CN111120721A - 用于稳压器安全阀的阀位测量系统及阀位传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于稳压器安全阀的测量系统及阀位传感器，所述测量系统包括信号处理装置和阀位传感器，所述阀位传感器用于产生能够表征安全阀的阀杆阀位信息的电感信号，并将电感信号传输至信号处理装置，所述信号处理装置用于向阀位传感器供电、接收所述电感信号并将电感信号转换为阀位信号，所述信号处理装置设置在安全壳的外部，阀位传感器设置在安全壳的内部。本发明通过分体式设计，将设置有精密电子元器件的信号处理装置设置于安全壳外部，并提供了一种新的阀位传感器结构，使得阀位传感器中的精密电子元件大幅减少，因此能够长时间地应用于安全壳的辐照环境中测量安全阀的阀位，提高了设备在辐照环境下的可利用率。

Description

用于稳压器安全阀的阀位测量系统及阀位传感器
技术领域
本发明涉及核电厂反应堆冷却剂系统过程测量领域，具体涉及一种用于稳压器安全阀的阀位测量系统以及该测量系统所采用的阀位传感器。
背景技术
在压水堆核电厂中，稳压器安全阀是反应堆冷却剂系统的超压保护设备，当系统发生异常状况，压力上升到稳压器安全阀的开启压力整定值时，稳压器安全阀自动开启，排放稳压器上部蒸汽，以使系统卸压。从而对反应堆冷却剂系统的管道和设备起到安全保护的作用。当系统压力降低到稳压器安全阀的回座压力时，稳压器安全阀应自动关闭。同时稳压器安全阀作为一回路系统的安全保障，需要确保事故工况下系统内压力的及时释放，因此其对于核电站的稳定安全运行至关重要。
稳压器安全阀阀位信号是直接体现安全阀阀位状态的重要信号，其测量值表征安全阀的开度大小，要求在正常运行、地震工况和LOCA工况下能够被准确监测。然而，现有的安全阀阀位测量系统采用阀位传感器和信号处理装置一体式的结构设计，当应用于反应堆冷却剂系统时，信号处理装置和阀位传感器中的精密电子元件在恶劣的辐照环境下容易损坏，导致测量结果不准确，测量系统可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于稳压器安全阀的分体式阀位测量系统，以解决传统的稳压器安全阀阀位测量系统由于采用了大量精密电子元件而在恶劣的辐照环境下容易损坏，导致测量结果不准确、测量系统可靠性低的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于稳压器安全阀的测量系统的阀位传感器，包括壳体，所述壳体内设置有腔体，所述腔体中设置有安装架和弹性件，所述安装架中设置有磁极线圈，所述磁极线圈中设置有测量杆，在安全阀的阀杆和弹性件的共同作用下，所述测量杆能够在磁极线圈中往复移动，并引起磁极线圈产生电感信号。
传统的安全阀阀位测量系统中阀位传感器与信号处理装置为一体式结构，这类测量系统的阀位传感器和信号处理装置均包含有大量的精密电子元器件。当应用于核电站的安全壳时，安全壳内恶劣的辐照环境容易损坏精密电子元件，导致测量结果不准确，测量系统的整体可靠性低。
为解决上述问题，本发明提供了一种适用于安全壳辐照环境的安全阀测量系统。该测量系统采用分体式结构，具有大量精密电子元器件的信号处理单元被设置在安全壳外部，不受辐照影响，而设置在安全壳内部以测量稳压器安全阀阀位的阀位传感器采用纯硬件电路实现安全级功能，保证了响应时间和可靠性。
具体地，该阀位传感器具备壳体，壳体内部设置有腔体，所述腔体用于容纳测量杆、磁极线圈等主要部件。磁极线圈卡接安装于在安装架中，其在腔体内的位置固定。测量杆包括第一端和第二端，在初始状态下所述第一端位于壳体外部，第二端位于壳体内部。腔体内还设置有弹性件，在测量杆朝向腔体内的磁极线圈移动一段距离，且作用于第一端上的外力消失后，所述弹性件能够推动测量杆朝向壳体外部移动并复位至初始位置。
本技术方案中，阀位传感器采用了差动式互感原理以将安全阀阀杆的位置变化转换为测量杆在磁极线圈中的位移，进而产生电感信号。具体原理为：当安全阀的阀杆竖直向下移动时，阀杆底部的倾斜面作用于测量杆的第一端，推动测量杆横向朝腔体移动并插入至磁极线圈中，磁极线圈产生电感信号；当安全阀的阀杆竖直向上移动时，作用于测量杆的第一端的作用力消失，弹性件的弹性力推动测量杆横向朝壳体外部移动并复位至初始位置，测量杆的第二端在磁极线圈中移动，磁极线圈产生电感信号；测量杆在磁极线圈间来回移动时，引起磁极线圈的电感信号变化，电感信号通过与磁极线圈连接的线缆传输至安全壳外部的信号处理装置，信号处理装置经过信号处理后得到电流信号，所述电流信号与安全阀的阀杆位移信号呈线性对应关系，通过对该信号的标定，就可得出安全阀的阀位状态。
通过上述设置，大幅地减少了阀位传感器中的精密电子元器件，使得阀位传感器能够长时间地应用于安全壳的辐照环境中测量安全阀的阀位，提高了设备在辐照环境下的可利用率，并利用纯硬件电路实现安全级功能，保证了响应时间和可靠性。
作为弹性件的优选实施方式，所述测量杆上设置有凸起部，所述腔体上设置有位于凸起部和安装架之间的凸台，所述弹性件一端连接凸起部，弹性件另一端连接凸台。
进一步地，所述弹性件为弹簧。
进一步地，所述磁极线圈上设置有线缆，所述线缆用于将电感信号传输至外部的信号处理装置。
本发明还提供一种用于稳压器安全阀的测量系统。与现有技术相同的是，该测量系统包括信号处理装置和阀位传感器，其中，阀位传感器用于产生能够表征安全阀的阀杆阀位信息的电感信号，并将电感信号传输至信号处理装置，所述信号处理装置用于向阀位传感器供电、接收所述电感信号并将电感信号转换为阀位信号。
与现有技术不同的是，所述信号处理装置设置在安全壳的外部，阀位传感器设置在安全壳的内部。设置在安全壳内部的阀位传感器通过更改阀杆阀位的方式从而大幅减少其内部的精密电子元件的量，因此能够很好地适用于安全壳内部的辐照环境。而具备大量精密电子元器件的信号处理装置设置在安全壳的外部，使得精密电子元器件不会受到辐照影响。信号处理装置的一方面向阀位传感器供电，具体为磁极线圈通电，另一方面接收传感器产生的电感信号，并将电感信号转换为能够与安全阀的阀杆位移信号呈线性对应关系的电流信号，最终通过对该信号的标定，就可得出安全阀的阀位状态。
进一步地，该阀位传感器包括壳体，所述壳体内设置有腔体，所述腔体中设置有安装架和凸台，所述安装架中设置有磁极线圈，所述磁极线圈中设置有测量杆，所述测量杆上设置有凸起部，所述凸起部和凸台之间设置有弹簧，在安全阀的阀杆和弹簧的共同作用下，所述测量杆能够在磁极线圈中往复移动，并引起磁极线圈产生电感信号。
进一步地，所述磁极线圈上设置有线缆，所述线缆用于将电感信号传输至安全壳外部的信号处理装置。
进一步地，所述信号处理装置接收到电感信号后，将电感信号转化为电压值为2.5V-10V的电压信号，再将电压信号转化为电流值为4mA-20mA的电流信号。
电感信号通过电缆传递至信号处理装置，处理装置首先将电感信号转化为2.5V-10V电压信号，之后再将电压信号转化为DCS可识别的标准4mA-20mA电流信号，其对应关系如下式所示：
f(I)(4mA-20mA)＝f(U)(2.5V-10V)＝kΔL
其中，k为转换系数，ΔL为测量杆移动的距离。
上述4mA-20mA信号与安全阀的阀杆位移信号呈线性对应关系，通过对该信号的标定，就可得出安全阀的阀位状态。
进一步地，所述信号处理装置上设置有补偿电阻，所述补偿电阻用于抵消线缆的电阻对电感信号的影响。电阻补偿主要是用于抵消传输线缆上的信号损失。由于阀位传感器送出的是一种电感信号，该信号在电缆传输上受线缆电阻影响较大，这样就会造成送到处理装置上的信号不准。为了抵消电缆电阻上信号变化，需要根据现场真实情况，测出传输电缆的电阻，之后通过公式计算出补偿电阻的电阻值，再在处理卡件上焊接补偿电阻。
优选地，补偿电阻共计两个，分别为RL1和RL2，进一步优选地，RL1和RL2电阻值相等。另外，由于实际中测出的传输线缆电阻值通常都为不标准阻值，根据处理卡件的电路配置可选择误差在±4％以内的标准电阻。因此，待焊接的补偿电阻RL1和RL2的电阻值大小可由下式求得：
RL1+RL2+Rwire＝R额定±4％
其中，Rwire为测出的线缆的电阻，R额定为与处理卡件电路相匹配的额定电阻。
进一步地，所述信号处理装置设置有温度补偿电路，所述温度补偿电路用于抵消温度对阀位传感器、线缆和信号处理装置的影响。
温度补偿主要是为了消除环境温度对测量值的影响，主要包括：温度对阀位传感器的影响，导线温度对测量信号的影响以及处理装置所在环境温度对测量信号的影响。通过在处理电路中增加补偿电路环节，实现对上述三种影响因素的补偿。具体地：
UT＝US+UC+UR＝kS(T)+kC(T)+kR(T)
式中：UT为温度对整体测量值的影响，US为温度对传感器的影响，UC为温度对导线的影响，UR为温度对处理装置的影响，其中，kS、kC和kR均为影响系数。
处理装置中的补偿电路参数需要根据标定试验环节确定的对应关系来确定。以温度对阀位传感器的影响US为例，在标定试验中保持导线和处理装置的温度不变，通过调节传感器部位的温度，找出阀位传感器部分温度变化对最终测量值的对应关系kS(T)，通过设置针对性的温度补偿电路消除该影响。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过分体式设计，将设置有精密电子元器件的信号处理装置设置于安全壳外部，并提供了一种新的阀位传感器结构，使得阀位传感器中的精密电子元件大幅减少，因此能够长时间地应用于安全壳的辐照环境中测量安全阀的阀位，提高了设备在辐照环境下的可利用率，并利用纯硬件电路实现安全级功能，保证了响应时间和可靠性；
2、本发明能够适用于核电厂辐照环境，同时能够在地震工况和LOCA环境下正常工作；
3、本发明将安全阀阀杆的位移转变为测量杆在磁极线圈中的移动，并将测量杆的位移信息转换为电感信号，通过信号处理装置将该电感信号转换为与安全阀的阀杆位移信号呈线性对应关系4mA-20mA的电流信号，进而通过标定电流信号得出安全阀的阀位状态，保证阀位传感器的响应时间和可靠性；
4、本发明在信号处理装置中设置补偿电阻，使得信号处理装置能够根据现场的真实情况抵消电缆电阻上信号变化，进一步提高测量的精度，满足长期稳定运行的需求；
5、本发明在信号处理装置中设置温度补偿电路，消除环境温度对测量值的影响，进一步地提高测量的精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例中阀位传感器的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中测量系统的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-壳体，2-腔体，3-测量杆，4-凸起部，5-弹簧，6-凸台，7-线缆，8-安装架，9-磁极线圈，10-阀杆，11-安全壳，12-信号处理装置，13-阀位传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
实施例1：
如图1所示的一种用于稳压器安全阀的测量系统的阀位传感器，包括壳体1，所述壳体1内设置有腔体2，腔体2中设置有安装架8和弹性件，安装架8中设置有磁极线圈9，磁极线圈9中设置有测量杆3，在安全阀的阀杆10和弹性件的共同作用下，所述测量杆3能够在磁极线圈9中往复移动，并引起磁极线圈9产生电感信号；测量杆3上设置有凸起部4，所述腔体2上设置有位于凸起部4和安装架8之间的凸台6，所述弹性件一端连接凸起部4，弹性件另一端连接凸台6。
在部分实施例中，所述弹性件为弹簧5。
在部分实施例中，所述磁极线圈9上设置有线缆7，所述线缆7用于将电感信号传输至外部的信号处理装置12。
通过上述设置，大幅地减少了阀位传感器中的精密电子元器件，使得阀位传感器能够长时间地应用于安全壳的辐照环境中测量安全阀的阀位，提高了设备在辐照环境下的可利用率，并利用纯硬件电路实现安全级功能，保证了响应时间和可靠性。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图1和图2所示的一种用于稳压器安全阀的测量系统，包括信号处理装置12和阀位传感器13，所述阀位传感器13用于产生能够表征安全阀的阀杆10阀位信息的电感信号，并将电感信号传输至信号处理装置12，所述信号处理装置12用于向阀位传感器13供电、接收所述电感信号并将电感信号转换为阀位信号，所述信号处理装置12设置在安全壳11的外部，阀位传感器13设置在安全壳11的内部；所述阀位传感器13包括壳体1，壳体1内设置有腔体2，所述腔体2中设置有安装架8和凸台6，所述安装架8中设置有磁极线圈9，所述磁极线圈9中设置有测量杆3，所述测量杆3上设置有凸起部4，所述凸起部4和凸台6之间设置有弹簧5，在安全阀的阀杆10和弹簧5的共同作用下，所述测量杆3能够在磁极线圈9中往复移动，并引起磁极线圈9产生电感信号；所述磁极线圈9上设置有线缆7，所述线缆7用于将电感信号传输至安全壳11外部的信号处理装置12。
在部分实施例中，所述信号处理装置12接收到电感信号后，将电感信号转化为电压值为2.5V-10V的电压信号，再将电压信号转化为电流值为4mA-20mA的电流信号。
在部分实施例中，所述信号处理装置12上设置有补偿电阻，所述补偿电阻用于抵消线缆7的电阻对电感信号的影响。
优选地，补偿电阻包括电阻RL1和电阻RL2，进一步地，RL1和RL2电阻值相等。在部分实施例中，RL1和RL2的电阻值通过下式求得：
RL1+RL2+Rwire＝R额定±4％
其中，Rwire为测出的线缆的电阻，R额定为与处理卡件电路相匹配的额定电阻。
在部分实施例中，所述信号处理装置12设置有温度补偿电路，所述温度补偿电路用于抵消温度对阀位传感器13、线缆7和信号处理装置12的影响。
温度补偿主要是为了消除环境温度对测量值的影响，主要包括：温度对阀位传感器的影响，导线温度对测量信号的影响以及处理装置所在环境温度对测量信号的影响。通过在处理电路中增加补偿电路环节，实现对上述三种影响因素的补偿。具体地：
UT＝US+UC+UR＝kS(T)+kC(T)+kR(T)
式中：UT为温度对整体测量值的影响，US为温度对传感器的影响，UC为温度对导线的影响，UR为温度对处理装置的影响，其中，kS、kC和kR均为影响系数。
处理装置中的补偿电路参数需要根据标定试验环节确定的对应关系来确定。以温度对阀位传感器的影响US为例，在标定试验中保持导线和处理装置的温度不变，通过调节传感器部位的温度，找出阀位传感器部分温度变化对最终测量值的对应关系kS(T)，通过设置针对性的温度补偿电路消除该影响。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于稳压器安全阀的测量系统的阀位传感器，包括壳体(1)，其特征在于，所述壳体(1)内设置有腔体(2)，所述腔体(2)中设置有安装架(8)和弹性件，所述安装架(8)中设置有磁极线圈(9)，所述磁极线圈(9)中设置有测量杆(3)，在安全阀的阀杆(10)和弹性件的共同作用下，所述测量杆(3)能够在磁极线圈(9)中往复移动，并引起磁极线圈(9)产生电感信号。
2.根据权利要求1所述的阀位传感器，其特征在于，所述测量杆(3)上设置有凸起部(4)，所述腔体(2)上设置有位于凸起部(4)和安装架(8)之间的凸台(6)，所述弹性件一端连接凸起部(4)，弹性件另一端连接凸台(6)。
3.根据权利要求2所述的阀位传感器，其特征在于，所述弹性件为弹簧(5)。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的阀位传感器，其特征在于，所述磁极线圈(9)上设置有线缆(7)，所述线缆(7)用于将电感信号传输至外部的信号处理装置(12)。
5.一种用于稳压器安全阀的测量系统，包括信号处理装置(12)和阀位传感器(13)，所述阀位传感器(13)用于产生能够表征安全阀的阀杆(10)阀位信息的电感信号，并将电感信号传输至信号处理装置(12)，所述信号处理装置(12)用于向阀位传感器(13)供电、接收所述电感信号并将电感信号转换为阀位信号，其特征在于，所述信号处理装置(12)设置在安全壳(11)的外部，阀位传感器(13)设置在安全壳(11)的内部。
6.根据权利要求5所述的一种用于稳压器安全阀的测量系统，其特征在于，所述阀位传感器(13)包括壳体(1)，所述壳体(1)内设置有腔体(2)，所述腔体(2)中设置有安装架(8)和凸台(6)，所述安装架(8)中设置有磁极线圈(9)，所述磁极线圈(9)中设置有测量杆(3)，所述测量杆(3)上设置有凸起部(4)，所述凸起部(4)和凸台(6)之间设置有弹簧(5)，在安全阀的阀杆(10)和弹簧(5)的共同作用下，所述测量杆(3)能够在磁极线圈(9)中往复移动，并引起磁极线圈(9)产生电感信号。
7.根据权利要求6所述的一种用于稳压器安全阀的测量系统，其特征在于，所述磁极线圈(9)上设置有线缆(7)，所述线缆(7)用于将电感信号传输至安全壳(11)外部的信号处理装置(12)。
8.根据权利要求5所述的一种用于稳压器安全阀的测量系统，其特征在于，所述信号处理装置(12)接收到电感信号后，将电感信号转化为电压值为2.5V-10V的电压信号，再将电压信号转化为电流值为4mA-20mA的电流信号。
9.根据权利要求8所述的一种用于稳压器安全阀的测量系统，其特征在于，所述信号处理装置(12)上设置有补偿电阻，所述补偿电阻用于抵消线缆(7)的电阻对电感信号的影响。
10.根据权利要求8所述的一种用于稳压器安全阀的测量系统，其特征在于，所述信号处理装置(12)设置有温度补偿电路，所述温度补偿电路用于抵消温度对阀位传感器(13)、线缆(7)和信号处理装置(12)的影响。
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