Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

проводиться дистанционно с приборных стоек, расположенных в помещениях пульта управления станцией. Более того, так как эти испытания могут выполняться во время работы станции, возможно измерение фактических значений времени реакции датчиков в рабочих условиях.

На время реакции ТДС, установленных в первичных контурах охлаждения АЭС, в частности, влияют скорость, температура и давление среды, которая их окружает. Поэтому время их реакции должно измеряться при нормальных или близких к нормальным условиям эксплуатации. Для этой цели используется метод реакции на ступенчатое изменение тока (РСТ). В этом методе используется ступенчатое изменение величины тока, пропускаемого через чувствительный элемент ТДС, которое приводит к внутреннему разогреву датчика. Ток через датчик увеличивается скачком, и регистрируется сигнал переходного процесса. Сигнал переходного процесса позволяет определить время реакции датчика в рабочих условиях. Такое тестирование ТДС проводится путем его присоединения к мосту сопротивлений. В схему моста включен переключатель, позволяющий изменять ток, пропускаемый через ТДС, с 1–2 мА до

30–50 мА.

Типичный переходный сигнал, получаемый при использовании этого метода для тестирования ТДС на АЭС показан на рис. 1.6. Этот сигнал регистрируется и анализируется с целью определить время реакции ТДС.

Переходный процесс, показанный на рисунке, не является переходной функцией датчика (реакцией на ступенчатое изменение внешней температуры),

однако связь между ними есть, и это подтверждено экспериментально и позволяет использовать метод для определения времени реакции ТДС и термопар в рабочих условиях (не прерывая технологического процесса).

31

В последние годы на АЭС стали широко использовать автоматизированное техническое обслуживание. Например, при нормальной работе станций с реакторами типа ВВЭР на полной мощности значительное число стержней СУЗ обычно находится над активной зоной. Если происходит что-то, требующее быстрого останова реактора, эти стержни внезапно сбрасываются, чтобы, падая под действием силы тяжести в зону, заглушить реактор как можно быстрее. По этой причине критическим параметром часто является время падения стержней из верхнего положения до низа активной зоны. Поэтому для большинства станций с реакторами этого типа измеряется время падения стержней СУЗ должно обязательно производиться после каждого останова станции для перегрузки и проведения любого технического обслуживания, при котором требуется удаление крышки реактора.

Измерение времени падения стержней традиционно проводилось для каждого стержня по отдельности с регистрацией на самописце сигнала от индикатора положения соответствующего стержня.

При помощи компьютерной системы сбора и анализа данных в настоящее время можно обеспечить одновременный сброс всех стержней и измерить времена их падения в автоматическом режиме. На рис. 1.7 показан результат измерения времени падения одного из стержней реактора.

Рис. 1.7. Результаты измерения времени падения стержней

32

На графике показан сигнал катушек индуктивного датчика указателя скорости, от начала падения стержня из верхнего положения до достижения низа активной зоны и входа в амортизационные секции своих направляющих труб.

Подобные графики используются для измерения времени падения стержня, а также для диагностики проблем, касающихся его движения (например, заклинивания или неполного ввода стержня в нижнее положение).

Так как операции по измерению времени падения стержней обычно приходятся на время останова реактора, то автоматизация измерений для групповых испытаний стержней позволяет сэкономить несколько часов этого времени и приносит станциям большую экономическую выгоду.

Для запуска реактора или изменения его мощности стержни СУЗ вводятся в активную зону или выводятся из нее посредством электромеханической системы привода стержней СУЗ. В реакторах такой привод включает в себя три соленоида, управляющих захватами, которые обеспечивают удержание и (или) перемещение стержней; эти соленоиды называют соленоидом стационарного захвата, подвижным соленоидом и подъёмным соленоидом. Соленоид стационарного захвата удерживает стержень в нужном положении до тех пор, пока подвижный соленоид не зафиксируется на нем при помощи защёлки. После этого подъёмный соленоид перемещает весь узел. Движения трёх соленоидов должны происходить своевременно и в правильной последовательности, иначе стержень может непреднамеренно упасть в активную зону. Для обеспечения своевременности и правильной последовательности перемещений стержней СУЗ проводится мониторинг токов управления соленоидами. Времена и последовательность их подачи измеряются после каждой перегрузки или техобслуживания, при котором затрагиваются приводы стержней СУЗ.

Ранее тестирование приводов на своевременность и правильность последовательности перемещений проводилось для каждого стержня в отдельности, полученные данные регистрировались на самописце и визуально изучались с целью проверки надлежащего функционирования приводов. При тестировании с использованием

33

компьютерных технологий несколько приводов стержней СУЗ проверяются одновременно и показатели своевременности и правильности последовательности их перемещений рассчитываются автоматически. Это значительно экономит время и имеет экономический эффект.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какого типа реактор можно считать типовым и почему?

2.Нарисуйте петлю первого контура АЭС и назовите измеряемые в ней параметры.

3.Назовите основные технологические величины, подлежащие измерению на АЭС.

4.С какой целью проводится дублирование датчиков на АЭС?

5.Как влияет точность работы датчиков на экономические показатели

АЭС?

6.Назовите методы, применяемые на АЭС для контроля датчиков без остановки реактора.

7.В чем заключается метод испытания датчиков ступенчатым сигна-

лом?

8.Какие преимущества дает автоматизация контроля и испытаний датчиков?

9.Какие преимущества дает мониторинг датчиков в режиме on-line?

34

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

2.1.Основные понятия и определения теории датчиков

Влюбом производственном или научном процессе (и даже в быту) приходится сталкиваться с количественной оценкой различных физических величин. Для этого используются различные устройства от органов чувств до сложных измерительных систем. Измеряемая величина x воздействует на измерительный преобразователь ИП, выходная величина которого α (рис.2.1) является функцией многих переменных (или физических величин), воздействующих на него одновременно с измеряемой величиной,

т.е. α = f(x, y1, y2,… yn). Рассмот-

рим основные определения, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем.

Измерительное преобразование представляет собой отражение одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Измерительный преобразователь – это техническое устройство,

выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа ИП, как правило, происходит в сложных условиях, когда на него действует много параметров. Нас интересует обычно один параметр, который называется измеряемой величиной. Все остальные параметры процесса считаются помехами.

Естественной входной величиной называется величина, кото-

рую ИП лучше всего воспринимает на фоне помех.

Естественная выходная величина – это величина, которая больше всего изменяется в ИП под действием измеряемой величины. По виду естественной выходной величины ИП подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные преобразователи имеют в качестве выходной величины ток или ЭДС при постоянной величине выходного импеданса Zвых.

35

Параметрические преобразователи под воздействием измеряемой величины изменяют один из своих параметров R, L или C.

Функция преобразования ИП – это зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Лучше, когда эта зависимость линейна.

Для описания линейной характеристики ИП (рис. 2.2.) α = α0 +Sx достаточно знать два параметра: α0 – начальное значение выходной величины, S = Δα/ x – относительный наклон характеристики, который называется чувствительностью

преобразователя. Чувствительность преобразова-

теля – это, как правило, размерная величина, так как входная и выходная величины имеют различную физическую природу. Чувствительность измерительного прибора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ИП, равна произведению чувствительностей отдельных ИП.

При градуировке однотипных ИП оказывается, что их характеристики отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. В паспорте приводится средняя характеристика, которая называется

номинальной.

Разность между номинальной и реальной характеристиками рассматривается как погрешность ИП.

Погрешности имеют различный характер и определяются поразному.

Систематическая погрешность не изменяется во времени и может быть практически полностью устранена введением поправок. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке нуля и чувствительности при аттестации прибора по образцовым мерам.

Систематическая погрешность может быть также неизменяемой функцией какой-либо величины, тогда ее тоже можно учесть.

Прогрессирующая погрешность является медленно изменяющейся во времени (из-за процессов старения элементов). Процесс этот нестационарный, поэтому такую погрешность можно скорректировать только в данный момент.

36

Случайные погрешности – это такие погрешности, в появлении которых не удается установить закономерности. Они определяются совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Случайные погрешности характеризуются законом распределения их вероятностей и параметрами этого закона.

Погрешность измерения – это разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.

Погрешность линейности (не-

линейность). Реальная зависимость α = f(x) может быть нелинейной, хотя принимается линейной (рис. 2.3).

Нелинейность – это разность между истинным и принятым значениями измеряемой величины в предположении, что система измерения линейна. На рисунке показана величина абсолютной ошибки N из-за нелинейности характеристи-

ки, когда измеренное значение равно α1. Нелинейность выражается как процентное отношение максимальной ошибки линейности Nmax к отклонению на всю шкалу прибора.

Разрешающая способность – это минимальное изменение измеряемой величины, которое приводит к различимому изменению в показаниях прибора. Для стрелочного прибора – это половина деления шкалы.

Разрешающая способность и погрешность – не одно и то же, хотя она влияет на погрешность измерений.

Порог чувствительности (ПЧ) – это минимальный уровень входного сигнала, который должен быть достигнут для появления различимых изменений в показаниях прибора.

Диапазон измерений (динамический диапазон (ДД)) – это диапазон измеряемой величины, внутри которого могут быть проведены измерения (рис. 2.4, а, б).

К динамическим характеристикам датчиков относятся: быстродействие – это параметр датчика, позволяющий оце-

нить, как выходная величина следует во времени за изменениями

37

измеряемой величины. Быстродействие можно оценить по полосе пропускания или по постоянной времени преобразователя;

Рис. 2.4. Определение порога чувствительности и динамического диапазона по характеристикам ИП

полоса пропускания – это диапазон частот, для которого чувст-

вительность S не меньше Smax (рис. 2.5, а);

2

постоянная времени τ – промежуток времени, за который выходная величина достигает 0,63 от установившегося значения, при ступенчатом изменении входного сигнала (рис. 2.5, б).

По виду выходного сигнала датчики делятся на генераторные и параметрические.

Рис. 2.5. Определение полосы пропускания и постоянной времени ИП

2.2. Генераторные датчики

Генераторные датчики (или активные в зарубежной литературе) преобразуют измеряемую величину в электрическую форму энергии. В табл. 2.1 для примера приведены некоторые физические

38

эффекты, которые используются для построения генераторных датчиков.

При термоэлектрическом эффекте датчик-термопара содержит два проводника различной химической природы. Их спаи, находящиеся при различных температурах, являются местом возникновения термоЭДС (рис. 2.6), которая пропорциональна разности температур.

При пироэлектрическом эффекте кристаллы (пироэлектрики), например, триглицинсульфата, испытывают спонтанную поляризацию и на обкладках образуются заряды, пропорциональные температуре. Поток излучения Ф приводит к росту температуры кристалла и, следовательно, напряжения U на обкладках конденсатора

(рис. 2.7).

39

Внешний фотоэффект заключается в том, что под действием светового потока электроны покидают фотокатод и образуют ток, пропорциональный освещенности.

Внутренний фотоэффект в полупроводнике заключается в том, что под действием светового потока электроны и дырки, освобожденные в окрестностях освещенного p-n-перехода, перемещаясь под действием электрического поля, вызывают изменение напряжения на границах полупроводника.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при деформации пьезоэлектрика под действием силы F появляются заряды на противолежащих поверхностях (рис. 2.8), и на обкладках конденсатора появляется напряжение U.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при изменении магнитного потока через замкнутый контур, в нем наводится ЭДС e = –cdΦ/dt (рис. 2.9), пропорциональная скорости вращения ω.

Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока через образец полупроводника, находящийся в магнитном поле, в перпендикулярном направлении возникает ЭДС U = kIBsinΘ (рис. 2.10). Как видно из выражения для U, датчик Холла может измерять ток I и магнитную индукцию B.

При перемещении постоянного магнита, как показано на рис. 2.10., изменяется индукция B и, следовательно, выходное напряжение датчика. Так можно измерять перемещение.

40