Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Рис. 7.8. Конструкция чувствительного элемента датчиков фирмы Tobar

Для генерации электрического сигнала толкатели изгибают чувствительный модуль до 0,1 мм. При подаче на датчик давления, превышающего допустимое, кольцевое уплотнение внутри диафрагменного блока садится на корпус модуля, и наполняющая жидкость, содержащаяся между диафрагмой и корпусом модуля, сдерживает дальнейшее движение диафрагмы. Блок чувствительного модуля состоит из изгибаемого элемента, на котором располагается мостовая схема из тензометров, замеряющая передвижение диафрагмы, подобно тому, как это происходит в датчике абсолютной величины давления.

7.4. «Интеллектуальные » датчики давления

«Интеллектуальные» телеметрические датчики давления стали применяться в атомной промышленности в конце 1970-х годов. В настоящее время они используются для различных применений, в том числе связанных с ядерной безопасностью, для чего некоторые «интеллектуальные» датчики были квалифицированы изготовителем или организациями атомной промышленности.

151

«Интеллектуальные» датчики давления Rosemount и другие «интеллектуальные» датчики пользуются популярностью на АЭС из-за лёгкости проведения их калибровки (например, нет необходимости открывать корпус датчика), наличия запоминающего устройства, лёгкости настройки на нужный режим измерений, преимущества в отношении их стоимости по сравнению с обычными датчиками их класса, а также благодаря их улучшенным характеристикам. По мере того, как происходит постепенная замена стареющих и устаревших датчиков, атомная промышленность всё более и более полагается на «интеллектуальные» датчики.

На рис. 7.9 показана фотография «интеллектуального» датчика давления, поставляемого фирмой Rosemount (модель 3051N) для использования на АЭС. Этот датчик имеет сейсмическую квалификацию как для применений в качестве оборудования ядерного класса, так и для умеренных условий окружающей среды.

Рис. 7.9. «Интеллектуальный» датчик 3051N

На рис. 7.10 представлены две блок-схемы, поясняющие устройство электрического контура, и типичные компоненты «интеллектуального» датчика.

152

Рис. 7.10. Блок-схема «интеллектуального» датчика

7.5. Оптоволоконные телеметрические датчики давления

Помимо «интеллектуальных» датчиков, атомная энергетика проявляет большой интерес к оптоволоконным датчикам давления. В атомной энергетике уже с успехом применяются оптоволоконные кабели и приборы, особенно в тех зонах, где отсутствует радиация. Что касается применений в условиях повышенной радиации и внутри защитной оболочки реактора, то оптоволоконные датчики всё ещё находятся в стадии развития, и ни один крупный их поставщик пока не продемонстрировал интереса к разработке или квалификации таких датчиков для упомянутых выше применений. Такое положение вещей объясняется в основном опасениями

153

технического характера в отношении влияния радиации на оптоволоконные компоненты, а также деловой озабоченностью, например, из-за небольшого объёма спроса на датчики для АЭС, трудностей с внедрением на АЭС новых видов оборудования и технологий, а также вопросов обеспечения качества. В других отраслях промышленности, однако, оптоволоконные датчики успешно используют благодаря их устойчивости к электромагнитным и радиопомехам, неподверженности утечкам тока на землю, небольшому размеру, высокой чувствительности и возможности использования мультиплексных каналов передачи данных. Например, в автомобильной промышленности оптоволоконные датчики применяют из-за их небольших размеров, в аэрокосмической – из-за малого веса, а в нефтехимической – благодаря их взрывобезопасности.

Принцип работы простых оптоволоконных датчиков давления проиллюстрирован на рис. 7.11. Источник света и детектор оптического излучения (чувствительного элемента) связаны между собой через отражающую поверхность чувствительного элемента датчика давления. При перемещении чувствительного элемента под действием давления количество света, попадающего на чувствительный элемент изменяется (рис. 7.11, а). Давление может воздействовать на сам волоконный кабель с тем же эффектом (рис. 7.11, б).

аб

Рис. 7.11. Принцип работы простых оптоволоконных датчиков давления

Помимо измерения давления, такие датчики применяются для измерения температуры, механической нагрузки, вибрации и других параметров.

154

7.6. Беспроводные телеметрические датчики давления

Беспроводные датчики постепенно находят своё применение на АЭС, но пока не используются в зонах повышенной радиации или внутри защитной оболочки реактора для каких-либо измерений, критически важных с точки зрения безопасности. Прежде чем беспроводные датчики смогут применяться в повседневной практике АЭС для измерений важных параметров технологического процесса, необходимо решить ряд проблем, мешающих этому, и найти технические решения ряда вопросов.

Ожидается, однако, что с течением времени беспроводные датчики станут играть важную роль на АЭС, так как они позволяют существенно снизить затраты на прокладку кабелей и, что не менее важно, облегчить сбор данных для дистанционной диагностики и для мониторинга в режиме on-line с целью проверки рабочих характеристик оборудования станций и параметров технологических процессов. Ожидается, что следующее поколение усовершенствованных АЭС, которые, возможно, будут введены в эксплуатацию к 2020 году, и реакторы так называемого четвёртого поколения, которые вступят в строй к 2030 году, будут использовать беспроводную технологию датчиков как в своих первичных, так и вторичных контурах реакторной установки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 7

1.Как работает датчик давления, построенный на принципе равновесия перемещений?

2.Как работает датчик давления, построенный на принципе равновесия сил?

3.Назовите порядок числа датчиков давления на современной АЭС.

4.Какие технологические параметры, кроме давления, можно измерять с помощью датчиков давления?

5.Какая разница между абсолютным и манометрическим давлением?

6.Как измеряется абсолютная величина давления?

7.Как измеряется манометрическое давление?

155

8.Что такое классификация датчиков и для чего она проводится?

9.Какие требования по сроку службы предъявляются к датчикам давления на АЭС?

10.Как зависит срок службы датчика от внешних условий работы?

11.Какие наиболее распространенные чувствительные элементы используются в датчиках давления для АЭС?

12.Что такое интеллектуальный датчик?

13.На каком принципе действия работают оптоволоконные датчики?

156

8. ДАТЧИКИ ГИДРОПНЕВМОСТАТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение расхода жидкостей и газов требуется в различных отраслях науки и хозяйства. Расход – это количество жидкости или газа, проходящее через некоторое сечение трубы за единицу времени. При ламинарном течении измерение расхода часто проводится с помощью определения скорости потока жидкости или газа. Требования, предъявляемые к датчикам расхода, самые разнообразные: это высокие давления, широкий диапазон температур, высокие точности измерения и др.

Измеритель расхода называется расходомером, измеритель скорости – анемометром.

В настоящее время используются расходомеры разных типов: постоянных и переменных давлений; трубные и вихревые; электромагнитные; тепловые; акустические; ядерно-резонансные; оптические; струйные.

Расходомеры постоянного и переменного давления позволяют судить о расходе по давлению. Все остальные измеряют скорость потока в одной или нескольких точках профиля скоростей. При измерении скоростей важно использовать бесконтактные измерители, которые не возмущают поле измеряемого параметра. В качестве бесконтактных измерителей скорости и расхода используют оптические, акустические и тепловые.

8.1. Расходомеры с сужающими устройствами

Расходомеры такого типа работают по принципу измерения разности давлений. В основе принципа действия лежит уравнение Бернулли, согласно которому сумма гидростатического и скоростного напора для одной геодезической высоты неизменна для любой точки потока с учетом потери давления на участке между потоками, т. е. если сопоставляются две точки потока, то для точки, расположенной дальше по течению, необходимо учитывать потерю давления на участке между потоками из-за трения.

Измерение расхода, основанное на принципе измерения разности давлений, осуществляется путем изменения скорости потока.

157

Это достигается изменением поперечного сечения потока с помощью стандартизированных сужающих устройств, к которым относятся диафрагмы (рис. 8.1, а), сопла (рис. 8.1, б), трубки Вентури

(рис. 8.1, в), Долла (рис. 8.1, г) и др.

Давление перед сужающим устройством растет, а после него падает. На основании уравнения Бернулли можно получить соот-

коэффициент, зависящий от формы сужения и характеристики среды; γ – плотность среды.

Расходомеры переменного давления используют зависимость

Q = f( p), которая, как видно из соотношения, является нелинейной.

Расходомер постоянного давления (рис. 8.2) позволяет полу-

чить линейную характеристику Q = f (k) при p = const. В этих устройствах изменяется сечение сужения 1 (коэффициент k), а перепад давлений поддерживается постоянным за счет поплавка 2. Положение поплавка измеряется и градуируется в значениях расхода Q. На поплавок наносится спиральная нарезка для придания ему способности к вращению (рис. 8.2, а).

аб

Рис. 8.2. Расходомеры с переменной площадью проходного сечения

158

Такие расходомеры с переменной площадью проходного сечения называются ротаметрами. В ротаметре, изображенном на рис. 8.2, а, положение поплавка измеряется с помощью шкалы 3, а в ротаметре на рис. 8.2, б – с помощью дифференциальнотрансформаторного датчика положения. Обычно погрешность ротаметров составляет ±2 % в диапазоне изменений расхода 10:1.

Расходомер с лопастью пока-

зан на рис. 8.3. На лопасть 2 действуют аэроили гидродинамическая сила потока, сила веса и пружины 1 (если необходимо). Положение равновесия лопасти зависит от расхода. Положение лопасти

можно измерить, например, с по-

Рис. 8.3. Схема расходомера

мощью потенциометра, закреп- с лопастью ленного на ее оси.

Статическая характеристика может быть линейной или нелинейной в зависимости от формы трубопровода. Достоинства такого датчика: простота, надежность и низкая стоимость.

8.2. Турбинные и вихревые расходомеры

Турбинный расходомер имеет линейную статическую характеристику (1:0,5 %) и высокую производимость (до 0,2 %).

Диапазон измеряемых расходов не менее 10:1. Показания прибора мало зависят от температуры, плотности и давления среды.

янный магнит 2, который наводит импульсы в катушке 3. По частоте импульсов можно судить о скорости потока или его расходе.

Вихревые расходомеры. Если поместить поперек потока цилиндрический стержень, то за ним при определенной скорости v образуются вихри, поочередно с каждой стороны (рис. 8.5). Частота их следования прямо пропорциональна скорости потока.

Рис. 8.5. Образование вихрей в потоке жидкости за препятствием

Измерить частоту следования вихрей можно с помощью емкостных датчиков давления, помещeнных по обе стороны препятствия, с помощью нагретых нитей, помещенных в среде за препятствием.

Достоинствами таких приборов являются: широкий диапазон измерения (30:1); хорошая линейность характеристики (1 %); независимость статической характеристики от вязкости, плотности, давления и температуры; стабильность во времени; нет подвижных частей; можно использовать для измерений в жидкостях и газах с одинаковой точностью.

Недостатком таких датчиков является то, что могут возникнуть неустойчивости, связанные с трехмерностью течения. Для стабилизации используются специальные

препятствия в потоке.