LCSR法響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋延勇

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

LCSR法響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋延勇

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間通常是在試驗(yàn)室條件下采用浸入式方法進(jìn)行離線測(cè)量，無(wú)法反映其在不同的運(yùn)行工況條件下響應(yīng)時(shí)間的變化。NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量》給出了回路電流階躍響應(yīng)(LCSR)法電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量的原理，但國(guó)內(nèi)尚未實(shí)踐。基于NB/T 20338，研制了一種LCSR法電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量裝置。該裝置的階躍電流控制范圍為4～40 mA，最高采樣頻率為100 Hz，裝置電壓測(cè)量精度為0.1%。對(duì)Pt100鉑電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果表明，阻值變化和等效溫度階躍與階躍電流大小成正比，不同階躍電流下測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差可優(yōu)于5%。在兩種不同表面換熱條件下響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試驗(yàn)證了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。測(cè)試結(jié)果還表明，階躍電流下降法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于階躍電流上升法。裝置的研制為開(kāi)展核電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

原位測(cè)量； LCSR； 響應(yīng)時(shí)間； 傳熱系數(shù)； 階躍電流； 鉑電阻

0 引言

核反應(yīng)堆用電阻溫度計(jì)的快速、有效響應(yīng)，可以確保反應(yīng)堆在發(fā)生較大溫度瞬態(tài)變化時(shí)能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)停堆。因此，對(duì)其響應(yīng)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間是在試驗(yàn)室條件下采用浸入式方法進(jìn)行離線測(cè)量，無(wú)法反映其在不同的運(yùn)行工況條件下響應(yīng)時(shí)間的變化。回路電流階躍響應(yīng)(loop current step response，LCSR)[1]法用于在電阻溫度計(jì)正常運(yùn)行工藝條件或其近似條件下，獲得其在役期間實(shí)際運(yùn)行條件下的響應(yīng)時(shí)間，是一種較為常用的電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量方法[2]。NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量》給出了LCSR法電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量的原理，但國(guó)內(nèi)尚未實(shí)踐[3]。由于電阻溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間取決于其運(yùn)行期間的工藝溫度、壓力、流量以及被測(cè)介質(zhì)的物性參數(shù)，因此采用原位測(cè)量方法能夠更為準(zhǔn)確地獲得在特定工況下的溫度計(jì)真實(shí)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)能夠避免傳感器拆卸檢測(cè)重新安裝等過(guò)程可能造成的人因失誤[4-5]。

1 LCSR法響應(yīng)時(shí)間測(cè)量原理

在初始平衡狀態(tài)下，熱電阻溫度計(jì)與周?chē)黧w溫度保持一致。將若干毫安的階躍直流電流加至熱電阻引線，由于電流的輸入產(chǎn)生了焦耳熱，產(chǎn)生的熱量造成了電阻自身的溫度增加，導(dǎo)致通過(guò)界面交換的熱量也增加。當(dāng)單位時(shí)間通過(guò)界面交換的熱量與電流產(chǎn)生的焦耳熱再次平衡時(shí)，熱電阻的溫度再次保持恒定。

在忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的前提下，溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以使用集總參數(shù)法簡(jiǎn)化分析。采用非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程式，由于忽略物體內(nèi)部熱阻，溫度與坐標(biāo)無(wú)關(guān)，采用簡(jiǎn)化式[6]：

(1)

(2)

式中:V為體積，m3；I為電流，A；R為電阻，Ω；A為換熱面積，m2；h為對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；t∞為流體溫度，℃。

所以：

(3)

求解該導(dǎo)熱微分方程式，得：

(4)

真實(shí)電阻溫度計(jì)通常不滿足集總參數(shù)法簡(jiǎn)化分析的前提條件，不能通過(guò)理論分析法求得響應(yīng)試驗(yàn)，此時(shí)采用試驗(yàn)的方法計(jì)算響應(yīng)時(shí)間。電阻溫度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征分別由流體溫度與焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量與電阻溫度計(jì)的阻值之間的傳遞函數(shù)表征。

對(duì)于流體溫度變化：

(5)

階躍電流焦耳效應(yīng)所產(chǎn)生自熱量為：

(6)

式中:Bi為畢渥數(shù)；P為拉普拉斯算子；Pj為方程式的極點(diǎn)；Zj為方程式的零點(diǎn)。

通過(guò)變換分別得到傳遞函數(shù)(5)和(6)的模態(tài)響應(yīng)方程，表示為：

(7)

(8)

式中:A0、Ai、B0、Bi為頻域傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程時(shí)的常數(shù)。

(9)

(10)

(11)

以此類(lèi)推，可以通過(guò)方程式極點(diǎn)值求得Ai。

階躍電流產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)依據(jù)方程(8)，通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合估算得出方程式極點(diǎn)值;將其代入方程(7),可以重新計(jì)算流體溫度變化的模態(tài)響應(yīng)方程，進(jìn)而估算出相同工況條件下流體溫度變化響應(yīng)時(shí)間。

2 測(cè)量裝置

2.1 測(cè)試裝置構(gòu)成

測(cè)試裝置原理如圖1所示。

圖1 裝置原理圖

圖1中：Rt為熱電阻溫度計(jì)； Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻；I為受控恒流源； A/D為數(shù)據(jù)采集器； PC為數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方法與關(guān)鍵參數(shù)

同步測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻與熱電阻溫度計(jì)兩端電壓，根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，按式(12)計(jì)算得到熱電阻溫度計(jì)阻值。

(12)

式中:Ut為熱電阻溫度計(jì)兩端電壓，V;Us為標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓，V。

根據(jù)NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)要求，LCSR裝置的階躍電流控制范圍為4～40 mA，最高采樣頻率為100 Hz，裝置電壓測(cè)量精度為0.1%，階躍電流大小取決于電阻溫度計(jì)的類(lèi)型及其工作溫度。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)對(duì)象為允差等級(jí)為A級(jí)的兩線制Pt100鉑電阻溫度計(jì)。采用LCSR法電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量裝置，測(cè)量在階躍電流作用下其阻值隨時(shí)間的變化，得出其響應(yīng)曲線。計(jì)算阻值達(dá)到階躍變化63.2%的渡越時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間τ63.2。為了便于進(jìn)行響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)的比較，采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化轉(zhuǎn)換。

3.1 階躍電流大小的影響

將鉑電阻放入一定流速的水中，水溫為常溫(25±2)℃、流速為4 m/s，在鉑電阻允許流過(guò)的電流范圍內(nèi)通入不同大小的階躍電流，采用LCSR法試驗(yàn)裝置測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間，獲得的不同階躍電流值測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同階躍電流值測(cè)試結(jié)果

表1表明，隨著階躍電流的增加，鉑電阻兩端的起始電壓和達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的最大電壓隨之增加，阻值變化和等效溫度階躍隨著階躍電流的增加而增加。當(dāng)階躍電流為30 mA時(shí)，其等效溫度階躍為11.98 ℃，已大于JB/T 8627-1997《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》中響應(yīng)時(shí)間測(cè)試溫度階躍不大于10 ℃的要求[7]；當(dāng)階躍電流為40 mA時(shí)，其等效溫度階躍為22.08 ℃仍小于GB/T 25838-2010《核電廠安全級(jí)電阻溫度探測(cè)器的質(zhì)量鑒定》中非LCSR法響應(yīng)時(shí)間測(cè)試溫度階躍為(55±2.5)℃的要求。

當(dāng)水的流速為4 m/s時(shí)，不同階躍電流響應(yīng)曲線如圖2所示。從圖2可以看出，不同階躍電流下的響應(yīng)曲線的差異較小且趨勢(shì)一致，階躍電流越高其阻值變化范圍越寬，相應(yīng)提升了測(cè)量數(shù)據(jù)的信噪比，獲得的響應(yīng)曲線越平滑。

圖2 不同階躍電流響應(yīng)曲線(v=4 m/s)

不同階躍電流值下測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間τ63.2及其測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。表2表明，鉑電阻溫度計(jì)采用不同階躍電流下獲得的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于5%。經(jīng)計(jì)算，不同階躍電流下響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果平均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.55%，同樣優(yōu)于5%。階躍電流的大小影響測(cè)量結(jié)果的分散性。相對(duì)而言，階躍電流越大，信噪比越高，測(cè)量結(jié)果分散性越小。

表2 響應(yīng)時(shí)間τ63.2及其測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差

3.2 不同流速工況條件的影響

分別在靜止和具有4 m/s流速的兩種不同水流速工況條件下，采用不同的階躍電流進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

當(dāng)水靜止時(shí)，不同階躍電流響應(yīng)曲線如圖3所示。圖3與圖2在同一流速工況條件下的結(jié)果相近。

圖3 不同階躍電流響應(yīng)曲線(靜止水)

處于靜止水中和4 m/s流速水中鉑電阻溫度計(jì)，在階躍電流同為30 mA時(shí)的響應(yīng)時(shí)間曲線如圖4所示。由于表面對(duì)流換熱系數(shù)和流體的流速正相關(guān)，所以4 m/s流速水中比靜止水中鉑電阻溫度計(jì)的對(duì)流表面換熱系數(shù)大，反映在曲線上在同一階躍電流下其響應(yīng)曲線在上升段的斜率更高，響應(yīng)時(shí)間值更小。

圖4 不同對(duì)流表面換熱系數(shù)響應(yīng)曲線

表3為靜止水中和4 m/s流速這兩種工況條件下，不同階躍電流值的測(cè)試結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，在同樣的階躍電流下，對(duì)流表面換熱系數(shù)越大，其鉑電阻阻值變化越小，相應(yīng)的等效溫度階躍也越小。由于對(duì)流表面換熱系數(shù)大，其響應(yīng)時(shí)間的值相對(duì)更小，溫度響應(yīng)更快，和響應(yīng)曲線反映的結(jié)果一致。同時(shí)還說(shuō)明鉑電阻溫度計(jì)耐受的階躍電流值的大小不僅與其本身的特性有關(guān)，還和表面對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān)。表面對(duì)流換熱系數(shù)越高，在同樣階躍電流下等效溫升越小，耐受的階躍電流值越大。

3.3 階躍上升和階躍下降的影響

LCSR法響應(yīng)時(shí)間測(cè)試可以采用階躍電流上升和階躍電流下降兩種檢測(cè)方法。階躍上升是具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程；階躍下降時(shí)鉑電阻被冷卻，相當(dāng)于具有負(fù)的內(nèi)熱源。在30 mA階躍電流下，采用兩種方法對(duì)在同一流體工況條件下的鉑電阻的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，得到不同電流階躍方式下的響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 不同電流階躍方式下的響應(yīng)曲線

I/mA阻值變化/Ω等效溫度階躍/℃τ63.2/s4m/s水中靜止水中4m/s水中靜止水中4m/s水中靜止水中201.882.524.836.452.653.82253.054.057.8310.392.574.01304.675.7611.9814.762.563.82

從圖5可以看出，階躍電流上升和階躍電流下降兩種測(cè)量方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較小，兩種測(cè)量方法均獲得一致的階躍響應(yīng)時(shí)間曲線。表4為階躍電流上升和下降兩種檢測(cè)方法的LCSR法測(cè)試結(jié)果。

表4 不同電流階躍方式下的測(cè)試結(jié)果

數(shù)據(jù)表明，兩種方法測(cè)得的平均響應(yīng)時(shí)間偏差較小，且階躍電流下降方法比階躍電流上升法的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小。分析表明，階躍電流上升法在檢測(cè)鉑電阻阻值變化過(guò)程中，由于測(cè)試系統(tǒng)中電流源輸出大電流對(duì)系統(tǒng)造成了干擾，導(dǎo)致結(jié)果分散性較大。而階躍電流下降法中階躍電流源的斷開(kāi)，減少了電流源引入的干擾，導(dǎo)致結(jié)果分散性更小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于串聯(lián)電路分壓原理，研制了一種典型LCSR法電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量裝置。該裝置滿足NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)允差等級(jí)為A級(jí)的兩線制Pt100鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)分析表明：鉑電阻阻值變化和等效溫度階躍隨著階躍電流的增加而增加，鉑電阻溫度計(jì)采用不同階躍電流下獲得的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于5%。同樣的階躍電流下，對(duì)流表面換熱系數(shù)越大，則鉑電阻阻值變化和等效溫度階躍越小，溫度響應(yīng)越快。表面對(duì)流換熱系數(shù)越高，鉑電阻耐受的階躍電流值越大。階躍電流下降比階躍電流上升法的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小，電流源干擾的消除導(dǎo)致結(jié)果分散性更小。

日后還需進(jìn)一步對(duì)不同類(lèi)型的電阻溫度探測(cè)器進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究原位法的適用范圍及具體測(cè)試要求。通過(guò)研究原位法與浸入式方法測(cè)試結(jié)果的差異，并建立計(jì)算機(jī)程序模型確定響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果的轉(zhuǎn)換算法，以進(jìn)一步探索其中的誤差機(jī)理，進(jìn)而開(kāi)展開(kāi)展核電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。

[1] IEC. Nuclear reactors-Response time in resistance temperature detectors(RTD)-in situ measurerments: IEC 61224-1993[S].1993.

[2] 能源行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).核電廠安全重要儀表通道性能監(jiān)督試驗(yàn):NB/T 20069-2012[S].北京：原子能出版社，2012.

[3] 能源行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).核電廠安全重要電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間原位測(cè)量:NB/T 20338-2015[S]. 北京：機(jī)械工業(yè)信息研究院，2015.

[4] 張勇,張發(fā)啟.一種熱電阻動(dòng)態(tài)特性原位校準(zhǔn)方法[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2004,5(4):76-79.

[5] 劉亮輝,余刃.核動(dòng)力裝置測(cè)量?jī)x表在線檢測(cè)與校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].自動(dòng)化與儀表,2009,24(8):9-13.

[6] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1998.

[7] 全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表:JB/T 8622-1997[S].北京：儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所,1997.

Design and Implementation of the in Situ Measurement Devicefor Response Time by Using LCSR Method

SONG Yanyong

(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

The response time of thermometer is usually measured offline in laboratory conditions by using immersion method, which cannot reflect the change of response time under different operating conditions. NB/T 20338-2015 “In situ measurements for response time of resistance temperature detectors important to safety in nuclear power plants” provides the principle of in situ measurements for the response time of resistance temperature detectors(RTD) by using loop current step response (LCSR) method, but it has not yet been put into practice in China. Based on NB/T 20338, the in situ measurement device for response time of RTD in situ measurement device by using LCSR method is designed. The control range of step current is 4～40 mA, the maximum sampling frequency is 100 Hz, and the voltage measuring accuracy of the device is 0.1%.The test results for response time of Pt100 platinum-RTD show that the changes of the resistance and the equivalent temperature step are positively proportional to step current, the relative standard deviation of measurement result can better than 5% under different step current. The test results under two different of surface heat transfer condition verify the influence of surface heat transfer coefficient to the response time. In addition, the test results also show that the relative standard deviation of the test results by the step current drop is better than that by the step current rising method. The development of the measurement device lays the foundation for the research on field applications in nuclear power stations.

In situ measurement; LCSR; Response time; Heat transfer coefficient; Step current; Platinum resistance

宋延勇(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化儀表的檢測(cè)、校準(zhǔn)工作。E-mail:songyy@sipai.com。

TH-81;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708019

修改稿收到日期:2017-07-24