1 核安全級壓力變送器
1.1 核安全級壓力變送器應(yīng)用背景
與常規(guī)壓力變送器不同，核安全級壓力變送器僅應(yīng)用于核動力裝置中，當核動力裝置出現(xiàn)事故時，核安全級壓力變送器仍能正常工作，發(fā)出反應(yīng)堆停堆信號，也為及時處理與事故后的分析提供了數(shù)據(jù)，因此其在核動力裝置中的重要地位是普通壓力變送器不可替代的。
1.2 核安全級壓力變送器性能要求
核安全級壓力變送器是在普通壓力變送器的基礎(chǔ)上研制的，不僅對基本技術(shù)性能參數(shù)要求高，對核安全技術(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，實現(xiàn)這些性能需要在變送器自身結(jié)構(gòu)上進行改造或針對性設(shè)計，對研制成型的變送器還需按照國標GB12727和GB13625要求進行3個特殊環(huán)境試驗(輻照試驗、地震試驗、LOCA試驗)，以確定變送器的核安全技術(shù)性能。
(1)輻照試驗
對核安全級壓力變送器進行總輻照劑量試驗，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)堆核電廠的各個區(qū)域?qū)税踩墘毫ψ兯推髂洼椪談┝康囊?/span>不同)。
(2)地震試驗
對核安全級壓力變送器進行地震振動試驗，以鑒定其在安全停堆地震期間是否能安全運行，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
測定當反應(yīng)堆一回路冷卻劑管道發(fā)生破裂后，核安全級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)水噴淋時是否能正常運行(事故時會噴淋化學(xué)水降低安全殼內(nèi)溫度)。
2 電容式核級壓力變送器原理
經(jīng)輻照試驗、地震試驗、LOCA試驗后壓力變送器的精度會降低，其中電容式的精度降低相對小些，且核安全級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壓力變送器以電容式為主。
電容式核級壓力變送器的敏感元件為3個膜片構(gòu)成的2個電容器，當敏感元件受到壓力時，中間傳感膜片產(chǎn)生位移，2個電容器的電容量發(fā)生改變，如圖1所示，通過轉(zhuǎn)換電路將電容量差值轉(zhuǎn)換為標準化信號(4-20mA電流)，如圖2所示，統(tǒng)一的輸出信號提高了系統(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個二極管橋組成，將測量元件的交流信號整流成直流信號；直流信號輸入到振蕩器中，振蕩頻率由敏感元件的電容和變壓器繞組的電感決定，當敏感元件的電容變化時，振蕩頻率隨之改變；電流放大器由2個運算放大器、2個晶體管和相關(guān)元件組成，經(jīng)過電流放大器后輸出直流4-20mA標準信號；濾波電路可減少信號中的雜波；最后信號通過二極管后輸出，二極管起到了反向極性保護的作用。在信號轉(zhuǎn)換過程中，需要對溫度和非線性進行補償，減小誤差，同時利用穩(wěn)壓器對振蕩器和放大器提供電壓。整個電路需要對電流放大器的輸出進行電流限制，防止輸出信號超過標準信號范圍。
電容式核級壓力變送器靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、過載能力強，但也容易受到寄生電容、電纜電容等帶來影響，需進一步改善。
3 國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的核安全級壓力變送器
現(xiàn)今國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的核安全級壓力變送器為美國艾默生電氣集團(Emerson)的非智能型電容式核安全級壓力變送器-rosemount315*系列，315*在115*基礎(chǔ)上改良而來，技術(shù)性能有了很大的提升，該系列產(chǎn)品成熟，根據(jù)耐輻照能力的強弱分為3152、3153、3154、3155型號，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)系列核安全級壓力變送器是最早的國產(chǎn)核安全級壓力變送器，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，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)自動化股份有限公司通過研究國外先進產(chǎn)品進而研發(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)上進行改進，研發(fā)出了核安全級WT3000N系列非智能壓力變送器和核安全級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)品進行對比如表4所示。
由表4可知，國內(nèi)核安全級壓力變送器的核安全技術(shù)指標與國外產(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 國產(chǎn)核安全級壓力變送器改進建議
核安全級壓力變送器的技術(shù)性能包括核安全技術(shù)性能和基本技術(shù)性能，對國內(nèi)產(chǎn)品的改進可從這兩方面著手：
(1)核安全技術(shù)性能改進
可通過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，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
核安全級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，影響測量值的準確性，因此可以物理隔離轉(zhuǎn)換電路，進而提高測量精度；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，而玻璃受潮會降低絕緣電阻的絕緣強度，使傳感器產(chǎn)生漂移，重慶四聯(lián)測控技術(shù)有限公司的聶紹忠對比了DB-471和DB-404兩種型號的玻璃材料，結(jié)果表明DB-404型號的玻璃材料更優(yōu)，但該研究對比材料僅有兩種，雖提供了一定的解決方向，相關(guān)研究仍然遠遠不夠，應(yīng)進一步對比其他型號和種類材料，以提升變送器穩(wěn)定性；變送器的可靠性會受到膜片變形受損、電磁干擾、溫濕度等影響，可通過內(nèi)部設(shè)計和改變生產(chǎn)工藝提升可靠性，如對膜片重新選材、增加屏蔽電路、加固變送器外殼等。
除了上述改進方向外，也可從根本入手一一改變測量方式，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，耐輻照性可通過封裝和摻雜等手段提高，光纖傳感器不僅可以測量某點壓力，還可以經(jīng)不同安裝方式實現(xiàn)端面、三維空間等壓力變送器無法測量情況下的壓力。
目前絕大多數(shù)核安全級壓力變送器都為非智能型，國內(nèi)只有上海威爾泰的MV2000TN型號是智能型，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)，遠不如非智能型變送器，因此應(yīng)將改善重點放在非智能型核安全級壓力變送器上。
應(yīng)用在核電站的惡劣條件下仍能保持正常測量的核安全級壓力變送器，事故工況下的極端情況會令其基本技術(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，也是接下來國產(chǎn)核安全級壓力變送器改進方向的重點。
6 結(jié)論
國產(chǎn)核安全級壓力變送器的性能與國外先進產(chǎn)品相比仍有很大差距，國產(chǎn)產(chǎn)品的改進研發(fā)任重道遠。本文介紹了核安全級壓力變送器在核電站的重要性，希望引起更多企業(yè)關(guān)注核安全級壓力變送器，參與對其的研發(fā)中來，也對比了國內(nèi)外的產(chǎn)品現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)產(chǎn)品的不足之處，并針對其提出了一些改進意見，竭力推動國產(chǎn)核安全級壓力變送器的發(fā)展，加快國產(chǎn)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，早日實現(xiàn)國產(chǎn)核安全級壓力變送器領(lǐng)跑全世界的目標。
作者：張文博、姜達郁、巢銳(中國核動力研究設(shè)計院)
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