再敘在核事業(yè)中成長(zhǎng)的光華

——CEC系列及CEC（H）系列差壓/壓力變送器的開發(fā)始末

盧國(guó)偉　繆根興　趙文達(dá)　張麗君

《飛鴻踏雪泥》（第一輯）中的“在核事業(yè)成長(zhǎng)中的光華”一文，敘述了上海光華儀表廠在我國(guó)核事業(yè)早期建設(shè)中所做的貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)核電事業(yè)的開展，急需耐輻射、抗地震等要求的核級(jí)自動(dòng)化儀表，作為核工業(yè)部下屬的上海光華儀表廠，要提供大量的核級(jí)、各種差壓類變送器。

此時(shí)適逢我國(guó)改革開放初期，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家欲搶占我國(guó)市場(chǎng)，紛紛來我國(guó)舉辦各種推銷活動(dòng)，介紹他們的產(chǎn)品。美國(guó)羅斯蒙特公司與核工業(yè)部聯(lián)系后，于1978年下半年在北京舉辦了一次“技術(shù)交流會(huì)”，推薦和展示他們的1151型常規(guī)工業(yè)用的電容式變送器及1152型等核級(jí)電容式變送器，并留下展品。交流會(huì)由核工業(yè)部十局屈智潛總工程師主持，我廠曹堅(jiān)廷總工程師參加。

常規(guī)工業(yè)用和核級(jí)的電容式變送器的工作原理相同，前者使用面更廣，品種也較多，有差壓、壓力、液位、流量和絕對(duì)壓力等變送器，現(xiàn)以其基型差壓變送器為例作一簡(jiǎn)述。該系列變送器工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，但制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，其性能上有許多優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)勝于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)常用的DDE型力平衡式、CM型膜盒式以及雙波紋管式等差壓變送器。電容式變送器有諸如精度高、反應(yīng)快、穩(wěn)定、可靠、量程范圍寬、有可調(diào)阻尼和正、負(fù)遷移機(jī)構(gòu)、輸出信號(hào)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、體積小、重量輕、零件通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)系列產(chǎn)品的外形尺寸基本一致。

開發(fā)該系列變送器，當(dāng)時(shí)有兩條途徑：一是花外匯購(gòu)買其技術(shù)和設(shè)備，但費(fèi)用昂貴；另一是按照核工業(yè)部常用的方法——自力更生。我們根據(jù)收集到的國(guó)際上同類產(chǎn)品的資料和樣本以及有關(guān)的專利文獻(xiàn)進(jìn)行開發(fā)，為此光華廠開展了一場(chǎng)艱苦的攻關(guān)，上至廠長(zhǎng)，下至工人師傅均十分重視，通力合作。在總工程師帶領(lǐng)下，由我們四人和胡崇良、王钖堯（已去世）六人組成試制組。我們都是50年代后期和60年代初大學(xué)畢業(yè)的，已有20多年的工作經(jīng)歷，但對(duì)試制過程中遇到的問題都感到陌生，為此到處拜師請(qǐng)教。為找到合適的檢測(cè)膜片材料，我們拜訪了北京鋼鐵研究院、上海鋼鐵研究所；為了選用外徑1mm、內(nèi)徑0.5mm、能耐高溫的金屬細(xì)管，請(qǐng)教了上海銅仁合金廠、上海注射針廠等，邊學(xué)邊用，終于解決了一個(gè)又一個(gè)難題。

試制分兩階段進(jìn)行，第一階段的目標(biāo)是做出常規(guī)工業(yè)用產(chǎn)品；第二階段是試制核級(jí)產(chǎn)品。

第一階段

始于1979年初，首先對(duì)展品進(jìn)行全性能測(cè)試，為此添置了高性能數(shù)字式電壓表及浮球式壓力計(jì)等設(shè)備，測(cè)試結(jié)果表明其性能確實(shí)優(yōu)于當(dāng)時(shí)常用的其他變送器。

1151型電容式差壓變送器由檢測(cè)部分和轉(zhuǎn)換線路兩部分組成，現(xiàn)將試制中遇到的情況分述如下。

一、檢測(cè)部分

這部分除殼件、接頭等零件外，最關(guān)鍵的是測(cè)量元件，它是變送器的靈魂，決定變送器的測(cè)量范圍，更決定變送器的性能。它的作用是將被測(cè)差壓轉(zhuǎn)換成電容變化量送至轉(zhuǎn)換線路部分。當(dāng)外界壓力作用在隔離膜片上，通過腔體內(nèi)液體傳至中間的檢測(cè)膜片產(chǎn)生偏移。檢測(cè)膜片又是一個(gè)可動(dòng)極板與兩側(cè)絕緣體表面的固定極板組成的一個(gè)特殊的可變電容器。檢測(cè)膜片在中間位置時(shí)，兩側(cè)電容量相等，當(dāng)檢測(cè)膜片偏移時(shí)，兩側(cè)電容量不再相等，便有一個(gè)差值，傳至轉(zhuǎn)換線路部分。測(cè)量元件工作原理簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，制造難度較大，牽涉到許多新材料、特種工藝和專用設(shè)備，試制組為此花了很大精力，解決了下列難題。

1.金屬基座與玻璃燒結(jié)

承受壓力的基座要與作為絕緣體的玻璃、起阻尼作用的陶瓷管及作為固定極板引出線的金屬細(xì)管（又是充液管）燒結(jié)在一起，并要求接合牢固、密封，玻璃無氣泡、不碎、不裂和內(nèi)應(yīng)力小。為此，我們拜訪了上海燈泡廠、上海電子管廠及上海玻搪所等單位，在他們的啟發(fā)幫助下，終于找到匹配合適的玻璃等材料，再經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，摸索出合適的燒結(jié)工藝，完滿地解決了第一個(gè)難題。

2.固定極板形成

基座與玻璃等燒結(jié)后，需在玻璃端面磨出一個(gè)凹弧面，再鍍上一層金屬，作為固定極板，這樣既在檢測(cè)膜片受到意外的過載壓力時(shí)有個(gè)“靠山”，保護(hù)它不破裂、不變形，又與檢測(cè)膜片構(gòu)成一個(gè)特殊電容器。凹弧面深度不大，但很精確，具體尺寸及金屬鍍層的直徑需按不同量程而定。經(jīng)多種方案比較，才找到滿足要求的方法，這是試制過程中第二個(gè)難題。

3.檢測(cè)膜片

檢測(cè)膜片位于測(cè)量元件中心，它既是檢測(cè)差壓的敏感元件，又是特殊電容器的可動(dòng)極板，這里采用了兩種設(shè)計(jì)和工藝相異的檢測(cè)膜片，現(xiàn)分述如下。

（1）有預(yù)張緊力膜片

在中、低差壓時(shí)，采用有預(yù)張緊力的膜片，即先將膜片周邊固定，再將膜片繃緊，這樣可提高膜片受壓和位移的線性關(guān)系，還能降低滯環(huán)誤差，提高零位穩(wěn)定性和抗沖擊振動(dòng)能力。經(jīng)過摸索，我們選用高彈性、恒彈性適當(dāng)厚度的帶材，并經(jīng)有效的熱處理來做膜片，再利用銹花繃的原理設(shè)計(jì)、制造了繃緊夾具，完滿地解決了這個(gè)關(guān)鍵，這算是第三個(gè)難題。

（2）環(huán)形槽平板膜片

測(cè)量較高差壓時(shí)，膜片需加厚，這時(shí)預(yù)張緊力技術(shù)很難采用，故改用帶環(huán)形槽的平板膜片，這樣既滿足了量程的要求，又克服了平板膜片回差大的缺點(diǎn)，保證了精度，經(jīng)過多次摸索，找到了適當(dāng)?shù)哪て穸取h(huán)形槽寬度、深度及所在位置等參數(shù)，這是試制中的第四個(gè)難題。

4.測(cè)量元件焊接

為確保變送器性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量元件采用焊接密封的固體化結(jié)構(gòu)，基座需和檢測(cè)膜片、隔離膜片焊接在一起，既要確保焊縫密封，又要減小焊接應(yīng)力，其中檢測(cè)膜片焊接最為關(guān)鍵。為保證檢測(cè)膜片設(shè)計(jì)要求的預(yù)張緊力，膜片必須在張緊狀態(tài)下焊接，為此我們利用膜片繃緊夾具，制造了專用的焊接設(shè)備并編制了專用的焊接工藝，這是試制中第五個(gè)難題。

5.測(cè)量元件充液

被測(cè)差壓作用在隔離膜片上，需通過腔體內(nèi)充灌的液體傳至檢測(cè)膜片，使其偏移，改變兩側(cè)電容值，送至轉(zhuǎn)換線路部分。為確保變送器性能，需控制兩側(cè)的充液量。充液前，要將兩側(cè)腔體內(nèi)的氣體排空，抽氣和充液均通過作為固定極板引出線的充液管進(jìn)行。其內(nèi)孔僅0.5mm，難度較大，為此我們又制造了特殊的真空充液設(shè)備，制定了專門的工藝文件，解決了這個(gè)關(guān)鍵，這是試制中第六個(gè)難題。

二、轉(zhuǎn)換線路部分

這部分主要任務(wù)是將檢測(cè)部分送來的電容差值轉(zhuǎn)換、放大成4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。變送器調(diào)零、調(diào)滿量程、改變反應(yīng)速度的阻尼機(jī)構(gòu)及量程正、負(fù)遷移機(jī)構(gòu)均在這部分，所以線路緊湊、復(fù)雜。

為降低溫度對(duì)變送器性能的影響，線路部分有一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，既要考慮所選量程的零位和滿量程的溫度補(bǔ)償，又要滿足最大量程和最小量程（其比值為6∶1且連續(xù)可調(diào)）的溫度影響指標(biāo)，這是線路部分的一個(gè)關(guān)鍵工藝。經(jīng)反復(fù)摸索、試驗(yàn)，終于解決了這個(gè)難題，并制作使用方便的溫度補(bǔ)償曲線，提高了變送器性能，也提高了生產(chǎn)效率。

線路部分磁環(huán)變壓器是個(gè)關(guān)鍵元件，也讓我們花費(fèi)了不少精力，初開始時(shí)合格率僅有50%，于是從磁環(huán)材質(zhì)、燒制溫度、所用漆包線以及繞線方式等一步一步地摸索，并增加校驗(yàn)手段，經(jīng)過不懈努力，最終也解決了這個(gè)難題。

變送器有三套線路，分別是用于大多數(shù)品種的通用線路，用于微差壓的小信號(hào)線路和用于測(cè)流量的帶開方功能的線路，先后均試制成功，為了滿足市場(chǎng)需要，我們還研制了0～10mA DC輸出信號(hào)的產(chǎn)品，線路部分可增加指示表頭，便于現(xiàn)場(chǎng)觀察。

經(jīng)過兩年多共同奮斗，攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題，于1981年試制成中差壓電容式差壓變送器，并通過核工業(yè)部組織的鑒定，在國(guó)內(nèi)首先問市。隨后試制組繼續(xù)擴(kuò)大品種，拓寬測(cè)量范圍，陸續(xù)試制成功壓力、遠(yuǎn)傳差壓、遠(yuǎn)傳壓力、微差壓、絕對(duì)壓力、液位和流量等變送器，測(cè)量范圍從最低0～0.16kPa到最高0～40MPa等多種，而且是連續(xù)可調(diào)的；各品種均由防爆認(rèn)證機(jī)構(gòu)確認(rèn)為隔爆型及本安型兩種防爆產(chǎn)品。為適應(yīng)各種被測(cè)介質(zhì)，變送器有些零件中需選用相應(yīng)的材質(zhì)。這樣按品種、測(cè)量范圍、零件材質(zhì)排列、組合，變送器將多達(dá)百余種，可滿足各行業(yè)用戶的需求。

該系列變送器經(jīng)上海自動(dòng)化儀表研究所按標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定為CEC系列電容式變送器，三個(gè)字母含義分別為差壓類、膜片(盒)式、電容式儀表，若要表明品種，需再加一個(gè)后續(xù)字母，如CECC型代表電容式差壓變送器，CECL型代表電容式流量變送器。

1987年，核工業(yè)部對(duì)CEC系列電容式變送器組織鑒定，獲領(lǐng)導(dǎo)、專家和用戶一致好評(píng)，由于我們未走“引進(jìn)”的路，未花巨額外匯，多次受到表揚(yáng)和鼓勵(lì)，其中較榮耀的有CEC系列電容式差壓/壓力變送器于1987年獲核工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(證書號(hào)87-2-022)，1989年獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)（證書號(hào)電-3-011-01）。

在試制階段，一機(jī)部的西安儀表廠、北京市的北京電表廠及上海市的自動(dòng)化儀表一廠相繼引進(jìn)羅斯蒙特公司1151型電容式變送器整套技術(shù)，并先后有產(chǎn)品上市，之后，生產(chǎn)電容式變送器的企業(yè)遍地開花，產(chǎn)量與日俱增，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)差壓類儀表的首選產(chǎn)品。

第二階段

始于1984年，CEC系列電容式變送器試制工作已初戰(zhàn)告捷，便著手試制核級(jí)電容式差壓/壓力變送器。核級(jí)變送器外形雖酷似常規(guī)工業(yè)用產(chǎn)品，工作原理也相同，但因它用于核電站核島部分，所以對(duì)其性能要求特別高，對(duì)零部件材質(zhì)、元器件選擇要求也特別高。核級(jí)變送器除了具有常規(guī)工業(yè)用的全部基本性能外，還應(yīng)有三項(xiàng)特殊的核安全性能，即抗輻射、抗地震和抗蒸汽高溫、高壓及化學(xué)噴淋性能（即LOCA試驗(yàn)），而且按照抗受能力還分幾個(gè)等級(jí)，例如抗輻射累積劑量有5×104Gy（戈雷）的，也有高達(dá)1.1×106Gy的，抗地震加速度有3g及4g兩擋，抗蒸汽高溫、高壓及化學(xué)噴淋比較復(fù)雜，壓力有0.17MPa，也有0.55MPa的，溫度低的為129℃，高的近160℃，保溫時(shí)間有7小時(shí)的，也有56小時(shí)的，試驗(yàn)時(shí)還要噴灑硼酸等溶液，試驗(yàn)后變送器恢復(fù)到常溫時(shí)還應(yīng)滿足一定的技術(shù)性能。

試驗(yàn)是極為嚴(yán)格的。因?yàn)橹挥羞@樣的試驗(yàn)，才能模擬變送器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)的最惡劣狀態(tài)，才能確保變送器在40年使用壽命期內(nèi)，可在核電站中安全可靠地運(yùn)行。常規(guī)工業(yè)用的變送器，經(jīng)上述試驗(yàn)，根本不能工作。針對(duì)各項(xiàng)要求，我們一項(xiàng)一項(xiàng)解決，如外殼材質(zhì)改用不銹鋼，而且不能有瑕疵，以防高溫高壓下受噴淋溶液侵蝕，又如橡膠密封件一般只能耐100℃，而核極需承受160℃，電子元器件不耐輻射、不耐高溫等，為此我們走訪了多家工廠、研究所，多次請(qǐng)他們?cè)囍茦悠罚缓笥晌覀兎磸?fù)進(jìn)行輻射、高溫試驗(yàn)，最后選定一家樣品合格的單位，定材質(zhì)、定配方、定工藝，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量，有些元器件選定國(guó)外某公司的品牌，進(jìn)廠后還要進(jìn)行嚴(yán)格的老化、篩選、配對(duì)，確認(rèn)符合要求后，才正式使用。

核級(jí)變送器在各項(xiàng)基本性能符合要求后，才能進(jìn)行三項(xiàng)特殊安全性能考核。我們的試制品均請(qǐng)各權(quán)威單位進(jìn)行考核，抗輻射性能在上海核物理研究所，抗地震性能在同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行，抗蒸汽高溫、高壓及化學(xué)噴淋性能在上海核工業(yè)研究設(shè)計(jì)院考核，均有合格證書。產(chǎn)品經(jīng)秦山核電廠考核、試用，頗獲好評(píng)。

為了今后更規(guī)范地生產(chǎn)和驗(yàn)收核級(jí)變送器，核工業(yè)部要求制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以光華廠為主，核工業(yè)二院、上海核工院、秦山核電廠、秦山核電聯(lián)營(yíng)公司等單位參加，共同商討制定既符合我國(guó)國(guó)情、經(jīng)努力又能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，并參照了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)IEEE323、IEEE344、法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、RCCE以及國(guó)標(biāo)GB12727、GB13625等標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)多年反復(fù)討論，最終制定出ET/T1046核安全級(jí)CEC系列電容式變送器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，作為今后生產(chǎn)核級(jí)電容式變送器的依據(jù)。

我們?cè)囍频暮思?jí)電容式變送器，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定被命名為CHC（H）系列，按照核安全技術(shù)性能分為CEC（H2）、CEC（H3B）型和CEC（H3B）-R型三個(gè)等級(jí)，核技術(shù)性能均符合相關(guān)核安全要求，并先后通過部級(jí)鑒定。

CEC（H）系列核級(jí)電容式變送器早在1989年已用于秦山核電廠，1996年成批出口巴基斯坦用于恰希瑪核電廠，秦山核電聯(lián)營(yíng)公司用量也很多，還用于中國(guó)先進(jìn)堆、中國(guó)快堆、中核404廠中試項(xiàng)目以及清華大學(xué)高溫氣冷堆等工程，用戶均表示滿意。

核級(jí)電容式變送器試制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品的空白，擺脫了某些國(guó)家對(duì)我國(guó)核電事業(yè)的控制，為我國(guó)核電的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。為此曾多次榮獲嘉獎(jiǎng)，如CEC（H2）型和CEC（H3B）型核級(jí)電容式變送器分別于1994年和1997年獲核工業(yè)總公司（原核工業(yè)部）頒發(fā)的科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，CEC（H3B）-R型于1999年獲上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)，并于2000年獲國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)頒發(fā)的國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)等。

經(jīng)過十多年艱苦努力，終于試制成CEC系列電容式變送器和CEC（H）系列核級(jí)電容式變送器，使我國(guó)同類儀表性能稍有提升，使核級(jí)儀表從無到有，跨了一大步，確感欣慰，我們深切希望，儀表行業(yè)的后來者能更上一層樓，創(chuàng)造出品種更多、性能更好的新型儀表，我們期盼著。

后記

撰寫本文，首先要感謝《飛鴻踏雪泥》編輯部，能有這樣一個(gè)平臺(tái)，讓我們回憶那段既高興又緊張的日子。當(dāng)時(shí)每周工作六天，但我們往往將一周七天的時(shí)間都在為試制這個(gè)產(chǎn)品而奔波著，不計(jì)時(shí)間，不計(jì)報(bào)酬，心情卻非常愉快。時(shí)隔二三十年，仍記憶猶新。四位老朋友經(jīng)多次商討回憶，方完成此文。在寫作過程中，我們得到老總工程師蔡武昌先生的指導(dǎo)，在此謹(jǐn)表感謝。

作者簡(jiǎn)介

盧國(guó)偉，1935年11月生，江蘇人。1958年畢業(yè)于浙江大學(xué)機(jī)械系，研究員級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)流量?jī)x表專業(yè)委員會(huì)顧問，曾任上海光華儀表廠副總工程師。獲上海市儀表電信局先進(jìn)工作者，獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，多次獲核工業(yè)科技進(jìn)步二等、三等獎(jiǎng)。

繆根興，1936年3月生，無錫人。1961年畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化儀表專業(yè)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，核工業(yè)部勞動(dòng)模范，中國(guó)核工業(yè)總公司中青年有突出貢獻(xiàn)專家。在秦山核電站建設(shè)中榮立一等功，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、核工業(yè)科技成果獎(jiǎng)。

趙文達(dá)，1940年7月生，浙江人。1961年畢業(yè)于上海理工大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師。獲中國(guó)核工業(yè)總公司中青年有突出貢獻(xiàn)專家，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)，五次獲中國(guó)核工業(yè)總公司部級(jí)科技成果二等獎(jiǎng)。

張麗君，1940年2月生，浙江省鄞縣人。1964年畢業(yè)于上海交通大學(xué)520專業(yè)，1978年調(diào)入光華儀表廠，高級(jí)工程師，上海市“三·八”紅旗手。獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)，核工業(yè)科技成果獎(jiǎng)。