LVDT压力传感器、安全壳内过程压力测量系统及方法与流程

lvdt压力传感器、安全壳内过程压力测量系统及方法
技术领域
1.本发明涉及核动力装置过程测量技术领域，尤其涉及一种lvdt压力传感器、安全壳内过程压力测量系统及方法。


背景技术：

2.在目前的核电厂中，安全壳内过程压力(比如主回路压力、稳压器压力等)测量采用一体电容式压力变送器或分体电感式压力变送器将压力转换为(4～20)ma后送至dcs，dcs使用(4～20)ma标准采集卡进行采集，从而获得过程压力信号。
3.而上述两种方法均存在一定局限性。其中，一体电容式压力变送器的转换电路与感压腔体集成在一起安装在安全壳内，当发生事故时，安全壳内产生的高温高压高辐照环境对转换电路的影响较大，使其在事故下的可用性较差。分体式压力变送器的感压腔体位于安全壳内，转换电路由于不耐辐照安装在安全壳外，安全壳内事故环境对整个测量性能影响较小，但其在安全壳外需要设置信号处理机柜(包容转换电路)将信号转换为标准的(4～20)ma以供dcs采集，少量使用尚可，大量使用对核电厂布置空间及电源设计提出了较高的要求，压力信号采集通道结构复杂，故障率高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种lvdt压力传感器、安全壳内过程压力测量系统及方法，对布置和电源设计要求较低，结构简单，且事故下测量性能好。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.在本技术的第一个方面中，本技术提供了一种lvdt压力传感器，包括壳体和设置于所述壳体内的感压元件、测量杆、感应线圈；当所述感压元件发生形变或位移时，所述感压元件改变所述测量杆与所述感应线圈的相对位置关系，使得所述感应线圈中的电感发生变化。
7.优选地，所述感压元件为感压膜片、波登管或波纹管。
8.优选地，当所述感压元件为感压膜片时，所述感压元件的端面与所述壳体的内壁连接，以形成两个封闭的腔体，且两个所述腔体各设置一个与外界连通的开口；所述测量杆与所述感压元件连接，且所述测量杆设置于所述感应线圈内。
9.优选地，当所述感压元件为波登管或波纹管时，所述感压元件的一端外露于所述壳体，所述感压元件的另一端设置于所述壳体内并与所述测量杆连接，且所述测量杆设置于所述感应线圈内。
10.在本技术的第二个方面中，本技术提供了一种安全壳内过程压力测量系统，包括安全壳、设置于所述安全壳外的dcs采集卡以及如上所述的一种lvdt压力传感器，所述lvdt压力传感器设置于所述安全壳内，且所述lvdt压力传感器中的感应线圈与所述dcs采集卡电连接。
11.在本技术的第三个方面中，本技术提供了一种安全壳内过程压力测量方法，包括
以下步骤：
12.获取所述感应线圈的电感变化量；
13.根据所述电感变化量计算所述安全壳内的过程压力或差压。
14.优选地，所述电感变化量为：
[0015][0016]
其中，δl表示电感变化量，u0表示感应线圈的第一部分电压，u1表示感应线圈的第二部分电压，k3表示系数。
[0017]
优选地，所述过程压力或所述差压为：
[0018][0019]
其中，p表示过程压力或差压，k1表示系数，k2表示系数，k3表示系数。
[0020]
优选地，还包括温度补偿步骤，所述温度补偿步骤用于消除传感器的漂移量。
[0021]
优选地，进行温度补偿过后的所述过程压力或所述差压为：
[0022][0023]
其中，其中，p表示过程压力或差压，k1表示系数，α表示感应线圈的温度系数，k3表示系数，r表示感应线圈的电阻，r0表示感应线圈在0℃时的电阻。
[0024]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0025]
由于本技术的lvdt压力传感器没有电子元器件，只有线圈和测量杆，因此将其运用于核领域的安全壳内时，lvdt压力传感器可承受安全壳内严苛环境条件以及事故后环境条件，相对于传统的一体式电容变送器，可有效提高测量系统耐受能力。
附图说明
[0026]
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，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0027]
图1为本发明lvdt压力传感器的一种结构示意图；
[0028]
图2为本发明lvdt压力传感器的另一种结构示意图；
[0029]
图3为本发明过程压力测量系统的结构示意图
[0030]
图4为本发明过程压力测量系统的原理示意图；
[0031]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0032]
1、壳体；2、感压元件；3、测量杆；4、感应线圈；5、信号输出线；6、安全壳；7、lvdt压力传感器；8、dcs采集卡。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例提供了一种lvdt压力传感器，包括壳体1和设置于壳体1内的感压元件2、测量杆3、感应线圈4；当感压元件2发生形变或位移时，感压元件2改变测量杆3与感应线圈4的相对位置关系，使得感应线圈4中的电感发生变化。
[0036]
具体地，如图1所示，本实施例中的感压元件2设置为感压膜片，感压膜片的端面与壳体1的内壁连接，以形成两个封闭的腔体，同时为了能够进行差压测量，两个腔体各设置有一个与外界连通的开口；测量杆3的一端与感压膜片连接，测量杆3的另一端设置于感应线圈4的空腔内。
[0037]
具体工作时，感压膜片将外界的差压转换为感压膜片的形变，感压膜片的形变产生位移带动测量杆3在感应线圈4中移动，从而导致感应线圈4中的电感发生变化，与感应线圈4电连接的信号输出线5将电感信号传递至外界的处理装置，即可获得对应的差压信息。
[0038]
由于本实施例中的lvdt压力传感器7没有电子元器件，只有线圈和测量杆3，因此将其运用于核领域的安全壳6内时，lvdt压力传感器7可承受安全壳6内严苛环境条件以及事故后环境条件，相对于传统的一体式电容变送器，可有效提高测量系统耐受能力。
[0039]
实施例2
[0040]
本实施例提供了一种lvdt压力传感器，包括壳体1和设置于壳体1内的感压元件2、测量杆3、感应线圈4；当感压元件2发生形变或位移时，感压元件2改变测量杆3与感应线圈4的相对位置关系，使得感应线圈4中的电感发生变化。
[0041]
具体地，如图2所示，本实施例中的感压元件2设置为波登管或波纹管，以下以波登管为例进行说明，波登管的一端外露于壳体1，波登管的另一端设置于壳体1内并与测量杆3的一端连接，测量杆3的另一端设置于感应线圈4空腔内。
[0042]
具体工作时，波登管将壳体1外部的压力转换为波登管端部的位移，带动测量杆3在感应线圈4中移动，从而导致感应线圈4中的电感发生变化，与感应线圈4电连接的信号输出线5将电感信号传递至外界的处理装置，即可获得对应的压力信息。
[0043]
由于本实施例中的lvdt压力传感器7没有电子元器件，只有线圈和测量杆3，因此将其运用于核领域的安全壳6内时，lvdt压力传感器7可承受安全壳6内严苛环境条件以及事故后环境条件，相对于传统的一体式电容变送器，可有效提高测量系统耐受能力。
[0044]
实施例3
[0045]
本实施例提供了一种安全壳内过程压力测量系统，如图3所示，包括安全壳6、设置于安全壳6外的dcs采集卡8以及如实施例1或实施例2所提供的一种lvdt压力传感器7；具体实施时，lvdt压力传感器7设置于安全壳6内，且lvdt压力传感器7中的感应线圈4通过3根信号传输线与dcs采集卡8连接，从而将lvdt压力传感器7产生的电感信号传输至dcs电感采集卡进行处理，以得到相应的过程压力或压差。
[0046]
由于本实施例中的lvdt压力传感器7没有电子元器件，只有线圈和测量杆3，因此将其运用于核领域的安全壳6内时，lvdt压力传感器7可承受安全壳6内严苛环境条件以及
事故后环境条件，相对于传统的一体式电容变送器，可有效提高测量系统耐受能力；同时本实施例的dcs采集使用标准电感采集卡对lvdt压力传感器7产生的电感信号直接进行采集处理，因此无需在安全壳6外设置转换电路，对布置和电源设计要求较低，结构简单。
[0047]
具体地，dcs电感采集卡对测量到的电感信号的处理如图4(实际运用中，图4中的测量杆3本应位于感应线圈4的空腔内，但是在本实施例中，为了便于展示，将测量杆3画在感应线圈4外)所示，过程压力p导致感压元件2发生形变，该形变导致测量杆3在线圈中产生x位移，p和x成线性关系，即：
[0048]
p＝k1*x
ꢀꢀꢀ
(1)
[0049]
其中，系数k1由感压元件2结构决定。
[0050]
测量杆3位移导致感应线圈ⅰ(感应线圈4的第一部分)和感应线圈ⅱ(感应线圈4的第二部分)中的电感发生相反的变化，比如测量杆3靠近感应线圈ⅰ，感应线圈ⅰ的电感增加，感应线圈ⅱ中的电感减少，测量杆3靠近感应线圈ⅱ，感应线圈ⅰ中的电感减少，感应线圈ⅱ中的电感增加。假定测量杆3位移导致感应线圈ⅰ中的电感变化为δl，则相应的感应线圈ⅱ中的电感变化为-δl，则δl为：
[0051]
δl＝k2*x
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0052]
其中，系数k2由感应线圈4和测量杆3的结构设计决定。
[0053]
在本实施例中，感应线圈ⅰ和感应线圈ⅱ为两个结构完全相同的感应线圈4，两者之间为并联关系，dcs采集卡8中施加交流激励电源u，电压u0和电压u1分别反映感应线圈ⅰ和感应线圈ⅱ中的电感变化，且该值可以在dcs采集卡8中被测量到，则：
[0054]
u0-u1＝k3*2*δl
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0055]
其中，系数k3由电路设计决定。
[0056]
综合公式1-3，过程压力和电压变化量的关系可通过如下关系表示：
[0057][0058]
由此可见，在dcs电感采集卡中，测量到电压u0和电压u1后，便可以计算得到过程压力(或差压)p。
[0059]
另外，值得说明的是，感应线圈ⅰ和感应线圈ⅱ的设置方式并局限于上述设置方式，也可以是：感应线圈ⅰ和感应线圈ⅱ是同一个感应线圈4的两个不同部位。
[0060]
进一步地，由于lvdt压力传感器7位于安全壳6内，事故情况下安全壳6内的温度会显著升高(loca下会达到156℃)，lvdt压力传感器7的工作环境温度升高对lvdt压力传感器7结构产生热膨胀作用，从而影响到系数k2，进而影响测量精度，造成事故下测量产生较大漂移。因此，本实施例在在公式(4)的基础上引入温度补偿消除事故下温度对lvdt压力传感器7的影响。具体如下：
[0061]
系数k2与温度t存在一定的函数关系，
[0062]
k2＝f(t)
ꢀꢀ
(5)
[0063]
函数关系f由lvdt压力传感器7的设计结构确定。
[0064]
环境温度为t时感应线圈4的电阻值r的关系如下：
[0065]
r＝r0*(1 αt)
ꢀꢀ
(6)
[0066]
其中r0是0℃时感应线圈4的电阻，α为感应线圈4的温度系数，这两个值均为常数。
[0067]
综合公式(5)和公式(6)，测量到感应线圈4的电阻r便可得到环境温度t对应的系数k2。
[0068]
综合公式(1)～公式(6)，可以得到：
[0069][0070]
公式中的k1、k3、α均为常数，f为已知函数关系、u0、u1、r0为dcs电感采集卡中的测量值，这种方式相对于传统的分体测量方式，去除了中间的信号转换电路。由于在dcs采集卡8中可以通过软件实现对过程压力的计算，计算完后的压力数字可直接送入cpu进行后续处理，故系统测量压力精度高，无需考虑信号转换电路的布置和供电，有利于统一的dcs仪控系统实现。另外，由于计算过程中包含了对环境温度t的影响，在事故情况(比如loca事故导致安全壳6内温度升高)下可以获得较高的测量精度。
[0071]
实施例4
[0072]
本实施例提供了一种安全壳6内过程压力测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0073]
获取感应线圈4的电感变化量；
[0074][0075]
其中，δl表示电感变化量，u0表示感应线圈4的第一部分电压，u1表示感应线圈4的第二部分电压，k3表示系数，由dcs采集卡8内部的电路设计决定。
[0076]
根据电感变化量计算安全壳6内的过程压力或差压：
[0077][0078][0079]
其中，p表示过程压力或差压，k1表示系数，由感压元件2结构决定，k2表示系数，由感应线圈4和测量杆3的结构设计决定。
[0080]
进一步地，由于lvdt压力传感器7位于安全壳6内，事故情况下安全壳6内的温度会显著升高(loca下会达到156℃)，lvdt压力传感器7的工作环境温度升高会对lvdt压力传感器7的结构产生热膨胀作用，从而会影响到系数k2，进而影响测量精度，造成事故下测量产生较大漂移。基于此，在实施例中，还包括温度补偿步骤，用于消除传感器的漂移量。具体地，本实施例在公式p＝k1*((u0-u1)/(2*k2*k3))的基础上引入温度补偿以消除事故下温度对变送器的影响，因此，本实施例中的过程压力或差压为：
[0081][0082]
其中，α表示感应线圈4的温度系数，r表示感应线圈4的电阻，r0表示感应线圈4在0℃时的电阻。
[0083]
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。