1 核安全級(jí)壓力變送器
1.1 核安全級(jí)壓力變送器應(yīng)用背景
與常規(guī)壓力變送器不同，核安全級(jí)壓力變送器僅應(yīng)用于核動(dòng)力裝置中，當(dāng)核動(dòng)力裝置出現(xiàn)事故時(shí)，核安全級(jí)壓力變送器仍能正常工作，發(fā)出反應(yīng)堆停堆信號(hào)，也為及時(shí)處理與事故后的分析提供了數(shù)據(jù)，因此其在核動(dòng)力裝置中的重要地位是普通壓力變送器不可替代的。
1.2 核安全級(jí)壓力變送器性能要求
核安全級(jí)壓力變送器是在普通壓力變送器的基礎(chǔ)上研制的，不僅對(duì)基本技術(shù)性能參數(shù)要求高，對(duì)核安全技術(shù)性能也有一定要求。核安全技術(shù)性能包括耐輻照性、抗地震性、耐高溫蒸汽環(huán)境、抗化學(xué)水噴淋性，實(shí)現(xiàn)這些性能需要在變送器自身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造或針對(duì)性設(shè)計(jì)，對(duì)研制成型的變送器還需按照國(guó)標(biāo)GB12727和GB13625要求進(jìn)行3個(gè)特殊環(huán)境試驗(yàn)(輻照試驗(yàn)、地震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn))，以確定變送器的核安全技術(shù)性能。
(1)輻照試驗(yàn)
對(duì)核安全級(jí)壓力變送器進(jìn)行總輻照劑量試驗(yàn)，以確定其在該環(huán)境下的工作性能，根據(jù)需求安裝在反應(yīng)堆核電廠的不同區(qū)域中(反應(yīng)堆核電廠的各個(gè)區(qū)域?qū)税踩?jí)壓力變送器耐輻照劑量的要求不同)。
(2)地震試驗(yàn)
對(duì)核安全級(jí)壓力變送器進(jìn)行地震振動(dòng)試驗(yàn)，以鑒定其在安全停堆地震期間是否能安全運(yùn)行，根據(jù)需求安裝在不同地理位置的核電廠中(安全停堆地震由核電廠廠址歷史上可能發(fā)生的最大可能地震程度加上裕度得出)。
(3)LOCA試驗(yàn)
測(cè)定當(dāng)反應(yīng)堆一回路冷卻劑管道發(fā)生破裂后，核安全級(jí)壓力變送器在高溫高壓的蒸汽環(huán)境下的工作性能，以及在化學(xué)水噴淋時(shí)是否能正常運(yùn)行(事故時(shí)會(huì)噴淋化學(xué)水降低安全殼內(nèi)溫度)。
2 電容式核級(jí)壓力變送器原理
經(jīng)輻照試驗(yàn)、地震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)后壓力變送器的精度會(huì)降低，其中電容式的精度降低相對(duì)小些，且核安全級(jí)壓力變送器是在普通壓力變送器的基礎(chǔ)上研制的(壓力變送器大多為電容式)，因此市面上的核安全級(jí)壓力變送器以電容式為主。
電容式核級(jí)壓力變送器的敏感元件為3個(gè)膜片構(gòu)成的2個(gè)電容器，當(dāng)敏感元件受到壓力時(shí)，中間傳感膜片產(chǎn)生位移，2個(gè)電容器的電容量發(fā)生改變，如圖1所示，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電容量差值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)(4-20mA電流)，如圖2所示，統(tǒng)一的輸出信號(hào)提高了系統(tǒng)的兼容性和互換性。
圖1 傳感器原理結(jié)構(gòu)圖
圖2 轉(zhuǎn)換電路流程圖
轉(zhuǎn)換電路包含了振蕩、解調(diào)、放大等環(huán)節(jié)。各部分組成及功能如下：解調(diào)器由1個(gè)二極管橋組成，將測(cè)量元件的交流信號(hào)整流成直流信號(hào)；直流信號(hào)輸入到振蕩器中，振蕩頻率由敏感元件的電容和變壓器繞組的電感決定，當(dāng)敏感元件的電容變化時(shí)，振蕩頻率隨之改變；電流放大器由2個(gè)運(yùn)算放大器、2個(gè)晶體管和相關(guān)元件組成，經(jīng)過(guò)電流放大器后輸出直流4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；濾波電路可減少信號(hào)中的雜波；最后信號(hào)通過(guò)二極管后輸出，二極管起到了反向極性保護(hù)的作用。在信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要對(duì)溫度和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，減小誤差，同時(shí)利用穩(wěn)壓器對(duì)振蕩器和放大器提供電壓。整個(gè)電路需要對(duì)電流放大器的輸出進(jìn)行電流限制，防止輸出信號(hào)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍。
電容式核級(jí)壓力變送器靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)載能力強(qiáng)，但也容易受到寄生電容、電纜電容等帶來(lái)影響，需進(jìn)一步改善。
3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的核安全級(jí)壓力變送器
現(xiàn)今國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的核安全級(jí)壓力變送器為美國(guó)艾默生電氣集團(tuán)(Emerson)的非智能型電容式核安全級(jí)壓力變送器-rosemount315*系列，315*在115*基礎(chǔ)上改良而來(lái)，技術(shù)性能有了很大的提升，該系列產(chǎn)品成熟，根據(jù)耐輻照能力的強(qiáng)弱分為3152、3153、3154、3155型號(hào)，核安全技術(shù)性能如表1所示。
表1 rosemount315*系列核安全技術(shù)性能
上海光華儀表廠的CEC(H)系列核安全級(jí)壓力變送器是最早的國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器，CEC(H)系列按照不同耐輻射性能分為CEC(H1)、CEC(H2)、CEC(H3B) 3種型號(hào)，核安全技術(shù)性能如表2所示。
表2 CEC(H)系列核安全技術(shù)性能
上海威爾泰工業(yè)自動(dòng)化股份有限公司通過(guò)研究國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)而研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的壓力變送器，而后在該變送器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)出了核安全級(jí)WT3000N系列非智能壓力變送器和核安全級(jí)MV2000TN智能壓力變送器，核安全技術(shù)性能如表3所示。
表3 MV2000TN及WT3000N系列核安全技術(shù)性能
將各企業(yè)最優(yōu)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比如表4所示。
由表4可知，國(guó)內(nèi)核安全級(jí)壓力變送器的核安全技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在差距，精度等基本技術(shù)性能也有待提升。
5 國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器改進(jìn)建議
核安全級(jí)壓力變送器的技術(shù)性能包括核安全技術(shù)性能和基本技術(shù)性能，對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的改進(jìn)可從這兩方面著手：
(1)核安全技術(shù)性能改進(jìn)
可通過(guò)改變變送器的外殼材料(使用鉛等密度高、原子序數(shù)較高的物質(zhì))提升耐輻射性能；變送器的抗地震性就是抗沖擊和振動(dòng)的性能，考慮使用陶瓷膜片代替?zhèn)鹘y(tǒng)膜片，陶瓷不僅抗沖擊和振動(dòng)，還耐腐蝕、抗磨損，有較高的穩(wěn)定性和精度，可耐高溫，靈敏度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。
(2)基本技術(shù)性能改進(jìn)
核安全級(jí)壓力變送器精度低于普通壓力變送器的部分原因在于核輻射干擾轉(zhuǎn)換電路，影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性，因此可以物理隔離轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)而提高測(cè)量精度；影響變送器穩(wěn)定性的主要因素為環(huán)境溫濕度，電容式壓力變送器的傳感器膜座通常由玻璃燒結(jié)而成，而玻璃受潮會(huì)降低絕緣電阻的絕緣強(qiáng)度，使傳感器產(chǎn)生漂移，重慶四聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司的聶紹忠對(duì)比了DB-471和DB-404兩種型號(hào)的玻璃材料，結(jié)果表明DB-404型號(hào)的玻璃材料更優(yōu)，但該研究對(duì)比材料僅有兩種，雖提供了一定的解決方向，相關(guān)研究仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)比其他型號(hào)和種類(lèi)材料，以提升變送器穩(wěn)定性；變送器的可靠性會(huì)受到膜片變形受損、電磁干擾、溫濕度等影響，可通過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)和改變生產(chǎn)工藝提升可靠性，如對(duì)膜片重新選材、增加屏蔽電路、加固變送器外殼等。
除了上述改進(jìn)方向外，也可從根本入手一一改變測(cè)量方式，比如使用光纖傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電容式傳感器，解決輻射導(dǎo)致的電子元器件損傷甚至失效的問(wèn)題。目前光纖傳感器已在極端環(huán)境下有一定的應(yīng)用，耐輻照性可通過(guò)封裝和摻雜等手段提高，光纖傳感器不僅可以測(cè)量某點(diǎn)壓力，還可以經(jīng)不同安裝方式實(shí)現(xiàn)端面、三維空間等壓力變送器無(wú)法測(cè)量情況下的壓力。
目前絕大多數(shù)核安全級(jí)壓力變送器都為非智能型，國(guó)內(nèi)只有上海威爾泰的MV2000TN型號(hào)是智能型，雖然智能型內(nèi)置芯片，可以通信，但芯片受惡劣環(huán)境的影響更大，其核安全技術(shù)性能并不佳(如抗地震只有4g ZPA)，遠(yuǎn)不如非智能型變送器，因此應(yīng)將改善重點(diǎn)放在非智能型核安全級(jí)壓力變送器上。
應(yīng)用在核電站的惡劣條件下仍能保持正常測(cè)量的核安全級(jí)壓力變送器，事故工況下的極端情況會(huì)令其基本技術(shù)性能發(fā)生變化(如壽命、精度)，因此探究在該情況下怎樣保證變送器的基本技術(shù)性能極其重要，也是接下來(lái)國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器改進(jìn)方向的重點(diǎn)。
6 結(jié)論
國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器的性能與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比仍有很大差距，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的改進(jìn)研發(fā)任重道遠(yuǎn)。本文介紹了核安全級(jí)壓力變送器在核電站的重要性，希望引起更多企業(yè)關(guān)注核安全級(jí)壓力變送器，參與對(duì)其的研發(fā)中來(lái)，也對(duì)比了國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品現(xiàn)狀，指出了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的不足之處，并針對(duì)其提出了一些改進(jìn)意見(jiàn)，竭力推動(dòng)國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器的發(fā)展，加快國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)核安全級(jí)壓力變送器領(lǐng)跑全世界的目標(biāo)。
作者：張文博、姜達(dá)郁、巢銳(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院)
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