CN1028334C - 自编码数字式棒位测量系统 - Google Patents

Abstract

自编码数字式棒位探测系统属核反应堆领域，采用导磁材料编码环和环形线圈编码环套组成自编码系统探测核反应堆控制棒棒位，编码环套的电感是信号发生器的组成部分，信号发生器的输出信号经过鉴频、译码后的二进制代码与控制棒棒位单值对应，专用译码显示装置直接显示控制棒的绝对位置。对于一定数目的位置测点，本发明可以用最少的导磁材料，最少的环形线圈和最少的信号引线。本发明还提供了编码环套异常状态检出装置。

Description

本发明属核反应堆领域，尤其涉及核反应堆控制棒棒位的测量，以及一切往复运动部件端点位置的测量。

核反应堆是靠升降控制棒来操纵的，堆的启动，升降功率，稳态运行以及正常停堆都要提升或下降控制棒。因此，只有用可靠的方法，准确探测控制棒在堆内的位置，才能保证核反应堆的安全运行。不同类型的核反应堆采用不同的控制棒驱动机构，相应的棒位探测方法也不一样。

在常压下运行的核反应堆，多选用柔性钢丝绳传动，传动链可简记为伺服电机-减速箱-卷筒-钢丝绳-控制棒。探测棒位的传感器选用自整角机，发送机安装在减速箱上，与卷筒同步旋转。接收机带动钟表减速机构，由表盘指示控制棒在堆内位置。由于有柔性连接，并存在卷筒等中间环节，控制棒在堆内的位置是通过计算得到的。该测量系统属相对测量系统，简单但不可靠。

核电站多采用压水堆或沸水堆。控制棒位于压力壳内的堆芯部分，由加长棒向上延伸到压力壳外，磁力驱动器或直线电机驱动加长杆带动控制棒上下运动[美国专利3158766]。控制棒驱动机构与控制棒加长杆实现机械隔离，保证压力壳密封。因此，要直接探测控制棒的位置是很困难的，由于加长杆与控制棒是钢性连接，通常都用加长杆的位置来表示控制棒在堆内的位置。

为测定加长杆的位置，已想出许多办法，以导磁材料制成的加长杆在长电感线圈内移动改变长线圈的阻抗[中国专利CN911000046]，从而产生一个与棒位有关的模拟电压信号。这种模拟电感式棒位探测系统的最大优点是简单，信号引线少。但该系统的灵敏度受温度;棒的磁化强度;棒的导磁性;供电电压和频率;以及相邻控制棒之间的影响，在已运行的核反应堆中很少采用。

数字式位置指示系统[美国专利384677]旨在克服模拟式位置指示系统的若干缺点。该系统采用许多有一定间距的分立线圈，沿导磁材料制成的加长杆末端运动轨迹呈线排列，控制棒运动时，导磁材料顺序通过各线圈，相应改变每个线圈阻抗，经过适当处理以后得到“1”或“0”电平。该电平与控制棒在堆内位置单值对应，具有很高的可靠性，现役水堆的控制棒棒位指示系统都是根据该原理制成的。但该棒位指示系统有两个很大的缺点;一是电感线圈太多;二是信号引线太多。

以后发展的数字式棒位指示系统旨在提高信号输出灵敏度[美国专利3858191][美国专利3893090]，[EPC专利公报号015134]和减少信号引线[中国专利CN85108640A]。

在[中国专利CN85108640A]文献中所介绍的数字式棒位探测系统，虽然减少了信号引线，但它却增加了电感线圈间连线。从下面可以看出，在某些情况下，各电感线圈间的连线是不方便的，甚至是不允许的。

上述各专利文献都没有能减少电感线圈数目。

近年来发展起来的低温堆采用水力学控制棒，它的驱动系统只有内、外缸套，棒位测量必须在壳内进行，因此，上述数字式棒位探测系统都不适用。[中国专利CN90100692]，提供了用液相超声波棒位探测系统，它测量超声波在液体介质内传播时间，通过电子技术和计算机技术，直接显示控制棒在堆内位置，该系统在清华大学5MW低温核供热站上已成功运行了三年。应用结果证明，在正常工况下，即液相介质中不产生汽泡时，探测结果准确。但液相超声波探测系统的致命弱点是对汽泡极为敏感，在超声波换能器表面凝聚少量汽泡或在液相介质中析出一定汽泡时，探测即告失败，因此，实用范围受到一定限制，可靠性也受到影响。也不适用于沸水堆。

本发明的目的在于，提供一种数字式棒位探测系统，它具有经济、可靠、结构简单，信号引线少的特点，既可在堆内使用，也可在壳外使用，不受工况及环境影响;同时，它还可以探测一切往复运动部件端点位置。

本发明的主要技术特征是：采用编码环2和编码环套3组成自编码系统探测控制棒棒位或探测一切往复运动部件端点位置;

1.采用n个彼此留有一定间距的环形线圈编码环套3和（n-1）个彼此留有特定间距并具有特定高度的导磁材料（或导电材料）编码环2组成自编码系统，该系统最多可探测n（n-1）+2个位置测点，

编码环2与控制棒加长杆1连成一体，按特定规律排列，编码环套3固定在编码环2运动轨迹的上方，彼此间留有一定间隙，控制棒运动时，编码环顺序通过各编码环套，编码环和编码环套间的相对位置决定了编码环套3的输出阻抗;

2.环形线圈用铠装电线5绕制在一根由陶瓷管或金属管制成的骨架上，每个线圈的引出线均由上方线圈的内环引出，n个环形线圈固定在金属导管4上，导管的端部与密封法兰盖9焊接，铠装电线引出线5直接穿过密封法兰盖，铠装电线的外皮与法兰盖上的引电密封塞10焊接;

3.编码环套3的输出端通过铠装电线引出线5直接与信号发生器11相连，信号发生器11的输出频率或幅度由编码环套3D输出阻抗决定;

4.信号发生器11的输出端与频率-电平转换装置12相连，或通过幅度峰值检出装置19以后与幅度-电平转换装置20相连，频率-电平转换装置12和幅度-电平转换装置20的输出代码D₀……D_n和 D₀…… D_a与控制棒棒位单值对应;

5.代码D₀……D_n通过棒位译码装置14，由棒位数字显示装置17和模拟灯显装置22，显示控制棒棒位;

6.代码D₀， D₀……D_n， D_n分别送入编码环套异常状态检出装置13检出异常状态编码环套的编号;

7.由编码环套异常状态检出装置13检出的异常状态编码环套的编号经过异常状态编码环套编号译码装置15译码，并由异常状态编码环套编号显示装置18显示异常状态编码环套的编号;

8.由编码环套异常状态检出装置13检出到存在异常状态编码环套以后，其输出信号通过编码环套异常状态报警装置16发出声光报警信号;

附图说明

图1：核反应堆控制棒棒位探测系统纵剖面图。

图2：鉴频方式自编码系统原理框图。

图3：鉴幅方式自编码系统原理框图。

1控制棒加长杆、2编码环、3编码环套、4金属导管、5铠装电线、6压力壳上盖、7密封法兰座、8O型密封环、9密封法兰盖、10引电密封塞、11信号发生器、12频率-电平转换装置、13编码环套异常状态检出装置，14棒位译码装置、15异常状态编码环套编号译码装置、16编码环套异常状态报警装置、17棒位数字显示装置、18异常态编码环套编号显示装置、19幅度峰值检出装置、20幅度-电平转换装置，22模拟灯显装置。

实施例1：用5个环形线圈编码环套3和4个导磁材料编码环2，最多可探测5×4+2＝22个位置测点，图2选用鉴频方式自编码系统原理框图，探测步距为1，由导磁材料制成4个编码环，每个编码环的高度分别为l、2l、3l、5l，由非导磁材料隔开，相应间隔分别为3l、2l、l编码环固定在控制棒加长杆1上，与控制棒整体运动。5个环形线圈编码环套3固定在与密封法兰盖9焊成整体的 金属导管4上，其相对位置应该满足：当控制棒在最下位置时，处于最下方的编码环套正好处于编码环2的上方，相邻编码环套之间的中心距均为l，当控制棒运动时，编码环顺序穿过编码环套，由于编码环与编码环套的相互作用，相应的编码环套输出“高频”或“低频”，用“0”表示高频，用“1”表示“低频”，则控制棒棒位与编码环套的输出关系见表1。

二进制代码    十六进

棒位 D₄D₃D₂D₁D₀制代码

0    0    0    0    0    0    00

1    0    0    0    0    1    01

2    0    0    0    1    0    02

3    0    0    1    0    0    04

4    0    1    0    0    0    08

5    1    0    0    0    1    11

6    0    0    0    1    1    03

7    0    0    1    1    0    06

8    0    1    1    0    0    0C

9    1    1    0    0    1    19

10    1    0    0    1    1    13

11    0    0    1    1    1    07

12    0    1    1    1    0    0E

13    1    1    1    0    1    1D

14    1    1    0    1    1    1B

15    1    0    1    1    1    17

16    0    1    1    1    1    0F

17    1    1    1    1    1    1F

18    1    1    1    1    0    1E

19    1    1    1    0    0    1C

20    1    1    0    0    0    18

21    1    0    0    0    0    10

编码环套3的输出端直接与信号发生器11相连，由信号发生器输出频率信号，当编码环未进入编码环套时，编码环套呈低电感状态，信号发生器的输出频率高，反之，当编码环进入编码环套以后，编码环套呈高电感状态，信号发生器的输出频率低，信号发生器的输出频率经过频率-电平转换装置12以后，在频率-电平转换装置的两个输出端得到01信号或10信号，即：当编码环未进入编码环套时，频率-电平转换装置的输出端为01电平，当编码环进入编码环套以后，频率-电平转换装置的输出端为10电平，由此可知，当自编码系统正常工作时，频率-电平转换装置的输出端总是两个反相电平，若出现同相电平，则意味着编码环套出现异常，编码环套异常状态检出装置13可以判断自编环系统工作的正确性，该装置保证了自编码系统工作的可靠性，这一点对于核反应堆尤为重要。异常状态编码环套编号译码装置15专门用来检测异常状态编码环套的编号，由异常状态编码环套编号显示装置18加以显示，同时，无论哪一个编码环套出现异常状态，异常状态编码环套报警装置16将给出声光报警信号。取频率-电平转换装置12的一个输出端电平送到棒位译码装置14，棒位译码装置的输出代码将与被测控制棒的位置一一单值对应，该代码分别送棒位数字显示装置17和模拟灯显装置21，不仅可以数字显示控制棒的位置，还可以形象显示控制棒在堆内高度。

实施例2，由图3所示的鉴幅方式自编码系统原理框图也以5个编码环套和4个编码环为例，最多可探测22个位置测点，出信号发生器11，向编码环套提供频率一定的恒流信号源，当编码环2还未进入编码环套3时，由于编码环套呈低电感状态，阻抗低，信号发生器11输出信号幅度也低，反之，当编码环进入编码环套以后，由于编码环套呈高电感状态，阻抗高，信号发生器11输出信号幅度也高，该信号经过幅度峰值检出装置19和幅度-电平转换装置20以后，在幅度-电平转换装置的两个输出端得到01信号或10信号，以后的电路与实施例1完全一致。

上述实施例都是以5个编码环套进行分析，根据测点数目以及公式n（n-1）+2来选定编码环套数目，并确定编码环布置规律以及相应的输出代码，其后的原理框图有很大的灵活性。

采用本发明技术可以用最少的环形线圈，最少的导磁材料，最少的信号引线，实现探测压水堆、沸水堆、低温堆控制棒棒位，也可以探测一切可移动部件的位移。本发明还可以不依赖计算机提供精确的数字显示和形象的模拟显示。

Claims (1)

1、一种探测核反应堆控制棒棒位的测量系统，其中包括多个环形线圈和控制棒加长杆，其特征在于：

(1)采用n个彼此留有间距的环形线圈编码套3和(n-1)个彼此留有间距的导磁材料编码环2组成自编码系统，编码环2与上述控制棒加长杆连成一体；

(2)编码环套3固定在编码环2运动轨迹的上方，控制棒运动时，编码环顺序通过各编码环套，编码环和编码环套间的相对位置决定了编码环套3的输出阻抗；

(3)编码环套3的输出端通过铠装电线引出线5直接与信号发生器11相连接，信号发生器11的输出频率和幅度由编码环套3的输出阻抗决定；

(4)信号发生器11的输出端与频率-电平转换装置12相连，通过幅度峰值检出装置19与幅度-电平转换装置20相连，频率-电平转换装置12和幅度-电平转换装置20的输出代码与控制棒位单值对应；

(5)输出代码送入编码环套异常状态检出装置13，异常状态编码环套编号由异常状态编码环套编号译码装置15译码，异常状态编码环套显示装置18显示异常状态编码环套的编号，编码环套异常状态报警装置16发出声光报警信号；

(6)频率-电平转换装置12和幅度-电平转换装置20的输出代码经棒位译码装置14和棒位数字显示装置17，模拟灯显装置22显示控制棒棒位。

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