再叙在核事业中成长的光华

——CEC系列及CEC（H）系列差压/压力变送器的开发始末

卢国伟　缪根兴　赵文达　张丽君

《飞鸿踏雪泥》（第一辑）中的“在核事业成长中的光华”一文，叙述了上海光华仪表厂在我国核事业早期建设中所做的贡献。随着我国核电事业的开展，急需耐辐射、抗地震等要求的核级自动化仪表，作为核工业部下属的上海光华仪表厂，要提供大量的核级、各种差压类变送器。

此时适逢我国改革开放初期，众多发达国家欲抢占我国市场，纷纷来我国举办各种推销活动，介绍他们的产品。美国罗斯蒙特公司与核工业部联系后，于1978年下半年在北京举办了一次“技术交流会”，推荐和展示他们的1151型常规工业用的电容式变送器及1152型等核级电容式变送器，并留下展品。交流会由核工业部十局屈智潛总工程师主持，我厂曹坚廷总工程师参加。

常规工业用和核级的电容式变送器的工作原理相同，前者使用面更广，品种也较多，有差压、压力、液位、流量和绝对压力等变送器，现以其基型差压变送器为例作一简述。该系列变送器工作原理简单、结构紧凑，但制造工艺相当复杂，其性能上有许多优点，远胜于当时国内常用的DDE型力平衡式、CM型膜盒式以及双波纹管式等差压变送器。电容式变送器有诸如精度高、反应快、稳定、可靠、量程范围宽、有可调阻尼和正、负迁移机构、输出信号符合国际标准、体积小、重量轻、零件通用性强等优点，整个系列产品的外形尺寸基本一致。

开发该系列变送器，当时有两条途径：一是花外汇购买其技术和设备，但费用昂贵；另一是按照核工业部常用的方法——自力更生。我们根据收集到的国际上同类产品的资料和样本以及有关的专利文献进行开发，为此光华厂开展了一场艰苦的攻关，上至厂长，下至工人师傅均十分重视，通力合作。在总工程师带领下，由我们四人和胡崇良、王钖尧（已去世）六人组成试制组。我们都是50年代后期和60年代初大学毕业的，已有20多年的工作经历，但对试制过程中遇到的问题都感到陌生，为此到处拜师请教。为找到合适的检测膜片材料，我们拜访了北京钢铁研究院、上海钢铁研究所；为了选用外径1mm、内径0.5mm、能耐高温的金属细管，请教了上海铜仁合金厂、上海注射针厂等，边学边用，终于解决了一个又一个难题。

试制分两阶段进行，第一阶段的目标是做出常规工业用产品；第二阶段是试制核级产品。

第一阶段

始于1979年初，首先对展品进行全性能测试，为此添置了高性能数字式电压表及浮球式压力计等设备，测试结果表明其性能确实优于当时常用的其他变送器。

1151型电容式差压变送器由检测部分和转换线路两部分组成，现将试制中遇到的情况分述如下。

一、检测部分

这部分除壳件、接头等零件外，最关键的是测量元件，它是变送器的灵魂，决定变送器的测量范围，更决定变送器的性能。它的作用是将被测差压转换成电容变化量送至转换线路部分。当外界压力作用在隔离膜片上，通过腔体内液体传至中间的检测膜片产生偏移。检测膜片又是一个可动极板与两侧绝缘体表面的固定极板组成的一个特殊的可变电容器。检测膜片在中间位置时，两侧电容量相等，当检测膜片偏移时，两侧电容量不再相等，便有一个差值，传至转换线路部分。测量元件工作原理简单，但结构紧凑复杂，制造难度较大，牵涉到许多新材料、特种工艺和专用设备，试制组为此花了很大精力，解决了下列难题。

1.金属基座与玻璃烧结

承受压力的基座要与作为绝缘体的玻璃、起阻尼作用的陶瓷管及作为固定极板引出线的金属细管（又是充液管）烧结在一起，并要求接合牢固、密封，玻璃无气泡、不碎、不裂和内应力小。为此，我们拜访了上海灯泡厂、上海电子管厂及上海玻搪所等单位，在他们的启发帮助下，终于找到匹配合适的玻璃等材料，再经多次反复验证，摸索出合适的烧结工艺，完满地解决了第一个难题。

2.固定极板形成

基座与玻璃等烧结后，需在玻璃端面磨出一个凹弧面，再镀上一层金属，作为固定极板，这样既在检测膜片受到意外的过载压力时有个“靠山”，保护它不破裂、不变形，又与检测膜片构成一个特殊电容器。凹弧面深度不大，但很精确，具体尺寸及金属镀层的直径需按不同量程而定。经多种方案比较，才找到满足要求的方法，这是试制过程中第二个难题。

3.检测膜片

检测膜片位于测量元件中心，它既是检测差压的敏感元件，又是特殊电容器的可动极板，这里采用了两种设计和工艺相异的检测膜片，现分述如下。

（1）有预张紧力膜片

在中、低差压时，采用有预张紧力的膜片，即先将膜片周边固定，再将膜片绷紧，这样可提高膜片受压和位移的线性关系，还能降低滞环误差，提高零位稳定性和抗冲击振动能力。经过摸索，我们选用高弹性、恒弹性适当厚度的带材，并经有效的热处理来做膜片，再利用锈花绷的原理设计、制造了绷紧夹具，完满地解决了这个关键，这算是第三个难题。

（2）环形槽平板膜片

测量较高差压时，膜片需加厚，这时预张紧力技术很难采用，故改用带环形槽的平板膜片，这样既满足了量程的要求，又克服了平板膜片回差大的缺点，保证了精度，经过多次摸索，找到了适当的膜片厚度、环形槽宽度、深度及所在位置等参数，这是试制中的第四个难题。

4.测量元件焊接

为确保变送器性能稳定可靠，测量元件采用焊接密封的固体化结构，基座需和检测膜片、隔离膜片焊接在一起，既要确保焊缝密封，又要减小焊接应力，其中检测膜片焊接最为关键。为保证检测膜片设计要求的预张紧力，膜片必须在张紧状态下焊接，为此我们利用膜片绷紧夹具，制造了专用的焊接设备并编制了专用的焊接工艺，这是试制中第五个难题。

5.测量元件充液

被测差压作用在隔离膜片上，需通过腔体内充灌的液体传至检测膜片，使其偏移，改变两侧电容值，送至转换线路部分。为确保变送器性能，需控制两侧的充液量。充液前，要将两侧腔体内的气体排空，抽气和充液均通过作为固定极板引出线的充液管进行。其内孔仅0.5mm，难度较大，为此我们又制造了特殊的真空充液设备，制定了专门的工艺文件，解决了这个关键，这是试制中第六个难题。

二、转换线路部分

这部分主要任务是将检测部分送来的电容差值转换、放大成4～20mA DC标准信号输出。变送器调零、调满量程、改变反应速度的阻尼机构及量程正、负迁移机构均在这部分，所以线路紧凑、复杂。

为降低温度对变送器性能的影响，线路部分有一个温度补偿环节，既要考虑所选量程的零位和满量程的温度补偿，又要满足最大量程和最小量程（其比值为6∶1且连续可调）的温度影响指标，这是线路部分的一个关键工艺。经反复摸索、试验，终于解决了这个难题，并制作使用方便的温度补偿曲线，提高了变送器性能，也提高了生产效率。

线路部分磁环变压器是个关键元件，也让我们花费了不少精力，初开始时合格率仅有50%，于是从磁环材质、烧制温度、所用漆包线以及绕线方式等一步一步地摸索，并增加校验手段，经过不懈努力，最终也解决了这个难题。

变送器有三套线路，分别是用于大多数品种的通用线路，用于微差压的小信号线路和用于测流量的带开方功能的线路，先后均试制成功，为了满足市场需要，我们还研制了0～10mA DC输出信号的产品，线路部分可增加指示表头，便于现场观察。

经过两年多共同奋斗，攻克了一个又一个技术难题，于1981年试制成中差压电容式差压变送器，并通过核工业部组织的鉴定，在国内首先问市。随后试制组继续扩大品种，拓宽测量范围，陆续试制成功压力、远传差压、远传压力、微差压、绝对压力、液位和流量等变送器，测量范围从最低0～0.16kPa到最高0～40MPa等多种，而且是连续可调的；各品种均由防爆认证机构确认为隔爆型及本安型两种防爆产品。为适应各种被测介质，变送器有些零件中需选用相应的材质。这样按品种、测量范围、零件材质排列、组合，变送器将多达百余种，可满足各行业用户的需求。

该系列变送器经上海自动化仪表研究所按标准化管理规定为CEC系列电容式变送器，三个字母含义分别为差压类、膜片(盒)式、电容式仪表，若要表明品种，需再加一个后续字母，如CECC型代表电容式差压变送器，CECL型代表电容式流量变送器。

1987年，核工业部对CEC系列电容式变送器组织鉴定，获领导、专家和用户一致好评，由于我们未走“引进”的路，未花巨额外汇，多次受到表扬和鼓励，其中较荣耀的有CEC系列电容式差压/压力变送器于1987年获核工业部科技进步二等奖(证书号87-2-022)，1989年获国家科技进步三等奖（证书号电-3-011-01）。

在试制阶段，一机部的西安仪表厂、北京市的北京电表厂及上海市的自动化仪表一厂相继引进罗斯蒙特公司1151型电容式变送器整套技术，并先后有产品上市，之后，生产电容式变送器的企业遍地开花，产量与日俱增，现已成为国内差压类仪表的首选产品。

第二阶段

始于1984年，CEC系列电容式变送器试制工作已初战告捷，便着手试制核级电容式差压/压力变送器。核级变送器外形虽酷似常规工业用产品，工作原理也相同，但因它用于核电站核岛部分，所以对其性能要求特别高，对零部件材质、元器件选择要求也特别高。核级变送器除了具有常规工业用的全部基本性能外，还应有三项特殊的核安全性能，即抗辐射、抗地震和抗蒸汽高温、高压及化学喷淋性能（即LOCA试验），而且按照抗受能力还分几个等级，例如抗辐射累积剂量有5×104Gy（戈雷）的，也有高达1.1×106Gy的，抗地震加速度有3g及4g两挡，抗蒸汽高温、高压及化学喷淋比较复杂，压力有0.17MPa，也有0.55MPa的，温度低的为129℃，高的近160℃，保温时间有7小时的，也有56小时的，试验时还要喷洒硼酸等溶液，试验后变送器恢复到常温时还应满足一定的技术性能。

试验是极为严格的。因为只有这样的试验，才能模拟变送器在现场使用时的最恶劣状态，才能确保变送器在40年使用寿命期内，可在核电站中安全可靠地运行。常规工业用的变送器，经上述试验，根本不能工作。针对各项要求，我们一项一项解决，如外壳材质改用不锈钢，而且不能有瑕疵，以防高温高压下受喷淋溶液侵蚀，又如橡胶密封件一般只能耐100℃，而核极需承受160℃，电子元器件不耐辐射、不耐高温等，为此我们走访了多家工厂、研究所，多次请他们试制样品，然后由我们反复进行辐射、高温试验，最后选定一家样品合格的单位，定材质、定配方、定工艺，以确保产品的质量，有些元器件选定国外某公司的品牌，进厂后还要进行严格的老化、筛选、配对，确认符合要求后，才正式使用。

核级变送器在各项基本性能符合要求后，才能进行三项特殊安全性能考核。我们的试制品均请各权威单位进行考核，抗辐射性能在上海核物理研究所，抗地震性能在同济大学进行，抗蒸汽高温、高压及化学喷淋性能在上海核工业研究设计院考核，均有合格证书。产品经秦山核电厂考核、试用，颇获好评。

为了今后更规范地生产和验收核级变送器，核工业部要求制定相关的标准，以光华厂为主，核工业二院、上海核工院、秦山核电厂、秦山核电联营公司等单位参加，共同商讨制定既符合我国国情、经努力又能达到的技术指标的标准，并参照了国际原子能机构标准IEEE323、IEEE344、法国标准、RCCE以及国标GB12727、GB13625等标准，经多年反复讨论，最终制定出ET/T1046核安全级CEC系列电容式变送器的行业标准，作为今后生产核级电容式变送器的依据。

我们试制的核级电容式变送器，按我国标准化规定被命名为CHC（H）系列，按照核安全技术性能分为CEC（H2）、CEC（H3B）型和CEC（H3B）-R型三个等级，核技术性能均符合相关核安全要求，并先后通过部级鉴定。

CEC（H）系列核级电容式变送器早在1989年已用于秦山核电厂，1996年成批出口巴基斯坦用于恰希玛核电厂，秦山核电联营公司用量也很多，还用于中国先进堆、中国快堆、中核404厂中试项目以及清华大学高温气冷堆等工程，用户均表示满意。

核级电容式变送器试制成功，填补了国内此类产品的空白，摆脱了某些国家对我国核电事业的控制，为我国核电的发展作出了一定的贡献。为此曾多次荣获嘉奖，如CEC（H2）型和CEC（H3B）型核级电容式变送器分别于1994年和1997年获核工业总公司（原核工业部）颁发的科技进步二等奖，CEC（H3B）-R型于1999年获上海市科技进步奖，并于2000年获国家经济贸易委员会颁发的国家级新产品奖等。

经过十多年艰苦努力，终于试制成CEC系列电容式变送器和CEC（H）系列核级电容式变送器，使我国同类仪表性能稍有提升，使核级仪表从无到有，跨了一大步，确感欣慰，我们深切希望，仪表行业的后来者能更上一层楼，创造出品种更多、性能更好的新型仪表，我们期盼着。

后记

撰写本文，首先要感谢《飞鸿踏雪泥》编辑部，能有这样一个平台，让我们回忆那段既高兴又紧张的日子。当时每周工作六天，但我们往往将一周七天的时间都在为试制这个产品而奔波着，不计时间，不计报酬，心情却非常愉快。时隔二三十年，仍记忆犹新。四位老朋友经多次商讨回忆，方完成此文。在写作过程中，我们得到老总工程师蔡武昌先生的指导，在此谨表感谢。

作者简介

卢国伟，1935年11月生，江苏人。1958年毕业于浙江大学机械系，研究员级高级工程师，中国仪器仪表行业协会流量仪表专业委员会顾问，曾任上海光华仪表厂副总工程师。获上海市仪表电信局先进工作者，获国家科技进步三等奖，多次获核工业科技进步二等、三等奖。

缪根兴，1936年3月生，无锡人。1961年毕业于天津大学自动化仪表专业，研究员级高级工程师，核工业部劳动模范，中国核工业总公司中青年有突出贡献专家。在秦山核电站建设中荣立一等功，获国家科技进步奖、核工业科技成果奖。

赵文达，1940年7月生，浙江人。1961年毕业于上海理工大学工业自动化专业，高级工程师。获中国核工业总公司中青年有突出贡献专家，获国家科技进步奖，五次获中国核工业总公司部级科技成果二等奖。

张丽君，1940年2月生，浙江省鄞县人。1964年毕业于上海交通大学520专业，1978年调入光华仪表厂，高级工程师，上海市“三·八”红旗手。获国家科技进步奖，核工业科技成果奖。