Способ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора

сийской Федерации и товарным знакам омитето патент ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ КЭ кому свидетельству ич фф 1(56) Браунинг У.Е. и др. Термопары дляизмерения поверхности тепловыделяющихэлементов./В кн.: Измерение температурыв объектах новой техники. М.: Мир, 1965,с.бб. Вг 1 п 8 еу 1.Н. Еча 1 оп о 1ТЬеггпосоор 1 е ТЬегва 1-1.оабп 8. Еггогз аког аЗапасе-Аасйеб ТЬегвосопре оп а Ра 1 Р 1 а(е Рые Еевеп 1. - Хпс 1. Зс. апб Епрщ.,1965, т.23, Я 4, р.313-328.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА В АКТИВНОЙ ЗОНЕЯДЕРНОГО РЕАКТОРА(57) Изобретение относится к способамопределенной температуры объектов с помощью термоэлектрических преобразователей (ТЭП) в условиях активной зоныядерного реактора, например, при измерениитемпературы тепловыделяющих элементов, висследованиях радиационного материаловеде(19) ЗЮ (11) 1825103 (1 З) А 1 ния и др. С целью повышения точностиопределения температуры обьекта в активнойзоне ядерного реактора после установки ТЭПв активную зону и измерения его показанийпри нагревании чувствительного элементатермоэлектрического преобразователя регист- ООрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируютрезультат регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, фнормируют полученный интеграл на единный начальный скачок этой зависимости, аопределение поправки на методическуюпогрешность осуществляют по математическому выракениюЬТчг (г 1/С)1где г - удельное энсрговыделение в материале чувствительного элемента, Вт/м; 1з,- нормированный на единичный начальныйскачок температуры интеграл результатарегистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, С: С,удельная теплоемкость материала чувствительного элемента, Да/(м К). 2 ил, 1825103Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к температурным измерениям в активной зоне ядерного реактора с помощью термоэлектрическогопреобразователя (ТЭП) и может быть использовано для определения истинной температуры О термометрируемого обьекта поее измеренному значению Тимм,Цель изобретения - повышение точности определения истинной температуры объекта в активной зоне ядерного реактора.Укаэанная цель достигается тем, что в способе определения температуры обьекта в активной зоне ядерного реактора, включающем нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в активной зоне ядерного реактора пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, определение параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, определение поправки на методическую погрешность и вычислениеразности между показаниями термоэлектрического преобразователя и поправкой на методическую погрешность, при нагревании чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируют результат регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени и полученное значение интеграла нормируют на единичный начальный скачок этой зависимости, а определение поправки на методическую погрешность осуществляют по математическому выражениючЬТ = - 1 (1)чч С нчгде ЬТя - поправка на методическую погрешность, К;г 4 - удельное энерговыделение в материале чувствительного элемента, Вт/м;С - удельная теплоемкость материала чувствительного элемента; Дж/(м К);и- нормированный на единичный начальный скачок температуры интеграл результата регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, с.При этом предполагается, что отсчет регистрируемой температуры чувствительного элемента ведется от нулевого значения, т.е. что температура чувствительного элемента непосредственно после импульсного нагрева ТЭР равна скачку ЬТо в процессе импульсного нагрева.10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В чувствительном элементе ТЭП, помещенного в активную зону ядерного реактора, за счет поглощения излучений индуцируется энерговыделение, которое приводит к тому, что температура чулстяительного элемента выше температуры стенки отверстия в объекте, куда вмонтирован ТЭП. Это превышение, представляющее собой методическую погрешность, является итогом теплового баланса: накопления тепла за счет энерговыделения и его стока в объект. Интенсивность отвода тепла определяется условиями теплообмена между чувствительным элементом и объектом. Для адекватною учета этих условий и генерируется дополнительное энерговыделение в чувствительном элементе пропусканием импульса электрического тока через термоэлектроды.Проводимая непосредственно после импульсного нагрева чувствительного элемента ТЭП регистрация зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходима для того, чтобы по характеру его охлаждения оценить реальные условия теплообмена между ТЭП и объектом и учесть эту оценку при определении поправки на методическую погрешность, обусловленную наличием радиационного энерговыделения в материале чувствительного элемента ТЭП, в отличие от прототипа, где результаты определения параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, выражаемые показателем тепловой инерции ТЭП в его рабочем положении, используют для оценки динамических свойств ТЭП и характеристики качества его заделки в объект.Интегрирование зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходимо, поскольку именно интеграл от этой зависимости, нормированный на ее единичный начальный скачок, адекватным образом отражает реальные условия теплообмена между чувствительным. элементом и термометрируемым объектом.Действительно, если на поверхности чувствительного элемента ТЭП или на стенке отверстия в термометрируемом обьекте, где ТЭП установлен, имеются выступы и включения, которые препятствуют плотному прилеганию чувствительного элемента к объекту, то сток тепла от чувствительного элемента, индуцированного в ТЭП пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, будет слабым, и зарегистрированная температурная зависимость чувствительного элемента от времени будет слабо убывающей. Соответ 1825103ственно интеграл от функции, описывающей зарегистрированную зависимость, раоный площади между графиком этой зависимости и осью времени и нормированный на единичный ее начальный скачок, будет относительно большим, Согласно формуле (1) значение методической погрешности будет также большим,Если же поверхности чувствительного элемента и отверстия в обьекте гладкие и контакт между ними плотный, то сток выделившегося в чувствительном элементе тепла будет интенсивным, и здрегистрированная температурная здоигимость чувствительного элемента от времени будет быстро убывающей, Малым будет в этом случае интеграл от функции, описывающей зарегистрированную зависимость температуры чувствительного элемента от времени нормированный на единичный ее началь. ный скачок, и соответственно малои будет поправка на методическую погрешность, вычисленная по формуле (1),Таким образом, использование интеграла от зарегистрированной зависимости температуры чувствительного злел 1 ента от времени обеспечивает адекватный учет комплекса упомянутых факторов, определяющих условия теплообмена между чувствительным элементом и обьектом,Нормирование полученного интеграла на единичный начальный скачок (единичное начальное значение) зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходимо, поскольку по предлагаемому способу таким нормированным на единичную начальную температуру интегралом 1 н выражается величина методической погрешности ЛТ формулой (1). Фактически данный нормированный интеграл представляет собой интеграл от импульсной функции К(т; т), которая описывает охлаждение чувствительного элемента ТЭП, получившего за счет его д-импульсного нагрева в момент времени 1 " т скачкообразное приращение температуры на 1 К по отношению к температуре окружающей среды, которую можно принять равной нулю, Такое скачкообразное приращение температуры получают импульсом электрического тока, пропускаемого через термоэлектроды ТЭП, Однако регистрация столь относительно малого изменения температуры наиболее широко применяющимися на практике средствами сложна. Кроме того, заранее установить режим нагрева чувствительного элемента импульсом электрического тока, обеспечивающий приращение его температуры рав но нд 1 К, также сложо. Поэтому Г уГк:нием илпульса электрического тол д ;о тмоэлектродам осуществляют ил;пуд,гнагрев чувствительного злеметд, г одч5 ему начальное скачкообразное прирдщеитемпературы нд 20-50 К 3 процесс г - лаждения чувстоителього элементд рогтрируот зависимость его темпергтурвремени, затем интегрирует эту . лиг,10 мость и полученный результат гр;ирггнд единичный начальный скачок (едии оначальное зндчение) зарегистрирован;ойзависимости, тдкил 1 образом получая 1 г бчемое значение интегрзлд 1 от ил 1 пулъго15 функции,В порядке обоснования предложеногоспособа рассмотрим общий случай, когдаТЭП, рабочая часть которого илеет формутонкого стержня радиуса г, помещен в от.20 верстие, выполненное в термометрируемомобъекте, находящемся в активной зонеядерного реактора при температуре 0(1).Температура Т(т) его чувствительного элемента при этом описывается уравнением25с)Т( ) . чг) (.(4)чгде под знаком интеграла импульсная функция К(1; ) т е ( ) является решением45уравнения ОК/бт+Л К - 0 при начальном условии К(т;т) - 1 и описывает процесс охлаждения чувствительного элемента после егомгновенного д - импульсного нагрева в момент времени 1 - т на величину Л То = 1 К,причем можно принять Т- О,На практике такой нагрев осущесте;яют импульсом электрического тока, пропускаемого по термоэлектродам. Если ТЭПпри этом находится в рабочих условиях, топо скорости его охлаждения, которая характеризуется скоростью убывания, импульсной функции, можно судить о качествеконтакта между чувствительным элем нтомТЭП и обьектом. В реакторных условиях приналичии радиационного энерговыделенияскорость убывания импульсной функциикачественно хардктериэует еепи сину методической погрешности ЛТпч, Лпя количественной оценки Л Тсг, на стационэрном режимеработы реактора (г)ч, с,) = сопя с -с ос) из 5выражения (4) получаемс)Т(со) 0 = ЛТ =- - , 1)пс .) К(1, т)с)тпч Сч сэ оэ и (5)с. 10или обозначив ) )пс .) Ксс.; тт = 1е- сО оиз соотношения (5) получим формулу (1),Такое экспериментальное выявлениепараметров теплообмена между термоэпектрическим преобразователем и объектомобеспечивает их адекватный учет при оценке методической погрешности и, следовательно, повышение точности определенияистинной температуры объекта в активной 20зоне ядерного реактора.На фиг,1 показана блок-схема установки для осуществления способа.Установка состоит из блока 1 контролятермоэлектрических преобразователей 25(БКТ); блока 2 измерения переходных характеристик ТЭ П (И ПХ-ТЭ П); цифропечатающего устройства 3 (БЗМ),Блок БКТ включает в себя коммутатор 4,регулятор тока 5 и источник питания 6, а 30блок ИПХ-ТЭП содержит дифференциальныйусилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8, регистр числа 9, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 10, регистрввода 11, выходные формирователи 12, генератор 13 импульсов нагрева, генератор14 тактовых импульсов, регистр 15 суммы,устройство 16 управления и источник 17 питания.Управление работой всей установки 40осуществляет блок 16. Функциональнаясхема блока 16 приведена на фиг.2 и включает в себя триггер 01, управляемый кнопками "Пуск" и "Стоп". Этот триггер включаетрежим измерения, При этом запускается генератор 13 импульсов нагрева, генератор 14тактовых импульсов, ОЗУ 10 переводится врежим приема информации, обнуляются регистры числа 9 и суммы 15, По окончаниипроцесса измерения триггер 01 переводится в исходное состояние сигналом "Сброс",поступающим из регистра адреса, входящего в состав ОЗУ 10,Триггер 08 управляет кнопками "Выход" и "Стоп", обеспечивает режим вывода 55информации на цифропечатающее устройство (ЦПУ) 3, Этот триггер переключает ОЗУ10 в режим вывода информации и включаетЦПУ 3. Триггер 016 перекпю спет еьскод регистра 11 с регистра сумслы 15 нп ОЗУ 10. Остальные погические эпеслесстьс обеспечивают формслроеание соответствующих управляющих элементов,Способ осуществляется следующим образом,Подключают контролируемый ТЭП к выходным клеммам блоке БКТ, необходимая величина тока нагрева выстпепяется регулятором тока 5 в режиме контроля, включается режим измерения. В режиме измерения коммутатор 4 подключает ТЭП к источнику переменного тока 6 через регулятор тока 5 на время, определяемое генератором 13 импульсов нагрева, по окончании импульса нагрева коммутатор 4 подключает ТЭП к дифференциальному усилителю 7. Усиленное напряжение остывающего ТЭП оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 8 с частотой дискретизации 50 Гц, заносится в регистр числа 9 и суммируется в регистре суммы 15. Из регистра числа информация зангссится в ОЗУ 10, которое запоминает все 511 отсчетов режима измерения до начала следующего измерения или до выключения питания. В режиме вывода информации включается ЦПУ 3 и по его запросу в регистр вывода 11 записывается информация сначала из регистра суммы 15, а затем иэ ОЗУ 10, которая через выходные формирователи поступает на ЦПУ 3. На ленте цифропечатающего устройства 3 слева печатается четырехразрядный адрес числа, а справа - первое шестиразрядное число - суммам всех отсчетов (интеграл), последующие 511 трехраэрядных чисел - текущие отсчеты. Генератор 14 тактовых импульсов и устройство управления 16 формируют необходимые сигналы, управляющие работой всей установки. Источник питания 17 обеспечивает блок ИПХ-ТЭП стабилизированным напряжением; 12 В, 5 В, -12 В.При этом для заданного начального скачка температуры Л То чувствительного элемента величину подаваемого токанаходят иэ соотношения/Т С0,63 т В (6)ими пгде Ст - удельная теплоемкость термоэлектродов, Дж/(К м);Ви - суммарное погонное омическое сопротивление термоэлектродов, Ом/м;Т ими - длительность импульса электрического тока, с.Далее снимают с ленты цифропечатающего устройства значения интегралаотО.= Тизм ЛТяч 50 эдрс гтст ррэтдьь ои здеисигости телпердтуры утстттелього элем ьтд от трегиеьт д тдкж снилдю нэчдльный скдчок темпердтуры ЛТчувствительного элемен д и вычисляют отоеьте итегрдд к ндчдльногиу скдчку тегтердуры, рдтгое 11Л 1 Вычисляют зндчеие летодической по.гревости по ФорглулесЛ = . 1эччОпределяют истинную температуру Ообъекта как Описанный порядок операций обеспечивает учет комплекса факторов, определяющих теплообмен между чувствительным элементом и обьектом, что повышает точность определения истинной температуры.Проверка возможности реализации предлагаемого способа и оценка достигаемой им точности по сравнению с известными проведена для ТЭП градуировки ВР 5/20 на исследовательском реакторе ИВ ВМ в среде азота при температуре фазового перехода химически чистой меди( 0= 1083 С), Исходные данные для расчета мяч,ч = =1,03 10 Вт/м; С= 3,037 10 Дж/(м К); г=1 10 м; коэффициенттеплопроводно.зсти азота Ял 2 = 7.2 10 Вт/(м К); величина зазора Ь между чувствительным элементом и объектом находится в пределах 0,01- 0,1 мм; расчетное значение коэффициента теплоотдачи а. оцененное приблизительно как а =Лл 2/Ь, находится в пределах =(7,26 - 0,73) 10 Вт/(м К), Расчетное значение ЛТс, вычисленное по известному способу находится в пределах = 7,1-71,2 К,Для оценки ЛТ по предлагаемому способу ТЭП ВР 5/20, предварительно помещенный в тонкостенный молибденовый капилляр, устанавливали затем в медный блок. Нагревали чувствительный элемент импульсом электрического тока, пропускаемого по термоэлектродал, длительность которого х имп выбирали из условия г и(т о,бз, где т о,бз - постоянная тепловой 15 20 25 30 35 40 45 иепции ТЭП в ледьом блсьь е"ь, и ь г ь: и гзто мдло;т, нд рэтд сред по едгьиь ь агреогл чувствителььто элегь та 1 Гь г и л: = 1 0 с Тими = 0 05 с. 1 дчдльыи с,октемпердтуры Л Тсь выбирдли рдвным пятиратной величине инструлетальор погревности Л Тиьстр ТЭП, что обе:теидльддежную регистрзцио зависимости темпеПдьуры чувствительного:легеьтз о врегле ни при его охлаждении. При ЛТир "4 КЛТь =-5 Л Тиистр " - 20 К Для ТЭП ВР 5/20 среднее зндчение сулмдрного погонного омического сопротивления гп термоэлектродов диаметром 0,35 мм составляет примерно 4,0 Ом/м, удедыая теплоемкость термоэлектродов С, = 0,5 Дж/(К м). По формуле (6, находим, что величина рабочего импульса гока = 5 А, Снимзли и интегрировали зависимость темературы чувствительного элемента от времени с помощью "Измерителя переходных характеристик", Величина интеграла, нормированного на единичный начдльный скачок температуры составила 0,547 с, Вычисляя поправку на методическую погрешность по предлагаемоглу способу с помощью формулы (1), получим ЛТп = 18,6 К,Контроль точности оценки Л Тс полученной по предлагаемому способу, проводили на исследовательском реакторе ИВВМ Медный блок с помещенным в него ТЭП устанавливали в облучательное устройство, которое затем загружали в активную зону реактора. На номинальной мощности реактора медный блок расплавлялся за счет радиационного энерговыделения, при этом его температура 0 составляла 1083"Г, а измеренное ТЭП значение Тилм составило 1103 С, Экспериментальное значение ЬТ, = Тизм- О = 20 К, Определе,ное по предлагаемому способу значение ЛТя, отличается от экспериментального на(-1,4):(= 7 ), а найденное по известному способУ - на = (-13 - +51)К (= -65 - +250)7 ь.Тдким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивают повышение точности определения температуры обьекта, находящегося в условиях активной зоны ядерного реактора.Формула изобретенияСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРАСпособ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора, включающий нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в активной зоне ядерного реактора пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, определение параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, определение поправки на методическую погрешность и вычисление разности между показаниями т. рмозлектрического преобразователя и поправкой на методическую погрешность, отлюающийся тем, что. с целью повы ения точности определения температуры объекта, при нагревании чувствительнг го элемента термоэлектрического преобразователя регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируют, результат регистрации зависимости тем пературы чувствительного элемента отвремени, и нормируют по-лученный интеграл на единичный начальный скачок этой зависимости, а определение поправки на методическую погрешность 10 осуществляют по математическому выра- жению чтС цчгде О, - удельное энерговыделение в материале чувствительного элемента;С - удельная теплоемкость материала чувствительного элемента;1 я - нормированный на единичныйначальный скачок температуры интеграл результата регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени.1825103 О ставитель Л. Пилипенхред М.Моргейтал Корректор С.Патрушева то аказ 30 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 лПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10