CN102214489A - 棒位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆控制棒的测量技术领域，具体公开了一种棒位测量装置及方法，该装置包括：控制棒组件；环链机构，与所述控制棒组件连接；蜗轮蜗杆减速器，与所述环链机构连接；第一旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗杆轴端；第二旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗轮轴端；双通道轴角数字转换模块，分别与所述第一旋转变压器和第二旋转变压器连接。本发明提供的装置和方法提高了棒位测量的准确性，消除信号耦合过程中产生的过零误差，保证测量装置对环境的适应性，提高电站的利用率和装置运行的可靠性。

Description

棒位测量装置及方法

技术领域

本发明涉及反应堆控制棒的测量技术领域，特别涉及一种用于商用高温气冷堆的长行程、高精度的棒位测量装置。

背景技术

控制棒驱动机构是反应堆控制和安全保护系统的执行机构。反应堆正常运行时，控制棒驱动机构以一定的速度拖动控制棒在堆内移动，补偿和调节堆芯的后备反应性，来实现反应堆的正常启动、运行和停闭。在反应堆事故工况下，驱动机构驱动或释放控制棒，使其快速插入堆芯，实现紧急停堆。要实现上述功能，保证对反应堆的有效控制，一般要求控制棒驱动机构动作响应快且准确，对控制棒位置的测量必须连续、精确以及重复性好，因此棒位测量装置是控制棒驱动机构的重要组成部分，关系到反应堆的运行控制和安全。

高温气冷堆是一种具备第四代反应堆特征的先进堆型，其发展经历了高温气冷实验堆、高温气冷示范堆、模块式高温气冷实验堆和模块式高温气冷堆示范电站这样几个发展阶段。模块式高温气冷实验堆比如日本的HTTR和中国的HTR-10，其控制棒棒位测量一般采用以下方式：在控制棒驱动轮(链轮或钢丝绳轮毂)上安装蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器上安装单一的角位测量传感器，为了保证角位测量中不会多圈或少圈，角位传感器的旋转角度一般需要小于360°，再利用单通道角位转换单元将控制棒驱动轮的转角换算为控制棒棒位。

由于模块式高温气冷实验堆的堆芯功率较小，控制棒行程较短，这样的测量方式勉强可以接受。随着模块式高温气冷堆向商用化的方向发展，在反应堆的功率规模显著增大的同时又要保证反应堆的固有安全特性，即一方面保证在反应堆事故后能采取非能动方式排出反应堆的余热，另一方面又要保证反应性控制和停堆系统具有足够的反应性当量，确保一定的停堆深度，因此商用模块式高温气冷堆普遍采用瘦长堆芯设计，控制棒行程达到十多米，是模块式高温气冷实验堆的5～6倍。如果将模块式高温气冷实验堆的棒位测量方式照搬到商用高温气冷堆会遇到以下问题：①由于减速器放大了一次测量误差，导致棒位测量误差太大，无法满足反应堆控制系统的要求；②蜗轮蜗杆减速器的加工精度要求太高，加工工序复杂，实现起来比较困难；③一体化的角位测量传感器的结构在事故落棒时容易遭到破坏，不利于装置运行的可靠性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高棒位测量的准确性，消除信号耦合过程中产生的过零误差，保证测量装置对环境的适应性，提高电站的利用率和装置运行的可靠性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一棒位测量装置，包括：

控制棒组件；

环链机构，与所述控制棒组件连接，用于带动所述控制棒组件运动；

蜗轮蜗杆减速器，与所述环链机构连接；

第一旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗杆轴端；

第二旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗轮轴端；

双通道轴角数字转换模块，分别与所述第一旋转变压器和第二旋转变压器通信连接。

其中，所述双通道轴角数字转换模块包括：

精通道数字转换器，与所述第一旋转变压器通信连接；

粗通道数字转换器，与所述第二旋转变压器通信连接；

双速处理器，与所述精通道数字转换器以及粗通道数字转换器连接；

二进制锁存器，与所述双速处理器连接。

其中，所述第二旋转变压器对应于控制棒全行程的旋转角度小于360°。

进一步的技术方案中，还包括：第三旋转变压器，安装于所述蜗轮蜗杆减速器的另一个蜗轮轴端，与所述第二旋转变压器互为备用。

所述第一旋转变压器、第二旋转变压器和第三旋转变压器采用耐高温、抗辐射的线圈和浸漆制作。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种棒位测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、控制棒组件在环链机构的驱动下做上下运动，蜗轮蜗杆减速器与环链机构同步旋转；

步骤S2、第二旋转变压器测量蜗轮蜗杆减速器的蜗轮的旋转角度，并输出信号作为精机信号；第一旋转变压器根据所述蜗轮蜗杆减速器的速比计算蜗杆的旋转圈数，并输出信号作为粗机信号；

步骤S3、双通道轴角数字转换模块接收所述精机信号和粗机信号，将精机信号和粗机信号进行耦合得到棒位信号。

所述步骤S3中纠错和耦合的步骤具体包括：

所述双通道轴角数字转换模块根据蜗轮蜗杆减速器的速比确定第一旋转变压器和第二旋转变压器的寄存器的校验位，根据校验法则对第二旋转变压器的寄存器信号校验位的末尾进行加“1”或减“1”操作，最后用第一旋转变压器的寄存器的信号取代第二旋转变压器的寄存器信号的末几位，得到精确的棒位信号。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下有益效果：

(1)、将控制棒棒位测量转换成蜗杆和蜗轮旋转角度的测量，以两个旋转变压器作为角位检测传感器，以双通道轴角数字转换模块将两路信号进行粗精耦合，消除了信号耦合过程中易于产生的“过零”误差，可以进行更宽量程范围、更高精度的控制棒棒位测量；

(2)、蜗轮旋转角度对应控制棒全行程小于360°，使得本装置具有断电记忆功能，即使系统断电，不会造成链轮旋转圈数记录的丢失，在恢复供电后仍能正确显示棒位；

(3)、耐高温、耐辐射的旋转变压器完全可以适应反应堆一回路内的高温放射性氦气环境；

(4)、由于设置了旋转变压器的备份，有利于减少非计划停堆次数，提高电站利用率；

(5)本装置结构紧凑，运行可靠性也更高。

附图说明

图1是本发明实施例的棒位测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的棒位测量装置的另一结构示意图；

图3是本发明实施例的旋转变压器的结构示意图；

图4是本发明实施例的双通道轴角数字转换模块的结构示意图；

图5是本发明实施例的棒位测量方法的流程图。

其中，1：控制棒组件；2：环链机构；3：蜗轮蜗杆减速器；4：第一旋转变压器；5：第二旋转变压器；6：第三旋转变压器；7：双通道轴角数字转换模块；71：精通道数字转换器；72：粗通道数字转换器；73：双速处理器；74：二进制锁存器；8：信号传输电缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明实施例的棒位测量装置的结构示意图，该装置包括：控制棒组件1、环链机构2、蜗轮蜗杆减速器3、第一旋转变压器4、第二旋转变压器5、第三旋转变压器6以及双通道轴角数字转换模块7。

其中，控制棒组件1包括位于上方的引棒以及与引棒连接的位于下方的控制棒，引棒与环链机构2连接，在环链机构2的带动下做上下运动，控制棒组件1的位移测量可以转化为环链机构2的链轮多圈旋转角度的测量。蜗轮蜗杆减速器3与环链机构2连接。第一旋转变压器4安装在蜗轮蜗杆减速器3的蜗杆轴端，与环链机构2的链轮同步旋转，用于记录链轮在单圈内的旋转角度，并输出信号用作粗机信号。第二旋转变压器5与蜗轮蜗杆减速器3的蜗轮轴端连接，对应于控制棒全行程，其旋转角度小于360°且尽量接近360°，根据蜗轮蜗杆减速器3的速比可以测量蜗杆的旋转圈数，并输出信号用作精机信号。双通道轴角数字转换模块7分别通过信号传输电缆8与第一旋转变压器4和第二旋转变压器5连接，用于将第一旋转变压器4输出的精机信号与第二旋转变压器5输出的粗机信号进行粗精耦合，综合转换为高精度的链轮多圈角度信号，即棒位信号。

其中，本实施例的环链机构类似于现有技术中的手动或电动葫芦，其区别主要在于：(1)环链机构还包括护链板，用于防止环链机构运行速度过快导致的环链脱落；(2)环链机构还包括分链板，用于将环链与链蜗分开，防止环链卡在链窝中；(3)环链机构还包括导链底座，其上开设有导向槽，用于将环链导入进链窝；(4)环链机构采用固体润滑方式对链轮等部件进行润滑；(5)环链材料为耐高温的合金材料。

如图2所示，本实施例还可以包括第三旋转变压器6，将其安装于蜗轮蜗杆减速器3的另一个蜗轮轴端作为备用。若第二旋转变压器5发生故障，则可用第三旋转变压器6来代替；若第一旋转变压器4故障，则将第二旋转变压器5或第三旋转变压器6的信号输入双通道轴角数字转换模块7中的一个通道，并结合装置调试过程中的标定记录也能获得较精确的棒位。旋转变压器的备份有利于减少非计划停堆次数，提高电站利用率。

如图3所示，本实施例的第一旋转变压器4、第二旋转变压器5以及第三旋转变压器6的结构完全相同，其中S1～S4表示定子线圈接点，R1～R2表示转子线圈接点，定子和转子之间具有均匀间隙。设转子的旋转角度为θ，当在R1和R2之间加上E_R1-R2＝ESinωt的励磁电压时，则在S1S3和S2S4接点产生的感生电压为：

$E_{S_1-S_3}=K{E}_{R_1-R_2}\mathrm{Cos\θ}$

$E_{S_2-S_4}=K{E}_{R_1-R_2}\mathrm{Sin\θ}$

式中K为旋转变压器的变压比。

为了将旋转变压器输出的正/余弦信号转换为角位置信号，需要设置专门针对自整角机或旋转变压器等感应式交流微电机的专用角位置转换单元，即本实施例的双通道轴角数字转换模块。

再如图4所示，本发明实施例的双通道轴角数字转换模块7包括精通道数字转换器71和粗通道数字转换器72。精通道数字转换器71与第一旋转变压器4连接，用于接收第一旋转变压器4发送的精机信号并进行转换；粗通道数字转换器72与第二旋转变压器5连接，用于接收第二旋转变压器5发送的粗机信号并进行转换。精通道数字转换器71和粗通道数字转换器72都与用于纠错和粗精耦合的双速处理器73连接，其粗精耦合速比可以编程设定；双速处理器73与二进制锁存器74连接，精通道数字转换器71和粗通道数字转换器72输出的信号分别经双速处理器73实时纠错和粗精耦合后，将纠错和耦合后的信号输出到二进制锁存器74进行存储，最终的角位移或直线位移信号可以以模拟量或数字信号的形式输出到显示单元(未示出)。

本实施例的双通道轴角数字转换模块以绝对方式测量链轮旋转角度，即使其断电，在恢复供电后仍能正确显示棒位，即具有断电记忆功能；该模块还可以消除蜗轮蜗杆减速器的侧隙带来的棒位测量误差，因此可以降低蜗轮蜗杆减速器的加工精度要求。

再如图5所示，为本发明实施例的棒位检测方法的流程图，也是本发明棒位测量装置的工作原理，包括如下步骤：

步骤S1、控制棒组件在环链机构的驱动下做上下运动，蜗轮蜗杆减速器与环链机构同步旋转；

环链机构2中链条的一端与控制棒减震机构(未示出)相连，另一端与控制棒组件1相连，链轮转动驱动控制棒组件1在控制棒孔道内上、下移动；由于蜗轮蜗杆减速器3与环链机构2相连，控制棒组件1的线性位移的测量可以转化为蜗轮蜗杆减速器3中蜗轮和蜗杆旋转角度的测量，两者之间存在严格的线性对应关系。

步骤S2、第二旋转变压器测量蜗轮蜗杆减速器的蜗轮的旋转角度，并输出信号作为精机信号；第一旋转变压器根据所述蜗轮蜗杆减速器的速比计算蜗杆的旋转圈数，并输出信号作为粗机信号；

对应于控制棒全行程，蜗轮蜗杆减速器3中蜗轮的旋转角度小于360°，该转角由安装在蜗轮输出轴上的第二旋转变压器5加以测量，并输出该旋转角度信号作为精机信号至双通道轴角数字转换模块7；再根据蜗轮蜗杆减速器3的速比可以计算蜗杆即链轮的旋转圈数，链轮旋转不满一圈的角度由安装在蜗杆输出轴上的第一旋转变压器4加以测量，并输出该信号作为粗机信号至双通道轴角数字转换模块7；

步骤S3、双通道轴角数字转换模块接收精机信号和粗机信号，将精机信号和粗机信号进行耦合得到棒位信号。

双通道轴角数字转换模块7在对第二旋转变压器5的信号进行检测。在链轮的旋转角度接近整圈的情况下，很容易造成链轮旋转圈数被多计一圈或少计一圈，造成较大的棒位测量误差。针对这种情况双通道轴角数字转换模块7采用下述方法进行消错处理：根据蜗轮蜗杆减速器3的速比确定第二旋转变压器5的寄存器和第一旋转变压器4的寄存器的校验位，依据校验法则对第二旋转变压器5的寄存器信号校验位的末位进行加“1”或减“1”操作；最后以第一旋转变压器4寄存器的信号取代第二旋转变压器5寄存器信号所对应的末几位，从而得到精确的棒位信号。精确棒位以标准电信号的形式传送给反应堆分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)(未示出)，进行控制棒棒位显示和反应堆运行控制。

各个旋转变压器采用耐高温、抗辐射的线圈及浸漆，以适应反应堆内高温、放射性的环境；各个旋转变压器采用无刷无轴、分体式结构，结构简单可靠，系统的引线数量较少，利于贯穿一回路压力边界，运行可靠性更高。

由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的棒位测量装置，由于采用了双通道旋转变压器测量技术，相比于单通道旋转变压器或自整角机技术来说，无论是在控制棒行程还是棒位测量精度上都有极大提高，具体地具有以下有益效果：

(1)、将控制棒棒位测量转换成蜗杆和蜗轮旋转角度的测量，以两个旋转变压器作为角位检测传感器，以双通道轴角数字转换模块将两路信号进行粗精耦合，消除了信号耦合过程中易于产生的“过零”误差，可以进行更宽量程范围、更高精度的控制棒棒位测量；同时由于信号耦合可以消除机械误差，因此对减速器的机械加工精度的要求可以适当降低；

(2)、蜗轮旋转角度对应控制棒全行程小于360°，使得本装置具有断电记忆功能，即使系统断电，不会造成链轮旋转圈数记录的丢失，在恢复供电后仍能正确显示棒位；

(3)、耐高温、耐辐射的旋转变压器完全可以适应反应堆一回路内的高温放射性氦气环境；

(4)、由于设置了旋转变压器的备份，有利于减少非计划停堆次数，提高电站利用率；

(5)本装置结构紧凑，运行可靠性也更高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.棒位测量装置，其特征在于，包括：

控制棒组件；

环链机构，与所述控制棒组件连接，用于带动所述控制棒组件运动；

蜗轮蜗杆减速器，与所述环链机构连接；

第一旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗杆轴端；

第二旋转变压器，安装在所述蜗轮蜗杆减速器的蜗轮轴端；

双通道轴角数字转换模块，分别与所述第一旋转变压器和第二旋转变压器通信连接。

2.如权利要求1所述的棒位测量装置，其特征在于，所述双通道轴角数字转换模块包括：

精通道数字转换器，与所述第一旋转变压器通信连接；

粗通道数字转换器，与所述第二旋转变压器通信连接；

双速处理器，与所述精通道数字转换器以及粗通道数字转换器连接；

二进制锁存器，与所述双速处理器连接。

3.如权利要求1所述的棒位测量装置，其特征在于，所述第二旋转变压器对应于控制棒全行程的旋转角度小于360°。

4.如权利要求1所述的棒位测量装置，其特征在于，还包括：第三旋转变压器，安装于所述蜗轮蜗杆减速器中蜗轮的另一个轴端，与所述第二旋转变压器互为备用。

5.如权利要求4所述的棒位测量装置，其特征在于，所述第一旋转变压器、第二旋转变压器和第三旋转变压器采用耐高温、抗辐射的线圈和浸漆制作。

6.棒位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、控制棒组件在环链机构的驱动下做上下运动，蜗轮蜗杆减速器与环链机构同步旋转；

步骤S2、第二旋转变压器测量蜗轮蜗杆减速器的蜗轮的旋转角度，并输出信号作为精机信号；第一旋转变压器根据所述蜗轮蜗杆减速器的速比计算蜗杆的旋转圈数，并输出信号作为粗机信号；

步骤S3、双通道轴角数字转换模块接收所述精机信号和粗机信号，将所述精机信号和粗机信号进行纠错和耦合得到棒位信号。

7.如权利要求6所述的棒位测量方法，其特征在于，所述步骤S3中纠错和耦合的步骤具体包括：

所述双通道轴角数字转换模块根据蜗轮蜗杆减速器的速比确定第一旋转变压器和第二旋转变压器的寄存器的校验位，根据校验法则对第二旋转变压器的寄存器信号校验位的末尾进行加“1”或减“1”操作，最后用第一旋转变压器的寄存器的信号取代第二旋转变压器的寄存器信号的末几位，得到精确的棒位信号。

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