Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Для измерения абсолютной величины давления на одну сторону чувствительного элемента датчика подаётся давление технологического процесса, а с другой поддерживается вакуум.

Для измерений манометрического давления одна сторона элемента находится под влиянием давления процесса, а другая – атмосферного давления окружающей среды.

Как в датчиках для измерения абсолютного, так и манометрического давления ту сторону, на которую действует давление технологического процесса, называют стороной высокого давления.

При измерениях перепада давления на обе стороны чувствительного элемента действует давление технологического процесса, при этом одну сторону произвольно обозначают как сторону высокого давления, а другую – низкого. Любой датчик перепада давления может применяться для измерения манометрического давления путём соединения одной его стороны с технологическим процессом, а другой с атмосферой.

Верхняя граница статических величин давления обычно составляет около 200 бар (примерно 20 000 кПа) для водо-водяных реакторов и около 100 бар для реакторов с кипящей водой. На рис. 7.2 приведена упрощенная схема АЭС с реактором с кипящей водой, на которой показаны некоторые из основных датчиков давления, используемых в этом типе АЭС.

Рис. 7.2. Схема АЭС с реактором с кипящей водой

141

7.2. Испытания датчиков для применения на АЭС

Датчики давления, уровня и расхода теплоносителя поставляют большинство основных данных, необходимых для управления и обеспечения безопасности АЭС. В зависимости от своего расположения и назначения некоторые из этих датчиков должны выдерживать любую потенциально возможную окружающую среду и обеспечить нормальную работу в условиях этой среды, включая работу до, во время и после аварии. По этой причине изготовители проводят типовые испытания соответствующих датчиков и квалифицируют их в лабораторных условиях, имитирующих аварийные.

Проектная авария состоит из гипотетического набора обстоятельств, которые включают в себя наихудшие события, принимаемые в качестве возможных для определенного оборудования на АЭС: сейсмические нагрузки во время землетрясения, радиационную обстановку, возникающую во время аварии с потерей теплоносителя и воздействие на датчики пара, температуры и давления, возникающих как при разрыве трубопровода высокого давления. Любое оборудование, прошедшее квалификацию для этих условий, может использоваться и для менее суровых условий в любом месте на АЭС. Однако обычно не требуется, чтобы все оборудование выдерживало испытания, содержащие такой набор жестких условий. Например, прибор, который предназначается для установки в условиях окружающей среды с умеренными параметрами, в частности, во вспомогательном помещении, может подвергаться испытаниям при менее жестких условиях.

Общий подход к проведению квалификационных испытаний оборудования для АЭС заключается в том, чтобы искусственно состарить это оборудование на срок его проектной службы или службы, на которую он квалифицируется. Для датчиков давления старение обычно достигается посредством сочетания воздействия радиации, определяемого сроком службы станции, старения из-за высоких температур, вибрации и циклических изменений давления. Старение можно ускорить, используя документированные методы, приемлемые для атомной промышленности, например, теорию термического старения. При квалификационных испытаниях часто

142

применяют совместное воздействие радиационного облучения, циклических изменений давления и повышенных температур.

Испытания старением обычно сопровождаются сейсмическими испытаниями. Если оборудование предназначено для установки внутри защитной оболочки реактора или в месте, где оно может оказаться под водой или под воздействием высокой влажности или радиации во время аварии, то его следует также подвергнуть квалификационным испытаниям, относящимся к воздействию окружающей среды. Испытания по воздействию окружающей среды обычно выполняют после сейсмических испытаний. Датчик давления, который успешно прошёл сейсмическую квалификацию и (или) квалификацию по воздействию на него окружающей среды часто называют датчиком ядерного класса.

Номинальный (квалифицированный) срок службы оборудования устанавливается по результатам квалификационных лабораторных испытаний. На рис. 7.3 показана зависимость номинального срока службы датчика давления ядерного класса от температуры, воздействию которой он подвергается во время работы АЭС в штатном режиме.

Рис. 7.3. Зависимость срока службы датчика давления от температуры

На рисунке для датчика приведены две зависимости: одна для измерительного модуля (корпуса и других конструкционных компонент), а вторая для его электронных компонент. Ясно видно, что

143

для одной и той же рабочей температуры электронные компоненты датчика имеют более короткий номинальный срок службы, чем его измерительный модуль.

Зависимость между сроком службы датчика и рабочей температурой, воздействию которой он обычно подвергается, определяет предельные значения рабочей температуры, которые не должны превышаться, чтобы датчик мог быть использован в течение всей длительности его срока службы. Пример, представленный на рис. 7.3, показывает, что если электронная часть датчика заменяется в конце срока её службы, то номинальный срок службы датчика может быть продлён до конца срока службы его измерительного модуля.

7.3. Датчики давления на АЭС США

Большинство датчиков давления, используемых в системах безопасности АЭС, производятся лишь небольшим числом (менее десяти) фирм-изготовителей.

Датчик давления фирмы Barton модели 753 является манометрическим датчиком давления, чувствительный элемент которого сделан с использованием трубки Бурдона. Тяга соединяет трубку Бурдона с консолью, которая изгибается пропорционально степени распрямления трубки. Смещение консоли измеряется с помощью тензометра.

Датчик фирмы Barton модели 763 также является манометрическим датчиком давления, который квалифицирован для работы внутри защитной оболочки АЭС. Чувствительным элементом этого датчика является трубка Бурдона, соединённая с консолью. Когда на датчик подаётся давление, оно распрямляет трубку Бурдона, что приводит к перемещению консольного рычага. Тензометры на противоположных сторонах рычага замеряют его перемещение и преобразуют это перемещение в электрическиё сигнал подобно тому, как это делается в датчике модели 753.

Датчик фирмы Barton модели 764 представляет собой дифференциальный датчик давления. Датчик функционирует в значительной степени подобно тому, как работает датчик модели 752, за

144

исключением того, что датчик модели 764 квалифицирован для применений, связанных с обеспечением безопасности АЭС.

На АЭС используют четыре модели датчиков давления фирмы Foxboro: Е11, Е13, NЕ11 и NЕ13. Буква N в номере модели означает, что датчик квалифицирован для применений на АЭС. Все четыре датчика являются датчиками типа «равновесие сил», они очень схожи в том, что касается их внешнего вида и принципа работы.

На рис. 7.4. представлены три различных датчика Foxboro.

В датчиках давления фирмы Foxboro используются три типа чувствительных элементов: трубка Бурдона, сильфон и диафрагма.

Рис. 7.4. Датчики давления фирмы Foxboro

На рис. 7.5 показана схема датчика Foxboro с чувствительным элементом в виде трубки Бурдона. За исключением чувствительного элемента два других датчика идентичны в отношении конструкции их электромеханических схем и принципов работы. Только в качестве чувствительного элемента в них используется сильфон и диафрагма.

Для измерения давления, уровня и расхода в первичном и вторичном контурах АЭС применяют четыре датчика давления и перепада давления фирмы Rosemount: модели 1151, 1152, 1153 и 1154. Модели 1152, 1153 и 1154 квалифицированы для примене-

145

ний, связанных с ядерной безопасностью, в то время как модель 1151 является датчиком общего назначения, который на АЭС используется для целей, не связанных с обеспечением безопасности.

Рис. 7.5. Схема датчика Foxboro с чувствительным элементом в виде трубки Бурдона

Рассматриваемые четыре модели датчиков Rosemount схожи по своему внешнему виду и принципу работы. На рис. 7.6 объясняется принцип работы чувствительного модуля этих датчиков. Этот модуль представляет собой заполненный маслом датчик емкостного типа, известный как дельта-модуль (δ-модуль). Этот модуль отделен от рабочей среды изолирующей диафрагмой, а силиконовое масло используется для передачи давления технологического про-

146

цесса от изолирующей диафрагмы через несколько капиллярных трубок на чувствительную диафрагму.

Рис. 7.6. Чувствительный модуль датчиков давления Rosemount

На рисунке показан разрез чувствительного модуля датчика Rosemount, состоящего из двух половин, центральной диафрагмы, изолирующей диафрагмы и масла-наполнителя. Каждая половина модуля состоит из металлической чаши с внутренним стеклянным вкладышем, в котором сделана полость. На поверхность стеклянной полости нанесена плёнка металла, образующая одну из пластин конденсатора. Между полостью и задней стенкой чаши располагается керамический вкладыш, в котором имеются сквозные каналы.

Этот вкладыш служит для передачи маслом гидравлического давления от рабочей среды к центральной диафрагме. Соединительный провод, идущий к пластине конденсатора, является трубкой малого диаметра, через которую каждая половина модуля после его сборки заполняется маслом. После того, как модуль заполнен маслом, наполнительная трубка обжимается и запаивается, становясь таким образом герметичным электрическим проводником, идущим к пластине конденсатора.

Способность чувствительного модуля точно замерять давление в различных диапазонах определяется четырьмя параметрами: кривизной полости, сделанной в обеих половинах датчика, диаметром конденсаторной пластины, образованной на поверхности полости,

147

жёсткостью (толщиной) центральной диафрагмы и жёсткостью изолирующей диафрагмы. Последний параметр важен лишь при низких давлениях.

Перемещение центральной (чувствительной) диафрагмы ограничено в её центре максимальной величиной примерно равной 0,1 мм посредством того, что при таком перемещении диафрагма упирается в заднюю стенку соответствующей половины модуля. Такая конструкция обеспечивает защиту модуля от превышения допустимой величины давления. В датчиках Rosemount используются различные чувствительные диафрагмы в зависимости от диапазона давлений, измеряемых датчиком (от типа диапазона). Обычно, чем выше максимальное давление в диапазоне, тем толще чувствительная диафрагма и тем короче время реакции датчика.

Положение чувствительной диафрагмы определяется по ёмкости конденсаторов по обе стороны от диафрагмы: ёмкость между диафрагмой и любой из пластин конденсатора составляет примерно 150 пФ, а разность ёмкостей между конденсаторами, образованными диафрагмой и пластиной конденсатора, преобразуется электронной схемой в сигнал постоянного тока силой 4 – 20 мА (или 10

– 50 мА).

Датчики Rosemount поставляются для измерений давлений в широком диапазоне, от нескольких миллибар до 200 бар или выше. Время реакции составляет от 0,2 до 2 с, в зависимости от диапазона и степени демпфирования.

Для проведения калибровки большинство датчиков Rosemount оснащены устройствами установки нуля и регулировки номинального диапазона, доступ к которым возможен снаружи датчика. В дополнение к этому электронная схема датчика позволяет проводить регулировку линейности характеристики датчика. Регулировка линейности проводится на заводе-изготовителе и обычно не выполняется на местах, где датчик используется.

Следует отметить, что все описания датчиков Rosemount и других фирм сделаны на основе типовых конструкций датчиков и данных, накопленных в ходе их эксплуатации на АЭС, что может не отражать усовершенствования или изменения, которые могли быть внесены в последние годы. Более того, фирма Rosemount и другие изготовители производят в настоящее время для промышленных

148

установок, включая АЭС, так называемые «интеллектуальные» датчики и датчики, использующие цифровые технологии. Как традиционные, так и «интеллектуальные» датчики, поставленные фирмой Rosemount и другими изготовителями, продемонстрировали свою надёжную службу на АЭС, и в большинстве случаев уровень отказов таких датчиков был весьма низок.

Для измерений давления, связанных с безопасностью АЭС, в США используют четыре модели датчиков фирмы Tobar: модели 32DP1 и 32DP2, являющиеся дифференциальными датчиками, и модели 32PА1 и 32PА2, являющиеся датчиками абсолютной величины давления. Различие между двумя дифференциальными датчиками давления (32DP1 и 32DP2) заключается в степени их квалификации для ядерных применений. Модели, номер которых оканчивается на цифру 1, квалифицированы для применений в условиях повышенной радиации, а модели с цифрой 2 на конце – для низкого радиационного уровня. То же самое справедливо для моделей датчиков для измерения абсолютной величины давления. Фирма Tobar поставляет датчики давления и перепада давления, имеющие те же номера моделей, но оканчивающиеся на цифру 5; эти датчики не квалифицированы для применений, связанных с ядерной безопасностью.

Чувствительные элементы в датчиках давления и перепада давления Tobar используют диафрагменные модули. В датчиках абсолютной величины давления модуль в собранном виде состоит из диафрагмы, на которой размещена мостовая схема из тензометров. Диафрагма приварена к опорной и выводной платам, как это показано на рис. 7.7. Выводная плата содержит герметичные соединительные проводники, передающие электрический сигнал от изгибающегося элемента на усилитель.

В дифференциальных датчиках давления линии давления рабочей среды подсоединяются к диафрагмам высокого и низкого давлений. Пространство между ними заполняется демпфирующей жидкостью (рис. 7.8), сами диафрагмы соединяются при помощи толкателей с блоком чувствительного модуля (набором сопротивлений, чувствительных к напряжению).

149

150

Рис. 7.7. Схема датчика фирмы Tobar для измерения абсолютной величины давления