LCSR法响应时间原位测量装置的设计与实现

宋延勇

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

LCSR法响应时间原位测量装置的设计与实现

宋延勇

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

温度计的响应时间通常是在试验室条件下采用浸入式方法进行离线测量，无法反映其在不同的运行工况条件下响应时间的变化。NB/T 20338-2015《核电厂安全重要电阻温度计响应时间原位测量》给出了回路电流阶跃响应(LCSR)法电阻温度计响应时间原位测量的原理，但国内尚未实践。基于NB/T 20338，研制了一种LCSR法电阻温度计响应时间原位测量装置。该装置的阶跃电流控制范围为4～40 mA，最高采样频率为100 Hz，装置电压测量精度为0.1%。对Pt100铂电阻温度计响应时间的测试结果表明，阻值变化和等效温度阶跃与阶跃电流大小成正比，不同阶跃电流下测量结果的相对标准差可优于5%。在两种不同表面换热条件下响应时间的测试验证了表面传热系数对响应时间的影响。测试结果还表明，阶跃电流下降法的相对标准差优于阶跃电流上升法。装置的研制为开展核电站现场应用研究奠定了基础。

原位测量； LCSR； 响应时间； 传热系数； 阶跃电流； 铂电阻

0 引言

核反应堆用电阻温度计的快速、有效响应，可以确保反应堆在发生较大温度瞬态变化时能够及时实现停堆。因此，对其响应时间的准确测量非常重要。目前，国内对温度计的响应时间是在试验室条件下采用浸入式方法进行离线测量，无法反映其在不同的运行工况条件下响应时间的变化。回路电流阶跃响应(loop current step response，LCSR)[1]法用于在电阻温度计正常运行工艺条件或其近似条件下，获得其在役期间实际运行条件下的响应时间，是一种较为常用的电阻温度计响应时间原位测量方法[2]。NB/T 20338-2015《核电厂安全重要电阻温度计响应时间原位测量》给出了LCSR法电阻温度计响应时间原位测量的原理，但国内尚未实践[3]。由于电阻温度计的响应时间取决于其运行期间的工艺温度、压力、流量以及被测介质的物性参数，因此采用原位测量方法能够更为准确地获得在特定工况下的温度计真实响应时间，同时能够避免传感器拆卸检测重新安装等过程可能造成的人因失误[4-5]。

1 LCSR法响应时间测量原理

在初始平衡状态下，热电阻温度计与周围流体温度保持一致。将若干毫安的阶跃直流电流加至热电阻引线，由于电流的输入产生了焦耳热，产生的热量造成了电阻自身的温度增加，导致通过界面交换的热量也增加。当单位时间通过界面交换的热量与电流产生的焦耳热再次平衡时，热电阻的温度再次保持恒定。

在忽略物体内部导热热阻的前提下，温度传感器的响应时间可以使用集总参数法简化分析。采用非稳态、有内热源的导热微分方程式，由于忽略物体内部热阻，温度与坐标无关，采用简化式[6]：

(1)

(2)

式中:V为体积，m3；I为电流，A；R为电阻，Ω；A为换热面积，m2；h为对流换热表面传热系数，W/(m2·K)；t∞为流体温度，℃。

所以：

(3)

求解该导热微分方程式，得：

(4)

真实电阻温度计通常不满足集总参数法简化分析的前提条件，不能通过理论分析法求得响应试验，此时采用试验的方法计算响应时间。电阻温度计动态响应特征分别由流体温度与焦耳效应产生的热量与电阻温度计的阻值之间的传递函数表征。

对于流体温度变化：

(5)

阶跃电流焦耳效应所产生自热量为：

(6)

式中:Bi为毕渥数；P为拉普拉斯算子；Pj为方程式的极点；Zj为方程式的零点。

通过变换分别得到传递函数(5)和(6)的模态响应方程，表示为：

(7)

(8)

式中:A0、Ai、B0、Bi为频域传递函数转换为时域动态响应方程时的常数。

(9)

(10)

(11)

以此类推，可以通过方程式极点值求得Ai。

阶跃电流产生的响应时间数据依据方程(8)，通过计算机拟合估算得出方程式极点值;将其代入方程(7),可以重新计算流体温度变化的模态响应方程，进而估算出相同工况条件下流体温度变化响应时间。

2 测量装置

2.1 测试装置构成

测试装置原理如图1所示。

图1 装置原理图

图1中：Rt为热电阻温度计； Rs为标准电阻；I为受控恒流源； A/D为数据采集器； PC为数据处理与控制计算机。

2.2 试验方法与关键参数

同步测量标准电阻与热电阻温度计两端电压，根据串联电路分压原理，按式(12)计算得到热电阻温度计阻值。

(12)

式中:Ut为热电阻温度计两端电压，V;Us为标准电阻两端电压，V。

根据NB/T 20338-2015《核电厂安全重要电阻温度计响应时间原位测量》标准要求，LCSR装置的阶跃电流控制范围为4～40 mA，最高采样频率为100 Hz，装置电压测量精度为0.1%，阶跃电流大小取决于电阻温度计的类型及其工作温度。

3 试验数据

试验对象为允差等级为A级的两线制Pt100铂电阻温度计。采用LCSR法电阻温度计响应时间原位测量装置，测量在阶跃电流作用下其阻值随时间的变化，得出其响应曲线。计算阻值达到阶跃变化63.2%的渡越时间作为响应时间τ63.2。为了便于进行响应曲线数据的比较，采用离差标准化法对原始数据进行归一化转换。

3.1 阶跃电流大小的影响

将铂电阻放入一定流速的水中，水温为常温(25±2)℃、流速为4 m/s，在铂电阻允许流过的电流范围内通入不同大小的阶跃电流，采用LCSR法试验装置测量其响应时间，获得的不同阶跃电流值测试结果如表1所示。

表1 不同阶跃电流值测试结果

表1表明，随着阶跃电流的增加，铂电阻两端的起始电压和达到热平衡状态时的最大电压随之增加，阻值变化和等效温度阶跃随着阶跃电流的增加而增加。当阶跃电流为30 mA时，其等效温度阶跃为11.98 ℃，已大于JB/T 8627-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》中响应时间测试温度阶跃不大于10 ℃的要求[7]；当阶跃电流为40 mA时，其等效温度阶跃为22.08 ℃仍小于GB/T 25838-2010《核电厂安全级电阻温度探测器的质量鉴定》中非LCSR法响应时间测试温度阶跃为(55±2.5)℃的要求。

当水的流速为4 m/s时，不同阶跃电流响应曲线如图2所示。从图2可以看出，不同阶跃电流下的响应曲线的差异较小且趋势一致，阶跃电流越高其阻值变化范围越宽，相应提升了测量数据的信噪比，获得的响应曲线越平滑。

图2 不同阶跃电流响应曲线(v=4 m/s)

不同阶跃电流值下测得的响应时间τ63.2及其测量结果标准差如表2所示。表2表明，铂电阻温度计采用不同阶跃电流下获得的响应时间测量结果的相对标准差优于5%。经计算，不同阶跃电流下响应时间的测试结果平均值的相对标准差为1.55%，同样优于5%。阶跃电流的大小影响测量结果的分散性。相对而言，阶跃电流越大，信噪比越高，测量结果分散性越小。

表2 响应时间τ63.2及其测量结果标准差

3.2 不同流速工况条件的影响

分别在静止和具有4 m/s流速的两种不同水流速工况条件下，采用不同的阶跃电流进行响应时间测试。

当水静止时，不同阶跃电流响应曲线如图3所示。图3与图2在同一流速工况条件下的结果相近。

图3 不同阶跃电流响应曲线(静止水)

处于静止水中和4 m/s流速水中铂电阻温度计，在阶跃电流同为30 mA时的响应时间曲线如图4所示。由于表面对流换热系数和流体的流速正相关，所以4 m/s流速水中比静止水中铂电阻温度计的对流表面换热系数大，反映在曲线上在同一阶跃电流下其响应曲线在上升段的斜率更高，响应时间值更小。

图4 不同对流表面换热系数响应曲线

表3为静止水中和4 m/s流速这两种工况条件下，不同阶跃电流值的测试结果。数据表明，在同样的阶跃电流下，对流表面换热系数越大，其铂电阻阻值变化越小，相应的等效温度阶跃也越小。由于对流表面换热系数大，其响应时间的值相对更小，温度响应更快，和响应曲线反映的结果一致。同时还说明铂电阻温度计耐受的阶跃电流值的大小不仅与其本身的特性有关，还和表面对流换热系数有关。表面对流换热系数越高，在同样阶跃电流下等效温升越小，耐受的阶跃电流值越大。

3.3 阶跃上升和阶跃下降的影响

LCSR法响应时间测试可以采用阶跃电流上升和阶跃电流下降两种检测方法。阶跃上升是具有内热源的非稳态导热过程；阶跃下降时铂电阻被冷却，相当于具有负的内热源。在30 mA阶跃电流下，采用两种方法对在同一流体工况条件下的铂电阻的响应时间进行测试，得到不同电流阶跃方式下的响应曲线如图5所示。

图5 不同电流阶跃方式下的响应曲线

I/mA阻值变化/Ω等效温度阶跃/℃τ63.2/s4m/s水中静止水中4m/s水中静止水中4m/s水中静止水中201.882.524.836.452.653.82253.054.057.8310.392.574.01304.675.7611.9814.762.563.82

从图5可以看出，阶跃电流上升和阶跃电流下降两种测量方式对测量结果的影响较小，两种测量方法均获得一致的阶跃响应时间曲线。表4为阶跃电流上升和下降两种检测方法的LCSR法测试结果。

表4 不同电流阶跃方式下的测试结果

数据表明，两种方法测得的平均响应时间偏差较小，且阶跃电流下降方法比阶跃电流上升法的响应时间测试结果的相对标准差小。分析表明，阶跃电流上升法在检测铂电阻阻值变化过程中，由于测试系统中电流源输出大电流对系统造成了干扰，导致结果分散性较大。而阶跃电流下降法中阶跃电流源的断开，减少了电流源引入的干扰，导致结果分散性更小。

4 结束语

本文基于串联电路分压原理，研制了一种典型LCSR法电阻温度计响应时间原位测量装置。该装置满足NB/T 20338-2015《核电厂安全重要电阻温度计响应时间原位测量》标准要求。

对允差等级为A级的两线制Pt100铂电阻温度计进行试验分析表明：铂电阻阻值变化和等效温度阶跃随着阶跃电流的增加而增加，铂电阻温度计采用不同阶跃电流下获得的响应时间测量结果的相对标准差优于5%。同样的阶跃电流下，对流表面换热系数越大，则铂电阻阻值变化和等效温度阶跃越小，温度响应越快。表面对流换热系数越高，铂电阻耐受的阶跃电流值越大。阶跃电流下降比阶跃电流上升法的响应时间测试结果的相对标准差小，电流源干扰的消除导致结果分散性更小。

日后还需进一步对不同类型的电阻温度探测器进行试验分析，研究原位法的适用范围及具体测试要求。通过研究原位法与浸入式方法测试结果的差异，并建立计算机程序模型确定响应时间测量结果的转换算法，以进一步探索其中的误差机理，进而开展开展核电站现场应用研究。

[1] IEC. Nuclear reactors-Response time in resistance temperature detectors(RTD)-in situ measurerments: IEC 61224-1993[S].1993.

[2] 能源行业核电标准化技术委员会.核电厂安全重要仪表通道性能监督试验:NB/T 20069-2012[S].北京：原子能出版社，2012.

[3] 能源行业核电标准化技术委员会.核电厂安全重要电阻温度计响应时间原位测量:NB/T 20338-2015[S]. 北京：机械工业信息研究院，2015.

[4] 张勇,张发启.一种热电阻动态特性原位校准方法[J].空军工程大学学报,2004,5(4):76-79.

[5] 刘亮辉,余刃.核动力装置测量仪表在线检测与校准技术研究[J].自动化与仪表,2009,24(8):9-13.

[6] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].3版.北京:高等教育出版社,1998.

[7] 全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.工业铂热电阻技术条件及分度表:JB/T 8622-1997[S].北京：仪器仪表综合技术经济研究所,1997.

Design and Implementation of the in Situ Measurement Devicefor Response Time by Using LCSR Method

SONG Yanyong

(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

The response time of thermometer is usually measured offline in laboratory conditions by using immersion method, which cannot reflect the change of response time under different operating conditions. NB/T 20338-2015 “In situ measurements for response time of resistance temperature detectors important to safety in nuclear power plants” provides the principle of in situ measurements for the response time of resistance temperature detectors(RTD) by using loop current step response (LCSR) method, but it has not yet been put into practice in China. Based on NB/T 20338, the in situ measurement device for response time of RTD in situ measurement device by using LCSR method is designed. The control range of step current is 4～40 mA, the maximum sampling frequency is 100 Hz, and the voltage measuring accuracy of the device is 0.1%.The test results for response time of Pt100 platinum-RTD show that the changes of the resistance and the equivalent temperature step are positively proportional to step current, the relative standard deviation of measurement result can better than 5% under different step current. The test results under two different of surface heat transfer condition verify the influence of surface heat transfer coefficient to the response time. In addition, the test results also show that the relative standard deviation of the test results by the step current drop is better than that by the step current rising method. The development of the measurement device lays the foundation for the research on field applications in nuclear power stations.

In situ measurement; LCSR; Response time; Heat transfer coefficient; Step current; Platinum resistance

宋延勇(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事工业自动化仪表的检测、校准工作。E-mail:songyy@sipai.com。

TH-81;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708019

修改稿收到日期:2017-07-24