Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проблемы повышения точности преобразования тсплофизических параметров в системах управления ядерными энергетическими установками 11
1.1 Анализ путей повышения точности преобразования параметров 11
1.1.1. Особенности преобразования теплофизических параметровядерных энергетических установок 11
1.1.2 Выбор методов повышения точности каналов преобразования теплофизических параметров в системах управления ядерными энергетическими установками 17
1.2 Методы повышения точности каналов преобразования температуры и плотности нейтронного потока 20
1.2.1. Линеаризация характеристик датчиков температуры 20
1.2.2 Компенсация влияния температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей 28
1.2.3 Уменьшение влияния параметров интерфейсных цепей термочувствительных элементов 32
1.2.4 Методы повышения точности каналов преобразования выходных токов датчиков нейтронного потока 35
1.3 Заключение по главе 1 42
Глава 2 Разработка каналов преобразования температуры в системах управления ядерными энергетическими установками 43
2.1 Повышение точности линеаризации номинальных статических характеристик датчиков температуры 43
2.1.1 Линеаризация характеристик термопреобразователей сопротивления 43
2.1.2 Аппаратная линеаризация характеристик термоэлектрических преобразователей 50
2.1.3. Программная линеаризация характеристик термоэлектрических преобразователей 59
2.2 Компенсация влияния параметров интерфейсных цепей термочувствительных элементов 67
2.2.1 Компенсация влияния температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей 67
2.2.2 Коррекция влияния линий связи и коммутационных элементов в каналах преобразования температуры 78
2.3 Разработка формализованных методик синтеза высокоточных каналов преобразования температуры 83
2.3.1 Разработка алгоритма функционирования температурных каналов с термоэлектрическими преобразователями 83
2.3.2 Разработка аппаратных средств преобразования сигналов термоэлектрических преобразователей 89
2.3.3. Разработка вторичных преобразователей сигналов термопреобразователей сопротивления 95
2.4 Заключение по главе 2 101
Глава 3 Разработка высокоточных преобразователей выходных токов датчиков нейтронного потока в системах управления ядерными энергетическими установками 102
3.1 Разработка структурно-алгоритмических решений многодиапазонных преобразователей малых токов 102
3.1.1 Коррекция нелинейности и мультипликативной погрешности преобразования тока 102
3.1.2 Компенсация аддитивной температурной составляющей погрешности преобразования тока 107
3.2 Повышение точности преобразователей тока с логарифмической функцией преобразования 114
3.3 Разработка формализованных методик синтеза преобразователей выходных токов датчиков нейтронного потока 117
3.3.1 Разработка алгоритма функционирования канала преобразования тока 117
3.3.2 Разработка широкодиапазонного вторичного преобразователя тока 122
ЗА Заключение по главе 3 129
Глава 4 Экспериментальная проверка полученных результатов 130
4.1 Исследование каналов преобразования температуры 130
4.1.1 Вторичные преобразователи сигналов термопреобразователей сопротивления 130
4.1.2 Вторичные преобразователи сигналов термоэлектрических преобразователей., 132
4.2 Преобразователи выходных токов датчиков нейтронного потока 134
4.3 Заключение по главе 4 136
Заключение , 137
Список литературы 138
Приложения 150
- Особенности преобразования теплофизических параметровядерных энергетических установок
- Линеаризация характеристик термопреобразователей сопротивления
- Коррекция нелинейности и мультипликативной погрешности преобразования тока
- Преобразователи выходных токов датчиков нейтронного потока
Введение к работе
Улучшение тактико-технических характеристик ядерных энергетических установок (ЯЭУ) связано с повышением точности систем управления технологическими процессами генерирования, передачи и преобразования тепловой энергии, основные параметры которых называют теплофизическими [L..5]. Особое значение эти вопросы приобретают в задачах обеспечения безопасной, надежной и безаварийной эксплуатации ЯЭУ, включающих водо-водяной ядерный реактор и паротурбинную установку [2...4]. Теплофизическис параметры таких ЯЭУ составляют около 98%» параметров ядерного реактора и около 99% параметров паротурбинной установки [б]. Наиболее важными из них являются температуры рабочих сред и элементов конструкции ЯЭУ, давление, расход и уровень теплоносителя, а также плотность нейтронного потока, пропорциональная тепловыделению в активной зоне ядерного реактора [4, 6,,.11]. Системы управления поддерживают заданное значение мощности ЯЭУ, а также обеспечивают соответствие параметров технологических процессов требованиям теплотехнической надежности. При этом непосредственно регулируемой величиной является средняя температура теплоносителя первого контура, погрешность преобразования которой определяет качество управления ЯЭУ»
Ограничение допустимых значений мощности ЯЭУ с учетом сигналов предупредительной и аварийной защиты является наиболее эффективным средством предотвращения повреждения элементов активной зоны при авариях, связанных с увеличением реактивности или уменьшением расхода теплоносителя. Контроль мощности ЯЭУЭ определяющей надежность активной зоны ядерного реактора, в настоящее время осуществляют комбинированным методом, характеризующимся высокой точностью, широким диапазоном и малой инерционностью [7...9]. В соответствии с этим методом мощность ЯЭУ определяют по величине нейтронного потока в активной зоне реактора, а погрешность датчиков нейтронного потока корректируют в соответствии с результатами измерения теплофизических параметров рабочих сред ЯЭУ. Исключение
инерционности температурного капала системы управления достигается с помощью математической модели ЯЭУ, управляемой сигналом, пропорциональным величине плотности нейтронного потока, что позволяет оценивать тепловой режим реактора в процессе изменения его мощности [7, 8, 10, 11]. Управление реактором при пуске ЯЭУ осуществляется с учётом сигнала относительной скорости изменения мощности, формируемого в результате дифференцирования сигнала логарифма мощности. Поэтому высокоточное формирование сигналов мощности в линейном и логарифмическом масштабах является одним из факторов повышения безопасности и надежности ЯЭУ.
Повышение точности систем управления ЯЭУ способствует повышению эффективности, снижению топливной составляющей эксплуатационных расходов и объёма радиоактивных отходов, повышению безопасности ЯЭУ и атомной энергетики в целом [2]. Так, например, уменьшение погрешности преобразования температуры теплоносителя первого контура ядерного реактора с 4 до 1 С позволяет увеличить мощность ЯЭУ на 9% [12]. Точность систем управления ЯЭУ определяется параметрами каналов преобразования теплофизических параметров, включающих первичные преобразователи, линии связи, а также средства сбора и обработки технологической информации. Находящиеся в эксплуатации системы управления ЯЭУ удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, однако, с учётом возрастающих требований к безопасности и надёжности объекта управления, необходимо повышение их точности и функциональных возможностей [13,.,15, 16, 17]. Для преобразования температур в этих системах управления применяют термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи (термопары), отличающиеся нелинейностью статических характеристик, влиянием температуры свободных концов термопар, а также параметров линий связи на результаты преобразования [18]. Контроль нейтронного потока осуществляют с применением ионизационных камер и детекторов прямого заряда, преобразующих плотность нейтронного потока в постоянный ток в широком диапазоне, включающем весьма малые значения (от 10" А). Погрешность таких каналов, называемых также токовыми каналами,
существенно зависит от параметров преобразователей выходного тока датчиков нейтронного потока [19... 21].
Для повышения точности и расширения функциональных возможностей систем управления ЯЭУ? с учётом реализации защитных функций средствами аналоговой техники и жёсткой логики, целесообразно сочетание традиционных схемно-конструктивных методов со структурно-алгоритмическими методами и программными средствами [17* 22, 23]. Развитие элементной базы, вычислительных методов и программного обеспечения является существенной предпосылкой для реализации такого подхода. Однако, создание высокоточных каналов преобразования температуры рабочих сред и плотности нейтронного потока ЯЭУ затрудняется сложностью алгоритмов их проектирования, включающих итерационные и эвристические процедуры. В связи с этим актуальным является поиск относительно простых формализованных методик синтеза таких каналов систем управления ЯЭУ с повышенными требованиями по точности, а также отличающихся высоким уровнем унификации.
Пели и задачи исследования.
Цель работы заключается в создании формализованных методик синтеза, структурно-алгоритмических и схемотехнических решений высокоточных каналов преобразования температуры рабочих сред ЯЭУ и выходных токов датчиков нейтронного потока в системах управления технологическими процессами ЯЭУ, В работе решаются следующие задачи.
Построение алгоритмов расчета параметров аппроксимирующих функций и разработка способов их воспроизведения, применяемых при линеаризации характеристик термочувствительных элементов с повышенной точностью,
Синтез типовых технических решений, обеспечивающих высокоточную компенсацию влияния параметров интерфейсных цепей термочувствительных элементов в системах управления ЯЭУ, характеризующихся улучшенными эксплуатационными свойствами.
Разработки структурных решений, обеспечивающих уменьшение температурного дрейфа выходного сигнала преобразователей тока с логарифмиче-
ской функцией преобразования, предназначенных для систем управления ЯЭУ при пуске. 4. Разработки структурно-алгоритмических и схемотехнических решений многодиапазонных преобразователей малых токов, обеспечивающих повышение точности систем управления ЯЭУ в процессе изменения мощности. Новые научные результаты.
Предложены аппроксимирующие функции и алгоритмы расчета их параметров, а также способы воспроизведения этих функций при линеаризации характеристик термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей с повышенной точностью.
Предложены технические решения, обеспечивающие высокоточную ком-пенсацию влияния параметров интерфейсных цепей термочувствительных элементов в системах управлеїшя ЯЭУ.
Разработаны структурно-алгоритмические и схемотехнические решения преобразователей малых токов, рекомендации по расчету их параметров и регулированию с учетом температурного дрейфа, обеспечивающие повы-шеіше точности и улучшение эксплуатационных характеристик систем управления ЯЭУ.
Практическая ценность.
На основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработаны формализованные методики синтеза, структурные, алгоритмические и схемотехнические решения высокотошшх каналов преобразования температур рабочих сред ЯЭУ, позволяющие повысить точность поддержания требуемого теплового режима активной зоны ядерного реактора.
Построены расчётные соотношения и предложено схемотехническое решение высокоточного преобразователя тока с логарифмической функцией преобразования, позволяющее повысить точность контроля мощности ЯЭУ в процессе пуска.
Разработаны типовые технические решения и формализованные методики синтеза многодиапазонных преобразователей малых токов, способствующие
повышению точности предупредительной и аварийной защиты по превышению уровня мощности в системах управления ЯЭУ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
алгоритмы расчета параметров аппроксимирующих функций, применяемых при линеаризации номинальных статических характеристик термочувствительных элементов;
технические решения, обеспечивающие компенсацию влияния неинфор-мативиых параметров интерфейсных цепей термочувствительных элементов в системах управления ЯЭУ;
структурные, алгоритмические и схемотехнические решения высокоточных преобразователей выходных токов датчиков нейтронного потока для систем управления ЯЭУ, рекомендации по расчету их параметров и регулированию с учетом температурного дрейфа.
Практическая реализация результатов работы.
На основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработаны формализованные методики синтеза, структурные, алгоритмические и схемотехнические решения высокоточных каналов преобразования тем* ператур рабочих сред ЯЭУ, позволяющие повысить точность поддержания требуемого теплового режима активной зоны ядерного реактора. Построены расчетные соотношения и предложено схемотехническое решение высокоточного преобразователя тока с логарифмической функцией преобразования, позволяющее повысить точность контроля мощности ЯЭУ в процессе пуска. Разработаны типовые техничесіше решения и формализованные методики синтеза многодиапазонных преобразователей малых токов, способствующие повышению точности предупредительной и аварийной защиты по превышению уровня мощности в системах управления ЯЭУ.
Внедреяие результатов работы.
Результаты работы внедрены в ФГУП "НПО "Аврора" при разработке системы аварийной защиты второго энергоблока Ленинградской атомной электростанции, системы управления газотурбинными энергетическими установками
типа М36Э, а также ряда систем управления технологическими процессами ЯЭУ, Достоверность результатов настоящей работы подтверждается опытом их применения в системах управления (см. Приложение 1).
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях "Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств" (Л., 1992), "Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств" (Л., 1995) и "Проблемы создания систем управления и обработки информации" (СПб., 2000).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в работах [24...35], где личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем:
разработке аналитических методов синтеза нелинейных сигналов [24];
разработке структуры и оптимизации функций преобразования устройств компенсации влияния температуры свободных концов термопар [25, 32];
постановке и решении оптимизационных задач [26];
синтезе зависимостей оптимальных значений параметров аппроксимирующих функций от максимального значения преобразуемой температуры [27];
постановке и решении задачи оптимизации модульного состава термометрических приборов и разработке схемотехнического решения вторичных преобразователей сигналов термопреобразователей сопротивления [29];
разработке структуры канала преобразования температуры [31, 33];
разработке метода синтеза устройства для измерения и контроля температуры [34];
разработке структуры и анализе преобразователя тока [35].
Особенности преобразования теплофизических параметровядерных энергетических установок
Возрастающие требования к безопасности ЯЭУ, усложнение конструкции и увеличение объёма взаимосвязей их компонентов приводят к ужесточению требований, предъявляемых к точности поддержания параметров тепловых процессов, протекающих в ЯЭУ. Системы управления ЯЭУ характеризуются рядом особенностей, обусловленных повышенной опасностью объекта управления. Так, в соответствии со схемой, показанной на рис.1 Л, выделяют системы, влияющие на безопасность, в частности, управляющие и защитные системы безопасности, для функциональных групп и элементов которых установлены специальные классы и категории безопасности (рис, L2), а также основополагающие принципы проектирования [13...15]. В соответствии с принципом апробированное [13] допускается применение в подсистемах, относящихся к классу безопасности 2 и категориям К1 и К2 (рис. L2)3 только апробированных технических решений и элементной базы. В результате этого ограничения реализация функции защиты осуществляется лишь средствами аналоговой техники и жёсткой логики. При этом, исходя го принципов безопасного и единичного отказов [13], необходимо сокращать длительность ремонтно-профилактических работ и обеспечивать взаимозаменяемость составных частей систем управления ЯЭУ [2...4, 16]. Поскольку аппаратная реализация расширенных функций контроля характеризуется высокой сложностью, с учётом принципов приоритетности и разнообразия [13], допускается применение программных средств дня выполнения диагностических функций [16, 17].
Температуры рабочих сред и элементов конструкции ЯЭУ составляют свыше 40% от общего количества её теплофизических параметров [6, 18]. Как следует из таблицы 1 Л, в связи с небольшим приращением температуры теплоносителя в реакторе погрешность преобразования температуры оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели ЯЭУ [16]. Так, например, уменьшеїше погреипюсти преобразовашїя температуры теплоносителя первого контура ЯЭУ с 4 до 1 С позволяет увеличить мощность на 9% [12].
С учётом высокой интенсивности внешних воздействий на оборудование ЯЭУ для преобразования температур (в диапазоне до 600С) применяют термопреобразователи сопротивления, изготовленные из платины и никеля, и хро-мель-копелевые термопары, а при более высоких температурах или при воздействии сильных излучений - хромель-алюмелевые термопары [6, 18].
Мощность ЯЭУ, определяющая надёжность активной зоны ядерного реактора, с высокой статической точностью может быть определена термометрическими методами по теплофгоическим параметрам рабочих сред в контурах ЯЭУ [7, 8, 10]. В связи с узким диапазоном преобразования и значительной инерционностью температурных каналов систем управления для определения мощности ЯЭУ в широком диапазоне применяется комбинированный метод, основанный на преобразовании сигналов нейтронного потока, прямо пропорциональных количеству теплоты, выделяющемуся в единицу времени. В каналах преобразования нейтронного потока в качестве датчиков нейтронного потока применяют ионизационные камеры [20] и детекторы прямого заряда [21], преобразующие плотность нейтронного потока в постоянный ток в широком диапазоне (см. табл. 1.1). Поэтому каналы преобразования нейтронного потока, называемые также токовыми каналами, включают преобразователи тока, обладающие логарифмической и линейной функциями преобразования и охватывающие диапазон 5-9 декад [7, 11, 19]. Высокая точность комбинированного метода определения мощности ЯЭУ достигается за счёт коррекции коэффициента преобразования токовых каналов по значениям тепловой мощности ЯЭУ [10, 13]. Применение этого метода в сочетании с математической моделью тепловых процессов установки, управляемой сигналом датчика нейтрошюго потока, позволяет оперативно предотвращать перегрев тепловыделяющих элементов [8, 10, 11]. Таким образом, повышение точности преобразования температуры и сигналов нейтронного потока способствует повышению безопасности и эффективности ЯЭУ, а также снижению топливной составляющей расходов [2]. Точность систем управления ЯЭУ во многом определяется параметрами каналов преобразования тсплофизических параметров, включаюпщх первичные и вторичные преобразователи, линии связи, а также программно-аппаратные средства логико-математической обработки информации. С целью минимизации объёма аппаратуры внутри корпуса ядерного реактора выходные сигналы одних и тех же вторичных преобразователей направляют в системы различного назначения (рис. 1.1). В соответствии с принципами приоритетности функций и независимости [13] реализация таких преобразователей должна обеспечивать выполнение функций защиты при любых неисправностях смежных устройств.
Требования к точности преобразования теплофизических параметров ЯЭУ весьма высоки. В частности, допустимая погрешность преобразования температур в течение всего периода эксплуатации может составлять от 0,5 до 3% [6, 12, 18], а погрешность токовых каналов в различных областях диапазона преобразования может составлять от 1% до 10% [10. 19]. При этом на основании принципа консервативного подхода [13] априорный расчёт пределов погрешности преобразования теплофизических параметров выполняют при наиболее неблагоприятных значениях составляющих [10, 13.„15]. Абсолютная погрешность канала преобразования є(х) может быть представлена выражением.
Линеаризация характеристик термопреобразователей сопротивления
Активное термостатирование преобразователей тока приводит к сокращению ресурса элементов, функционирующих при повышенной температуре, что противоречит требованию повышения надёжности систем управления ЯЭУ. Поэтому наибольшее распространение получил метод активной коррекции температурной погрешности [52, 115, 116] или его сочетание с методом термо-статирования [114], При этом коррекция температурной погрешности осуществляется с помощью устройств компенсации температурного дрейфа, формирующих сигналы, связанные с влияющей температурой. Построение таких устройств с компенсацией "по отклонению" на основе метода "образцовых" сигналов (рис. 1.3,) применительно к преобразователям токов осложнено необходимостью коммутации малого входного тока, поэтому наибольшее распространение в токовых каналах получил принцип компенсации влияния температуры "по возмущению" [41, 42]. Так, в устройстве [115] во входную цепь преобразователя тока поступает сигнал, связанный с температурой toc линейной зависимостью. При этом, как следует из формул (1,9), осуществляется лишь частичная коррекция температурного дрейфа входного тока операционного усилителя. Между тем в ряде случаев эта составляющая является значимой, поэтому применяют специальные методы её коррекции. Так, например, в устройстве [116] сигналом коррекіщи является ток затвора полевого транзистора, аналогичного транзисторам во входном каскаде операционного усилителя, зависимость которого от температуры toc описывается второй из формул (IS). Однако при этом не компенсируется температурный дрейф напряжения смещения нуля. Разброс параметров и режимов работы компенсирующего и усилительных транзисторов снижает эффективность коррекции, что также является существенным недостатком этого технического решения. Общим недостатком преобразователей тока, в которых корректирующие сигналы поступают во входные цепи, является сложность качественной изоляции цепей коррекции, например, резистора с сопротивлением 101 Ом [115], что ведёт к усложнению конструкции и удорожанию этих устройств. Наиболее предпочтительным оказывается метод коррекции температурного дрейфа смещения нуля путём суммирования сигналов температурной коррекции с выходными сигналами преобразователя тока [124]. При этом возможно повышение точности токовых каналов за счёт применения более сложных функций преобразования устройств компенсации температурного дрейфа. Однако вопросы оппшизации таких функции и их реализации в системах управления ЯЭУ не нашли подробного отражения в специальной литературе.
Второе направление развития преобразователей тока обеспечивает повышение максимальных значений преобразуемых токов за счёт более эффективного использования диапазона их выходных сигналов, что достигается в преобразователях тока с нелинейными функциями преобразования, а также многодиапазонных преобразователях тока [52, 115, 116, 118, 119, 125].
Преобразователи тока с логарифмической функцией преобразования [85, 125] характеризуются постоянством относительной погрешности преобразования в широком диапазоне преобразуемого тока и не требуют переключения пределов. В качестве логарифмирующих элементов применяются р-n переходы. Методическая погрешность таких элементов, вызванная отклонением их вольт-амперных характеристик от логарифмической функции» в зависимости от типа логарифмирующего элемента и диапазона преобразуемого тока составляет от 0.5% до 25% [85, 126]. Существенным недостатком логарифмирующих преобразователей тока является тгзкая температурная стабильность их передаточной функции, обусловленная изменением теплового тока и температурного потенциала логарифмирующего р-n перехода при изменении температуры окружающей среды [114, 123, 125], Для коррекции аддитивной составляющей этой погрешности в соответствии с методом инвариантности применяют термокомпен-сирующий р-n переход, параметры которого согласованы с параметрами логарифмирующего р-п перехода [52, 85, 127], Мультипликативную погрешность, вызванную изменением температурного потенциала логарифмирующего p-n перехода, корректируют с помощью дополнительного усилителя, коэффициент передачи которого зависит от температуры окружающей среды [52, 114, 125, 127]. Традиционная реализация такого усилителя с применением терморезисторов не позволяет полностью устранить эту составляющую погрешности [114]. Поэтому в наиболее ответственных случаях применяют термостатирова-ние преобразователей тока, недостатки которого, отмеченные выше, привели к разработке новых типов цепей температурной коррекции. Например, в устройстве, описанном в [125], с помощью АЦП осуществляется деление выходного сигнала преобразователя тока на сигнал, пропорциональный температурному потенциалу логарифмирующего р-n перехода. Недостатками этого устройства, препятствующими его применению в системах управления ЯЭУ, являются повышенные метрологические требования к АЦП, цифровая форма представления выходного сигнала и необходимость применения пяти транзисторов с со гласованными параметрами, находящихся в тепловом контакте.
Более высокой точностью отличаются многодиапазонные преобразователи тока с переключаемыми пределами, в которых осуществляется коммутация масштабных резисторов. Повышение точности таких преобразователей достигается применением механических коммутирующих элементов с улучшенными параметрами [19, 52, 112, 113, 119], а также специально разработанных полевых транзисторов, ток утечки которых в закрытом состоянии не превышает 10" А [52, 125]- Недостатками этих технических решений являются: технологическая сложность и высокая стоимость прецизионных коммутирующих элементов [125]; необходимость обработки информации в каналах преобразования тока с учетом изменяющегося скачком коэффициента преобразования тока; ухудшение быстродействия токовых каналов при коммутации высокоомкых резисторов, обладающих значительной паразитной ёмкостью. При этом время переключения поддиапазонов преобразуемого тока может достигать нескольких секунд [85], что недопустимо в системах автоматического управления ЯЭУ [ПО].
Коррекция нелинейности и мультипликативной погрешности преобразования тока
Для осуществления функционального контроля преобразователя тока предусмотрен вход тестового тока (Ik). Датчики тока ДТН1 и ДТН2 образованы включешшми параллельно резисторами (Rl, R2) и ограничителями напряжения (диоды V2.1, V3.I). Операционный усилитель D2, включенный по схеме повторителя напряжения, обеспечивает пренебрежимо малую разность тока эмиттера транзистора VI и тока, протекающего через датчик ДТН1. Усилитель D5 осуществляет преобразование падения напряжения на резисторе R3 в напряжение U3, К моделям Ml и М2, выполненным на элементах (R\\ R21, VI.2, V2.2), параметры которых согласованы с параметрами соответствующих элементов датчиков тока, приложены выходные напряжения усилителей D3 и D4, равные падениям напряжения на датчиках тока ДТН1 и ДТН2. При идентичности вольтамперных характеристик датчиков тока и их моделей на входы каска-дов, выполненных на операциошіьіх усилителях (D6, D7) с резисторами (R4, R5) в цепях отрицательной обратной связи, поступают токи, равные входному току /. Инвертирующие усилители (D8, D9) обеспечивают масштабирование выходных напряжений преобразователя тока, описываемых выражениям значение теплового тока диодов V2 и V3, при номинальной температуре окружающей среды.
Например, если в качестве диодов применяются попарно согласованные, с точностью до величины Дм 1 мВ транзисторы в диодном включении, типичное значение теплового тока которых при номинальной температуре составляет не более 5-Ю"14 А, а напряжение 11д ограничено величиной 0.125 В при токе до 10"9 А? то величина ц не превышает 0.14 в диапазоне 0 tQC 70 С. При этом разброс токов Slpjf составляет 3.4%, а погрешность Ъ11вых, вычисленная в соответствие с выражением (3.5) при условиях \ЪКп 5 0Л% и \ЪКп 0.05%, не превысит 0.8%.
Как следует из выражений (3,5) и рассмотренного примера, предложенный способ уменьшения температурных погрешностей обеспечивает существешгое повышение точности и стабильности характеристик преобразователя тока (рис. 3.1). При этом для построения нелинейных датчиков тока ДТН1, ДТН2 и их моделей Ml и М2 могут применяться широко распространённые, попарно согласованные р-n переходы, что повышает технологичность рассмотренного способа и позволяет реализовать на его основе устройства с другим количеством выходных сигналов. Указанные преимущества разработанного преобразователя достигаются ценой увеличения объёма аппаратуры, однако, современное развитие технологии уменьшает значение этого недостатка.
Следует отметить, что описанным способом компенсируются только нелинейность и мультипликативная составляющая погрегпности по каждому выходу с линейной функцией преобразования, обусловленные температурным дрейфом параметров датчиков тока. Поэтому с целью получения наиболее точной и достоверной информации о плотности нейтронного потока в системах управления ЯЭУ требуется применение специальных структурно-алгоритмических методов и конструкторских решений, направленных на уменьшение других составляющих погрешности преобразователей тока, в частности, уменьшение аддитивных составляющих погрешности преобразования. аддитивной температурной составляющей погрешности преобразования тока.
Как следует из обзора литературы (см. главу 1), одной из доминирующих составляющих погрешности преобразования сигналов датчиков нейтронного потока в системах управления ЯЭУ является аддитивная погрешность преобразователя тока (смещение нуля), зависящая от температуры окружающей среды toc и других дестабилизирующих факторов. Смещение пуля при номинальной температуре tH0M уменьшается в процессе регулирования преобразователя тока. В этом случае существенной оказывается лишь температурная составляющая, вызванная изменением напряжения смещения нуля и входных токов операционных усилителей при изменении температуры окружающей среды в диапазоне AT я 10 С - приращение температуры, соответствующее удвоению входного тока операционного усилителя [123],
Как отмечено в подразделе 1.2.4 настоящей работы, наиболее предпочтительным является способ активной коррекции температурного дрейфа (3.6) пу-тем суммирования сигналов температурной коррекции с выходными сигналами преобразователя тока. Рассмотрим устройство коррекции температурного дрейфа многодиапазонного преобразователя тока (далее - "устройство коррекции"), построенное в соответствии с принципом компенсации влияния температуры "по возмущению" [26].
В состав этого устройства входят (рис. 3.2, а) датчик температуры toc (ДТ) и формирователь компенсирующего напряжения (ФКН). Выходной сигнал датчика температуры преобразуется формирователем в напряжение UK =U(t0C,a)t где а - вектор параметров функциональной зависимости, описывающей его статическую характеристику. Компенсация аддитивных температурных погрешностей выходных сигналов преобразователя тока достигается путём подачи на каждый из его каналов напряжения UK С соответствующим весом, устанавливаемым в процессе регулирования преобразователя.
Преобразователи выходных токов датчиков нейтронного потока
Экспериментальная проверка результатов теоретическою исследования вторичных преобразователей сигналов термоэлектрических преобразователей (термопар) осуществлена в процессе изготовления и предварительных испытаний модулей типаМФ-АЮЗ (далее "модуль"), являющихся составной частью системы управления "АЗРТ-М2", разработанной и изготовленной для защиты второго энергоблока Ленинградской атомной электростанции.
В соответствии с техническим заданием модуль характеризуется максимальным значением преобразуемой температуры 100 С и пределом основной погрешности преобразования в течение всего периода эксплуатации 1,5% при температуре свободных концов термопар от 20 до 60 С. Функциональный состав, структура и расчёт параметров модуля описаны в подразделах 2Л.З и 2.3.2 настоящей работы. Модуль реализован на отечественной элементной базе, допущенной к применению в системах управления, влияющих на безопасность ЯЭУ. Потенциально достижимое значение основной приведенной погрешности преобразования такого модуля определяется совокупной погрешностью средств измерения, применяемых при проверке его параметров, и, при расчёте в соответствии с моделью 2 стандарта [30], составляет около ±0.22% (для одного комплекта средств измерения).
Фактические значения погрешности преобразования девяти экземпляров модуля при нормальных климатических условиях, полученные при их изготовлении, указаны в таблице 4.2. Статистическая оценка погрешности преобразования вычисленная, по данным таблицы 4.2 методом "пяти оценок" [37] составляет - 0.12%. Результаты испытаний одного из модулей при воздействии климатических и механических факторов содержатся в таблице 4.3.
В результате испытаний установлено полное соответствие модулей типа МФ-А103, спроектированных с помощью описанных выше методов на основе разработанных структурных решений, требованиям технического задания.
Экспериментальная проверка широкодиапазонных преобразователей выходных токов ионизационных камер и детекторов прямого заряда выполнена в процессе лабораторных испытаний модуля ПТК-Б (далее "модуль"), осуществляющего преобразование постоянного тока в напряжения в линейном и логарифмическом масштабах.
Функциональный состав, структура и основные параметры модуля описаны в главе 3 настоящей работы. Модуль реализован по схеме, показанной на рис. 3.5, с применением микросхем AD795K (фирмы Analog Devices Inc.) и INA11SPB (фирмы Burr-Brown). Потенциально достижимое значение основной приведенной погрешности преобразования такого модуля определяется совокупной погрешностью средств измерения, применяемых при проверке его параметров, и при расчёте в соответствии с моделью 2 стандарта [30] составляет около ±03% (для одного комплекта средств измерения).
Проверка параметров модуля выполнялась при трех значения температуры окружающего воздуха +25С, +55С и +30С (повторно), а также при колебаниях питающих напряжений па 5% относительно номинальных значений во всех возможных сочетаниях (в режиме контроля). Лабораторные испытания модуля, результаты которых содержатся в техническом отчёте ФГУП НПО "АВРОРА" АМИЕ. 332-Э483, подтвердили его работоспособность и соответствие основных параметров модуля требованиям технического задания.
Как следует из обобщённых результатов испытаний, приведенных в таблице 4.4, разработанные методы синтеза и структурные решения широкодиапазонных преобразователей тока с логарифмїіческой функцией преобразования и многодиапазонных преобразователей тока с линейной функцией преобразования обеспечивают повышение точности токовых каналов систем управления ЯЭУ с улучшенными качественными и эксплуатационными показателями.
Экспериментальная проверка преобразователей температуры и выходных токов датчиков нейтронного потока при воздействии на них различных факторов полностью подтвердила результаты теоретических исследований по повышению их точности и правильность предлагаемых формализованных методик их синтеза.
Результаты экспериментов показали, что практические значения погрешности разработанных каналов преобразования приближаются к потенциально достижимым значениям, определяемым совокупной погрешностью применяемых средств измерений- В случае применения более качественных элементов, конструкционных материалов, а также более точных средств измерений разработанные технические решения и формализованные методики синтеза высокоточных каналов преобразования температур и выходных токов детекторов нейтронного потока способствуют дальнейшему повышению техническо-экопомических и эксплуатационных показателей систем управления ЯЭУ.
С целью получения дополнительной информации представляет интерес применение в процессе экспериментов более точных средств измерения, а также увеличение объёма исследуемой выборки, необходимое для осуществления детального статистического анализа фактических значений погрешности преобразования.
Предложенные в работе технические решения и методы синтеза высокоточных преобразователей сигналов термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей, а также широкодиапазошшх преобразователей тока с линейной и логарифмической функциями преобразования, разработанные для систем управления ЯЭУ, могут применяться в качестве технической базы высокоточных систем управления широкого назначения.
