ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ИСКРИВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОГО КАНАЛА
CAPACITANCE METER OF TUBULAR CHANNEL WARPING

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля изгиба удлиненных изделий, в частности каналов активной зоны ядерного реактора.
В контролируемых каналах устанавливаются механические преобразователи радиуса искривления в величину зазора между деталями, перемещаемыми относительно друг друга при изгибе, и измеряются величины этих зазоров емкостными датчиками, закрепленными на перемещаемых деталях и подключенными к электрической схеме измерения емкости.
Известен дифференциальный емкостной измеритель перемещений по патенту РФ на изобретение №2265800, содержащий секционированные потенциальные и токовые электроды, установленные на перемещаемых деталях и подключенные к электрической измерительной схеме.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции датчика, содержащего большое количество секций, необходимое для увеличения точности измерения, а также громоздкая электрическая схема, содержащая генератор, делитель частоты, физорасщепитель, усилитель, фильтр, формирователи импульсов, электронный ключ и счетчик импульсов. Большое количество секций датчика и выводов от этих секций затрудняет их размещение внутри контролируемого канала активной зоны ядерного реактора, учитывая, что для контроля профиля искривления необходимо установить на разных уровнях по высоте канала достаточно большое количество емкостных датчиков и выполнить их подключение к измерительной схеме.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является емкостной первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений по патенту РФ на изобретение №2147726, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды в виде двух пластин, установленных перпендикулярно плоской заземленной поверхности, перемещение которой необходимо измерить, охранные и дополнительные электроды, обеспечивающие в совокупности повышенную точность измерения.
Недостатками рассмотренного емкостного датчика перемещений является большое количество элементов и сложность их компоновки внутри контролируемого трубчатого канала, т.к. каждую его составляющую часть необходимо крепить на изоляторах, обеспечить размещение выводов от электродов датчика и их экранирование. В совокупности эти недостатки не позволяют использовать его в экстремальных условиях для контроля искривления каналов активной зоны ядерного реактора.
Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков и, соответственно, в обеспечении возможности его использования в экстремальных условиях для контроля искривления каналов активной зоны ядерного реактора.
Для исключения указанных недостатков в емкостном измерителе искривления трубчатого канала, содержащем емкостные датчики зазора, закрепленные на контролируемом изделии и подключенные к измерителям емкости, предлагается:
- конденсаторные пластины, образующие емкостные датчики зазора, установить на отдельных держателях, закрепленных на контролируемом изделии;
- расстояние между точками крепления держателей в осевом направлении обеспечить больше зазора между конденсаторными пластинами;
- на каждом держателе установить по несколько конденсаторных пластин с угловым смещением относительно друг друга в поперечном сечении держателя;
- измерители емкости выполнить в виде усилителей заряда.
В частных случаях выполнения устройства предлагается:
- во-первых, держатели выполнить в виде соосных обечаек разного диаметра, а на цилиндрических поверхностях обечаек, обращенных навстречу друг другу, закрепить пары цилиндрических конденсаторных пластин, образующих радиальный зазор;
- во-вторых, держатели выполнить в виде пары одинаковых обечаек с фланцами на торцах, обращенных навстречу друг другу, а на фланцах закрепить пары плоских конденсаторных пластин, образующих осевой зазор.
Устройство и работа измерителя искривления поясняется эскизами, приведенными на фигурах 1-4, где на фиг.1 показан поперечный разрез емкостного датчика в исходном состоянии, когда контролируемое изделие не искривлено, его продольная ось прямолинейна; на фиг.2 - поперечный разрез этого же изделия после искривления; на фиг.3 - поперечное сечение измерителя в неискривленном состоянии, а на фиг.4 - измерительная схема устройства. На этих фигурах приняты следующие условные обозначения: 1 - трубчатый канал; 2 - несущий корпус; 3 - держатель; 4 - изолятор; 5 - конденсаторная пластина.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Емкостной измеритель искривления трубчатого канала 1 содержит емкостные датчики зазора, закрепленные на контролируемом изделии и подключенные к измерителям емкости. Конденсаторные пластины 5, образующие емкостные датчики зазора, установлены на отдельных держателях 3, закрепленных на контролируемом изделии.
Расстояние между точками крепления держателей 3 в осевом направлении больше зазора между конденсаторными пластинами 5.
На каждом держателе 3 установлено по несколько конденсаторных пластин 5 с угловым смещением относительно друг друга в поперечном сечении держателя 3.
Измерители емкости выполнены в виде усилителей заряда.
В частных случаях выполнения устройства имеют место два варианта исполнения держателей 3.
В одном случае держатели 3 выполнены в виде соосных обечаек разного диаметра, а на цилиндрических поверхностях обечаек, обращенных навстречу друг другу, закреплены пары цилиндрических конденсаторных пластин 5, образующих радиальный зазор.
В другом случае держатели 3 выполнены в виде пары одинаковых обечаек с фланцами на торцах, обращенных навстречу друг другу, а на фланцах закреплены пары плоских конденсаторных пластин 5, образующих осевой зазор.
Устройство работает следующим образом.
В трубчатый канал 1, искривление которого необходимо контролировать, вставлен несущий корпус 2 с закрепленными на нем датчиками зазора. Несущий корпус 2 жестко связан с внутренней стенкой трубчатого канала 1 радиальными перемычками для передачи изгибных усилий (на чертеже не показаны). Количество перемычек и их жесткость выбирается из условия повторения формы изгиба трубчатого канала 1 несущим корпусом 2. Количество датчиков зазора выбирается достаточным для контроля профиля изгиба канала 1 по всей его высоте.
0
0
0
1
2
2
0
1
На фиг.1 показано устройство одной из возможных конструкций датчика зазора. Датчик состоит из двух обечаек 3 разного диаметра, соосно закрепленных на несущем корпусе 2. На этих обечайках закреплены кольцевые изоляторы 4, а на изоляторах 4 - пары конденсаторных пластин 5, между которыми в исходном прямолинейном состоянии канала 1 существует начальный радиальный зазор h. Расстояние между точками крепления держателей 3 к несущему корпусу 2 в осевом направлении больше зазора h, и чем больше отношение этих расстояний, т.е. высота верхнего держателя 3, тем выше коэффициент преобразования величины изгиба в величину изменения зазора h при изгибе, максимальная величина этого коэффициента ограничивается внутренними размерами канала 1. На фиг.3 показано, что емкостной датчик содержит четыре пары конденсаторных пластин 5, закрепленных на изоляторах 4 со сдвигом 90° в поперечном сечении канала 1. В исходном состоянии все четыре пары конденсаторных пластин 5 осесимметричны относительно канала 1 и несущего корпуса 2. При изгибе канала 1 и, соответственно, несущего корпуса 2 зазор между конденсаторными пластинами 5, находящимися на выпуклой стороне, увеличивается, а на вогнутой уменьшается. На фиг.2 показан несущий корпус 2 в изогнутом состоянии. На выпуклой стороне изгиба зазор между конденсаторными пластинами 5 - h, а на вогнутой - h. Очевидно, что h<h<h. Соответственно, емкость конденсаторов на выпуклой стороне уменьшится, а на вогнутой - увеличится, таким образом, по величине изменившихся емкостей можно вычислить радиус изгиба канала 1 и направление изгиба, т.к. четыре конденсатора, расположенные под углом 90°, в поперечном сечении канала 1 дадут полное представление о направлении изгиба. Возможен другой вариант конструктивного исполнения измерителя, когда держатели 3 выполнены в виде пары одинаковых обечаек с фланцами на торцах, обращенных навстречу друг другу, а на фланцах закреплены пары плоских конденсаторных пластин 5, образующих осевой зазор. Емкостные датчики с цилиндрическими конденсаторными пластинами 5 позволяют получить большие емкости конденсаторов, однако в этих датчиках изменение зазора при изгибе происходит в радиальном направлении и при сильных искривлениях и большой высоте держателя 3 возможно смещение конденсаторных пластин 5 до их касания.
Выбор конструкции измерителя искривления для каждого трубчатого канала 1 определяется исходя из прогнозируемой величины изгиба и необходимой точности контроля радиуса изгиба.
д
ос
г
вых
c
вых
Выводы от конденсаторных пластин 5 (на чертежах не показаны) проложены внутри несущего корпуса 2 к разъему, закрепленному в верхней части несущего корпуса 2, и через этот разъем подключены к измерителям емкости, функциональная схема одного из которых представлена на фиг.4, где приняты следующие условные обозначения: Г - генератор; У - усилитель; С - емкость датчика зазора, образованного парой конденсаторных пластин 5; С - емкость конденсатора обратной связи усилителя У; U - напряжение генератора; U - выходное напряжение усилителя У; I - ток, протекающий от генератора через емкостной датчик зазора. Представленная на фиг.4 схема в электронной технике называется усилителем заряда. Ее особенностью является возможность измерения малых емкостей, составляющих единицы или десятки пикофарад на фоне паразитных емкостей соединительных кабелей, доходящих до десятков тысяч пикофарад, что как раз имеет место в предлагаемом емкостном измерителе искривления трубчатого канала. На схеме, представленной на фиг.4, выходное напряжение усилителя U будет определяться по формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>o</mi><mi>c</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
г
ос
вых
д
д
вых
В формуле (1) величины U и С - постоянны и, соответственно, выходное напряжение U усилителя У будет зависеть только от емкости датчика С, образованной парой конденсаторных пластин 5 с изменяющимся при изгибе зазором между этими пластинами, а емкость С, как отмечалось ранее, обратно пропорциональна величине зазора. Таким образом, по величине U можно вычислить величину зазора в паре конденсаторных пластин 5 и радиус искривления трубчатого канала 1 в области установки соответствующего емкостного датчика.
Для подтверждения работоспособности предложенного устройства и определения его метрологических характеристик был изготовлен макет емкостного измерителя искривления трубчатого канала 1, в котором трубчатый канал 1 изготовлен из трубы ⌀73×3 мм длиной 2,8 м (длина реальных каналов активной зоны реактора РБМК составляет около 10 м). Внутри трубчатого канала 1 с помощью перемычек крепился несущий корпус 2, изготовленный из трубы диаметром 32 мм, на котором установлены пять датчиков изгиба, отстоящих друг от друга по высоте на 400 мм. Каждый из датчиков изгиба представлял собой пару обечаек, закрепленных на несущем корпусе 2 с расстоянием 100 мм между точками крепления. На каждой из этих обечаек были закреплены на изоляторах 4 четыре пары конденсаторных пластин 5 с радиальным зазором между пластинами 2 мм. С помощью экранированных проводов конденсаторные пластины 5 были подключены к электронной схеме измерения емкостей на основе зарядовых усилителей. В собранном виде измеритель искривления устанавливался на испытательный стенд, где измеритель искривления подвергался воздействию радиальных изгибных усилий, создававших деформацию измерителя в пределах от 1,5 мм до 58 мм. Величина деформации контролировалась механическими микрометрами, по которым градуировались измерительные каналы. Результаты испытаний показали, что чувствительность измерителя составляет величину менее 1 мм поперечной деформации, погрешность измерения стрелы прогиба составляет от 0,05 мм до 0,15 мм. Полученные результаты с большим запасом обеспечивают соответствие техническим требованиям на измеритель искривления каналов реактора РБМК.
Технический результат - расширение функциональных возможностей измерителя искривления трубчатого канала, проявляющееся в том, что оно обеспечивает надежный контроль искривления трубчатых каналов 1 в условиях высоких температур и интенсивных радиационных полей активной зоны ядерного реактора.