• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      面向核電狀態(tài)監(jiān)測用的壓電加速度傳感器設(shè)計

      2019-02-22 09:45:56袁宇鵬王登攀李小飛曾翔豹王音心張祖?zhèn)?/span>
      壓電與聲光 2019年1期
      關(guān)鍵詞:核電機組壓電核電

      袁宇鵬,王登攀,李小飛,李 軍,胡 楊,曾翔豹,王音心,張祖?zhèn)?/p>

      (1.中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司,重慶 401332;2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

      0 引言

      中國核電從1985年起步,經(jīng)過30多年的發(fā)展,我國核電產(chǎn)業(yè)已取得了巨大的成就。截止2018年4月,我國正在運行的商業(yè)核電機組達(dá)到了38臺,總額定裝機容量 35 807.16 MWe。2017年,我國商運核電機組累計發(fā)電量為2 474.69億千瓦時,約占全國累計發(fā)電量的3.94%,對我國構(gòu)建新能源結(jié)構(gòu)具有重大意義。

      壓水堆型核電機組是國際未來30~40年的主力堆型[1],我國的核電機組中大型壓水堆核電占比超過50%,主要包括俄羅斯 WWER2006 機組、 法國 AREVA 的 EPR 機組和美國西屋 AP1000 機組[2]等。壓水堆型核電機組中均設(shè)置了松脫部件檢測系統(tǒng)(LPMS)[3]等對核電站中反應(yīng)堆一回路內(nèi)松脫部件等進(jìn)行監(jiān)測。基于赫茲理論,當(dāng)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)中出現(xiàn)松脫部件時,在主泵的驅(qū)動下,冷卻劑會帶動松脫部件撞擊主設(shè)備,撞擊力的大小正比于振動加速度,對加速度信號進(jìn)行采集、分析可實現(xiàn)對松脫部件的狀態(tài)監(jiān)測。

      松脫部件檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)包括加速度傳感器、硬電纜、延長軟電纜、電荷轉(zhuǎn)換器及信號處理機柜[4]。壓電加速度傳感器因具有動態(tài)范圍大、頻響范圍寬、量程大等核心優(yōu)勢,是目前加速度測量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的傳感器類型。根據(jù)ASME OM S -G-2007核電站運行和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)則,松脫部件檢測系統(tǒng)中推薦安裝耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器進(jìn)行安全振動監(jiān)測,做到視情維護(hù)。

      我國核電領(lǐng)域使用的壓電加速度傳感器被瑞士Kister、Vibro-Meter公司、美國PCB公司及Endevco公司[5]等企業(yè)壟斷,國內(nèi)高溫抗輻射振動測量用傳感器研究起步相對較晚,受壓電陶瓷和傳感器結(jié)構(gòu)等限制,工作溫度和耐輻射能力始終無法提高,傳感器的穩(wěn)定性、可靠性與國外相比還有較大差距。因此,設(shè)計研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐高溫、高性能的壓電加速度傳感器具有重要意義[6]。針對核電廠對耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器的重大需求,本文開展面向核電一回路中高溫、強輻射環(huán)境,提出一種寬動態(tài)范圍耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu),并基于有限元仿真平臺對加速度傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

      1 壓電加速度傳感器測量原理

      壓電加速度傳感器的工作原理是基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)將待測物理的加速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘朳7]。壓電式加速度傳感器以質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)為基礎(chǔ),在外加加速度信號時,壓電轉(zhuǎn)換元件在質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力作用下發(fā)生形變,引起電荷量的變化,并進(jìn)一步設(shè)計電荷信號處理電路,實現(xiàn)電荷變化量向電壓輸出的轉(zhuǎn)換,即可計算出加速度輸出信號值[8]。

      壓縮式壓電加速度傳感器的簡化物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳感器物理結(jié)構(gòu)首先將待測輸入的絕對加速度信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量塊對殼體的相對位移,質(zhì)量塊與壓電陶瓷剛性連接,將質(zhì)量塊對殼體的相對位移轉(zhuǎn)換為壓電陶瓷的形變,產(chǎn)生電荷輸出。

      圖1 壓電加速度傳感器的物理結(jié)構(gòu)

      從力學(xué)分析角度而言,壓縮式壓電加速度傳感器是典型的二自由度系統(tǒng),其固有頻率可通過如下運動方程和力學(xué)模型進(jìn)行計算:

      (1)

      式中:M為質(zhì)量矩陣;X為位移矩陣;C為阻尼系數(shù)矩陣;K為等效剛度矩陣;P為激勵矩陣。

      假設(shè)壓電陶瓷、質(zhì)量塊接觸表面光滑且為彈性體,導(dǎo)電電極極薄且為剛體,則壓縮式壓電加速度傳感器的等效力學(xué)模型如圖2所示。

      圖2 壓縮式壓電加速度傳感器的等效力學(xué)模型

      根據(jù)等效力學(xué)模型,可將傳感器的運動方程寫成如下形式[9]:

      (2)

      2 傳感器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

      根據(jù)壓電加速度傳感器測量原理和核電用松脫部件檢測系統(tǒng)中對壓電加速度傳感器的耐高溫、耐輻照的性能要求,本文提出采用剛性連接的壓縮型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計壓電加速度傳感器,傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

      圖3 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)

      壓電加速度傳感器包括基座、絕緣塊、壓電陶瓷、質(zhì)量塊、螺桿等主要結(jié)構(gòu)。其中核心傳感元件采用鋯鈦酸鋁(PZT)壓電陶瓷材料,其壓/介電性能的抗總劑量能力可以達(dá)到2×106Gy,滿足核電廠環(huán)境要求的抗總劑量要求(6×105Gy)。

      3 傳感器結(jié)構(gòu)仿真建模與優(yōu)化

      本文設(shè)計的壓電加速度傳感器(見圖3)采用軸對稱結(jié)構(gòu),為了模擬其性能指標(biāo),利用ANSYS建立了軸對稱模型,其中壓電陶瓷采用plane223單元,結(jié)構(gòu)件采用plane183單元。材料方面:壓電陶瓷選用PZT體系材料,絕緣層選用氧化鋁,基座及螺桿選用不銹鋼,質(zhì)量塊選用鎢,建立了壓縮式壓電加速度傳感器的軸對稱有限元模型,如圖4所示。

      圖4 傳感器有限元模型

      對上述模型進(jìn)行諧波響應(yīng)分析,頻率范圍選取為0~100 kHz,步數(shù)為1 000,得到輸出電壓的初始頻響曲線如圖5所示。圖5(a)為0~100 kHz內(nèi)的輸出響應(yīng),為了針對核電應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計需求,將0~10 kHz間的輸出響應(yīng)進(jìn)行放大(見圖5(b))。通過分析可知,初始頻率響應(yīng)的輸出電壓分布在25.6~26.5 mV,頻帶內(nèi)輸出電壓起伏3.4%,與目標(biāo)指標(biāo)±1%存在一定差距。

      圖5 傳感器輸出電壓的初始頻響曲線

      根據(jù)圖5中,輸出電壓的初始頻響曲線,可提取出壓縮型壓電加速度傳感器初始結(jié)構(gòu)的諧振點,因此對傳感器豎直方向上外加載荷進(jìn)行仿真,通過分布云圖的方式對此時諧振點對應(yīng)的振動位移進(jìn)行分析,如圖6所示。

      圖6 諧振點對應(yīng)的振動位移、應(yīng)力強度分析圖

      通過位移及應(yīng)力分析可得,質(zhì)量塊的邊緣部分由于厚度、直徑及振動位移較大,在層間接觸點處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,故而需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化方案如圖7所示。圖中,t1為質(zhì)量塊厚度,t2為壓電陶瓷厚度,d1為陶瓷外徑,d2為中心通孔直徑,d3為螺桿直徑。本文通過對上述5項參數(shù)進(jìn)行分別研究,從而獲取最優(yōu)的傳感器輸出性能。參數(shù)優(yōu)化過程及仿真結(jié)果如圖8所示,仿真中僅對核電環(huán)境所需0~10 kHz頻率范圍的傳感器輸出電壓進(jìn)行分析。

      圖7 傳感器優(yōu)化方案示意圖

      由圖8(a)可知,t2=0.5~0.8 mm,壓電陶瓷厚度與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)t2=0.8 mm時,傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(b)可知,t1=2~3.5 mm,質(zhì)量塊厚度與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)t1=3.5 mm時,傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(c)可知,d3=1.5~1.8 mm,螺桿直徑與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)d3=1.8 mm時,傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.13%。由圖8(d)可知,d2=2.0~2.6 mm,中心通孔直徑與傳感器的輸出性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)d2=2 mm時,傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(e)可知,d1=3.8~4.4 mm,陶瓷外徑與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)d1=4.4 mm時,傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±0.85%。

      圖8 參數(shù)優(yōu)化過程及仿真結(jié)果

      由圖8可得,在0~10 kHz內(nèi),本文設(shè)計的壓電加速度傳感器輸出電壓中心起伏最優(yōu)可達(dá)±0.85%,輸出電壓幅值高于11 mV。為分析參數(shù)優(yōu)化后的傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況,采用ANSYS仿真平臺進(jìn)一步開展了傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真,仿真結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明,傳感器結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力強度均未超過材料的應(yīng)力極限,驗證了傳感器結(jié)構(gòu)的可行性。

      圖9 傳感器應(yīng)力強度分布云圖

      5 結(jié)束語

      核電站須裝備松脫部件監(jiān)測系統(tǒng),以實時監(jiān)測反應(yīng)堆及冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的松動件、脫落件和遺留的金屬零件,跟蹤監(jiān)測堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件的振動行為。本文針對核電領(lǐng)域的需求,基于壓電效應(yīng)原理,設(shè)計了一種抗輻射的壓縮式結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器。為了滿足核電應(yīng)用對傳感器的靈敏度的要求,本文采用ANSYS有限元仿真平臺對傳感器質(zhì)量塊厚度、壓電陶瓷厚度和陶瓷外徑等5項結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)可達(dá)0.85%,輸出電壓幅值高于11 mV,傳感器靈敏度高且結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度較低,在核電機組狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

      猜你喜歡
      核電機組壓電核電
      我國第二臺“華龍一號”核電機組并網(wǎng)發(fā)電
      第四代核電 高溫氣冷堆
      中國核電(2021年3期)2021-08-13 08:56:26
      百年初心精神 點亮核電未來
      中國核電(2021年3期)2021-08-13 08:55:56
      2020年核電活動安排
      中國核電(2020年2期)2020-06-24 03:33:28
      《壓電與聲光》征稿啟事
      壓電與聲光(2019年1期)2019-02-22 09:46:06
      新型壓電疊堆泵設(shè)計及仿真
      “華龍一號”核電機組穹頂?shù)跹b成功
      中國核電(2017年2期)2017-08-11 08:01:01
      核電鏈接
      中國核電(2017年1期)2017-05-17 06:10:16
      中國力爭2030年前在“一帶一路”沿線建30臺核電機組
      中亞信息(2016年3期)2016-12-01 06:08:25
      全球首臺AP1000核電機組建成
      電站輔機(2016年4期)2016-05-17 03:52:37
      阿克陶县| 万宁市| 颍上县| 商洛市| 霸州市| 陈巴尔虎旗| 襄城县| 微山县| 金塔县| 绥宁县| 九江市| 上栗县| 定日县| 盐城市| 澄迈县| 荥阳市| 巴彦淖尔市| 淮阳县| 自治县| 稷山县| 花莲县| 利辛县| 上高县| 罗平县| 淳安县| 平定县| 江达县| 凤山市| 紫阳县| 定日县| 汝阳县| 定远县| 黎平县| 临夏市| 阳西县| 麻阳| 南和县| 宣威市| 天全县| 秭归县| 东方市|