. Y.. McGraw-Hill Book Co., 1962, p. 253.

3.Baumerster I. Ed. Standard Handbook for Mechanical Engineers. N. Y., McGraw-Hill Book Co., 1967, p. 5, 68.

4.Aderson W. F. Analysis of Stresses in Bellows. Part 1. Design Criteria and

5.Arenson M. H. Strain Gage Instrumentation. Pittsburgh, Instruments Publi­ shing, Company, Pa., 1958.

6.Weltevreclen P. In—Pile Application of Strain Gauges Preliminary Results.

EUR ATOM Report No. EUR-2648, E, Joint Research Center Ispra Establi­ shment, Italy. 1966, p. 15.

7.Boland J. F., DeForest R. Effects of Irradiation of Pressure Transducers. In Idaho Division Summary Report, October 1961, through' September 1962. USAEC Report No. ANL-6706, Argonne National Laboratory.

8.Burnett J. R. e. a. Calibration of Pressure Transducers for Pluto Radiation Environments. USAEC Report No. UCRL-13092. Edgerton, Germeshausen and Grier, Inc., August 1963, p. 62.

9. Harris S. Y., Bumpus C. F. Jr. Pressure and Temperature Instrumentation for Dynamic Measurements. In the KEWB Program. USAEC Report No. NAA-SR-4709, Atomic International, November 1960, p. 44.

10.Terry F. D. Effects of Transient Nuclear Radiation on Transducers and Electrical Cables. USAEC Report No. IDO-16914. Phillips Petroleum Company, November 1963, p. 17.

11.Boland J. F., Kirn F. S. Radiation Effects on Pressure Transducers. In Idaho Division Summary Report July, August, September 1960, USAEC Report No.. ANL-6301. Argonne National Laboratory, p. 88.-

14.Lion K. S. Instrumentation in Scientific Research, N.Y., McGraw-Hill Book Co.. 1959.

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

and Components. N. Y., Reinhold Publishing Co., 1964, p. 636.

16.Firing .1. A. In—Core Instrumentation Developed and Applied at HBWR, Horway, Proceedings of International Nuclear Industries Fair. 8—14, Sep­ tember 1966. Basle, Switzerland, Paper 7—-1, September 1966, p. 4.

73

17. Terry F. D., Kindred R. L., Anderson S. D. Transient Radiation Ejects on Transducer Devices and Electrical Cobles. USAEC Report No. IDO-17103, Phillips Petroleum Company, November 1965.

18.Reactor Development Program Progress Report February 1965. USAEC Report No. ANL-7017, Argonne National Laboratory, March 1965, p. 25.

19.Field J. E. Design and Testing of a 100,000 psi Eddy — Current Pressure Transducer for Hostile Environments. USAEC Report No. UCRL-50341, Lawrence Radiation Laboratory, October 1967.

20.Moriarty K. J. EBR - ll Instrumentation Experiences. In Proceedings of the

21. Scott С. C. Fermi Process Instrumentation. In Proceedings of the Sympo­ sium on Liquid-Metal Instrumentation and Control. USAEC Report No. ANL-7380, Argonne Nationnal Laboratory, March 1967, p. 29.

22. Bauun A. Fission Gas Pressure Measurements. In Development and Appli­ cation of In — Core Instrumentation at FIBWR, vol. 11, Institut for Atomenergi. Maiden Norway, Section 14. 1965.

24.Kinzer J. E., Bobbe E. L. Operating Experience with a Miniaturized Pres­ sure Sensor. Trans. Amer. Nucl. Soc, 1968, vol. II, p. 337.

25.Popper G. F. Lecture Notes on In—Core Instrumentation for the Measu­ rement of Hydrodynamic Parameters in Water—Cooled Reactors. L1SAEC

26. Brooks E. J. BOPAX-V In-Yessel Instrumentation. In Proceedings of Symposium on In-Core Instrumentation. Oslo, June 15—19, 1964, Paper B'-2. p. 6 (CONF-640607), Institut for Atomenergi, Maiden, Norway.

27.Lawford V. N. NaK-Filled Differential-Pressure Instruments for HighTemperature Measurements. American Society of Mechanical Engineers,

\

Глава пятая

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ИУСИЛИЙ

5.1. ВВЕДЕНИЕ

Многие описанные в литературе [1, 2| обычные датчики перемещений не пригодны для применений в реакторах из-за уплотнений, высокого уровня излучения и коррозии материалов. Такие бесперспективные датчики, как емкостной, пьезоэлектри­ ческий, потенциометрический, электролитический, механикооптический и полупроводниковый, здесь обсуждаться не будут. Данные по влиянию облучения на эти устройства или их детали можно найти в отчетах, приведенных в изданиях Информацион­ ного центра по радиационным воздействиям [3].

Очевидно, что измерения крутящих моментов и различных угловых смещений внутри корпусов реакторов интереса не пред­ ставляют/, поэтому приборы для их измерения здесь описываться не будут. Измерение уровня жидкости будет обсуждаться в гл. 6.

Принципы действия датчиков перемещений и усилий тензометрпческого и индукционного типа такие же, как у-датчиков, представленных в предыдущей главе для датчиков давления.

5.2. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ

Тензометры сопротивлений являются наиболее перспектив­ ными приборами для измерений деформаций внутри корпусов реакторов по тем же причинам, которые сделали их наиболее распространенными приборами для измерения деформации в обычных случаях применения [4J. На рис. 5.1 показаны обыч­ ные тензочувствительные элементы проволочного или фольго­ вого типа, монтируемые на подложке с целью изоляции их от металлических поверхностей. Обычно используемые материалы, такие как бумага и бакелит для подложек и эпоксидные и ор­

для применения в ядерных реакторах ограничивается керами­ кой. Ограниченное количество экспериментальных результатов [5] свидетельствует о том, что если в данные деформаций вво­ дятся поправки на погрешности, связанные с малыми значе­ ниями сопротивления изоляции, то тензочувствительные эле-

75

менты, присоединенные непосредственно к металлическим поверхностям с помощью керамических клеев, могут быть работоспособными в реакторах до тех пор, пока интегральный поток быстрых нейтронов не приблизится к значению 1017 нейт­

рон/си2.

Рис. 5.1. Схема обычных тензометров сопротивления проволочного и фольгового типов:

На рис. 5.2 показана схема тензометра, изготовленного путем заделки в керамическую изоляцию тензочувствительного эле­ мента (нити) методом горячей накатки металлической трубы поверх изоляции. Тензометр приваривается к деформируемому элементу. Выводные проводники заключены в металлическуютрубку, герметично заделанную в трубку с тензочувствительным элементом. Такие тензометры могут использоваться в различных средах.

мально работали после облучения интегральным потоком быст­

датчик для компенсации изменений сопротивления рабочеготензодатчика в пределах 1,5%. Предел рабочих температур для одного из серийно выпускаемых тензодатчиков этого типа со­ ставлял приблизительно 480° С при продолжительных измере-

76

ииях и около 650° С при кратковременных измерениях деформа­ ции [6]. Тензодатчики, по-видимому, нельзя успешно применять на очень тонких материалах или на сильно искривленных по­ верхностях, например на тепловыделяющих стержнях малого диаметра.

Рис. 5.2. Схема привариваемого тензометра сопротивления:

5.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Дифференциально-трансформаторные датчики перемещений.

Дифференциальный трансформатор с переменным коэффициен­ том трансформации представляет собой универсальное устрой­ ство для измерения линейных перемещений в диапазоне от 0,002 до нескольких сантиметров. В реакторе дифференциальныетрансформаторы могут применяться для выполнения следую­ щих функций:

1) измерения продольного расширения или сжатия топлива

воболочке;

2)измерения продольного удлинения оболочки топлива,

которое может являться результатом изменений температуры или давления;

3)измерения изгиба тепловыделяющего элемента;

4)измерения вибрации регулирующих стержней или тепло­ выделяющих элементов;

5)указания положения клапана;

6)измерения относительного положения конструкций. Файэринг [7] применял дифференциальные трансформаторы

для измерения удлинений топливных стержней в потоках тепло-

77

быстрых нейтронов для дифференциальных трансформаторов, хотя они успешно работали в реакторе ITBWR, что является весьма обнадеживающим фактором.

Рис. 5.3. Схема дифференциального трансформатора для измерения деформаций топлива и оболочки:

/ — герметичный дифференциальны» трансформатор; 2 — пру­ жина; 3— герметичный дифференциальный трансформатор, прикрепленный к покрытию твэла; 4 — ферромагнитный сер­ дечник; 5 — изолятор; 6 — топливо; 7 — покрытие твэла из

парамагнитного материала; 8 — оболочка кассеты.

Серийно выпускаются дифференциальные трансформаторы, которые будут работать при температурах до 300° С, а вновь разрабатываемые приборы [8] успешно прошли испытания при температурах до 650° С.

На рис. 5.3 показана схема установки двух дифференциаль­ ных трансформаторов для измерения смещения топлива внутри

78

покрытия и расширения покрытия твэла относительно стенки кассеты. Помимо накопления данных по продолжительному ис­ пытанию' твэлов это измерение позволило определить расплав­ ление топлива внутри покрытия из-за нарушения охлаждения. Если хотя бы один твэл в каждой кассете был бы оснащен детектором для измерения расширения покрытия, то можно было бы своевременно определять местные превышения допу-

1

с тем, чтобы остановить реактор до того, как твэлы в кассете расплавятся. Детектор такого типа успешно применялся в кассе­ тах норвежского реактора HBWR для защиты твэлов от пере­ жога [9].

Дифференциальный трансформатор для определения мест­ ных перегревов обладает возможным преимуществом, что позво­ ляет использовать специальный трансформатор со штепсельным разъемом вместо обычных электрических соединений между

Дифференциальные трансформаторы весьма успешно приме-' нялись для измерения расширения топлива в большинстве испы­ таний в переходных режимах на реакторе TREAT [10, 11]. Единственные паразитные сигналы, генерируемые при этих ис­ пытаниях, можно было объяснить разностью тепловых расши­ рений основы датчика и подвижного сердечника. Максимальный поток нейтронов при этих испытаниях, превышавший 1015 нейт­ рон/ (см2-сек), свидетельствует о том, что дифференциальные трансформаторы можно применять для кратковременных изме­ рений в любом существующем реакторе при условии соответст­ вующего охлаждения трансформатора.

Датчики перемещений на вихревых токах. Детекторы пере­ мещений на вихревых токах обычно используются для измере­ ния различных смещений, перечисленных для дифференциаль­ ных трансформаторов, в диапазонах до 12,7 мм. Датчик на вих-

79