Способ контроля исправности измерительного преобразователя

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля исправности преобразователей. Техническим результатом является упрощение и повышение достоверности контроля. Способ основан на том, что в течение выбранного промежутка времени жаростойкий металлический чувствительный элемент преобразователя однократно нагревают до температуры, превышающей температуру разложения окислов на поверхности чувствительного элемента, и выдерживают при этой температуре в течение интервала времени, достаточно для разложения окислов. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области измерительного преобразования и может быть использовано для контроля исправности встроенных в оборудование измерительных аналогово-цифровых и других преобразователей, например, "перемещение-код", с жаростойкими металлическими чувствительными элементами непосредственно в процессе эксплуатации, а также для увеличения межкалибровочного (межповерочного) интервала и срока службы преобразователей.

Проводящие чувствительные элементы многих высокотемпературных измерительных преобразователей выполнены в виде либо катушек индуктивности, например, в преобразователях больших перемещений [1, 2] и в преобразователях "зазор-код" [3, 4] ; либо в виде бифилярных (безиндуктивных) катушек, т.е. сопротивлений, как в преобразователях температуры (терморезисторах) [5, 6].

Такого рода преобразователи с чувствительными элементами из жаростойких металлов или сплавов, конструктивно оформленные в качестве самостоятельных изделий, часто встраивают (обычно - вваривают) в оборудование с длительным технологическим циклом, работающее при высоких температурах, в частности, в энергетические агрегаты.

Условия работы преобразователей, встроенных в оборудование, в том числе температура окружающей их среды, существенно изменяется в ходе технологического процесса. Например, в атомной энергетике, где такого рода преобразователи используются достаточно широко, диапазон температуры среды в оборудовании в подавляющем числе случаев может изменяться в пределах от 15 до 350^oС. Параметры измерительного преобразователя существенно зависят от этой температуры.

С годами (речь идет даже о десятках лет) сопротивление чувствительного элемента изменяется: поверхность его проводящих цепей покрывается окисной пленкой.

Для преобразователей, работающих в диапазоне низких и инфранизких частот (вплоть до постоянного тока), выделить изменение сопротивления чувствительного элемента, обусловленное нарастанием окисной пленки, от изменения, связанного с отклонением температуры датчика, практически не удается.

Для ослабления эффекта окисления проводников чувствительного элемента, заметно сказывающегося на погрешности измерительного преобразователя, в качестве материала при его изготовлении широко используют в качестве основной жилы или покрытия проводов металлы с высокой температурой плавления - платину, золото, вольфрам, молибден, палладий, родий и другие.

Тем не менее, кардинально решить проблему влияния коррозии на метрологические параметры преобразователя удается крайне редко.

Известны способы контроля исправности измерительного преобразователя с жаростойким металлическим чувствительным элементом, предполагающие демонтаж и доставку преобразователей к соответствующему рабочему эталону, монтаж их в испытательный стенд и проведение штатных метрологических процедур калибровки или поверки [7, 8], т.е. подачу на вход измеряемой величины, ее измерение как контролируемым, так и образцовым преобразователем, а затем сопоставление обоих значений для заключения об исправности контролируемого преобразователя.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов контроля исправности измерительного преобразователя, относится то, что они возможны только для автономных и лабораторных измерительных преобразователей, а после встраивания преобразователя в оборудование, особенно в случае вваривания, практически невозможно изъять его из агрегата и провести контроль исправности известными способами.

Известны способы контроля метрологической исправности измерительного преобразователя с жаростойким металлическим чувствительным элементом, встроенного в оборудование, не требующие демонтажа преобразователя. Например, в [9] для контроля преобразователя температуры, установленного в реакторе, предложено специальным образом создать режим работы ядерного реактора, при котором известно влияние тепловыделения в активной зоне на температурное поле; определять показания термопреобразователей, контроль исправности которых проводится; сравнивать эти показания со значениями, полученными на основании показаний избыточных и симметричных, штатных и образцовых преобразователей; отбраковать недостоверные показания контролируемых преобразователей; определять отклонения показаний контролируемых преобразователей от значения, принятого за истинную температуру по совокупности показаний; вводить поправки, компенсирующие эти отклонения; экстраполировать эти поправки на рабочую температуру и применять для корректировки показаний, причем в качестве истинной температуры использовать значение, полученное на основе показаний совокупности преобразователей реактора, взвешенных с весами, определяемыми с использованием существующих или создаваемых флуктуации температуры с учетом расхода теплоносителя в зоне чувствительного элемента и погрешностей разного типа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов контроля исправности измерительного преобразователя, относится то, что они сложны, недостаточно достоверны и, как правило, неприемлемы по экономическим причинам.

Известен способ контроля исправности измерительного преобразователя температуры с платиновым чувствительным элементом, встроенного в оборудование, принятый на ряде АЭС страны и изложенный в соответствующих инструкциях предприятий. Этот способ предусматривает измерение при известной температуре активного сопротивления преобразователя после установки преобразователя в оборудование, запись полученного результата (в паспорт прибора), повторное измерение активного сопротивления преобразователя через определенный промежуток времени при известной температуре (по окончании технологического цикла работы оборудования - примерно через год), затем сопоставление обоих значений сопротивления с учетом градуировочной характеристики для заключения об исправности или неисправности преобразователя.

Известен также аналогичный способ контроля метрологической исправности измерительного преобразователя перемещений, встроенного в оборудование, описанный в документации [10] на датчик (преобразователь) положения ДПЛ, применяемый в приводах системы управления атомных энергетических установок типа ВВЭР-1000. (В ДПЛ чувствительные элементы выполнены в виде катушек индуктивности, намотанных жаростойким проводом).

Этот способ по совокупности признаков наиболее близок заявляемому и принят за прототип.

Известный способ заключается в том, что после установки преобразователя в реактор перед началом эксплуатации при известной температуре измеряют активное сопротивление каждого чувствительного элемента преобразователя, и полученные данные записывают (в паспорт). По окончании годичного цикла эксплуатации оборудования после его остановки и расхолаживания активное сопротивление катушек вновь измеряют при известной температуре и сопоставляют оба значения сопротивления. Сопоставляя значения сопротивления, судят о метрологической исправности преобразователя, бракуя его или внося поправки в показания в случае увеличения его систематической погрешности.

Этот способ не предусматривает демонтажа датчика, встроенного в оборудование, не требует вмешательства в технологический процесс работы и в конструкцию оборудования.

По совокупности существенных признаков он наиболее близко к предлагаемому и может быть принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа контроля исправности измерительного преобразователя, относятся следующие: - устранить или скорректировать нарастающую погрешность в период между остановками оборудования невозможно; - известный способ не позволяет существенно продлить срок службы измерительного преобразователя, поскольку он не позволяет во время операции контроля устранить последствия влияния процессов, изменяющих его градуировочную характеристику; - его применение возможно лишь после остановки и охлаждения оборудования, так как в остальное время температуру в зоне размещения преобразователя невозможно проконтролировать образцовым прибором; - операция контроля метрологической исправности может выполняться лишь достаточно редко (в случае применения в реакторном оборудовании - примерно через год, а в перспективе - и через два года).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такого способа контроля исправности измерительного преобразователя, который позволяет увеличить межкалибровочный (межповерочный) интервал и срок службы преобразователя, а также осуществлять контроль исправности измерительного преобразователя непосредственно в процессе эксплуатации.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в принудительном разложении окисла и восстановлении металла в процессе эксплуатации под действием дополнительного нагрева, а также в учете инерционности оборудования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе контроля исправности измерительного преобразователя с металлическим чувствительным элементом, заключающемся в измерении активного сопротивления чувствительного элемента преобразователя в начале и в конце определенного промежутка времени при известных температурах и сопоставлении обоих значений сопротивления для заключения об исправности преобразователя, в отличие от известного способа, в течение этого промежутка времени чувствительный элемент, по крайней мере, однократно, нагревают до температуры, превышающей температуру разложения окислов на поверхности чувствительного элемента и выдерживают при этой температуре интервал времени, достаточный для разложения окислов.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что в способе контроля исправности измерительного преобразователя с металлическим чувствительным элементом нагрев чувствительного элемента осуществляют циклами, причем в каждом цикле перед нагревом дополнительно измеряют активное сопротивление, а после нагрева и возвращения сопротивления измерительного преобразователя к стационарному значению повторно измеряют активное сопротивление и изменение сопротивления в циклах учитывают при заключении об исправности преобразователя.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Контролируемый измерительный преобразователь, например, перемещения или температуры, с жаростойким металлическим чувствительным элементом, например, платиновым, встроенный в оборудование с длительным технологическим циклом, которое работает при высоких температурах, например, в энергетический агрегат.

- До начала технологического процесса при известной температуре измеряют активное сопротивление чувствительного элемента преобразователя и фиксируют это значение.

- Затем в процессе эксплуатации нагревают чувствительный элемент до температуры, превышающей температуру разложения окислов на поверхности чувствительного элемента. Нагрев осуществляют электрическим током за счет дополнительной обмотки, нанесенной на корпус преобразователя, или же за счет увеличения тока через чувствительный элемент.

- Выдерживают при этой температуре интервал времени, достаточный для разложения окислов.

Нагрев может осуществляться многократно в процессе эксплуатации. Интервал времени между операциями нагрева и их длительность могут выбираться на основе предварительных исследований и расчетов с учетом рабочих температур.

- По окончании периода эксплуатации оборудования после его остановки и расхолаживания вновь измеряют активное сопротивление чувствительного элемента при известной температуре и сопоставляют оба значения сопротивления для заключения об исправности преобразователя.

Достижение технического результата осуществляется за счет того, что окислы, нарастающие со временем на поверхности ряда жаростойких металлов, таких как платина, вольфрам, молибден и других, после их нагрева выше определенной температуры теряют свою устойчивость, диссоциируют или расплавляются [11]. В частности, для платины, как показано в [12], из трех окислов, нарастающих на ее поверхности (PtO, Рt₃О₄ и PtO₂), при нагреве примерно до 500-600^oС два окисла (PtO и РtO₂) разлагаются, и сопротивление металла чувствительного элемента практически восстанавливается (окисел Рt₃О₄ сохраняется, но его вклад в погрешность несопоставимо меньше, чем вклад других окислов).

Операции нагрева в условиях эксплуатации могут осуществляться достаточно часто. Поэтому толщина окислов не становится существенной, и погрешность, обусловленная нарастанием окислов на проводящих компонентах чувствительного элемента за достаточно короткий срок, не увеличивается до сколько-нибудь существенного значения.

Таким образом, в результате "очищения" чувствительного элемента от двух основных окислов путем нагрева чувствительного элемента межкалибровочный (межповерочный) интервал и срок службы преобразователя существенно увеличивается.

Для осуществления более достоверного контроля исправности измерительного преобразователя - контроля непосредственно в процессе эксплуатации осуществляют следующие циклы.

- Перед нагревом преобразователя измеряют его активное сопротивление.

- После охлаждения преобразователя и возвращения сопротивления к стационарному значению повторно измеряют активное сопротивление преобразователя.

- Изменение сопротивления в циклах учитывают при заключении о текущей исправности преобразователя.

Такие циклы осуществляют многократно в процессе эксплуатации. Интервал времени между циклами выбирают таким образом, чтобы время возможного скачкообразного изменения активного сопротивления в связи с повреждением преобразователя, например, из-за "наклепа", было много меньше, чем интервал времени между циклами.

В процессе эксплуатации определяют, например, разницу измеренных в цикле активных сопротивлений и проводят их статистическую обработку.

Сопоставляя разницу сопротивлений в различных циклах (при разных температурах), т.е. оценивая скорость изменения активного сопротивления и сравнивая ее с возможной максимальной скоростью (с учетом тепловой инерционности агрегата), можно оценить стабильность преобразователя, в частности скачкообразные изменения погрешности.

По результату статистической обработки разницы измеренных в циклах активных сопротивлений можно судить о динамике нарастания и разложения окислов в процессе эксплуатации и соответственно об изменении погрешности преобразователя в процессе эксплуатации. Таким образом осуществляется контроль исправности измерительного преобразователя непосредственно в процессе эксплуатации.

Результаты статистической обработки разницы измеренных в цикле сопротивлений учитывают и при решении об установке преобразователей в оборудование на следующий период эксплуатации.

Например, если в совокупности преобразователей, работавших в аналогичных условиях, у отдельных экземпляров дисперсия изменений сопротивления существенно больше, чем у других, даже, если его погрешность по окончании периода эксплуатации меньше допустимой, желательно не ставить их в оборудование на следующий период эксплуатации.

Таким образом, вышеприведенные сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения и достижения указанного технического результата.

Источники информации 1. И. И. Дружинин, К. В. Сапожникова, Р. Е.Тайманов. Интеллектуальное средство измерений перемещения для экстремальных условий эксплуатации // Доклад на Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск), 2000, с. 21-25.

2. А. с. СССР 1012708, 5 G 21 С 7/08 / Герасимов В.М., Гулка Р.В. Механизм управления ядерного реактора// Бюллетень изобретений, 1990, 45.

3. Середенин В.И. Измерительные устройства с высокотемпературными трансформаторными датчиками перемещения. - Л.: Энергия, 1968, 81 с.

4. И.И.Дружинин., В.В.Кочугуров. Контроль метрологических характеристик встраиваемых в агрегаты вихретоковых преобразователей // Измерительная техника, 1988, 11, с. 37-38.

5. Крамарухин Ю. Е. Приборы для измерения температуры. - М.: Машиностроение, 1990, 208 с.

6. ЮМВА. 400520.001 ГУ. Термопреобразователи сопротивления. Технические условия.

7. ГОСТ 8.461-82. ГСИ. Термопреобразователи сопротивления. - М.: Изд-во стандартов, 1985, 24 с.

8. Д. С.Костров и др. Метрологическое обеспечение вихретоковых преобразователей параметров вибрации. // Виброметрия (Материалы конференции). - М.: МДНТП, 1982.

9. Заявка на патент РФ 97109044/25, 6 G 21 С 17/022 / Тимонин А.С. Способ градуировки внутриреакторных термодатчиков // Бюллетень изобретений, 1999, 5.

10. 320-Пp-002.05.000 ТО. Датчик ДПЛ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - ГКАЭ. ОКБ "Гидропресс", 1987.

11. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - М.: Машиностроение, 1982, 336 с.

12. Моисеева Н. П. Разработка и исследование платиновых термометров сопротивления повышенной чувствительности и стабильности для построения МТШ-90 в диапазоне температур 300-1338 К / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - С-Пб. - НПО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева", 1994.

Формула изобретения

1. Способ контроля исправности измерительного преобразователя "перемещение или температура - сопротивление" с жаростойким металлическим чувствительным элементом, заключающийся в измерении активного сопротивления жаростойкого металлического чувствительного элемента в начале и конце выбранного промежутка времени и сопоставлении обоих значений активного сопротивления для заключения об исправности упомянутого измерительного преобразователя, отличающийся тем, что в течение этого промежутка времени жаростойкий металлический чувствительный элемент, по крайней мере, однократно нагревают до температуры, превышающей температуру разложения окислов на поверхности жаростойкого металлического чувствительного элемента и выдерживают при этой температуре в течение интервала времени, достаточного для разложения окислов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев жаростойкого металлического чувствительного элемента осуществляют циклами, причем в каждом цикле перед нагревом дополнительно измеряют упомянутое активное сопротивление, а после нагрева и возвращения активного сопротивления к стационарному значению повторно измеряют активное сопротивление и изменение активного сопротивления в циклах учитывают при заключении об исправности упомянутого измерительного преобразователя.