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一种高温铅铋合金压力传感器
申请号	CN202211134315.6	申请日	2022-09-16	公开(公告)号	CN115435962B	公开(公告)日	2024-02-27
申请人	中国电子科技集团公司第四十九研究所;			发明人	王晓光; 张宁; 李宝生; 徐冬; 咸婉婷; 刘志远; 柴寿臣; 唐胜武; 周志炜; 杨思远;
摘要	一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件及其传感器，属于传感器检测技术领域，本发明为解决现有测量压力的装置无法对具有腐蚀性的铅铋液态金属进行压力检测的问题。它包括：引压腔外壳套装在波纹管外侧，引压腔外壳内部的空腔构成感压组件的感压腔，感压组件前端设置有引压接嘴，连杆后端安装有铁芯，LVDT组件前端安装在连杆和矩形弹簧之间，连杆、矩形弹簧和LVDT组件的外侧套装有弹性体支架，弹性体支架后端安装有后端盖，弹性体支架前端与引压腔外壳连接；感压组件连杆产生的位移带动铁芯产生位移，进而使得LVDT组件产生输出电压，探头将电压信号通过电缆输送至变送器中，变送器输出电压信号。本发明高温铅铋合金的压力检测。
权利要求	1.一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，它包括探头和变送器；所述探头包括感压组件、引压接嘴(5)、引压腔外壳(6)、弹性体支架(7)、后端盖(9)、LVDT组件(8)和铁芯(10)；所述感压组件包括芯杆(1)、波纹管(2)、连杆(3)和矩形弹簧(4)；波纹管(2)包绕在芯杆(1)外侧，且波纹管(2)与芯杆(1)固定连接，芯杆(1)后端连接有连杆(3)，矩形弹簧(4)包绕在连杆(3)外侧，且矩形弹簧(4)与连杆(3)的非自自由端固定连接；波纹管(2)的外侧为感压腔，感压腔内充入待测介质，待测介质为铅铋合金液体，内侧与大气连通，内侧和外侧的压力差作用在波纹管(2)上，波纹管(2)将压力差转换成轴向位移，波纹管(2)的位移依次带动芯杆(1)、连杆(3)和矩形弹簧(4)形成轴向位移；采用波纹管(2)和矩形弹簧(4)作为并联弹性结构实现感压功能；所述引压腔外壳(6)套装在感压组件的波纹管(2)外侧，引压腔外壳(6)内部的空腔构成感压组件的感压腔，感压组件的前端设置有引压接嘴(5)，感压组件的连杆(3)的后端安装有铁芯(10)，LVDT组件(8)的前端安装在感压组件的连杆(3)和矩形弹簧(4)之间，连杆(3)、矩形弹簧(4)和LVDT组件(8)的外侧套装有弹性体支架(7)，弹性体支架(7)的后端安装有后端盖(9)，弹性体支架(7)的前端与引压腔外壳(6)连接；感压组件连杆(3)产生的位移带动铁芯(10)产生位移，进而使得LVDT组件(8)产生输出电压，探头将获得的电压信号通过电缆输送至变送器中，变送器输出电压信号；所述LVDT组件(8)包括骨架(8‑1)、线圈(8‑2)、外壳(8‑3)和高温管座(8‑4)；外壳(8‑3)的内部空腔为真空腔，高温管座(8‑4)密封安装在外壳(8‑3)的后端部，骨架(8‑1)和线圈(8‑2)安装在外壳(8‑3)的内部空腔里，线圈(8‑2)包绕在骨架(8‑1)的外侧；高温管座(8‑4)的后端与后端盖(9)通过螺纹进行连接；感压组件的自由端产生的位移量ΔL为： ΔL＝FK；其中，F表示感压组件所受的等效载荷，K表示感压组件的刚度； F＝AP；其中，A表示波纹管(2)的等效受压面积，P表示波纹管(2)承受的待测介质压力； K＝Kb+Kt；其中，Kb表示波纹管(2)的刚度，Kt表示矩形弹簧(4)的刚度。 2.根据权利要求1所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述波纹管(2)与芯杆(1)之间采用氩弧进行焊接，所述矩形弹簧(4)与连杆(3)之间采用氩弧进行焊接。 3.根据权利要求2所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述芯杆(1)与连杆(3)之间通过螺纹进行连接。 4.根据权利要求1所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述骨架(8‑1)和外壳(8‑3)均通过真空电子束与高温管座(8‑4)进行焊接。 5.根据权利要求1所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述引压接嘴(5)和引压腔外壳(6)之间采用氩弧进行焊接。 6.根据权利要求1所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述感压组件的连杆(3)和铁芯(10)之间通过螺纹进行连接。 7.根据权利要求1所述的一种高温铅铋合金压力传感器，其特征在于，所述弹性体支架(7)和引压腔外壳(6)之间采用氩弧进行焊接。
说明书全文	一种高温铅铋合金压力传感器技术领域 [0001] 本发明涉及一种传感器的感压组件，及其传感器，属于传感器检测技术领域。背景技术 [0002] 铅铋合金，又被成为低温合金、低熔点合金或易熔合金，主要是由熔点较低的铅和铋组成的，还加入了其他的一些金属，用以调节合金的熔点，铅铋合金可作为反应堆的冷却剂。铅铋共晶合金(LBE)的熔点虽然比钠稍高，但其化学活性较弱，综合性能评估和实际工程应用(包括用于可移动核动力装置中)都证明其用作下一代新型快堆的冷却剂是完全可行的。 [0003] 目前铅铋合金作为冷却剂的先进快堆技术正在迅速发展，铅铋合金作为冷却剂主要具有以下优点： [0004] (1)、铅铋合金的沸点高，为正常工作温度的3倍左右，发生沸腾的可能性极小； [0005] (2)、铅铋合金的凝固点低，不会发生合金意外凝固、导致管路堵塞损坏的现象，同时在常温下均有自封能力，防止主回路泄露引起的大量冷却剂失去事故； [0006] (3)、铅铋合金化学活性小，很难与水和空气发生反应，在冷却剂泄露到反应堆厂房或因传热管断裂时，能够避免发生火灾或爆炸。 [0007] 反应堆产生的热量由冷却剂循环带出，冷却剂的工作状态直接反应快堆的工作状态。正常运行时冷却剂必须维持一定的工作压力，冷却剂的压力由稳压器进行调节，以确保反应堆稳定安全的运行。当主回路系统(如主泵、压力容器、堆内构件等)出现异常或故障，或主系统设备支撑劣化，均将引起回路冷却剂压力的波动，通过分析冷却剂的压力波动间接对回路系统设备的异常状态或设备支撑劣化情况进行分析，以尽早发现设备由于固定状况，设备密封性能改变(冷却剂发生泄漏)或在冷却剂液压动态负荷的增加引起的异常状况。 [0008] 由于铅铋液态金属具有腐蚀性，传统测量压力的方法比如压阻式压力传感器、应变式压力传感器无法应用。发明内容 [0009] 本发明为了解决现有测量压力的装置无法对具有腐蚀性的铅铋液态金属进行压力检测的问题，提出了一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件及其传感器。 [0010] 本发明提出的一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件，它包括芯杆、波纹管、连杆和矩形弹簧； [0011] 波纹管包绕在芯杆外侧，且波纹管与芯杆固定连接，芯杆后端连接有连杆，矩形弹簧包绕在连杆外侧，且矩形弹簧与连杆的非自自由端固定连接； [0012] 波纹管的外侧为感压腔，感压腔内充入待测介质，待测介质为铅铋合金液体，内侧与大气连通，内侧和外侧的压力差作用在波纹管上，波纹管将压力差转换成轴向位移，波纹管的位移依次带动芯杆、连杆和矩形弹簧形成轴向位移。 [0013] 优选的，感压组件的自由端产生的位移量ΔL为： [0014] ΔL＝F/K； [0015] 其中，F表示感压组件所受的等效载荷，K表示感压组件的刚度； [0016] F＝AP； [0017] 其中，A表示波纹管的等效受压面积，P表示波纹管承受的待测介质压力； [0018] K＝Kb+Kt； [0019] 其中，Kb表示波纹管的刚度，Kt表示矩形弹簧的刚度。 [0020] 优选的，所述波纹管与芯杆之间采用氩弧进行焊接，所述矩形弹簧与连杆之间采用氩弧进行焊接。 [0021] 优选的，所述芯杆与连杆之间通过螺纹进行连接。 [0022] 本发明提出的一种高温铅铋合金压力传感器，它包括探头和变送器； [0023] 探头包括感压组件、引压接嘴、引压腔外壳、弹性体支架、后端盖、LVDT组件和铁芯； [0024] 所述引压腔外壳套装在感压组件的波纹管外侧，引压腔外壳内部的空腔构成感压组件的感压腔，感压组件的前端设置有引压接嘴，感压组件的连杆的后端安装有铁芯，LVDT组件的前端安装在感压组件的连杆和矩形弹簧之间，连杆、矩形弹簧和LVDT组件的外侧套装有弹性体支架，弹性体支架的后端安装有后端盖，弹性体支架的前端与引压腔外壳连接； [0025] 感压组件连杆产生的位移带动铁芯产生位移，进而使得LVDT组件产生输出电压，探头将获得的电压信号通过电缆输送至变送器中，变送器输出电压信号。 [0026] 优选的，所述LVDT组件包括骨架、线圈、外壳和高温管座； [0027] 外壳的内部空腔为真空腔，高温管座密封安装在外壳的后端部，骨架和线圈安装在外壳的内部空腔里，线圈包绕在骨架的外侧； [0028] 高温管座的后端与后端盖通过螺纹进行连接。 [0029] 优选的，所述骨架和外壳均通过真空电子束与高温管座进行焊接。 [0030] 优选的，所述引压接嘴和引压腔外壳之间采用氩弧进行焊接。 [0031] 优选的，所述感压组件的连杆和铁芯之间通过螺纹进行连接。 [0032] 优选的，所述弹性体支架和引压腔外壳之间采用氩弧进行焊接。 [0033] 本发明提出的一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件，能够将被测介质与基准腔(与大气相通)隔离密封，能够耐受被测介质的高温和高压，并且具有一定的刚度，能够产生易测量的位移量。 [0034] 本发明提出的一种高温铅铋合金压力传感器可用在快中子反应堆或其他金属冷却核反应堆液态金属压力信号的监测，或者其他具有严重腐蚀性测量介质的压力测量。具有耐高温(液态金属工作温度可达500℃以上，此传感器可完全覆盖工作温度)、结构简单、安全可靠、准确度高、连续测量、使用场合广等特点。附图说明 [0035] 图1是本发明所述一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件的结构示意图； [0036] 图2是本发明所述一种高温铅铋合金压力传感器的结构示意图； [0037] 图3是本发明所述LVDT组件的结构示意图； [0038] 图4是本发明所述高温铅铋合金压力传感器的原理图。具体实施方式 [0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0040] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。 [0042] 实施例1： [0043] 下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种高温铅铋合金压力传感器的感压组件，它包括芯杆1、波纹管2、连杆3和矩形弹簧4； [0044] 波纹管2包绕在芯杆1外侧，且波纹管2与芯杆1固定连接，芯杆1后端连接有连杆3，矩形弹簧4包绕在连杆3外侧，且矩形弹簧4与连杆3的非自自由端固定连接； [0045] 波纹管2的外侧为感压腔，感压腔内充入待测介质，待测介质为铅铋合金液体，内侧与大气连通，内侧和外侧的压力差作用在波纹管2上，波纹管2将压力差转换成轴向位移，波纹管2的位移依次带动芯杆1、连杆3和矩形弹簧4形成轴向位移。 [0046] 进一步的，感压组件的自由端产生的位移量ΔL为： [0047] ΔL＝F/K； [0048] 其中，F表示感压组件所受的等效载荷，K表示感压组件的刚度； [0049] F＝AP； [0050] 其中，A表示波纹管2的等效受压面积，P表示波纹管2承受的待测介质压力； [0051] K＝Kb+Kt； [0052] 其中，Kb表示波纹管2的刚度，Kt表示矩形弹簧4的刚度。 [0053] 本实施方式中，采用波纹管与弹簧组合的方式实现感压功能，波纹管主要起到密封作用，弹簧主要起到增加感压组件刚度作用。感压组件为波纹管与弹簧为并联弹性结构。被测介质与基准腔的隔离密封，能耐受介质的高温、高压。 [0054] 再进一步的，波纹管2与芯杆1之间采用氩弧进行焊接，矩形弹簧4与连杆3之间采用氩弧进行焊接。 [0055] 再进一步的，芯杆1与连杆3之间通过螺纹进行连接。 [0056] 实施例2： [0057] 下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种高温铅铋合金压力传感器，它包括探头和变送器； [0058] 探头包括感压组件、引压接嘴5、引压腔外壳6、弹性体支架7、后端盖9、LVDT组件8和铁芯10； [0059] 所述引压腔外壳6套装在感压组件的波纹管2外侧，引压腔外壳6内部的空腔构成感压组件的感压腔，感压组件的前端设置有引压接嘴5，感压组件的连杆3的后端安装有铁芯10，LVDT组件8的前端安装在感压组件的连杆3和矩形弹簧4之间，连杆3、矩形弹簧4和LVDT组件8的外侧套装有弹性体支架7，弹性体支架7的后端安装有后端盖9，弹性体支架7的前端与引压腔外壳6连接； [0060] 感压组件连杆3产生的位移带动铁芯10产生位移，进而使得LVDT组件8产生输出电压，探头将获得的电压信号通过电缆输送至变送器中，变送器输出电压信号。 [0061] 本实施方式中，电缆采用高温屏蔽电缆，采用压紧甩线方式将传感器探头输出信号引出。 [0062] 本实施方式中，变送器将电压信号经过AD转换，然后对转换后的电压值通过单片机进行数字补偿，再经过DA转换输出电压信号。 [0063] 进一步的，所述LVDT组件8包括骨架8‑1、线圈8‑2、外壳8‑3和高温管座8‑4； [0064] 外壳8‑3的内部空腔为真空腔，高温管座8‑4密封安装在外壳8‑3的后端部，骨架8‑1和线圈8‑2安装在外壳8‑3的内部空腔里，线圈8‑2包绕在骨架8‑1的外侧； [0065] 高温管座8‑4的后端与后端盖9通过螺纹进行连接。 [0066] 本实施方式中，线圈8‑2设置在外壳8‑3和高温管座8‑4构成的密封真空腔内，该真空腔可以实现对内部的线圈8‑2的保护，防止外界空气在高温环境下对绝缘材料的腐蚀。 [0067] 更进一步的，骨架8‑1和外壳8‑3均通过真空电子束与高温管座8‑4进行焊接。 [0068] 更进一步的，引压接嘴5和引压腔外壳6之间采用氩弧进行焊接。 [0069] 更进一步的，感压组件的连杆3和铁芯10之间通过螺纹进行连接。 [0070] 更进一步的，弹性体支架7和引压腔外壳6之间采用氩弧进行焊接。 [0071] 本实施方式中，感压组件的主要作用有：被测介质与基准腔的隔离密封，能耐受介质的高温、高压；具有一定刚度，产生容易测量的位移量。 [0072] 本发明中，采用差动变压器式位移传感器(LVDT组件8)的结构为螺管型，螺管型差动变压器式位移传感器按照线圈的排线方式不同可以分为不同的结构形式。有二段式、三段式、四段式和五段式等。其中三段式LVDT较二段式的LVDT而言，由于三段式使用差动输出，可以使一部分高次谐波分量被消除，从而减小零点残余电压，提高了线性度；四段式和五段式LVDT的出现虽然在一定程度上提高了线性度和灵敏度，但是其体积迅速增大，结构和绕线工艺变得更加复杂，这些因素都不利于这类结构形式LVDT的发展。 [0073] 下面结合图4说明本发明的工作原理，本发明提出的一种高温铅铋合金压力传感器，利用感压腔中的铅铋合金液体与外界大气间的压力差，使波纹管与矩形弹簧的复合感压元件的自由端部产生相应的位移，借助铁芯连杆结构，带动差动变压器中的铁芯偏离中心点，铁芯偏离中心点导致差动变压器中的2个次级线圈中的感应电动势不相等，产生输出电压，输出电压与铁芯的位移量呈线性对应关系，从而实现高温环境下液态铅铋合金压力的测量。 [0074] 本发明中，波纹管2和引压腔外壳6采用氩弧进行焊接。矩形弹簧4和弹性体支架7采用氩弧进行焊接。LVDT组件8和高温管座8‑4采用真空电子束焊接。LVDT组件8和后端盖9通过螺纹进行连接。 [0075] 本发明中，液态金属铅、铅铋合金对结构材料的腐蚀表现为液态铅对金属钢中某些元素(如Ni、Cr)具有溶解性腐蚀能力，针对腐蚀问题，目前主要解决腐蚀问题主要有两种工艺：一是表面氧化，二是对表面施以保护涂层。由于金属液体管路复杂，加工、安装过程中很难保证涂层质量，所以，目前成熟的工艺为表面氧化。反应堆容器主要结构材料均采用316L，在500℃环境下，适当的氧气控制可以确保材料自钝化保护。该项目包括感压组件在内的所有与液态金属接触的部位均选用316L为材料。 [0076] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。