反应堆热工测量仪表

第一章 温度测量在反应堆的运行控制中，温度是一个非常普遍而且非常重要的热工参数。

它遍布在反应堆各个系统的角角落落，为反应堆的控制起着一个基础但重要的作用。

温度测量仪表根据其测量原理的不同，可以分为：利用固体、液体受热膨胀的性质的膨胀式温度计（又分为液体膨胀式和固体膨胀式温度计)，利用封闭在固定容积内的气体、液体或低沸点液体的饱和蒸汽受热膨胀或压力变化的性质的压力表式温度计(分为气体式、液体式和蒸汽式温度计)，利用导体或半导体受热时电阻式变化的性质的电阻温度计，利用物质的热电性质的热电高温计，以及利用物体热辐射的性质的辐射高温计（分为光学式、辐射式和比色式温度计）。

不同种类的温度计不仅利用测量介质的性质不同而且测量范围也有所区别，比如辐射式温度计要求测量物体温度较高。

在反应堆中常用的温度计只有两种，分别是热电偶式温度计和热电阻式温度。

第一节 热电偶的工作原理及应用当两种不同性质的导体相接触构成一个闭合回路，由于两接触点温度不同，在回路中就会有热电动势存在，这种现象称为热电效应，这两种导体就被称为热电偶。

在实际测量中，两金属往往只有一端接触，相接触的这一端称为测温接点或者热接点，而不接触的另一端称为冷接点。

热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。

图1.1 热电偶由于热电偶测量是以冷接点的温度作为基准的，因此冷接点温度的变化会给热电偶温度的测量带来误差。

为了消除上述误差，在实际应用中常采取补偿的方法，如冷接点温度校正法、冷接点恒温法、补偿导线法和补偿电桥法。

（一）冷接点温度校正法 如果冷接点温度不是零度，而是一个不变或者变化很小的数值可以采用冷接点温度校正法。

热电偶刻度数值表是在冷接点温度为0℃的时候刻度的，而当工作温度为某值0t 时，测得的电动势会和冷接点温度为0℃时有所差别。

这时我们可以利用热电偶的中间温度法则进行校正。

即当热电偶热接点温度为t ，冷接点温度为1t ，某一中间温度为0t ，则有：),(),(),(1001t t E t t E t t E +=，这时我们可以先测得工作温度0t 的值， 然后由热电偶刻度数值表查出)0,(0t E 的值，然后测得在工作温度为0t 时的热电动势的值),(0t t E ，把而这两项相加再查表就可得到热接点的温度，其中),(0t t E 就被称为冷接点温度校正值。

（二）冷接点恒温法冷接点恒温法是利用冷接点温度保持恒定或者波动不大来进行温度补偿的。

冷接点保持恒温的常用方法有：冷接点放在盛油容器里，利用油的热惰性来维持近似恒温或者放在冰水混合物中来取得冷接点的0℃，或者放在电加热恒温器内。

这种方法多利用在实验室里，而在生产现场使用很少。

图1.2 冷端放在冰水混合物中的热电偶温度测量（三）补偿导线法测量仪表往往会将导线引至温度恒定或变化不大的地方，这样我们可以想到将热电偶的冷接点通过导线延长到温度较为恒定的地方，再进行校正。

考虑到成本，我们要找到价格比较低廉的金属作为补偿导线，同时又要保证在测量范围（0℃--100℃）内，补偿导线组成的热电偶的热电性质要与主热电偶完全相同，如采用铜—康铜丝作为镍铬—镍硅合金的补偿导线。

补偿导线使用时需注意：各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；（四）补偿电桥法补偿电桥由普通电阻R1,R2,R3和热敏电阻Rt组成。

在正常工作温度下，如20℃时，电桥处于平衡状态，电桥顶点a,b两点电势相等。

当周围温度变化时，电桥顶点a,b将出现电位差ΔE1，此电势差是由冷接点温度变化所引起的。

同时又由于热敏电阻的电阻值Rt的变化，使得电桥不再平衡a,b将出现电位差ΔE2。

电位差ΔE1和ΔE2大小相等方向相反而相互抵消，所以加上补偿电桥后就能补偿热电偶冷接点温度变化的影响。

图1.2 补偿电桥电路在四种补偿方法中，补偿导线和补偿电桥法是工业中使用最广的，而且在应用中往往是一起使用的。

第二节 测温电阻热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的原理来测温的。

热电阻温度计具有测量精度高，电阻变化与温度线性关系好的特点。

反应堆中常用的热电阻有铂电阻、铜电阻等。

一般金属的电阻值会随着温度升高而增大，在某个温度范围内，阻值Rt 与温度之间的关系是：[1+t )]t r r R R t α=⋅-（ ，其中Rr 是在温度tr 下的电阻值，即ΔR=ɑΔt 。

热电阻的测温电路有两线制、三线制及四线制三种形式，如图1.3所示。

图1.3 热电阻温度计的三种接法第二章 压力测量在反应堆中，压力参数关系到反应堆的运行控制与安全，同时流量‘液位等参数的测量有时也转化为压力测量，因此压力也是反应堆仪表测量的一个重要参数。

压力分为绝对压力和表压力，其中绝对压力是以绝对真空（压力为0）为基准测量的，而表压是以大气压作为基准测量的。

绝对压力值abs P 与表压压力值g P 之间的关系是：at g abs P P P +=，这里at P 是指大气压力。

常用的压力测量仪表按照其工作原理可以分为液柱式、机械式、活塞式和电气式等。

第一节液柱压力计液柱压力计是通过测量被测压力与大气压力不同所导致的液位高度之差，来测定压力或差压的。

液柱压力计中最常用的是U形管压力计。

其原理如图2.1所示。

U形管的一端与大气连通，另一端与需要测量压力的容器相连。

在U形玻璃管中加入液体后，如果被测压力和大气压力不同，U形管左右两侧便会有液面差出现，设液体的比重为ρ㎏／cm3,压力P可由下式给出：△P=P1－P2 =ρg(h1+h2)，图2.1 U形管压力计h为液柱高度差。

常使用的工作体有水、酒精、苯和水银。

将U形管压力计的一根管子做成容积的形式，它的截面积比另外一根管子大得多，这就是单管压力计。

单管压力计由于容积内工作液体高度变化很小，故可以舍去不计，因此只需读得细管段液柱高度的变化就可以计算出表差。

因此与传统U形管压力计相比，只需读一次数，减小了读数误差。

图2.2 单管型压力计1—测量管；2—宽口容器；3—刻度尺第二节弹性式压力计弹性式压力计的工作原理是压力会使弹性元件产生形变，这样便可通过测量形变来得到压力值。

机械形变可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。

常用的弹性压力计有布尔登管式压力计、波纹管式压力计和式压力计特点是结构简单，价格便宜、测压范围宽，测量精度也比较高，在生产过程中获得了最广泛的应用。

图2.3 各种弹性压力计原理图弹簧管 又称波登管(法国人波登发明)压力表在弹性式压力表中历史悠久，应用广泛。

弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。

弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图2.4所示。

管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。

当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p 作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由B 移至B'而产生位移，输入压力越大，位移越大。

图2.3 弹簧管压力计结构 图2.4 弹簧管压力计工作原理第三节 活塞式压力计活塞式压力计是通过受压部位的活塞移动和砝码重量平衡来测定压力。

它的测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。

但结构较复杂,价格较贵。

一般作为标准型压力测量仪器，在弹簧压力表的校正和刻度中，而在工业实用中应用较少。

p xp x 平薄膜波纹膜xp波纹管p x 单圈弹簧管x p 多圈弹簧管154732891020304061—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调节螺钉；9—接头2a 2b r ROθ∆θB B ′A p第四节电气式压力计电气式压力计是利用某些电学元件在受力情况下某种电物理性能的改变来测量压力的，例如：利用导体在外界压力影响下电阻发生变化的性质的电阻式压力计（如金属应变式压力计）；利用某些晶体在一定方向有变形时会产生静电荷（即压电效应)的压电式压力计；利用电容在受力情况下弹性膜片的变形改变了两膜片之间的距离，进而改变电容值的性质的电容式压力计；利用铁磁物体收到机械力后其磁效应会发生改变的现象（压磁效应）的压磁式压力计。

差动电容差压变送器包括差动电容（测量部分）和转换放大电路两部分组成，差动电容的作用是将压力转换成电容比，转换放大电路的作用就是将电容比提取出来，并转变成DC 4～20mA输出。

1151型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品。

第三章 流量测量流量测量方法大致可以归纳为以下几类：(1)利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法；(2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法； (3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量； (4)以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。

第一节 差压式流量计差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。

最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。

产生差压的装置有多种型式，包括节流装置：如孔板、喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。

其他型式的差压式流量计还有靶式流量计、浮子流量计等。

1. 节流式流量计(1) 节流式流量计测量原理根据流体力学的伯努利定理，有:1-节流元件；2-引压管路；3-三阀组；4-差压计 图3.1 节流式流量计结构图图 智能1151型变送器方块图2u 2u 222211ρρ+=+P P ①由流量连续性原理，有：2211A u A u ⋅=⋅ ②令12A A m =,联立方程①②，可解得，P 1、P 2—截面1和2上流体的静压力；()ρ2122211P P m u -⋅-=③图3.2 流体在节流元件前后参数的变化P 1、P 2—截面1和2上流体的静压力； u 1、u 2—截面1和2上流体的流速； A 1、A 2—截面1和2的面积；所以体积流量()ρ21222221P P m A A u Q V -⋅-=⋅= ④同时引入流量系数C 和流体通过节流装置时密度变化的修正系数ε对上式进行修正，得：()()ραερε2122122221P P A P P m A C Q V -⋅=-⋅-=、图3.3 常用的节流装置节流式流量计的优点是结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置已标准化。

缺点是安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为3:1；压力损失较大（文丘里管压力损失最小，而孔板压力损失最大）；对于较小直径的管道测量比较困难 ；精确度不够高(±1%~ ±2%)。