技术领域
[0001] 本
发明属于
铀同位素离心法分离领域，属于离心工艺级联工艺介质UF6气体流向检测传感器技术范畴，同时涉及铀同位素离心法分离工艺过程自动化检测与控制等领域的先进技术。
背景技术
[0002] 上世纪九十年代末，我国从俄罗斯引进了离心法生产核
燃料的技术及生产线，当时引进了500吨/年分离功规模生产线所需的主设备(亚临界气体离心机)及辅助配套设备(电气、自控等)。目前国内已经引进了四期离心生产线，总生产规模达到1500吨分离功/年，全部引进生产线的设备、运行方式。离心级联工艺系统中，对工艺气体流向变化进行监测保护的传感器是从俄罗斯进口的ПР4型工艺介质UF6气体流向检测传感器。随着我国国产离心工程的建设，相关配套设备的研制应用，国产离心分离工艺中应用的该类传感器是仿制俄罗斯ПР4型，都属于有热源型检测传感器。这些传感器在应用过程中，容易产生传感器运行不稳定、内部加热元件和敏感丝元件因UF6气体的
腐蚀而易损坏、输出产生漂移等现象。当出现故障需要更换时，必须中断部分工艺运行过程，新传感器安装完毕后又要进行8小时的
真空探漏等工作，对正常生产影响较大。
[0003] 有热源型传感器由于存在上述缺点，不能长期稳定运行，而且目前在我国也没有其他可以替换的同类产品。为满足国产离心铀浓缩工程建设配套的需要和解决俄制设备备品的问题，在前期气体流向保护传感器国产化研制的
基础上，亟需设计研制一种无热源型检测传感器，进而将该传感器在504C-Ⅱ工程中应用，以保证运行稳定可靠。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供离心级联用一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，从而一方面提高检测UF6气体介质流向传感器的可靠性及
稳定性；另一方面，避免原有热源型传感器的诸多不足，填补我国在该领域的技术空白，更好的为以后新建的离心级联生产线设计提供技术依据。
[0005] 为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，应用于铀同位素离心法分离工艺过程，被测介质为UF6气体，由四部分组成：
[0007] 第一部分为传感器敏感元件部分，其原理为热导式测量；敏感丝元件由四根金属丝组成，置于UF6气体中，利用其
电阻随
温度的变化特性，将UF6气体方向的变化转换为电阻值的变化，采用
不平衡电桥原理，将敏感元件阻值的变化转换为
电压的变化，进行处理、输出；
[0008] 敏感丝元件缠绕在包括左右两根
支架柱的支架上，支架的上端固定
焊接绕
线轴一，下端设置绕线轴二，绕线轴一与绕线轴二之间相互平行；在左右两根支架柱的下端分别开设支架腰槽，在支架腰槽的顶端分别设置左侧
弹簧和右侧弹簧，绕线轴二在支架腰槽里上下滑动；当金属丝绕在绕线轴一与绕线轴二上后，由支架腰槽内的左侧弹簧和右侧弹簧
支撑绕线轴二，控制金属丝始终处于紧绷状态；
[0009] 上述四根金属丝组成不平衡电桥的四个桥壁电阻R1～R4；分别缠绕在前敏感丝支架的绕线轴一与绕线轴二上并且相互平行的两个金属丝分别构成桥臂电阻R1、桥臂电阻R3，位于不平衡电桥的
工作腔；分别缠绕在后敏感丝支架的绕线轴一与绕线轴二上并且相互平行的两个金属丝分别构成桥臂电阻R2、桥臂电阻R4，位于不平衡电桥的比较腔；两组电桥的输出
信号进行比较之后输出相应的
电信号；调零电位器R5位于不平衡电桥的外部
电路；
[0010] 传感器使用时，敏感丝元件插于UF6介质所在的管道内，与被测介质直接
接触；当工艺管道中介质流向发生改变时，传感器中的阻流件使电桥桥臂处于不同的流场中，不同流场
流体带走敏感元件表面热量不同，桥臂电阻阻值会发生变化，从而改变桥路的电参数输出；
[0011] 当UF6介质所在的管道内UF6气流由正向通过传感器时，电阻R1、R3处于气流的上游，R2、R4处于气流下游，R1、R3的
散热条件优于R2、R4，使得电桥桥臂阻值R2·R4＞R1·R3，桥路的输出为负信号；
[0012] 当UF6介质所在的管道的UF6气流方向发生改变，出现事故方向气流时，传感器电桥电路中电阻R1、R3处于气流的下游，R2、R4处于气流上游，R2、R4的散热条件优于R1、R3，使得电桥桥臂阻值R2·R4＜R1·R3，桥路的输出为正信号；
[0013] 第二部分为信号放大及调理电路，通过该电路将传感器敏感元件部分的调零电位器R5输出的mv级电压信号进行放大，转换为-5V～+5V的标准信号，以与外部控制系统匹配；
[0014] 第三部分为传感器结构器件，该器件包括两个室组成，一个是插入UF6介质中的敏感元件室，放置第一部分为传感器敏感元件部分，该室所选用的护套均是耐UF6腐蚀的金属材料；另一个室是信号放大电路密，放置第二部分信号放大及调理电路，设置在UF6介质所在的管道外部；
[0015] 第四部分为传感器供电及信号输出
接口，该接口设计为
电连接器的形式，具体为4芯航空插座，其中两芯为直流供电，另两芯为信号输出。
[0016] 进一步的，如上所述的一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，传感器敏感元件部分中敏感丝元件由四根厚度为0.01mm的方型镍丝绕制而成。
[0017] 进一步的，如上所述的一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，传感器敏感元件部分，在前敏感丝支架前方设置前阻
风板，前阻风板包括滤网和前阻风板围框，通过前阻风板过滤气流，降低气流速度，保护敏感电阻丝；在前后敏感丝支架之间以及后敏感丝支架后面两处
位置分别设置中间通道围框和后通道围框，控制通过前敏感丝支架的气流集中通过后敏感丝支架，阻挡侧面气流的干扰。
[0018] 进一步的，如上所述的一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，第三部分传感器结构器件中敏感元件室的护套材料是镍
合金。
[0019] 进一步的，如上所述的一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，第三部分为传感器结构器件中，敏感元件室与信号放大电路之间密封隔离，禁止UF6气体
泄漏。
[0020] 进一步的，如上所述的一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，传感器敏感元件部分中敏感丝元件由四根厚度为0.01mm的方型镍丝绕制而成；在前敏感丝支架前方设置前阻风板，前阻风板包括滤网和前阻风板围框，通过前阻风板过滤气流，降低气流速度，保护敏感电阻丝；在前后敏感丝支架之间以及后敏感丝支架后面两处位置分别设置中间通道围框和后通道围框，控制通过前敏感丝支架的气流集中通过后敏感丝支架，阻挡侧面气流的干扰；
[0021] 第三部分传感器结构器件中敏感元件室的护套材料是镍合金；敏感元件室与信号放大电路之间密封隔离，禁止UF6气体泄漏。
[0022] 本发明技术方案与现有有热源型传感器技术相比的有益效果在于：
[0023] (1)该发明技术的应用，填补了国内同类技术的空白；
[0024] (2)使离心级联工艺介质流向检测更加准确、可靠，敏感元件抗UF6腐蚀更强。
[0025] (3)为以后分离生产线自动控制系统设计提供可靠的理论依据；
[0026] (4)为开发功能更加完善的主工艺检测控制系统组态
软件提供技术支持。
[0027] 该项发明的经济效益包括两部分，第一部分由于传感器可靠性的提高，可以减少部分工艺区段因更换故障传感器而中断分离工艺过程，减少分离功损失，从而降低经济损失；第二部分由于改用无热源型传感器，传感器成本可以降低，以一个1000吨分离功规模的工程计算，节约工程投资约70万元。除此之外，该传感器的外部供电因工作
电流降低，可以降低直流供电电源的容量，从而节约投资和节能等，具有较好的经济效益。
附图说明
[0028] 图1为热导式测量电路原理图。
[0029] 图2为传感器敏感元件相对位置示意图。
[0030] 图3为敏感丝绕制示意图。
[0032] 图中：1桥壁电阻R1、2桥壁电阻R2、3桥壁电阻R3、4桥壁电阻R4、5滤网、6前阻风板围框、7中间通道围框、8后通道围框、9绕线轴一、10绕线轴二、11左侧弹簧、12右侧弹簧。
具体实施方式
[0033] 下面通过附图和具体
实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
[0034] 如图1所示，本发明一种无热源型检测UF6介质气体流向的传感器，应用于铀同位素离心法分离工艺过程，被测介质为UF6气体，其特征在于，由四部分组成：
[0035] 第一部分为传感器敏感元件部分，其原理为热导式测量；敏感丝元件由四根厚度为0.01mm的方型镍丝绕组成，置于UF6气体中，利用其电阻随温度的变化特性，将UF6气体方向的变化转换为电阻值的变化，采用不平衡电桥原理，将敏感元件阻值的变化转换为电压的变化，进行处理、输出；
[0036] 敏感丝元件缠绕在包括左右两根支架柱的支架上，支架的上端固定焊接绕线轴一，下端设置绕线轴二，绕线轴一与绕线轴二之间相互平行；在左右两根支架柱的下端分别开设支架腰槽，在支架腰槽的顶端分别设置左侧弹簧和右侧弹簧，绕线轴二在支架腰槽里上下滑动；当金属丝绕在绕线轴一与绕线轴二上后，由支架腰槽内的左侧弹簧和右侧弹簧支撑绕线轴二，控制金属丝始终处于紧绷状态；
[0037] 上述四根金属丝组成不平衡电桥的四个桥壁电阻R1～R4；分别缠绕在前敏感丝支架的绕线轴一与绕线轴二上并且相互平行的两个金属丝分别构成桥臂电阻R1、桥臂电阻R3，位于不平衡电桥的工作腔；分别缠绕在后敏感丝支架的绕线轴一与绕线轴二上并且相互平行的两个金属丝分别构成桥臂电阻R2、桥臂电阻R4，位于不平衡电桥的比较腔；两组电桥的
输出信号进行比较之后输出相应的电信号；调零电位器R5位于不平衡电桥的外部电路；
[0038] 传感器敏感元件部分，在前敏感丝支架前方设置前阻风板，前阻风板包括滤网和前阻风板围框，通过前阻风板过滤气流，降低气流速度，保护敏感电阻丝；在前后敏感丝支架之间以及后敏感丝支架后面两处位置分别设置中间通道围框和后通道围框，控制通过前敏感丝支架的气流集中通过后敏感丝支架，阻挡侧面气流的干扰。
[0039] 传感器使用时，敏感丝元件插于UF6介质所在的管道内，与被测介质直接接触；当工艺管道中介质流向发生改变时，传感器中的阻流件使电桥桥臂处于不同的流场中，不同流场流体带走敏感元件表面热量不同，桥臂电阻阻值会发生变化，从而改变桥路的电参数输出；
[0040] 当UF6介质所在的管道内UF6气流由正向通过传感器时，电阻R1、R3处于气流的上游，R2、R4处于气流下游，R1、R3的散热条件优于R2、R4，使得电桥桥臂阻值R2·R4＞R1·R3，桥路的输出为负信号；
[0041] 当UF6介质所在的管道的UF6气流方向发生改变，出现事故方向气流时，传感器电桥电路中电阻R1、R3处于气流的下游，R2、R4处于气流上游，R2、R4的散热条件优于R1、R3，使得电桥桥臂阻值R2·R4＜R1·R3，桥路的输出为正信号；
[0042] 第二部分为信号放大及调理电路，通过该电路将传感器敏感元件部分的调零电位器R5输出的mv级电压信号进行放大，转换为-5V～+5V的标准信号，以与外部控制系统匹配；
[0043] 第三部分为传感器结构器件，该器件包括两个室组成，一个是插入UF6介质中的敏感元件室，放置第一部分为传感器敏感元件部分，该室所选用的护套均是耐UF6腐蚀的金属材料，在本实施例中护套材料是镍合金；另一个室是信号放大电路密，放置第二部分信号放大及调理电路，设置在UF6介质所在的管道外部；敏感元件室与信号放大电路之间密封隔离，禁止UF6气体泄漏。
[0044] 第四部分为传感器供电及信号输出接口，该接口设计为电连接器的形式，具体为4芯航空插座，其中两芯为直流供电，另两芯为信号输出。
[0045] 1误差测试
[0046] 传感器误差测试数据见表1～表3。
[0047] 表1 1#传感器误差测试
[0048]
[0049] 表2#传感器误差测试
[0050]
[0051] 表3#传感器误差测试
[0052]
[0053] 结果表明：误差均小于20％，能满足工艺过程事故保护的要求。
[0054] 2量程测试
[0055] 传感器过范围测试数据见表4～6。
[0056] 表4 1#传感器过范围测试
[0057]
[0058] 表5 2#传感器过范围测试
[0059]
[0060] 表6 3#传感器传感器过范围测试
[0061]
[0062] 结果表明：量程能满足工艺过程事故保护的要求。
[0064] 传感器电源电压变化影响测试数据见表7～表9。
[0065] 表7 1#传感器电源电压变化影响测试
[0066]
[0067] 表8 2#传感器电源电压变化影响测试
[0068]
[0069] 表9 3#传感器电源电压变化影响测试
[0070]
[0071] 结果：测试表明：在电源电压变化15V±2V的情况下，传感器输出的变化小于全量程的6％。能满足工艺要求。
[0072] (4)当被禁止(事故)方向的气流绝对压力值从0增大到1.6kPa(接近于工艺介质流量
密度从0mg.cm-2s-1增大到5mg.cm-2s-1)时，传感器
输出电压从0mV增长到2.4V的时间不超过4s。能满足保护要求
[0073] (6)静态测量，传感器内阻为(30±5)欧姆，当供电电压为额定值(+15V)时，传感器所需的供电电流不大于180mA。
[0074] 该发明从根本上改变了一直沿用的俄罗斯或仿制俄方同类检测传感器的测量方式，具有创新性，填补了同类技术的空白，解决了原检测传感器(有热源型)的诸多问题及不足，不但提高了检测的准确性及可靠性，而且具有很好的经济及社会效益，随着以后生产规模的不断扩大，核燃料生产线建设项目的不断增多，该发明所创造的经济效益将更加可观。
