CN100483561C

CN100483561C - 一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统

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Publication number: CN100483561C
Application number: CNB2005100112258A
Authority: CN
Inventors: 李胜强; 张佑杰; 李德重; 杨念祖; 刘志勇; 杨星团
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: CN1808629A

Abstract

一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，属于反应堆测控技术领域。为解决现有电感式棒位测量系统中传感器体积较大，制作难度大，初级线圈损伤会导致系统整体失效的问题，本发明提供了一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统包括棒位测量传感器、参比信号传感器、一根与控制棒相连接的由导磁材料与非导磁材料间隔排列组成的测量芯棒，以及装配有A/D转换装置的信息处理设备，所述信息处理设备采集棒位测量传感器和参比信号传感器输出的与自感电压具有线性关系变化的直流信号，进行分析处理。本发明体积小，安装维护简单，运行稳定，为反应堆的控制与安全运行提供了保障。

Description

一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统

技术领域

本发明属于反应堆测控技术领域，涉及一种反应堆控制棒的棒位测量系统，尤其涉及一种基于线圈自感原理工作的传感器的反应堆控制棒棒位测量系统。

背景技术

控制棒及其驱动机构是保证反应堆安全运行的重要装置。正常工况下，通过调节控制棒棒位，可以实现反应堆的正常启动与停闭，使反应堆在给定的功率水平运行或进行反应堆功率调节；在事故工况下，通过快速插入控制棒来降低堆芯反应性，从而实现紧急停堆。棒位测量系统是该装置中最重要的系统之一，其可靠性与安全性关系到整个反应堆的正常运行与安全。

目前在大多数反应堆中使用反应堆控制棒棒位测量系统主要包括角度式，超声式，电涡流式和电感式等几种。

角度式的控制棒棒位测量系统是将控制棒在堆芯中的移动距离转换为角度信号，然后利用自整角机(自动同步接收机)对此角度信号加以测量。这种测量方法存在的问题是：1、系统的响应速度较慢：2、系统加工精度要求高，互换性差；3、系统校验和标定困难。

超声式的控制棒棒位测量系统是在控制棒孔道内底部安装超声波发生器和传感器，使用超声波传感器接收超声波发生器发出的超声波信号在控制棒底部产生的反射信号，通过计算反射信号与发射信号的时差得到控制棒位置。如中国专利90100692.0－“反应堆控制棒超声波棒位测量系统”和93102729.2－“自校正式超声波测量液位装置”属于这种类型的棒位测量装置。这种测量方法存在的问题是：1、在沸水型反应堆以及堆内产生气泡的反应堆事故状态下不能工作；2、使用这种方法测得的控制棒位置是与压力壳的相对位置，对系统安装要求高。

电涡流式的控制棒棒位测量系统在控制棒驱动机构的主动轴上安装一支精密丝杠并用其带动一个位置测量板移动，由电涡流传感器测出位置测量板与固定的位置参考板之间的距离而得到控制棒的位置信息。这种测量方法存在的问题是：1、属于间接测量方法，不能直径测量控制棒所在位置；2、测量装置体积较大。

电感式的控制棒棒位测量系统是将由导磁材料组成的测量芯棒连接在控制棒一端并与控制棒同步运动；测量芯棒在一根空心孔道内部运动，初级激励线圈和测量次级线圈套装在空心孔道外部，当测量芯棒在线圈内部运动时，改变电感线圈的磁感应强度使测量次级线圈输出信号幅度发生变化。如中国专利85108640－“数字式棒位探测系统”。这种棒位测量方法存在的问题是：传感器引线较多，连接复杂。虽然在本申请人1992年6月4日申请的中国专利92103620.5－“自编码数字式棒位测量系统”和1995年10月6日申请的中国专利95116462.9－“地址码反应堆控制棒棒位测量系统”中对于线圈结构进行了改进。仍然存在以下问题：1、体积较大；2、由于使用一个独立的初级激励线圈，线圈功率较大，一旦线圈发生损伤，测量系统完全失效。3、各线圈的工艺一致性要求使得制造工艺要求高，加工制作难度大。

发明内容

本发明的目的是解决现有电感式棒位测量系统中传感器体积较大，制作难度大，初级线圈损伤会导致系统整体失效的问题，本发明提供了一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统包括：

由一组用于位置测量的自感测量线圈及其辅助信号电路组成的棒位测量传感器，所述各自感测量线圈各自独立，分别对应各自的辅助信号电路；

由自感参比线圈及其辅助信号电路组成的参比信号传感器，所述自感参比线圈及其辅助信号电路与所述棒位测量传感器的自感测量线圈及其辅助信号电路结构相同，以产生参比信号；

一根与控制棒相连接的由导磁材料与非导磁材料间隔排列组成的测量芯棒，在所述自感测量线圈内部运动；以及

装配有A/D转换装置的信息处理设备，它采集棒位测量传感器和参比信号传感器输出的与自感电压具有线性关系变化的直流信号，进行分析处理。

本发明所述棒位测量传感器采用测量自感测量线圈自感电压变化原理工作，激励线圈与测量线圈合二为一。

本发明所述辅助信号电路包括产生各自感测量线圈或参比测量线圈所用激励信号的发生电路和放大电路，以及用于测量自感测量线圈或参比测量线圈的自感电压的自感电压测量电路。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：由于本发明的棒位测量系统中使用了利用自感原理工作的电感式传感器进行控制棒棒位测量，去除了体积较大的初级激励线圈，因而使得整个测量系统的体积大为减小。由于各个电感式传感器的独立性，某一个传感器损伤后不影响其它传感器工作，在一定的条件下可以保证维持传感器输出正确的棒位信号。每个线圈独立激励，可以使用较小的功率进行工作，从而减小了导线安装难度。与其它形式的电感式传感器相比，引线较少。使用了参比线圈，去除了温度等环境因素对传感器信号的影响，制作更容易。

附图说明

图1是基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统的结构示意图。

图2是基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，包括由一组用于位置测量的自感测量线圈1及其辅助信号电路组成的棒位测量传感器，所述各自感测量线圈各自独立，分别对应各自的辅助信号电路；由自感参比线圈2及其辅助信号电路组成的参比信号传感器，所述自感参比线圈及其辅助信号电路与所述棒位测量传感器的自感测量线圈及其辅助信号电路结构相同，以产生参比信号；一根与控制棒相连接的由导磁材料与非导磁材料间隔排列组成的测量芯棒3，在所述自感测量线圈内部运动；装配有A/D转换装置的信息处理设备7，它采集棒位测量传感器和参比信号传感器输出的与自感电压具有线性关系变化的直流信号，进行分析处理。为了显示结果，还可以连接显示输出设备8。

棒位测量传感器采用测量自感测量线圈自感电压变化原理工作，激励线圈与测量线圈合二为一。辅助信号电路包括产生各自感测量线圈1或参比测量线圈2所用激励信号的发生电路4和放大电路5，以及用于测量自感测量线圈1或参比测量线圈2的自感电压的自感电压测量电路6。棒位测量传感器中所有的自感测量线圈1安装于测量芯棒3运动行程内。自感参比线圈2安装在测量芯棒3运动行程之外。

图2显示了基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统的一个具体实施例的结构，在该实施例中，所述棒位测量系统共使用了三个等间隔布置的自感测量线圈1A、自感测量线圈1B和自感测量线圈1C，该三个自感测量线圈之间的间隔为2倍控制棒步距；测量芯棒3是由三段导磁及非导磁材料组成的，两端布置的是非导磁材料部分，中间布置的是导磁材料部分，三段材料等长，且均为3倍控制棒步距。

在该实施例中，激励信号发生电路4采用PCI—MIO—16XE—10型多功能信号采集/输出板的DIO端口产生固定频率的交流信号，激励信号放大电路5采用由9013型和9012型晶体管组成的OTL互补对称功率放大电路，自感电压测量电路6采用AM—T—ACU5型交流信号幅度测量模块。激励信号发生电路4的输出端连接到并联的各个激励信号放大电路5的输入端，激励信号放大电路5的两个输出端直接连接到自感测量线圈2或者参比测量线圈2的两个接头处，自感电压测量电路6的两个自感电压输入接头并联在自感测量线圈1A、自感测量线圈1B、自感测量线圈1C或者参比测量线圈2的两个接头处。

由于本实施例中使用多功能信号采集/输出板的DIO端口产生固定频率的交流信号，因此棒位测量系统可以根据环境需要适应环境情况自行调节激励信号的幅度和频率。

本实施例中的A/D转换装置采用PCI—MIO—16XE—10型多功能信号采集/输出板的模拟量采集通道。信息处理设备使用PC计算机。

上述实施例中的举例仅是说明性的，而非限制性的，在实际使用中根据具体的使用要求，自感测量线圈的个数和位置可以自由调节，测量芯棒的材料段数及布置方式可根据线圈布置做相应的修改，辅助信号电路也可以根据需要更换具有相同功能的其它形式电路，A/D转换装置还可以根据具体需要选用PXI—MIO—16XE—10等其它A/D转换装置，信息处理设备可以使用PLC、嵌入式控制器等。

本发明所述棒位测量系统的工作原理如下：

与控制棒连接的测量芯棒3与控制棒同步自下向上移动，测量芯棒3在自感测量线圈1A、自感测量线圈1B和自感测量线圈1C内部运动。

激励信号发生电路4产生的固定频率的交流信号，经激励信号放大电路5放大后，送入自感测量线圈2或者参比测量线圈2，自感电压测量电路6将测量到的自感电压转换为一个与自感电压幅度具有线性变化关系的直流输出信号输出。

当测量芯棒3的导磁材料部分进入自感测量线圈1内部时，由于材料磁导率较非导磁材料部分大，在自感测量线圈1上感应得到一个较大的自感电压值，自感电压测量电路6输出信号U；而当测量芯棒3的非导磁材料部分进入自感测量线圈1内部时，由于材料磁导率较导磁材料部分小，在自感测量线圈1上感应得到一个明显小于U的自感电压值，自感电压测量电路6输出信号V。由于参比测量线圈2始终位于测量芯棒3的行程之外，且其内部为空或者放置一个与测量芯棒3的非导磁部分相同结构的参比芯棒9，其自感电压大小接近测量芯棒3的非导磁部分进入自感测量线圈1时自感测量线圈1上感应的自感电压，其自感电压测量电路6输出接近输出信号V的输出信号V0。

则当测量芯棒3与控制棒共同由自感测量线圈1下方向上方运动时，三个自感测量线圈1与参比测量线圈2上在控制棒每一步运动后自感电压测量电路6输出信号变化如表1。由表中数据显示，控制棒运动各步对应的自感测量线圈1A、自感测量线圈1B和自感测量线圈1C，与参比测量线圈2的输出信号之差的组合形式唯一，各步对应输出信号组合没有重复，可以用来表示控制棒运动步数，即控制棒位置。使用A/D转换装置采集表示各个自感测量线圈1和参比测量线圈2的自感电压大小的直流信号并转换为相应的数字值，将对应三个自感测量线圈1的数字值与对应参比测量线圈2的数字值相减，并与1/2(U—V0)值进行比较，数字值大于1/2(U-V0)的状态计为二进制状态1，反之计为二进制状态0，得到如表1所示自感测量线圈1A、自感测量线圈1B和自感测量线圈1C的状态值。存储在计算机中的程序将上述状态值与计算机中预先存储的“线圈状态值组合与控制棒步数关系表”比较后，可以得到目前控制棒所在步数值，即控制棒位置。计算机还可以将得到的控制棒步数值输送至显示输出设备8(如显示器)中，展示控制棒棒位测量结果。

表1

步数	1	2	3	4	5
步数	1	2	3	4	5	自感测量线圈1A	U	U	U	U	U
自感测量线圈1B	V	U	U	U	U	自感测量线圈1A	U	U	U	U	U
自感测量线圈1B	V	U	U	U	U	自感测量线圈1C	V	V	V	U	U
参比线圈	V0	V0	V0	V0	V0	自感测量线圈1C	V	V	V	U	U
参比线圈	V0	V0	V0	V0	V0	自感测量线圈1A—参比线圈	U—V0	U-V0	～0	～0	～0
自感测量线圈1B—参比线圈	～0	U-V0	U-V0	U-V0	～0	自感测量线圈1A—参比线圈	U—V0	U-V0	～0	～0	～0
自感测量线圈1B—参比线圈	～0	U-V0	U-V0	U-V0	～0	自感测量线圈1C—参比线圈	～0	～0	～0	U-V0	U-V0
自感测量线圈1A的状态	1	1	0	0	0	自感测量线圈1C—参比线圈	～0	～0	～0	U-V0	U-V0
自感测量线圈1A的状态	1	1	0	0	0	自感测量线圈1B的状态	0	1	1	1	0
自感测量线圈1C的状态	0	0	0	1	1	自感测量线圈1B的状态	0	1	1	1	0

上述实施例的表中仅给出了一种自感测量线圈和测量芯棒等间隔排列情况下的状态组合方法，另外也可以根据需要采用如中国专利95116462.9—“地址码反应堆控制棒棒位测量系统”中提到的地址码编码方案及其相应的自感测量线圈布置方式和测量芯棒结构。

Claims

1.一种基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，其特征在于，所述棒位测量系统包括：

2.根据权利要求1所述的基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，其特征在于：所述棒位测量传感器采用测量自感测量线圈自感电压变化原理工作，激励线圈与测量线圈合二为一。

3.根据权利要求1所述的基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，其特征在于：所述辅助信号电路包括产生各自感测量线圈或参比测量线圈所用激励信号的发生电路和放大电路，以及用于测量自感测量线圈或参比测量线圈的自感电压的自感电压测量电路。

4.根据权利要求1所述的基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，其特征在于：所述棒位测量传感器中所有的自感测量线圈安装于测量芯棒运动行程内。

5.根据权利要求1所述的基于线圈自感原理的控制棒棒位测量系统，其特征在于：所述自感参比线圈安装在测量芯棒运动行程之外。