CN1026736C - 反应堆控制棒棒位测量用电感变换计 - Google Patents

Abstract

反应堆控制棒棒位测量用电感变换计属反应堆领域。本发明主要特征是：以电感量变化技术测量反应堆控制棒棒位。采用含单个线圈的中空全密封筒及在该筒中空部位运动的衔铁(与控制棒相连)、承压引电密封、分别励磁与分时回收信号方法以及为解决反应堆中因温度变化导致灵敏度变化和零位漂移而设置的参比棒位电感变换计。

Description

本发明属反应堆领域，尤其涉及反应堆控制棒棒位的测量，以及进行液介质、气介质中的物位与液位测量。

在反应堆中需要准确测量控制棒棒位，不同的堆型往往采用不同的方法。在常压下的试验反应堆中，以伺服电机减速后带动一个卷筒，卷筒上的钢丝绳直接带动控制棒提升或下降，控制棒的位置与电机转动的圈数和转角相对应，这时可以采用自整角机发送机与电机同步运动，自整角机接收机带动钟表式表盘指针，则表盘读数就代表控制棒位置。在压水堆中，由于密封要求，不能用钢丝绳带动控制棒，通常用直线电机，步进电机等磁力提升机构。对应于这种机构的位置指示器为线圈式电感变换器。即在控制棒全行程上，依照步距缠绕多组线圈，测量衔铁与控制棒相连，当控制棒带动衔铁运动到某一组线圈的位置上时，线圈上的电感量将发生变化，测量这一变化就能知道控制棒在堆中的位置。显然这就要求每一组线圈至少要有两条引线，因而一根控制棒就对应着上百根引线，为减少引电线的数目、简化测量系统，多年来各国科学工作者在压水堆控制棒棒位测量方法方面做了许多工作。目前用得最多是格雷码控制棒棒位测量系统（详见CN85108640A-数字式棒位探测系统）。这类系统的缺点是：（1）该测量系统的棒位探头是多个扁平线圈。因而，这种系统不能连续测量控制棒棒位。要减小步距，提高测量精度，就必须增加线圈的数量。（2）每个线圈的信号线都要引到二次仪表，尽管通过多年努力，可以使引线减少，但其数量还是可观的。例如，在CN85108640A号专利中所采用的格雷码 控制棒棒位测量系统中，行程为20步时，每根控制棒的引出线为9-13根，一个大型压水堆往往有数十根甚至上百根的控制棒、上千根引线不仅结构复杂，成本增加，更重要的是降低了棒位测量系统的安全性与可靠性。

此外，在清华大学五兆瓦核供热堆中，控制棒棒位测量采用的是液介质中超声波测位方法（CN90100692）“反应堆控制棒超声波棒位测量系统”，该种测位方法对反应堆运行工况有一个非常明确的限制-即反应堆工作介质（水）中不允许出现较多气泡，因为水中的气泡对于工作在控制棒上端的超声测位探头就是一个界面（声阻抗层-气泡），当气泡在控制棒上端与超声测位探头中间时，探头只能探测到气泡上产生的回波信号，而不能探测到真正的控制棒棒位。

本发明的目的在于提供一种价格低廉，安装加工要求低、引线数目少以及不受介质状态影响的连续测量控制棒棒位的电感变换计。

本发明的特征是：

（1）采用中空全密封筒内含有由一根金属线（包覆有耐辐射、耐高温绝缘层的）绕成只有两个出线头的直螺线形线圈。

（2）含线圈的该筒不单能在常温、常压的液、气介质中工作，而且能承受反应堆内压水、沸水运行工况要求，同样它也能工作在高温高压、辐射以及腐蚀诸工况下，对液、气介质中的物位与液位的进行测量。

（3）该筒密封腔内的线圈轴向长度大于衔铁行程（即长度）;

（4）与控制棒相连的衔铁在该筒的中空部位作上下运动，衔铁行程（长度）亦等于控制棒行程，衔铁由导磁耐蚀材料制成;

（5）在有多个变换计工作的条件下，为防止各变换计之间的相互干扰，在线路设计上采取了分时励磁与分时回收线圈信号的巡回检测 方法。

（6）为消除变换计在反应堆（或在其他测量位移系统）中，因工况（例如温度）变化而导致变换计的零位漂移，在相同的工作环境下，在相应的测量系统中设置参比棒位（或位移）电感变换计。

棒位测量用电感变换计在变磁阻式传感器中属于直螺线管插入衔铁型电感传感器。它的工作原理是建立在衔铁插入线圈时，线圈磁力线泄漏路径上磁阻的线性变化会引起线圈电感量的线性变化的基础上得到的。一个直螺线管线圈内有活动的柱形衔铁（该衔铁在反应堆中，与作上下运动的控制棒相连），这就构成了直螺线管电感传感器-棒位测量用电感变换计。

假定线圈内磁场强度是均匀的，且lc＜l，则单个线圈的电感量和衔铁（与控制棒相连）插入长度lc的关系为：

L= (4π²N²)/(L²) [Lr²+(μ_m-1)L_cr² _c]·10^-7

式中：L-单个线圈的电感量（享）

N-单个线圈的圈数（匝）

r-线圈的平均半径（米）

l-线圈的长度（米）

l_c-衔铁长度（米）

r_c-衔铁的半径（米）

μ_m-这种具体结构的铁心有效导磁率

线圈的电感相对变化量与衔铁（与控制棒相连）插入线圈长度的相对变化量的曲线以及等效电路如图3所示。

电压（线路中在电感上得到的分压值）值的相对变化量与衔铁（与控制棒相连）插入线圈长度的相对变化量的曲线以及等效电路如图4所示。

在有多个电感变换计同时使用时，为了避免多个变换计在通电后相互间会造成干扰，我们采取了分时给每个变换计通电励磁和分时回收每个电感变换计线圈信号的巡回检测方法。

另外，由于反应堆的运行工况很复杂，为了避免例如反应堆温度变化而引起的变换计的灵敏度和零点的变化，为此设置了与变换计处于同一工况的参比棒（或位移）电感变换计。参比变换计中安全密封筒（含线圈）与变换计给线圈的筒的材料、结构完全相同。只是参比变换计的衔铁完全静止而变换计的衔铁（因与反应堆控制棒相连、或与其他测量机构的运动部件相连）要作上下（或左右）运动。由参比变换计的通电线圈给出变化后的值做为基准信号，这样就消除了因温度工况变化引起的零位漂移和灵敏度的变化。

本发明的优点在于，将只由一根金属线（线上包覆有绝缘层）、两出线头绕成的直螺线形线圈以及在该线圈中上下运动的衔铁（它于反应堆控制棒相连）作为反应堆控制棒棒位全行程测量元件，棒位测量用电感变换计不单原理简明，结构简单，引线数目少，而且价格低廉，它以适当的测量精度满足了反应堆在任何工况下连续测量棒位的要求，同样它也能应用在具有辐射、高温、高压以及腐蚀诸工况下的液介质、气介质中位移，物位与液位的测量。

附图说明：

图1，反应堆控制棒棒位测量用电感变换计原理示意图。

图2，棒位测量用电感变换计线路原理框图。

图3，电感变换计线圈的电感与在线圈中衔铁插入长度的关系曲线及等效电路图。

图4，电感变换计线圈的电压（线路中在电感上得到分压值）与线圈中衔铁插入长度之间的关系曲线及等效电路图。

[1]压力壳封头、[2]承压引线管、[3]反应堆压力壳、[4]绝缘导线、[5]金属陶瓷封接绝缘子、[6]上盖、[7]内套管、[8]线圈、[9]外套管、[10]衔铁（与反应堆中控制棒相连）、[11]下底、[12]电感变换计、[13]控制棒、[14]中空全密封筒、[15]参比计的中空全密封筒、[16]参比棒位（或位移）电感变换计、[17]静止式衔铁、[18]吊兰上架板、[19]有绝缘层的金属线、[20]载频交流电源、[21]电压放大及采集器、[22]计算机、[23]步数显示器、[24]位置显示器、[25]参比计与电源的开关K_O、[26]电阻、[27]各个棒位测量用电感变换计（从K₁、K₂……K_n）的开关。

实施例1：

在低温核供热堆中，我们根据反应堆控制棒的数目，在堆内吊兰上架板上安装与控制棒数目相等的若干个棒位测量电感变换计以及为改变换计提供解决灵敏度与零位漂移的2～4个参比棒位电感变换计。棒位测量用电感变换计以及参比变换计在低温核供热堆中的布置如图1所示。棒位测量用电感变换计是由以下几部分组成的：

第一部分-中空全密封筒[14]（含线圈[8]）。它是由非导磁耐蚀材料制成的内套管、外套管、上盖、下底以及在该筒的内套管与外套管之间的空间内，由一根包覆有耐辐射、耐高温绝缘层的金属线绕在内套外壁上，形成一个与筒内四壁绝缘的直螺线形线圈，该线圈且被密封在这个中空气密封筒内。

第二部分-衔铁[10]。它与反应堆中的控制棒相连、并是由导磁耐蚀材料制成的柱形管状棒体，它在上述筒的中空部位内上下运动，衔铁的行程（即长度）与控制棒[13]的行程相等，控制棒每行走多少距离量亦是与控制棒相连的衔铁的距离量，并且衔铁的行程小于被密封在该筒内腔中的线圈的轴向长度。

第三部分-线圈引线密封后的引出。由上述一根金属线绕成的线圈的两个出线头分别与位于上述筒的上盖上的两个金属陶瓷封接绝缘子[5]封焊成一体，该金属线的延长部分-绝缘导线穿过与上盖封焊成一体的承压引线管[2]伸出压力壳封头，承压引线管的另一端与压力壳封头经过密封后作为承压边界。

参比棒位电感变换计[16]与上述变换计两者在筒（含线圈）的结构、材料、长度以及衔铁的材料、长度等诸方面完全相同，所不同的只是参比棒位计的衔铁完全静止在含线圈的筒的中空部位-静止式衔铁[17]。

从图上我们可以看出，棒位测量用电感变换计的测量部件线圈完全被密封在筒的内腔中，它不与水直接接触。筒的结构、线圈引线的密封引出结构以及在材料的选择诸方面确保了线圈能在有辐射、高温、高压的反应堆工作介质-水中完成对控制棒棒位测量测工况要求，只要插入含线圈的筒中的衔铁位置（亦即制棒改变位置）发生变化，线圈通点后的电感量（或线路中电感上的分压值）就会产生相应的变化。因而，采用上述方法完全可以用在反应堆中的非电量测量（位移）-控制棒棒位测量中。

针对反应堆工况中，温度对电感式传感器-棒位测量用电感变换计的灵敏度变化与另点漂移的影响。我们在反应堆中设置了与棒位测量用电感变换计工作区温度相同的参比棒位电感变换计，以静止在 含线圈筒中的衔铁对应的线圈的电感量（或线路中电感上的分压值）的值做为温度变化后的基准信号，这样就消除了因温度工况变化引起的零位漂移和灵敏度的变化。

实施例2：

反应堆控制棒棒位测量用电感变换计以及参比棒位电感变换计的仪器部分如图2所示。作为棒位测量用电感变换计与参比变换计的两个同种线圈的励磁源-经滤波后的载频交流电，由位于反应堆控制室中的计算机分时给每个变换计（及一个参比计）供电，也就是说每次只同时有一个变换计线圈和一个参比计的线圈在通电状态中，同样，在通电后也由计算机回收一个变换计线圈的电感量（或线路中在电感元件-线圈上的分压值）的变化值以及为该变换计提供温度变化后的一个参比计基准信号值（两种计在反应堆中的工作区温度相同），这种分时依次序巡回供电、接收信号的方法消除了若干个棒位变换计之间在同时供电、取信号时造成的磁干扰与信号干扰问题。由计算机巡回打开待测的变换计通道（即代表反应堆的一根控制棒棒位）的信号（模拟量）经过多通道电压信号放大、采集器（实际上，计算机打开的是与多个变换计都联接的多通道电压信号放大、采集器中要测量的那一个变换计的通道进入计算机）。在图2中，如果测量L₁线圈（对应着第1号控制棒）的电感值（或线路中电感上的分压值），那么只有这一条通道中的信号与为该L₁线圈提供基准信号值的L₀线圈的信号值（即基准信号值）才能经过多通道电压信号放大、采集器进入计算机，依此类推从L₁线圈（例如对应为反应堆的第一号棒）L₂线圈（第2号棒）到Ln（第n号棒），每次只有一个变换计与一个参比计正在在线测量中。由于计算机工作速度很快，在很短的时间内就可巡回检测一遍变换计的信号。这时，人从控制室的盘、柜上可以看到与计 算机相连的每根控制棒棒位的步数显示数字（单位：步）（这是每个变换计信号经计算机处理后的相应值）和控制棒的实际提升、下降值的显示数字（单位：毫米），当然，上述这些值也可以由与计算机连机的打印机实时打印出各个控制棒的当前棒位值。

Claims (1)

1、一种用反应堆控制棒棒位测量的电感变换计，其中包括线圈、衔铁，其特征在于：

(1)非导磁耐蚀材料制成的内套管，外套管，以及上盖，下底组成了具有承压边界的中空全密封筒；

(2)在上述内套管与外套管之间的空间内，由一根包覆有耐辐射，耐高温绝缘层的金属线绕在内套管外壁上，形成一个与筒内四壁绝缘的直螺线线圈；

(3)上述由一根金属线绕成的线圈被密封在上述中空全密封筒的空间内，线圈两个出线头分别与位于上述上盖上的两个金属陶瓷封接绝缘子封焊成一体，其延长部分即绝缘导线穿过与上述上盖封焊成一体的承压引线管伸出压力壳封头外，上述承压引线管的另一端与上述封头经过密封作为承压边界；

(4)由导磁材料制成的钎铁与反应堆控制棒相连，上述钎铁在上述中空全密封筒内作上下运动；

(5)上述衔铁的长度小于上述线圈的轴向长度。

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