instrumentación y control para reactores nucleares

Abril de 2009 Luis María Pizarro

Instrumentación y Control

Luis María Pizarro


Indice

● Control de Sistemas● Sistemas a lazo abierto● Sistemas a lazo cerrado● Control continuo, secuencial, sincrónico● Arquitectura de sistemas● Redes de campo, control y supervisión● Control de Procesos, reactores nucleares● Mediciones neutrónicas● Lazos de Control en reactores nucleares


Sistema sin realimentación

●Lazo Abierto●Se diseña para

mantener la temperatura sin necesidad de medir y actuar sobre el interruptor.


Sistema con Realimentación

● El operador interviene en el control.

● Instrumento Provee la información.

● Mandos (Interruptor) permite al operador controlar el proceso.


Sistema con Realimentación

● Un controlador automático reemplaza la acción de control del operador.

● El operador fija el punto deseado de operación.


Sistemas de Control Continuo

●Las entradas envian información al sistema todo el tiempo, y las salidas son controladas en todo momento.

●Ejemplo: Control automático de Ganancia, sistema de control de temperatura de un horno, pilotos automáticos, sistemas de control de nivel, etc.


Sistemas de Control secuencial

●Una serie de eventos distintos se produce uno después de otro.

●La finalización de un evento en la secuencia provee la señal para que el próximo evento comience.

●Ejemplos: el temporizador de un sistema de calefacción central, lavarropas, semáforos, ascensor, etc.


Sistemas de Control Sincrónico

●En este tipo de sistema de control, todos los eventos de la secuencia se producen a intervalos de tiempo prefijados.

●Ejemplo: SEMAFORO.●Estos sistemas no tienen en cuenta eventos

externos a él, de esta manera, se trata de sistemas a lazo abierto.


Sistemas de Control Asincrónico

●Todos los eventos de la secuencia se producen si se produjo un evento externo o un evento interno.

●Hay independencia temporal, los eventos se pueden producir en cualquier momento.

●Su comportamiento depende de sensores: fines de carrera, interruptores, etc.

●Ejemplo: ascensores.●Son sistemas de control a lazo cerrado.


Ejemplo


Lazo de Control

● Objetivos: estabilización, performance

● r: Referencia o variable a seguir● e: Error e = y – r● a: señal de actuación● y: salida de la planta● P: Planta o Proceso● C: Control automático● p: perturbación● n: ruido


Controladores

● Sistema externo al proceso P que modifica algorítmicamente el comportamiento de la planta.

○ Las salidas de la planta son entradas al controlador

○ Las entradas de la planta, son las salidas del controlador.


Actuadores

● Amplificación de una señal neumática, hidráulica, eléctrica, electrónica o mecánica.

● Se entrega energía a la planta para llevarla al estado deseado.

● Ej. servo de posición acoplado a la válvula, recibe una señal de apertura, esta se traduce en un movimiento del mecanismo de la válvula que es llevada a la posición deseada por el controlador.


Lazo de Control

● Relación Entrada/Salida ○ y/r con p,n=0

● P*C/(1 + P*C)


Lazo de Control

● Relación Salida/Ruido de sensores

● y/n noc p,r=0● -P*C


Lazo de Control

● Relación Salida/Perturbación de planta.

● y/p noc n,r=0● P/(1 + P*C)


Arquitectura de Sistema

● Modelo de Supervisión y Control (S&C) de Procesos● Redes de datos industriales.● Red de campo.● Red de Control.● Red de Supervisión● Controladores, dispositivos de E/S, transmisores,

estaciones de operador, etc.


Modelo de S&C de Procesos


Redes de comunicación

● Ventajas○ Menor cableado.○ Inmunidad al ruido.○ Robustez.

■ Protocolos orientados a detección y corrección de errores.■ Protocolos orientados a tiempo real.

○ Mayor información acerca de los sensores.■ Configuración remota.■ Autodiagnóstico.


Redes de comunicación

● Desventajas○ Está basado en software.○ Fallas que pueden sacar de servicio un segmento de red con

todos sus sensores y actuadores asociados.■ por corte de cable de red.■ por salida de servicio del maestro.■ por acceso a la red sin control por parte de un esclavo.


Modelo OSI redes

Describe las comunicaciones entre las estaciones de un sistema


Protocolos de Comunicación

● Definen como dos o más estaciones intercambian datos usando tramas mensajes.

● Una trama de datos contiene:○ Header con direcciones de fuente y destino○ Mensaje○ Información para el chequeo de falla de transmisión

● Los buses de campo optimizan la transmisión de paquetes pequeños que contienen información crítica en tiempo. ¿Tiempo Real?


Control de Acceso al Medio

● Procedimiento específico que determina en que punto una estación puede enviar datos a otra.

● Estaciones activas: pueden intercambiar información● Estaciones pasivas: pueden enviar información cuando una estación

activa se lo requiere.● Acceso determinístico. Tiempo Real (Maestro-Esclavo con Profibus).● Acceso no determinístico. Tiempo Aleatorio (Redes Ethernet).


Direccionamiento

● Necesario para selectivamente identificar las estaciones.

● Direccionamiento por hard. Interruptores.● Direccionamiento por soft. Durante la asignación de

parémetros.


Profibus DP


Profibus PA


Profibus PA

EIA RS 485


Profibus PA

EIA RS 485 Forma de Onda

1 bit de start, 1 bit de stop, 8 bit de datos, sin paridad N,

8,1,1


Transmisor de Temperatura


Tx de temperatura Datos (cont.)


Transmisor Universal

● Protocolos○ Modbus○ Profibus DP

● Mediciones○ Termocupla, RTD, tensión,

frecuencia, potenciométrica.● Esquema de conexión


Arquitectura de Sistema


Modelo de 4 Variables

Variable Monitoreada: medición que afecta el comportamiento del sistemaVariable Controlada: variable del proceso que el sistema controla.REQ, NAT: especificación de caja negra del comportamiento requerido.NAT: define el conjunto de posibles valores que el sistema puede adoptar. Restricciones naturales del proceso.REQ: restricciones adicionales sobre el sistema.SOFT: relación requerida entre datos de entrada y los datos de salida


Modelo de 4 Variables

REQ: Relación requerida entre las variables monitoreadas y controladas. Los requerimientos de sistema se definen describiendo REQ.SOFT: Requerimientos de software. Define las relaciones requeridas entre los datos de entrada y los datos de salida.


Proceso

● Efectuar determinadas transformaciones a la materia con el fin de obtener una transformación sobre ella.

● Problema de Control■ Mantener el nivel entre

260 y 290■ Mantener la temperatura

del recipiente en un valor de consigna ej. 80 ºC.


Variables Monitoreadas

● Son las salidas del proceso● Son aquellas que informan el

estado del proceso■ Nivel del Líquido en el

tanque■ Temperatura del Líquido

en el tanque


Sensor de Nivel

●Dos flotantes○ Si el nivel está por

debajo de un determinado valor la salida es 0 volt.

○ Si el nivel está por encima de un determinado valor la salida es 24 volt.


Sensor de Temperatura

●Monitoreo de Temperatura○ Acondicionador de

señal■ Transmisor analógico■ Transmisor Digital

■ Protocolo Serie.■ Protocolo Modbus.■ Protocolo Profibus.■ Analógico 4-20 mA.


Lazo de Corriente


Conversor Analógico Digital

● Dispositivo que convierte señales contínuas (analógicas) a números digitales.

● Se caracterizan por:○ Cantidad de bits: 8, 10, 12 16, etc.○ Velocidad de conversión.

● Un conversor de 10 bits, tiene 210 niveles de conversión. ○ Convierte entre 0 y 1024.

● Para una tensión de referencia de 25 Volts, se convierte 25 Volts a 1024, 12,5 Volts a 512, etc.

● Este conversor tiene un error de cuantización de 24 mVolts.


Variables Controladas

● Son las entradas del proceso● Son las variables a las que se

modifica su valor para condicionar el comportamiento del proceso

○ Válvula de entrada CV-01○ Alimentación a la Resistencia

RY-01


Perturbación

● Salidas no medibles.● Variables que alteran el estado

de la planta y no se conoce a priori su comportamiento

○ Temperatura del agua de entrada al tanque ???

○ Pérdidas de calor por las paredes del recipiente

○ Válvula de salidada CV-02


Reactor Nuclear Elemental

● Vm: flujo neutrónico

● Vc: posición de las barras de elementos absorventes.


Reactor Nuclear Elemental

● Esquema de realimentación

● Sistema de información, flujo neutrónico.

● Sistema de Control, sistema de posicionamiento de las barras absorventes.


Reactor: Operación Elemental

● Temperatura de entrada constante

● Tav = (Tout + Tin)/2● Coeficiente de Reactividad

negativa.


Reactor: Sistema de Control

● Esquema Básico● Comparación de

Tav con Tavref , se obtiene n0 .

● Se compara n0

con n para obtener la señal de mando de las barras.


Mediciones Neutrónicas

Determinación del Flujo Neutrónico en un reactor nuclear

● Detectores Neutrónicos○ Cámaras de Ionización○ Contadores de Fisión○ Contadores de BF3

○ Detectores autoenergizados

● Circuitos de Tratamiento○ Medición Modo Corriente○ Medición Modo Pulso○ Medición Modo Fluctuación


Neutrones Térmicos

● Energía del orden de 0,025 EV.

● No son directamente ionizantes.

● Producen reacciones nucleares:

○ Protones○ Partículas alfa○ Fragmentos de fisión

● Se necesitan materiales con alta sección eficaz de captura para producir las reacciones.

● Presencia de radiación gamma● Efecto estadístico● Amplio rango de medición 10

décadas, desde el arranque hasta algo más de plena potencia.

● Disminuir el efecto de radiación gamma

● Disminuir el efecto estadístico.● Medir en todo el rango.


Rango de Instrumentos

● Monitoreo del nivel de neutrones en todos los niveles y en todo momento.

● Una posible solución es la de colocar distintos tipos de intrumentos que cubran todo el rango y se solapen sus rangos.


Reacciones Nucleares

●Boro○ 10B + n -> 7Li + α , 10B(n,α)

7Li.

●Helio○ 3He + n → 3He + p

●Litio○ 6Li + n → 3He + α

●Fisión○ 235U + n → pf1 + pf2 + calor

●Materiales y sus reacciones que se utilizan en la construcción de los detectores para neutrones térmicos.


Cámaras de Ionización

● Instrumento que detecta y mide la radiación ionizante, midiendo la corriente eléctrica que se produce cuando la radiación ioniza el gas en una cámara. Produciendo en el gas iones que son colectados por los electrodos.

● Cámara estanca llena con un gas.

● Con electrodos (+) y (-) que colectan los pares iónicos.

● Los pares van a formar parte de la corriente generada por la cámara.


Regiones de operación

●Detectores Gaseosos●Variando la tensión de

polarización aplicada●Cámara de ionizacón


Cámaras de Ionización

●Las paredes se cubren con 10B.

● 10B + n -> 7Li + α● la partícula α ioniza el

gas●circuito asociado mide

la corriente resultante.


Contadores de BF3

● 10B + n -> 7Li + α , 10B(n,α)7Li.

● Un detector típico de BF3

consiste de un cilindro de aluminio (bronce o cobre) lleno con BF3 a una presión de 0,5 a 1,0 atmósferas. El trifluoruro de Boro lleva a cabo dos funciones:

○ gas de llenado proporcional.○ produce la reacción nuclear.


BF3

●(a) excitado suma●(a) Partícula alfa●(a) 7Li ● (b) sin excitar suma●Espectro no

relacionado a la energía del neutrón


BF3

● 7Li exitado (a)

● 7Li No exitado (b)


Cámara de Ionización Compensada

● Objetivo: Eliminar del ruido gamma.● A la estructura anterior se le agrega una cámara de iguales

características.● A esta cámara se la hace no sensible a los neutrones.● Solo produce una señal relacionada a la radiación gamma.● Esta señal se resta a la que produce a la otra cámara.

S1 = n + γ, S2 = γ . Sr = S1 – S2 = n


Contadores de Fisión

● Aprovechan que los neutrones térmicos producen fisión del 235U, 233U y 239Pu.

● Se liberan 200 MeV, de los cuales 160 MeV corresponden a energía cinética de los fragmentos de fisión.

● Los fragmentos de fisión son muy ionizantes.● Los tamaños de los pulsos son muy importantes.● Se consiguen bajos valores de fondo.● Se aplican en bajas tasas de contaje.● Se presentan como una cámara de ionización cuyas paredes

internas se encuentran cubiertas de material físil.



● 235U + n → pf1 + pf2 + calor

● Corte esquematico de una cámara de fisión

● En verde el deposito de material físil

● Los fragmentos de fisión ionizan el espacio entre el ánodo y el cátodo.Anod

o

Cátodo


3He

● 3He + n → 3He + p


Solución

●Cámara de Ionización●Contador de Fisión●BF3 Se alejan cuando

el flujo aumenta.


Detectores Autoenergizados

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● SPND: Self Powered Neutron Detector

● Detector Basado en decaímiento beta.

● Alta sección eficaz de captura para producir un radio-isotopo beta-activo.

● Procesos.○ neutron -> beta ○ neutron -> gamma -> beta○ gamma -> beta.


Tipos de Medición

●Medición Modo Corriente●Obtener un valor promedio de las fluctuaciones

de los eventos.●La salida del circuito es proporcional a la tasa y

la carga de los eventos.○ I0 = r * Q○ Q es la carga generada por el evento○ r es la velocidad de producción de eventos.


Tipos de Medición

●Medición Modo Fluctuación●Bloquea la componente de continua, pasan las

componentes fluctuantes de la señal.●La salida del circuito es proporcional a la tasa y

el cuadrado de la carga de los eventos.○ V0 = r * Q2

●Mejora la respuesta a los eventos de origen neutrónico en detrimento de la respuesta a radiación gamma.


Tipos de Medición

●Medición Modo Pulso●Preservar la informacón de amplitud y tiempo

de los eventos.●A la salida del circuito se tiene por cada evento

una señal con una amplitud máxima proporcional a la carga del evento.○ Vmax = Q/C


Tiempo Muerto

● En todo sistema de detectores se necesita una mínima cantidad de tiempo para separar dos eventos y poder distinguirlos.

● Este tiempo mínimo se denomina tiempo muerto.● Lo que se busca es evitar la pérdida de los eventos que se quieren

analizar.● Factores que intervienen:

○ Procesos en el propio detector.○ Electrónica asociada.

● Si dos eventos sucesivos se producen en una diferencia de tiempo menor que la del tiempo muerto, estos eventos se pierden para el análisis.

● Las pérdidas por tiempo muerto son más severas cuando aumenta la tasa de conteo.


Tiempo Muerto

● Modelos de correción○ N = tasa de interacción verdadera.○ M = tasa de interacción registrada.○ T = tiempo muerto del sistema. ○ M*T = tiempo en que el sistema está muerto.○ N * M * T = tasa eventos verdaderos pérdidos.○ N – M = tasa eventos verdaderos pérdidos.○ N – M = N * M * T○ N = M / (1 -M * T)


Discrimador

● Por altura de pulsos● Rechazo de ruido con un circuito comparador.● La amplitud del pulso de entrada se compara contra un valor de

referencia. Si el pulso tiene una amplitud mayor al valor de referencia, pasa a la siguiente etapa en la cadena de instrumentación.


Cadenas de Medición del Núcleo



●Medición de Período K/T = d (Log n) / dt

PB


Otros Detectores

● Detectores de Ina(Tl) – Cristal de Centelleo● Detectores de GeHp – Diodo● Utilizados en espectrometría gamma● Espectros de altura de pulsos.● La carga depositada en el detector es proporcinal a la energía del

fotón.● La amplitud del pulso a la salida de los amplificadores son

proporcionales a la energía del fotón.


Cadenas Asociadas

● Fuente de alta tensión● Preamplificador● Discrimanador ● Amplificador-Conformador de pulsos● Contadores● Medidores de tasa● Analizador multicanal● Analizador Monocanal● Módulos de coincidencia.

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