Разработка дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления для первого контура атомного реактора

УДК 681.2.084

М. М. Савочкина, Т. И. Мурашкина РАЗРАБОТКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРВОГО КОНТУРА АТОМНОГО РЕАКТОРА

Аннотация. Основанием к написанию данной статьи послужило стремление разработать датчик разности давления, который удовлетворял бы всем требованиям, предъявляемым к устройствам атомной энергетики. Данная статья является результатом научных исследований, в результате которых была предложена конструкция волоконно-оптического датчика разности давления с высокими метрологическими характеристиками и надежной работой в условиях радиационной опасности.

Ключевые слова: атомная электростанция, первый контур, волоконно-оптический датчик, разность давления, аттенюатор, мембрана, оптическое волокно.

Россия активно развивает атомную энергетику, опираясь на колоссальный опыт и знания, накопленные за десятилетия отечественной атомной программы. Современные атомные электростанции (АЭС) соответствуют всем требованиям безопасности и надежности. Неприятно это признавать, однако на атомных станциях всего мира постоянно происходят аварии. И несмотря на заверения правительств и СМИ, эти аварии несут большую опасность для населения и окружающей среды. Одной из главных проблем на современных АЭС является проблема контроля и мониторинга за многочисленными показаниями приборов и устройств в условиях возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС). Поэтому необходима разработка датчиков и приборов, которые, с одной стороны, могли бы исправно функционировать в условиях нормальной работы АЭС и в тоже время корректно давать информацию в случае ЧС.

В условиях повышенной радиации и возможной искро-взрыво-пожароопасности при измерении разности давления вблизи первого контура атомного реактора целесообразно применение волоконно-оптического датчика разности давления (ВОДРД) [1].

На рис. 1 приведен чертеж дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа [2, 3], разработанного для указанных условий.

ВОДРД состоит из штуцеров 1 и 2, мембран 3 и 4, которые изготавливаются отдельно, а затем посредством сварки соединяются со штуцерами. К мембранам с помощью импульсной сварки крепится шторка 5, с круглым отверстием диаметром 200...500 мкм. Мембрана выполнена из сплава 36НХТЮ, корпус, штуцер и шторка - из стали 12Х18Н10Т. Мембрана со шторкой соединяется с корпусом 6 сваркой. После этого выполняется отверстие в шторке.

Втулка 10, изготовленная из стали 29НК, выполняющая также роль температурного компенсатора, устанавливается в корпус 6, который посредством сварки соединяется со штуцерами 1 и 2.

С зазором 0,5...1 мм относительно шторки 5 с двух сторон во втулке 10 закреплены наконечники из сплава 29НК волоконно-оптического кабеля 9, в которые вклеены ПОВ и ООВ 7. Для изготовления ВОК используется оптическое волокно с диаметром сердцевины 200 мкм и апертурным углом 12...14 градусов.

Полость волоконно-оптического преобразователя разности давления заполняется инертным газом аргоном, что исключает выпадение росы или конденсата на внутренних

140

Техника, технология, управление

поверхностях преобразователя при изменении температуры и, соответственно, уменьшает погрешность измерения.

Рис. 1. Конструкция разрабатываемого дифференциального ВОДРД

В корпусе 11 согласующего устройства СУ крепится фотоблок, представляющий собой держатель 12 из стали 29НК, в который вклеены светодиод 13 и два фотодиода 14. С другой стороны согласующего устройства крепится розетка 15 типа СНЦ 13-10/10Р-11-В, к контактам которой подпаиваются выводы свето- и фотодиодов. Выводы светодиода 13 и фотодиодов 14 крепятся к выводам розетки 15 с помощью проводов марки МС1б-1хо,о8 посредством пайки. На задействованные контакты розетки 15 надеваются трубки марки Ф-4ДЭ 1,5хо,з длиной 7 мм, для электрической изоляции на выводы светодиода 13 и фотодиодов 14 также надеваются трубки. Полученная сборка заливается клеем ВК-9 с двуокисью циркония.

СУ соединяется посредством розетки 15 с блоком преобразования информации БПИ.

Разработана обобщенная структурная схема дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа, приведенная на рис. 2.

141

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

Рис. 2. Структурная схема дифференциального ВОДРД аттенюаторного типа:

ВОПРД - волоконно-оптический преобразователь разности давления; ИИ - источник излучения; X - сумматор; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ООВ1, ООВ2 - отводящие оптические волокна первого и второго измерительных каналов соответственно; Д - делитель;

ПИ1, ПИ2 - приемники излучения; ВУ - вычитающее устройство;

ВОК - волоконно-оптический кабель

ВОДРД работает следующим образом. Часть светового потока источника излучения ФО по подводящему оптическому волокну ПОВ подается в зону измерения. Под действием измеряемой разности давления АР мембрана прогибается, соответственно смещается в направлении Z аттенюатор (например, шторка), жестко на ней закрепленный. В соответствии с заложенным в аттенюаторе алгоритмом преобразования происходит преобразование оптического сигнала Фо. Часть оптического излучения ФДДР) поступает в отводящее оптическое волокно ООВ1 первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2(ДР) - в отводящее оптическое волокно ООВ2 второго измерительного канала. По ООВ1 и ООВ2 световые потоки направляются на приемники излучения ПИ1 и ПИ2, соответственно. Приемники излучения ПИ1 и ПИ2 преобразуют оптические сигналы Ф/(ДР) и Ф2ДДР) в электрические сигналы Тх(ДР) и ^(ДР) соответственно, которые далее поступают на вход блока преобразования информации БПИ [4].

В БПИ осуществляется операция суммирования и вычитания сигналов Р(ДР) и Р(ДР), а затем - операция деления разности сигналов на их сумму: [ТДДР) - ^(ДР)] / [Р(ДР) + + -ШР)].

Данный алгоритм преобразования БПИ позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования датчика, компенсировать изменения мощности излучения светодиода и интегральной токовой чувствительности приемников излучения при изменении температуры окружающей среды, уменьшить дополнительные погрешности, обусловленные воздействиями внешних факторов, а также неинформативными потерями светового потока при изгибах оптических волокон.

Таким образом, разработанный дифференциальный ВОДРД для первого контура атомного реактора удовлетворяет всем требованиям к устройствам атомной энергетики: высокие метрологические характеристики, высокая надежность, долговечность, стабильность, малые габариты, масса и энергопотребление, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Кроме того, дифференциальный ВОДРД позволяет получать ин-

142

Техника, технология, управление

формацию о состоянии разности давлений в первом контуре атомного реактора даже в случае возникновения ЧС, например при перебоях с электроснабжением.

Для снижения себестоимости и упрощения этапа разработки была предложена установка, имитирующая воздействие разности давления на механическую преобразующую систему ВОДРД (рис. 3) [5].

Рис. 3. Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы ВОДРД

Измерительная установка для снятия экспериментальных зависимостей W = f(AP) состоит из поверочного калибратора давления, стойки, установленной на массивном основании, индикатора часового типа (ИЧТ), исследуемого ВОДРД. На стойке неподвижно закреплены приспособления для установки ИЧТ и исследуемого ВОДРД.

Для калибровки используется поверочный калибратор давления Метран-ПКД-10 ТУ 4212-002-36897690-98, включающий электронный блок индикации (ЭБИ), внешний модуль давления, источник создания давления (помпа ручная пневматическая), кабель электрический для подключения к сети и кабель пневматический для подачи измеряемой среды, давление которой измеряется (рис. 4).

Рис. 4. Поверочный калибратор давления Метран-502-ПКД-юП

143

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

В состав калибратора давления входит ручной пневматический насос Н2,5М, предназначенный для создания избыточного давления в образцовом и поверяемом средстве измерений давления. Диапазон задания давления - от о до 2,5 МПа.

В установке используется индикатор часового типа с погрешностью не более 0,5 мкм. Измерительный шток ИЧТ в нейтральном положении (о на шкале) контактирует с верхней мембраной (мембраной минусовой камеры). Мембрана нижней (плюсовой) камеры расположена со стороны основания для крепления датчика. Калибратор соединен с датчиком с помощью пневматического кабеля через резьбовое соединение в основании для крепления датчика.

В процессе экспериментальных исследований используется имитационная модель датчика без волоконно-оптического тракта (то есть отсутствуют оптические волокна), включающая только механическую преобразующую систему, параметры которой соответствуют расчетным. Такое техническое решение снижает стоимость разработки.

Первоначально проводится калибровка измерительной установки с помощью образцового манометра в соответствии с инструкцией по эксплуатации на поверочный калибратор давления Метран-ПКД-10 ТУ 4212-002-36897690-98. Затем образцовый манометр отсоединяется, и к калибратору подключается разрабатываемый ВОДРД.

С помощью калибратора воспроизводится разность давлений АР в заданном диапазоне измерения (например, 0,1...25 кгс/см2 с шагом 1 кгс/см2), которое по пневматическому кабелю передается на мембрану плюсовой камеры, соединенную с помощью штока с мембраной минусовой камеры. Прогиб W центра этой мембраны с помощью ИЧТ измеряется. По результатам измерений строится экспериментальная зависимость Wэкcп = ДАР), которая сравнивается с расчетной зависимостью Wpac4 = ДАР).

При степени совпадения результатов расчета и эксперимента до 80 % расчетные параметры механической преобразующей системы принимаются окончательно и закладываются в конструкцию ВОДРД. В противном случае необходимо уточнить параметры механической преобразующей системы и повторить эксперимент.

Использование имитационной модели датчика, включающей только механическую преобразующую систему, снижает цену разработки вследствие отсутствия волоконнооптического тракта и дорогостоящего электронного блока преобразования информации, а также неэффективных затрат на проведение многочисленных испытаний ВОДРД в процессе проектирования. Данная установка может быть использована для проверки и уточнения математических расчетов параметров мембран ВОД других видов давления (избыточного, абсолютного, гидростатического).

Список литературы

1. Радиационно-стойкий волоконно-оптический датчик разности давления для первого контура атомных реакторов / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, Л. Н. Коломиец, К. Д. Серебряков, Д. И. Серебряков, Е. А. Бадеева // Надежность и качество - 2014 : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. - 2 т. - С. 71-74.

2. Пивкин, А. Г. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники : моногр. / А. Г. Пивкин, Т. И. Мурашкина. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2005. - С. 150.

3. Коломиец, Л. Н. Определение условий реализации дифференциального преобразования сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа / Л. Н. Коломиец, Е. А. Бадеева, Т. И. Мурашкина // Авиакосмическое приборостроение. - 2007. - № 11.

4. Патент РФ № 2290605, МПК6 G01 L 19/04. Волоконно-оптический преобразователь перемещения / А. Г. Пивкин, Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева. - Опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36.

5. Савочкина, М. М. Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика давления / М. М. Савочкина, Д. М. Голев, А. В. Мотин // Современные тенденции развития науки и производства : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. : в 4 т. - Кемерово : ООО «ЗапСибНЦ», 2014. - Т. 3. - С. 31-35.

144

Техника, технология, управление

Савочкина Мария Михайловна

студентка,

Пензенский государственный университет E-mail: marisavochkina@mail.ru

Мурашкина Татьяна Ивановна

доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения,

Пензенский государственный университет E-mail: timurashkina@mail.ru

Savochkina Mariya Mikhaylovna

student,

Penza State University

Murashkina Tat'yana Ivanovna

doctor of technical sciences, professor, sub-department of instrumentation, Penza State University

УДК 681.2.084 Савочкина, М. М.

Разработка дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления для первого контура атомного реактора / М. М. Савочкина, Т. И. Мурашкина // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 140-145.