曾佳旭， 潘 江， 雷珍珍， 趙文娟， 趙曉東， 孫建平

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001；4.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

溫度準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于提高核電發(fā)電效率、保護(hù)環(huán)境及安全運(yùn)行至關(guān)重要。核電站運(yùn)行過(guò)程中的溫度參數(shù)通常使用電阻溫度計(jì)[1]和熱電偶[2]測(cè)量。目前，我國(guó)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的核電站大多為壓水堆核電站，熱效率僅為30%～35%[3]。壓水堆核電站的第三回路是用來(lái)降溫的，需要大量的水作為第三回路冷卻介質(zhì)帶走廢熱[4]；溫度的準(zhǔn)確測(cè)量是二、三回路間換熱效率提升的關(guān)鍵，對(duì)于整機(jī)效率提升也不可或缺。此外，核電站生產(chǎn)1 kW·h的電力，會(huì)有大約5023.02 kJ的熱量被釋放[5],這就意味著發(fā)電能力為200×104kW的核電站連續(xù)工作24 h，排出的廢熱可以使1×106m3的水溫升高5.5 ℃[6]。帶走廢熱的冷卻水流入核電站鄰近的海洋或河流[7]，隨著水溫升高，會(huì)使河流或海洋中的某些毒物毒性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致一些細(xì)菌的繁殖，破壞水生生態(tài)環(huán)境，造成“熱污染”[8]。

為了準(zhǔn)確測(cè)量壓水堆核電站冷卻水水溫，需要定期評(píng)估冷卻水測(cè)量用的鉑電阻溫度計(jì)的性能。我國(guó)最新研發(fā)的壓水堆第三回路為保證足夠的冷卻水流量，管路內(nèi)徑約3 m。為準(zhǔn)確測(cè)量冷卻水通道橫截面平均溫度，通常測(cè)量溫度使用的鉑電阻溫度計(jì)的長(zhǎng)度超過(guò)3 m，感應(yīng)元件長(zhǎng)度要求接近3 m，有連續(xù)和間斷的2種，如此長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)不能通過(guò)通用的鉑電阻校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)[9～12]。

目前大多數(shù)核電站使用的長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)為工業(yè)B級(jí)，根據(jù)參考檢定規(guī)程[13]，本文設(shè)計(jì)了一種用于核電站的超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，要求該實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)溫不確定度≤0.1 ℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度滿足溫度計(jì)校準(zhǔn)的要求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)某核電廠所在地的氣候條件，可以確定其冷卻水的溫度范圍為0～40 ℃。用于測(cè)量第三回路冷卻水的長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)屬于B級(jí)工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)，直徑為6.1 mm，長(zhǎng)度大約3.2 m，采用四線法連接。在相關(guān)的檢定規(guī)程[13]中，明確說(shuō)明了B級(jí)工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)溫允差，而且對(duì)恒溫槽的恒溫區(qū)域提出了技術(shù)要求。然而市面上大多數(shù)恒溫槽深度只有60～70 cm左右，所以這些要求通常適用于校準(zhǔn)長(zhǎng)度小于60 cm的工業(yè)鉑溫度計(jì)，沒(méi)有考慮到核電站使用的超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)與普通工業(yè)鉑溫度計(jì)存在的差異，后者的校準(zhǔn)裝置顯然不適合前者的校準(zhǔn)。目前針對(duì)這類超長(zhǎng)鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)，尚未有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范文件，為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于對(duì)超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行性能評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由測(cè)試裝置、低溫/加熱循環(huán)恒溫槽、循環(huán)管、數(shù)字萬(wàn)用表和多路掃描開(kāi)關(guān)組成，系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1所示。

1—計(jì)算機(jī)；2—精密鉑電阻溫度計(jì)；3—保溫層；4—循環(huán)管；5—恒溫槽；6—不銹鋼內(nèi)筒；7—套管支撐板；8—密封法蘭；9—多路掃描開(kāi)關(guān)；10—數(shù)字萬(wàn)用表圖1 長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of experimental system

由圖1可知，測(cè)試裝置由內(nèi)層、保溫層和外殼3部分組成。內(nèi)層為不銹鋼圓筒，一端封閉，另一端采用法蘭密封，用于插入超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的4個(gè)銅管穿過(guò)法蘭并插入不銹鋼圓筒中，且由圓筒內(nèi)的4個(gè)支撐板支撐；在外殼和內(nèi)筒之間設(shè)置有不銹鋼框架，采用2個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂板支架支撐不銹鋼內(nèi)筒。

內(nèi)筒與不銹鋼外殼之間填充有硅酸鋁棉，以此來(lái)減少熱量損失。在內(nèi)層圓筒筒壁的上下兩端，分別焊接有循環(huán)介質(zhì)(硅油)的進(jìn)口管和出口管，它們通過(guò)循環(huán)管與恒溫槽(穩(wěn)定性±0.01 ℃)連接。5個(gè)內(nèi)徑為5 mm的封頭管沿內(nèi)層軸向均勻分布，相距最遠(yuǎn)的兩管間的距離與超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的感溫元件長(zhǎng)度相等；5個(gè)25 Ω短桿精密鉑電阻溫度計(jì)(北京奧維泰生產(chǎn)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院中溫基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，擴(kuò)展不確定度均為0.005 ℃)分別插入這5個(gè)小直徑管中用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，取其溫度平均值作為測(cè)試裝置的溫度。根據(jù)前期的不確定度計(jì)算，選擇Keithley 2010 7高性能數(shù)字萬(wàn)用表作為數(shù)據(jù)采集器，來(lái)測(cè)量溫度計(jì)的電阻，并采用一個(gè)多路掃描裝置作為掃描開(kāi)關(guān)進(jìn)行不同溫度計(jì)的切換，數(shù)字萬(wàn)用表和多路掃描開(kāi)關(guān)均通過(guò)Rs232串口通訊電纜連接到計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將測(cè)試裝置安裝在1個(gè)水平方向呈2°的支架上，且在超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)和銅套管之間填充少量硅油，以減小傳熱阻力。為了提高數(shù)據(jù)采集效率，結(jié)合該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于C#的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。通過(guò)該軟件可以實(shí)時(shí)讀取、顯示數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線圖，并判斷恒溫域溫度的穩(wěn)定性。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

對(duì)于恒溫裝置來(lái)說(shuō)，均勻性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行了考核。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的均勻性分為水平均勻性和垂直均勻性兩部分，水平均勻性是沿著測(cè)試裝置的軸向溫差而垂直均勻性則是垂直于測(cè)試裝置的軸平面上的溫差。

水平均勻性的測(cè)試在室溫24 ℃下進(jìn)行，測(cè)量溫度范圍在-10～100 ℃內(nèi)的5根精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的偏差。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先開(kāi)啟循環(huán)恒溫槽，對(duì)測(cè)試裝置內(nèi)的恒溫介質(zhì)進(jìn)行加熱，約80 min后，測(cè)試裝置的溫度接近穩(wěn)定。多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一旦測(cè)試裝置的溫度開(kāi)始穩(wěn)定，可以一直持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，這足以用于超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)。當(dāng)5個(gè)精密鉑電阻的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差在±0.015 ℃以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為測(cè)試裝置內(nèi)恒溫介質(zhì)的溫度達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。在不同的溫度下，硅油具有不同的粘度，所以循環(huán)恒溫槽的泵速也會(huì)產(chǎn)生變化，在-10～0 ℃時(shí)，泵速為22 L/min；在40～85 ℃時(shí)為26 L/min。以5個(gè)精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的平均值作為測(cè)試的最終數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試裝置的水平溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Horizontal temperature data in the test device ℃

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以得到不同溫度點(diǎn)和測(cè)試裝置內(nèi)水平溫度偏差ΔT的關(guān)系，見(jiàn)圖3所示。

圖3 測(cè)試裝置內(nèi)水平溫度偏差ΔT與溫度的關(guān)系Fig.3 Distribution of ΔT at different temperatures

由表1可知，精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的偏差ΔT基本沿測(cè)試裝置軸向均勻分布。由圖3可以看出，溫度偏差隨著測(cè)試裝置溫度與室溫的偏差升高而變化。通過(guò)表1和圖3可以得出，測(cè)試裝置在0～40 ℃范圍內(nèi)的水平均勻性在0.029～0.049 ℃之間變化，所測(cè)值均小于0.05 ℃；85 ℃之后的溫差數(shù)據(jù)普遍偏大，與之前的數(shù)據(jù)相比有較為明顯的不同。由此可以得出結(jié)論，當(dāng)測(cè)試裝置的溫度越接近環(huán)境溫度，測(cè)試裝置與環(huán)境的換熱量就越小，測(cè)試裝置內(nèi)的溫度受環(huán)境的影響也就越小，水平均勻性越好。

在測(cè)量垂直均勻性時(shí)，采用超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖4。將3個(gè)超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)(A，B和C)插入3個(gè)銅管中；當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，按圖5所示的順序依次改變3個(gè)超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的位置；根據(jù)每根溫度計(jì)在不同位置處的讀數(shù)偏差來(lái)獲得測(cè)試溫度在0 ℃和40 ℃時(shí)的垂直均勻性。

圖4 鉑電阻銅套管位置分布圖Fig.4 Position distributions of the copper sleeves

圖5 溫度計(jì)位置變更順序Fig.5 Position changing order of PRTs

根據(jù)0 ℃和40 ℃下不同位置的垂直均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)A、B和C在0 ℃和40 ℃時(shí)不同位置的讀數(shù)偏差，如圖6所示，且根據(jù)圖6的2幅圖，可以算出測(cè)試裝置分別在0 ℃和40 ℃時(shí)的垂直均勻性，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 0 ℃和40 ℃測(cè)試裝置的垂直均勻性Tab.2 Uniformity along the cross section of test device ℃

圖6 不同位置的溫差圖Fig.6 Temperature difference at different positions

根據(jù)計(jì)算可以得出，在0 ℃時(shí)垂直均勻性的平均值為0.008 ℃，在40 ℃時(shí)為0.017 ℃，兩者均小于0.02 ℃。根據(jù)JJG 229-2010檢定規(guī)程[13]，校準(zhǔn)裝置恒溫介質(zhì)的軸向均勻性要小于0.02 ℃，垂直于軸的均勻性要小于0.01 ℃；但這些要求是只考慮了校準(zhǔn)普通的工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)時(shí)的需求，一般工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)感溫元件通常短于10 cm，而超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的傳感元件長(zhǎng)度超過(guò)2.5 m，有些甚至達(dá)到3 m；所以將這些規(guī)定應(yīng)用于超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的相應(yīng)系統(tǒng)顯然是不合理的。

對(duì)于這些特殊的長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)，其傳感元件通常是1根鉑絲傳感器或3個(gè)獨(dú)立傳感器的組合,在實(shí)際使用過(guò)程中，這些溫度計(jì)被插入溫度套管中進(jìn)行測(cè)量。為了準(zhǔn)確評(píng)估超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的性能，實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)盡可能接近其工作條件，同時(shí)為了減少測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的額外不確定性，測(cè)量系統(tǒng)的不確定度應(yīng)小于被測(cè)對(duì)象允差的1/3。出于此原因，我們認(rèn)為本文中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比普通標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)更適用于超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)性能的評(píng)估。

4 不確定度分析

該裝置校準(zhǔn)的不確定度來(lái)源主要有：測(cè)試裝置的穩(wěn)定性和均勻性,精密鉑電阻溫度計(jì)的不確定性,數(shù)字萬(wàn)用表Keithley 2010的測(cè)量不確定度,以及多路掃描開(kāi)關(guān)引入的不確定性。根據(jù)多路掃描開(kāi)關(guān)的說(shuō)明書，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的寄生電勢(shì)小于0.4 μV，與其他項(xiàng)目相比僅為微量，所以多路掃描開(kāi)關(guān)引入的不確定度可以忽略，重點(diǎn)考慮對(duì)測(cè)量結(jié)果不確定度影響較大的其他幾項(xiàng)。

(2)u2為水平方向的不確定度，它是由測(cè)試裝置內(nèi)恒溫域水平方向溫差引起的。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在40 ℃時(shí)，測(cè)試裝置的水平溫差為0.036 ℃，采用均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.010 3 ℃。

(3)u3為垂直方向的不確定度，它是由測(cè)試裝置內(nèi)恒溫域截面溫差引起的。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，測(cè)試裝置的垂直溫度均勻性取A、B和C測(cè)量結(jié)果中的最大值。

(4)u4為Keithley 2010數(shù)字萬(wàn)用表產(chǎn)生的不確定度。在用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量精密鉑電阻溫度計(jì)的阻值時(shí)，其測(cè)量誤差可根據(jù)數(shù)字萬(wàn)用表使用說(shuō)明書得到：允許誤差為±(100×10-6×讀數(shù)+10×10-6×量程)。而精密鉑電阻溫度計(jì)為Pt25，所以測(cè)量時(shí)應(yīng)該選取量程為100 Ω的檔，因此在40 ℃時(shí)，允許誤差約為0.010 3 ℃，采用均勻分布，得出Keithley 2010的測(cè)量不確定度為0.005 9 ℃。

(5)u5為精密鉑電阻溫度計(jì)產(chǎn)生的不確定度。該5根精密鉑電阻溫度計(jì)使用前在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。由校準(zhǔn)結(jié)果可知，5根精密鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)展不確定度均為0.005 ℃，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.002 5 ℃，自熱效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度取5根精密鉑電阻溫度計(jì)中最大值0.001 1 ℃，將精密鉑電阻溫度計(jì)引入的不確定度粗略地視為其標(biāo)準(zhǔn)不確定度與自熱效應(yīng)引入的不確定度之和，即0.003 6 ℃。

表3 精密鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibration result for five short precision platinum resistance thermometers

以上不確定度的分析均是采用B類不確定度評(píng)估方法，表4列出了40 ℃的測(cè)量不確定度的估算表。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度估算Tab.4 Summary of standard uncertainty ℃

由表4可以看出，溫度穩(wěn)定性和水平溫度均勻性是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定性的主要原因。為了更好地比較4個(gè)不同的超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的性能，在后續(xù)研究中，可以考慮增強(qiáng)測(cè)試裝置內(nèi)流動(dòng)的湍流強(qiáng)度，進(jìn)一步降低垂直均勻性。

根據(jù)不確定度評(píng)定結(jié)果，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度僅為0.032 ℃，不到0.1 ℃的1/3。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的性能評(píng)估時(shí)，由該系統(tǒng)引入的不確定度可以忽略不計(jì)。

5 結(jié) 論

在壓水堆核電站中，第三回路冷卻水的溫度用特殊的超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，為了準(zhǔn)確評(píng)估這些特殊溫度計(jì)的性能，本文設(shè)計(jì)了用于校準(zhǔn)長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，水平放置待評(píng)估的溫度計(jì)且使用循環(huán)恒溫流體來(lái)保持測(cè)試裝置的溫度恒定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出在0～40 ℃的范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于±0.015 ℃，水平和垂直溫度均勻性分別優(yōu)于0.05 ℃和0.02 ℃，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.016 ℃，擴(kuò)展不確定度為0.032 ℃，由此表明，該系統(tǒng)可以有效地評(píng)估超長(zhǎng)桿鉑電阻溫度計(jì)。