LCSR法響應時間原位測量裝置的設計與實現

宋延勇

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

LCSR法響應時間原位測量裝置的設計與實現

宋延勇

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

溫度計的響應時間通常是在試驗室條件下采用浸入式方法進行離線測量，無法反映其在不同的運行工況條件下響應時間的變化。NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計響應時間原位測量》給出了回路電流階躍響應(LCSR)法電阻溫度計響應時間原位測量的原理，但國內尚未實踐。基于NB/T 20338，研制了一種LCSR法電阻溫度計響應時間原位測量裝置。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，裝置電壓測量精度為0.1%。對Pt100鉑電阻溫度計響應時間的測試結果表明，阻值變化和等效溫度階躍與階躍電流大小成正比，不同階躍電流下測量結果的相對標準差可優于5%。在兩種不同表面換熱條件下響應時間的測試驗證了表面傳熱系數對響應時間的影響。測試結果還表明，階躍電流下降法的相對標準差優于階躍電流上升法。裝置的研制為開展核電站現場應用研究奠定了基礎。

原位測量； LCSR； 響應時間； 傳熱系數； 階躍電流； 鉑電阻

0 引言

核反應堆用電阻溫度計的快速、有效響應，可以確保反應堆在發生較大溫度瞬態變化時能夠及時實現停堆。因此，對其響應時間的準確測量非常重要。目前，國內對溫度計的響應時間是在試驗室條件下采用浸入式方法進行離線測量，無法反映其在不同的運行工況條件下響應時間的變化。回路電流階躍響應(loop current step response，LCSR)[1]法用于在電阻溫度計正常運行工藝條件或其近似條件下，獲得其在役期間實際運行條件下的響應時間，是一種較為常用的電阻溫度計響應時間原位測量方法[2]。NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計響應時間原位測量》給出了LCSR法電阻溫度計響應時間原位測量的原理，但國內尚未實踐[3]。由于電阻溫度計的響應時間取決于其運行期間的工藝溫度、壓力、流量以及被測介質的物性參數，因此采用原位測量方法能夠更為準確地獲得在特定工況下的溫度計真實響應時間，同時能夠避免傳感器拆卸檢測重新安裝等過程可能造成的人因失誤[4-5]。

1 LCSR法響應時間測量原理

在初始平衡狀態下，熱電阻溫度計與周圍流體溫度保持一致。將若干毫安的階躍直流電流加至熱電阻引線，由于電流的輸入產生了焦耳熱，產生的熱量造成了電阻自身的溫度增加，導致通過界面交換的熱量也增加。當單位時間通過界面交換的熱量與電流產生的焦耳熱再次平衡時，熱電阻的溫度再次保持恒定。

在忽略物體內部導熱熱阻的前提下，溫度傳感器的響應時間可以使用集總參數法簡化分析。采用非穩態、有內熱源的導熱微分方程式，由于忽略物體內部熱阻，溫度與坐標無關，采用簡化式[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為對流換熱表面傳熱系數，W/(m2·K)；t∞為流體溫度，℃。

所以：

(3)

求解該導熱微分方程式，得：

(4)

真實電阻溫度計通常不滿足集總參數法簡化分析的前提條件，不能通過理論分析法求得響應試驗，此時采用試驗的方法計算響應時間。電阻溫度計動態響應特征分別由流體溫度與焦耳效應產生的熱量與電阻溫度計的阻值之間的傳遞函數表征。

對于流體溫度變化：

(5)

階躍電流焦耳效應所產生自熱量為：

(6)

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

通過變換分別得到傳遞函數(5)和(6)的模態響應方程，表示為：

(7)

(8)

式中:A0、Ai、B0、Bi為頻域傳遞函數轉換為時域動態響應方程時的常數。

(9)

(10)

(11)

以此類推，可以通過方程式極點值求得Ai。

階躍電流產生的響應時間數據依據方程(8)，通過計算機擬合估算得出方程式極點值;將其代入方程(7),可以重新計算流體溫度變化的模態響應方程，進而估算出相同工況條件下流體溫度變化響應時間。

2 測量裝置

2.1 測試裝置構成

測試裝置原理如圖1所示。

圖1 裝置原理圖

圖1中：Rt為熱電阻溫度計； Rs為標準電阻；I為受控恒流源； A/D為數據采集器； PC為數據處理與控制計算機。

2.2 試驗方法與關鍵參數

同步測量標準電阻與熱電阻溫度計兩端電壓，根據串聯電路分壓原理，按式(12)計算得到熱電阻溫度計阻值。

(12)

式中:Ut為熱電阻溫度計兩端電壓，V;Us為標準電阻兩端電壓，V。

根據NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計響應時間原位測量》標準要求，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，裝置電壓測量精度為0.1%，階躍電流大小取決于電阻溫度計的類型及其工作溫度。

3 試驗數據

試驗對象為允差等級為A級的兩線制Pt100鉑電阻溫度計。采用LCSR法電阻溫度計響應時間原位測量裝置，測量在階躍電流作用下其阻值隨時間的變化，得出其響應曲線。計算阻值達到階躍變化63.2%的渡越時間作為響應時間τ63.2。為了便于進行響應曲線數據的比較，采用離差標準化法對原始數據進行歸一化轉換。

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，在鉑電阻允許流過的電流范圍內通入不同大小的階躍電流，采用LCSR法試驗裝置測量其響應時間，獲得的不同階躍電流值測試結果如表1所示。

表1 不同階躍電流值測試結果

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到熱平衡狀態時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。當階躍電流為30 mA時，其等效溫度階躍為11.98 ℃，已大于JB/T 8627-1997《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》中響應時間測試溫度階躍不大于10 ℃的要求[7]；當階躍電流為40 mA時，其等效溫度階躍為22.08 ℃仍小于GB/T 25838-2010《核電廠安全級電阻溫度探測器的質量鑒定》中非LCSR法響應時間測試溫度階躍為(55±2.5)℃的要求。

當水的流速為4 m/s時，不同階躍電流響應曲線如圖2所示。從圖2可以看出，不同階躍電流下的響應曲線的差異較小且趨勢一致，階躍電流越高其阻值變化范圍越寬，相應提升了測量數據的信噪比，獲得的響應曲線越平滑。

圖2 不同階躍電流響應曲線(v=4 m/s)

不同階躍電流值下測得的響應時間τ63.2及其測量結果標準差如表2所示。表2表明，鉑電阻溫度計采用不同階躍電流下獲得的響應時間測量結果的相對標準差優于5%。經計算，不同階躍電流下響應時間的測試結果平均值的相對標準差為1.55%，同樣優于5%。階躍電流的大小影響測量結果的分散性。相對而言，階躍電流越大，信噪比越高，測量結果分散性越小。

表2 響應時間τ63.2及其測量結果標準差

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行響應時間測試。

當水靜止時，不同階躍電流響應曲線如圖3所示。圖3與圖2在同一流速工況條件下的結果相近。

圖3 不同階躍電流響應曲線(靜止水)

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

圖4 不同對流表面換熱系數響應曲線

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試結果。數據表明，在同樣的階躍電流下，對流表面換熱系數越大，其鉑電阻阻值變化越小，相應的等效溫度階躍也越小。由于對流表面換熱系數大，其響應時間的值相對更小，溫度響應更快，和響應曲線反映的結果一致。同時還說明鉑電阻溫度計耐受的階躍電流值的大小不僅與其本身的特性有關，還和表面對流換熱系數有關。表面對流換熱系數越高，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法響應時間測試可以采用階躍電流上升和階躍電流下降兩種檢測方法。階躍上升是具有內熱源的非穩態導熱過程；階躍下降時鉑電阻被冷卻，相當于具有負的內熱源。在30 mA階躍電流下，采用兩種方法對在同一流體工況條件下的鉑電阻的響應時間進行測試，得到不同電流階躍方式下的響應曲線如圖5所示。

圖5 不同電流階躍方式下的響應曲線

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量方式對測量結果的影響較小，兩種測量方法均獲得一致的階躍響應時間曲線。表4為階躍電流上升和下降兩種檢測方法的LCSR法測試結果。

表4 不同電流階躍方式下的測試結果

數據表明，兩種方法測得的平均響應時間偏差較小，且階躍電流下降方法比階躍電流上升法的響應時間測試結果的相對標準差小。分析表明，階躍電流上升法在檢測鉑電阻阻值變化過程中，由于測試系統中電流源輸出大電流對系統造成了干擾，導致結果分散性較大。而階躍電流下降法中階躍電流源的斷開，減少了電流源引入的干擾，導致結果分散性更小。

4 結束語

本文基于串聯電路分壓原理，研制了一種典型LCSR法電阻溫度計響應時間原位測量裝置。該裝置滿足NB/T 20338-2015《核電廠安全重要電阻溫度計響應時間原位測量》標準要求。

對允差等級為A級的兩線制Pt100鉑電阻溫度計進行試驗分析表明：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，鉑電阻溫度計采用不同階躍電流下獲得的響應時間測量結果的相對標準差優于5%。同樣的階躍電流下，對流表面換熱系數越大，則鉑電阻阻值變化和等效溫度階躍越小，溫度響應越快。表面對流換熱系數越高，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時間測試結果的相對標準差小，電流源干擾的消除導致結果分散性更小。

日后還需進一步對不同類型的電阻溫度探測器進行試驗分析，研究原位法的適用范圍及具體測試要求。通過研究原位法與浸入式方法測試結果的差異，并建立計算機程序模型確定響應時間測量結果的轉換算法，以進一步探索其中的誤差機理，進而開展開展核電站現場應用研究。

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

[2] 能源行業核電標準化技術委員會.核電廠安全重要儀表通道性能監督試驗:NB/T 20069-2012[S].北京：原子能出版社，2012.

[3] 能源行業核電標準化技術委員會.核電廠安全重要電阻溫度計響應時間原位測量:NB/T 20338-2015[S]. 北京：機械工業信息研究院，2015.

[4] 張勇,張發啟.一種熱電阻動態特性原位校準方法[J].空軍工程大學學報,2004,5(4):76-79.

[5] 劉亮輝,余刃.核動力裝置測量儀表在線檢測與校準技術研究[J].自動化與儀表,2009,24(8):9-13.

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

[7] 全國工業過程測量和控制標準化技術委員會.工業鉑熱電阻技術條件及分度表:JB/T 8622-1997[S].北京：儀器儀表綜合技術經濟研究所,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，主要從事工業自動化儀表的檢測、校準工作。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