CN101719387B - 用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测方法与装置属于高温气冷堆燃料元件检测技术领域。其特征是，谐振电桥检测电路中的两个自感线圈感应到有球经过，输出正弦交流电压ΔU；信号处理电路将正弦交流电压ΔU依次进行放大、整流、滤波后，提取过球波形UO，经过比较器后输出波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2；将这些数据输入到单片机，根据条件判断是否有球经过。其中谐振电桥电路包含两个自感线圈，该自感线圈以围绕在管道外侧的两个对装的半环柱作为骨架，在每侧骨架上分别上、下绕制2个半环形线圈，两侧骨架同一水平面上的2个半环形线圈作为一组，每一组通过外部连接等效为单个环形线圈。本发明具有结构简单、准确性高、可靠性好等优点。
Description
技术领域：
本发明属于高温气冷堆燃料元件检测技术领域。
背景技术：
合理发展核能是缓解世界能源危机的一种经济有效的途径。球床式高温气冷堆是一种先进的“第四代核反应堆型”，具有发电效率高，固有安全性好，能够在不停堆的情况下进行燃料装卸等优点，受到许多国家的高度重视。世界上已建成的球床式高温气冷堆有德国AVR堆和THTR堆、中国的HTR-10高温气冷实验堆，还有正在建设中的南非PBMR堆和我国的200MW示范堆。
目前在球床堆上使用的燃料元件检测装置有以下几种(均基于石墨导体对线圈感抗的影响原理)。
一是内装式：在不锈钢过球管道内预装检测线圈，燃料球通过时线圈的感抗会发生变化，通过检测线圈感抗的变化来得到过球信号，德国的AVR堆、THTR堆、我国的HTR-10高温气冷实验堆和在建中的南非PBMR堆采用的就是这种装置。二是侧壁打孔安装式：在不锈钢过球管道侧壁打孔，在孔内安装检测线圈，这种装置类似于电磁式接近开关，德国曾采用这种传感器进行过200MW模块堆装卸料系统的设计。
以上两种传感器的安装都破坏了过球管道的完整性，传感器结构和安装方式必须保证过球管道的高压气密性，因此传感器结构复杂，安装困难。传感器出现故障后，维修和更换传感器必须拆卸过球管道，施工时间长，容易造成辐射污染，影响反应堆的可利用性。传感器线圈、骨架和其它附件直接与放射性燃料球接触，对整个检测传感器材料的抗辐射性要求很高，影响了传感器的使用寿命。
清华大学机械系与核能研究院已经研制完成了一种外装式过球检测装置(专利号：CN200510136309.4)，该装置包括两组共6个线圈，线圈呈半圆包附于过球管道外侧，基于激励线圈、检测线圈和燃料球之间的互感作用完成过球检测。由于过球管道金属壁的屏蔽，有效的过球信号非常微弱，必须进行复杂的信号分析和处理，才能实现可靠的过球计数。此法解决了前述两种形式传感器的缺点，但尚存在以下不足：
(1)外包附式设计的互感式传感器结构特殊，包括内凹式绕制的两组检测线圈和一组宽大的激励线圈，绕制内凹式线圈的工艺复杂，传感器制作难度较大；
(2)检测电路获得的信号十分微弱，后续信号处理电路的放大倍数高，容易引入干扰噪声，影响系统稳定性。
(3)由于干扰波形明显，需增加单片机程序复杂度以提高其波形识别能力，程序结构复杂对软件的可靠性不利。
发明内容：
本发明提出的新型过球检测系统用于对装料管道、卸料管道和乏燃料管道中的以石墨为基体的燃料球进行准确检测和计数，并为控制系统提供准确的各种过球信息，从而在不停堆的情况下实现燃料元件装卸的有效控制，以保证球床式高温气冷堆的连续运行。
本发明的特征在于，含有以下步骤：
1)谐振电桥检测电路中的两个自感线圈感应到有球经过，输出正弦交流电压ΔU；
2)信号处理电路将正弦交流电压ΔU依次进行放大、整流、滤波后，提取过球波形UO，过球波形UO经过比较器后输出波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2；
3)所述过球波形UO、波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2输入到单片机，单片机判断是否有球经过，如有球经过，则通知上级控制系统；
所述单片机按照下述条件判断是否有球经过：
条件(1)，波形完整性判断：过球波形UO经比较器后产生的相邻脉冲需包含波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2；
条件(2)，波形连续性判断：对于过球波形UO相邻的波峰与波谷极值的时间差ΔT，若ΔT大于波峰脉宽TD1，或ΔT大于波谷脉宽TD2，则波峰和波谷不满足连续性要求；反之，则满足连续性要求；所述波峰脉宽TD1，由过球波形Uo的波峰的幅度域值Uth1决定；所述波谷脉宽TD2由过球波形Uo的波谷的幅度域值Uth2决定；
条件(3)，波形对称性判断：过球波形UO的双方向波形的宽度具有相似性，即波峰脉宽TD1与波谷脉宽TD2相差25％以内表明波形具有对称性；
当上述条件(1)～(3)同时满足时，可判断为有球通过；当有球通过，则条件(1)～(3)全部复位；
上述条件中，
Uth1为过球波形UO的波峰的幅度域值；
Uth1＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波峰统计值)/2
Uth2为过球波形Uo的波谷的幅度域值；
Uth2＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波谷统计值)/2
无球时UO的基准值由系统设定，过球时UO的波峰统计值和波谷统计值依据实验统计获取。
用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，含有：
谐振电桥检测电路；包含两个自感线圈(L1，L2)，所述两个自感线圈(L1，L2)在激励信号UE的作用下，产生正弦交流电压ΔU；所述自感线圈(L1，L2)以围绕在管道外侧的两个对装的半环柱作为骨架，在每侧骨架上分别上、下绕制2个半环形线圈，两侧骨架同一水平面上的2个半环形线圈作为一组，每一组通过外部连接等效为单个自感线圈L1和L2；所述两组线圈输出正弦交流电压ΔU；
信号处理电路：接收正弦交流信号ΔU，将其进行放大、整流和滤波，输出过球波形Uo；还含有一个比较器，将所述过球波形Uo转换为一个波峰脉冲UP1和一个波谷脉冲UP2；
单片机：接收过球波形Uo、波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2，进行过球判断，并将过球信息传送给上一级控制系统；
激励单元，受单片机控制产生正弦交流激励信号UE，输入谐振电桥检测电路的自感线圈(L1，L2)。
所述自感线圈中的两组线圈的绕制方法、所用材料和线圈匝数相同。
所述谐振电桥检测电路第一桥臂由电阻R1构成，第二桥臂由电阻R2构成，该第一桥臂与第二桥臂的一端共同连接激励信号UE，另一端分别连接电桥的正弦交流电压输出端；所述谐振电桥检测电路的第三桥臂由自感线圈L1、电容C1和电位器VR1并联构成，第四桥臂由自感线圈L2、电容C2和电阻R3并联构成；所述第三桥臂和第四桥臂的一端共同接地，另一端输出正弦交流电压ΔU。
所述信号处理电路含有依次连接的一级放大电路、精密整流电路、带通滤波电路、二级放大电路和比较器电路；所述一级放大电路输入端连接正弦交流信号ΔU，所述二级放大电路分别输出过球波形Uo到单片机的模数转换端口和所述比较器电路；所述比较器电路输出波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2到单片机的数字信号输入端。
所述激励单元采用AD9850芯片。
本发明具有如下有益效果：
(1)基于自感检测原理，简化了外装式传感器结构，传感器仅由骨架、两组自感线圈和屏蔽外壳组成，去掉了宽大的激励线圈，骨架加工和线圈绕制更加方便。
(2)传感器信号的提取采用谐振式电桥电路，检测灵敏度高，降低了后续信号处理电路的增益，改善了系统的信噪比，提高了系统可靠性。
(3)信号波形的改善简化了单片机程序设计，降低了软件结构的复杂程度，提高了过球检测的准确性。
附图说明：
图1过球检测装置工作原理框图；
图2传感器结构示意图；
图3谐振检测电路原理图；
图4幅度检测单元基本原理图；
图5有无球通过时UO的波形；
图6过球脉冲信号；
图7单片机系统的基本组成图；
图8过球信号判断原理示意图；
图9过球判断程序流程框图。
具体实施方式：
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明的过球检测装置工作原理如图1所示。单片机控制激励单元产生稳幅稳频的正弦交流激励信号UE，作用于谐振电桥检测电路中传感器的线圈在空间产生稳定的交变电磁场。线圈产生的磁场一部分穿透钢结构管壁，当石墨球通过时产生的涡流效应使空间磁场分布发生变化，反作用于线圈上产生感应电压。线圈的感应信号经过谐振电桥提高灵敏度，输出正弦交流电压ΔU。ΔU经过信号处理电路处理后，获得过球波形UO和过球脉冲UP1、UP2，波形和脉冲分别输入单片机的A/D通道和数字输入接口。单片机程序进行判断后将过球信息传送至PLC对应通道，PLC通过总线与上级控制系统相连。
以下将结合图1中的各个单元对本发明的技术方案和技术特征进行说明。
1、激励单元
激励单元用于产生正弦交流激励信号。激励单元基于直接数字频率合成(DDS)技术设计，选用AD9850芯片，利用单片机控制，全数字式合成稳幅稳频的正弦波，经LM1875功率放大芯片后，输入传感器线圈。
2、谐振电桥检测电路
如图2所示，谐振电桥检测电路的功能是：提取传感器的两个线圈输出的正弦波信号。
提高该部分电路对过球的敏感程度是提高系统信噪比的关键所在。相对于此前的RL电桥，本发明中调试的LC谐振电桥具有更高的灵敏度。线圈L1和L2分别并联一个电容，使电路工作于谐振频率附近。当无球时，LC并联阻抗达到极大值，电感上分压达到最大值；石墨球 经过时影响线圈阻抗，电路偏离谐振点，使得电感上的分压减小。为了调节调节电桥的平衡输出，再分别并联一个电阻R3和电位器VR1。
谐振电桥检测电路中采用的传感器是自感线圈L1、L2，其结构如图3所示，其中1是过球管道，2是线圈骨架，3是绕制的线圈，3-1是其中一组线圈，3-2是另一组线圈。
为了满足外装式要求，传感器骨架2设计成为两侧对装的半环柱。每侧骨架上下绕制2个半环形线圈(如图3右，图中只画出管道右边的截面，左侧截面与右侧对称，图略)，两侧骨架同一水平面上对装的2个半环形线圈作为一组(如图2左)，通过外部连接使每组等效为单个环形线圈。传感器采用自感检测线圈方式，省去原有的宽大激励线圈，简化了传感器的制作。线圈形状窄平，可以保证检测的灵敏度，并且两组线圈的绕制方法、所用材料和线圈匝数要相同，以保证它们的电阻和电感误差小于1％。骨架采用聚砜塑料，线圈采用聚酰亚胺漆包线，这些材料能够在耐高温和抗辐射的特殊环境下使用。
3、信号处理电路
信号处理电路的主要功能是：对谐振电桥输出的信号进行调理，获得过球波形UO，过球波形UO经比较器电路获得过球波峰脉冲UP1波谷脉冲UP2。过球波形和脉冲一并输入单片机，以便用于判断过球。其基本原理如图4所示。
当有球通过时，由于涡流的作用检测线圈的阻抗会发生变化，谐振电桥检测电路输出正弦交流电压ΔU。由于ΔU幅值很低，且过球时变化微弱，首先需进行一级放大处理，提高其峰峰值至4～6V，以便后续处理。精密整流和带通滤波用于滤除无球时的ΔU信号，并提取叠加在ΔU上面的过球波形。二级放大用于进一步放大过球波形，便于单片机识别。UO的波形如图5所示，图5(a)是无球经过时Uo的基准电压，图5(b)和图5(c)分别为正向和反向过球波形。经比较器输出的脉冲UP1和UP2一样，如图6所示。
4、单片机系统
单片机系统主要实现过球信号的分析处理和检测装置的使用功能，其基本组成如图7所示。单片机采用AD公司的ADμC812单片机。
ADμC812单片机自带flash程序存储器和数据存储器，简化了外围接口电路。各部分的作用如下：DDS用于控制激励单元的工作频率和状态，与单片机的D0-D7、P2.4、P2.5相连；RS232串行通讯接口用于联机下载程序；过球指示灯为发光二极管，程序判断每产生一个过球时相应闪烁一次；过球信息以脉冲形式从单片机输送至PLC对应通道；检测电压UO输入模数转换接口，过球脉冲UP1与UP2连接单片机数字输入端口；功能键用于编程实现一 些使用功能；LED数码管可显示过球数。本系统中功能键和LED数码管作为选用。
单片机部分的主要功能是对UO和UP1、UP2信号进行分析，以确定过球与否。为了提高抗干扰能力，保证过球信号判断的准确性，本发明采用了如图8所示的过球判断方法。
条件(1)-波形完整性判断：UO经比较器产生的一对相邻脉冲，需包含波峰脉冲和波谷脉冲，以避免单方向干扰信号的干扰(见图8(b))。
条件(2)-波形连续性判断：双方向波形满足连续性，以避免非连续的双向干扰信号。单片机对过球波形进行A/D采样，获得波峰与波谷极值的时间差ΔT，若ΔT大于TD1(或TD2)，则波峰和波谷不满足连续性要求(见图8(c))。其中，TD1是过球波形Uo的波峰脉宽，TD2是过球波形Uo的波谷脉宽。
条件(3)-波形对称性判断：双方向波形的宽度具有相似性，以避免双方向不对称干扰信号的干扰(见图8(d))。TD1和TD2相差25％以内表明波形具有对称性。
阈值Uth1和Uth2的确定方法如下：
Uth1＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波峰统计值)/2
Uth2＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波谷统计值)/2
无球时UO的基准值由系统设定，如图5(a)。过球波形UO的波峰和波谷统计值依据实验统计获取。
当条件(1)～(3)同时满足时，可判断为有球通过。只要有球通过，则条件(1)～(3)全部复位。过球判断部分的程序框图如图9所示。
如果在球床式高温气冷堆燃料装卸系统中采用本发明的检测系统，将在保证过球检测可靠性的前提具有如下有益的效果：外装式传感器结构简单，安装和维修无需破坏过球管道，保证装卸料管道的完整性和高压气密性，降低辐射污染；检测系统具有良好的信噪比，进一步降低了系统增益，提高抗干扰能力；在此基础上简化了程序结构，增强软件可靠性。
Claims (6)
1.用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测方法，其特征在于，含有以下步骤：
1)谐振电桥检测电路中的两个自感线圈感应到有球经过，输出正弦交流电压ΔU；
2)信号处理电路将正弦交流电压ΔU依次进行放大、整流、滤波后，提取过球波形UO，过球波形UO经过比较器，输出波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2；
3)所述过球波形UO、波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2输入到单片机，单片机判断是否有球经过，如有球经过，则通知上级控制系统；
所述单片机按照下述条件判断是否有球经过：
条件(1)，波形完整性判断：过球波形UO经比较器后产生的相邻脉冲需包含波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2；
条件(2)，波形连续性判断：对于过球波形UO相邻的波峰与波谷极值的时间差ΔT，若ΔT大于波峰脉宽TD1，或ΔT大于波谷脉宽TD2，则波峰和波谷不满足连续性要求；反之，则满足连续性要求；所述波峰脉宽TD1，由过球波形Uo的波峰的幅度域值Uth1决定；所述波谷脉宽TD2由过球波形Uo的波谷的幅度域值Uth2决定；
条件(3)，波形对称性判断：过球波形UO的双方向波形的宽度具有相似性，即波峰脉宽TD1与波谷脉宽TD2相差25％以内表明波形具有对称性；
当上述条件(1)～(3)同时满足时，可判断为有球通过；当有球通过，则条件(1)～(3)全部复位；
上述条件中，
Uth1为过球波形Uo的波峰的幅度域值；
Uth1＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波峰统计值)/2
Uth2为过球波形Uo的波谷的幅度域值；
Uth2＝(无球时UO的基准值+过球时UO的波谷统计值)/2
无球时UO的基准值由系统设定，过球时UO的波峰统计值和波谷统计值依据实验统计获取。
2.用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，含有：
谐振电桥检测电路；包含两个自感线圈(L1，L2)，所述两个自感线圈(L1，L2)在激励信号UE的作用下，产生正弦交流电压ΔU；所述两个自感线圈(L1，L2)以围绕在管道外侧的两个对装的半环柱作为骨架，在每侧骨架上分别上、下绕制2个半环形线圈，两侧骨架同一水平面上的2个半环形线圈作为一组，每一组通过外部连接等效为单个自感线圈L1和L2；所述两组线圈输出正弦交流电压ΔU；
信号处理电路：接收正弦交流信号ΔU，将其进行放大、整流和滤波，输出过球波形Uo；还含有一个比较器，将所述过球波形Uo转换为一个波峰脉冲UP1和一个波谷脉冲UP2；
单片机：接收过球波形Uo、波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2，进行过球判断，并将过球信息传送给上一级控制系统；
激励单元，受单片机控制产生正弦交流激励信号UE，输入谐振电桥检测电路的自感线圈(L1，L2)。
3.如权利要求2所述的用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，所述自感线圈中的两组线圈的绕制方法、所用材料和线圈匝数相同。
4.如权利要求2所述的用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，所述谐振电桥检测电路第一桥臂由电阻R1构成，第二桥臂由电阻R2构成，该第一桥臂与第二桥臂的一端共同连接激励信号UE，另一端分别连接电桥的正弦交流电压输出端；所述谐振电桥检测电路的第三桥臂由自感线圈L1、电容C1和电位器VR1并联构成，第四桥臂由自感线圈L2、电容C2和电阻R3并联构成；所述第三桥臂和第四桥臂的一端共同接地，另一端输出正弦交流电压ΔU。
5.如权利要求2所述的用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，所述信号处理电路含有依次连接的一级放大电路、精密整流电路、带通滤波电路、二级放大电路和比较器电路；所述一级放大电路输入端连接正弦交流信号ΔU，所述二级放大电路分别输出过球波形Uo到单片机的模数转换端口和所述比较器电路；所述比较器电路输出波峰脉冲UP1和波谷脉冲UP2到单片机的数字信号输入端。
6.如权利要求2所述的用于球床式高温气冷堆的外装式过球检测装置，其特征在于，所述激励单元采用AD9850芯片。
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