CN103886923A - 控制棒位置线性测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制棒位置线性测量系统，其初级线圈的两引出端与电源板相连接以接收电源板输出的励磁电流，信号转换电路板上设置有数字转换模块及滤波放大单元，电源板还与数字转换模块连接以输出一参考电压至数字转换模块，数字转换模块的一端与次级线圈的两引出端连接，另一端与处理器连接，数字转换模块用于将次级线圈的感应电压转换成数字信号，并将数字信号隔离变换成电压量后输出至处理器；滤波放大单元的一端与初级线圈的两引出端连接，另一端与处理器连接，滤波放大单元用于将初级线圈上的电压进行滤波、放大处理后输出至处理器，处理器用于计算控制棒的棒位。探测器内引接线较少、故障率低且棒位测量精度高。本发明还公开一种控制棒位置线性测量方法。

Description

控制棒位置线性测量系统及方法

技术领域

本发明涉及压水堆核电站技术领域，尤其涉及一种压水堆核电站控制棒位置的线性测量系统及测量方法。

背景技术

在压水堆核电站中，控制棒组件处于高温高压的反应堆压力容器内，控制棒在反应堆堆芯中的位置反应出了反应堆的工况，因此需要对控制棒的位置进行测量；且控制棒位置测量系统一般设置于压力容器外，通过电磁感应原理测量控制棒组件上端的驱动杆的顶部位置来间接地测量控制棒的位置。

目前，压水堆核电站中，对控制棒位置的测量方式主要有三种。

一种是差分变压器型，在CPR1000堆型有使用，探测器主要由一组初级线圈和几组（通常为5组）次级线圈组成，每组内次级线圈反向串接。工作时，初级线圈通稳恒交流电流源，控制棒驱动杆在探测器内运动时，穿过同组内的一个次级线圈，感应电压为高，穿过同组内的两个次级线圈，感应电压为低。随着驱动杆的移动，次级线圈上将感应出几组交替变化的高低电平，正好是5位格莱码，格莱码的数值就代表不同的棒位。这种测量方式的不足是测量精度低，理论精度为±4步（总行程232步，每步15.875mm），实际精度为±6步，即±95.25mm；且探测器内引接线较多，易造成老化、绝缘下降或断线等故障；另外，A码受干扰大，容易跳码，误报警多。

另一种是自感变压器型，在AP1000核电站使用，探测器使用多个沿控制棒驱动杆方向设置的传感器线圈，传感器线圈分成两个相互间隔的A组和B组，每个传感器线圈有两个引出端，其中一个引出端并接在一起作为公共端，另一个引出端穿过电缆和采样电阻后一起连在供电模块输出端。当驱动杆移动到某一位置时，该位置上、下两个线圈上的电压不同，采样电阻上的电压有压差，其余压差为零。高电平出现的位置即是控制棒所在的位置。这种类型的探测器采用冗余设计，正常工作时，理论精度达到±3步（每步15.875mm），实际精度为±5步，即±79.375mm。但是，当一组线圈故障时，精度将损失一半而变为±6步；且这种探测器引出线太多（每个探测器有50根引出线），测量柜必须放在安全壳内，以减少贯穿件的数量，这对测量设备的性能、环境要求和质量等级提出了更高的要求。

再一种是可变变压器型，这是一种线性变换器；这种方式中，在驱动杆的行程方向上缠绕着初、次级线圈，驱动杆作为变压器的铁心。工作时，初级线圈通稳定的交流电流，驱动杆的移动会改变两线圈的耦合强度，导致次级线圈的感应电压随驱动杆位置的升高而增大。因此，测量次级线圈感应电压的大小即可反应控制棒棒位的实际位置。但是实际工况下，压水堆温度会从常温升高到300℃左右的高温，温度的变化会使驱动杆和线圈的导磁率和电阻率均发生变化，从而影响初级线圈和次级线圈之间的耦合强度，即影响次级线圈的感应电压大小，所以探测器精度仍不够高。

因此，有必要提供一种探测器内引接线较少、故障率低且棒位测量精度高的控制棒位置线性测量系统及测量方法，以解决上述现有技术的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探测器内引接线较少、故障率低且棒位测量精度高的控制棒位置线性测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种故障率低且棒位测量精度高的控制棒位置线性测量方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种控制棒位置线性测量系统，其包括控制棒驱动杆、初级线圈、次级线圈、电源板、信号转换电路板及处理器，所述初级线圈、所述次级线圈均呈长条形，所述初级线圈、所述次级线圈均沿所述控制棒驱动杆的行程方向设置且两者相间隔，所述初级线圈与所述次级线圈相绝缘，所述控制棒驱动杆设置于所述初级线圈与所述初级线圈之间，所述初级线圈的两引出端与所述电源板相连接，所述电源板输出一励磁电流至所述初级线圈；其中，所述信号转换电路板上还设置有数字转换模块及滤波放大单元，所述电源板还与所述数字转换模块连接，以输出一参考电压至所述数字转换模块，且所述数字转换模块的一端与所述次级线圈的两引出端连接，所述数字转换模块的另一端与所述处理器连接，所述数字转换模块用于将所述次级线圈的感应电压转换成数字信号，并将所述数字信号隔离变换成电压量后输出至所述处理器；所述滤波放大单元的一端与所述初级线圈的两引出端连接，所述滤波放大单元的另一端与所述处理器连接，所述滤波放大单元用于将所述初级线圈上的电压进行滤波、放大处理后输出至所述处理器，所述处理器用于计算控制棒的棒位。

较佳地，所述电源板上设置正弦信号发生器、功率放大模块及直流偏置模块，所述功率放大模块的一端与所述正弦信号发生器连接，所述功率放大模块的另一端与所述初级线圈的两引出端连接，且所述功率放大模块还与所述直流偏置模块连接，所述功率放大模块将所述正弦信号发生器产生的正弦信号与所述直流偏置模块产生的直流偏置并加后得到所述励磁电流。

较佳地，所述电源板上还设置有参考电压信号整理模块，所述参考电压信号整理模块的一端与所述正弦信号发生器连接，所述参考电压信号整理模块的另一端与所述数字转换模块连接。

较佳地，所述滤波放大单元包括第一放大模块、第一滤波模块及第二放大模块，所述第一放大模块的一端与所述初级线圈的两引出端连接，所述第一放大模块的另一端与所述第一滤波模块的一端连接，所述第一滤波模块的另一端与所述第二放大模块的一端连接，所述第二放大模块的另一端与所述处理器连接，所述第一放大模块、所述第一滤波模块、所述第二放大模块依次用于对所述初级线圈上的电压进行放大、滤波、放大处理。

较佳地，所述数字转换模块为一轴角数字转换芯片。

较佳地，所述控制棒位置线性测量系统还包括上限位线圈及第一整流滤波单元，所述第一整流滤波单元设置于所述信号转换电路板上，所述第一整流滤波单元的一端与所述处理器连接，所述第一整流滤波单元的另一端与所述上限位线圈的两引出端连接，所述上限位线圈设置于所述次级线圈的上方。

较佳地，所述第一整流滤波单元包括第三放大模块、第一整流模块及第二滤波模块，所述第三放大模块的一端与所述上限位线圈的两引出端连接，所述第三放大模块的另一端与所述第一整流模块的一端连接，所述第一整流模块的另一端与所述第二滤波模块的一端连接，所述第二滤波模块的另一端与所述处理器连接。

较佳地，所述控制棒位置线性测量系统还包括下限位线圈及第二整流滤波单元，所述第二整流滤波单元设置于所述信号转换电路板上，所述第二整流滤波单元的一端与所述处理器连接，所述第二整流滤波单元的另一端与所述下限位线圈的两引出端连接，所述下限位线圈设置于所述次级线圈的下方。

较佳地，所述第二整流滤波单元包括第四放大模块、第二整流模块及第三滤波模块，所述第四放大模块的一端与所述下限位线圈的两引出端连接，所述四放大模块的另一端与所述第二整流模块的一端连接，所述第二整流模块的另一端与所述第三滤波模块的一端连接，所述第三滤波模块的另一端与所述处理器连接。

对应地，本发明还提供一种控制棒位置线性测量方法，其包括如下步骤：

S1：冷态温度下，获取初级线圈的直流电阻R_L以及初级线圈的直流电压值U_L0；

S2：控制棒于最低位置时，获取次级线圈对应的感应电压U_PLEP；

S3：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电流值I_DC；

S4：根据式（1）计算出系数A，所述式（1）如下：

A=β/（α*R_L*I_DC）          （1）

其中，α为初级线圈的直流电压随温度的变化系数；β为次级线圈的感应电压随温度的变化系数；

S5：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电压值U_L，并获取次级线圈的感应电压U_P；

S6：根据棒位计算公式（2）得出控制棒的棒位，其中，公式（2）如下：

p=(U_P–U_PLEP)/【(U_L–U_L0)*A+1】/k        （2）

其中，p为控制棒的棒位；U_p为次级线圈的感应电压；U_PLEP为控制棒在最低位时，次级线圈对应的感应电压；U_L为初级线圈的直流电压值，U_L0为冷态温度时初级线圈的直流电压值，A为根据式（1）计算出的系数，k为冷态温度下，单位棒位变化对应的感应电压变化。

较佳地，所述步骤S1之前还包括：在冷态温度下，计算出单位棒位变化对应的感应电压变化k。

较佳地，所述步骤S1之前还包括：根据试验数据计算出所述初级线圈的直流电压随温度的变化系数α及所述次级线圈的感应电压随温度的变化系数β。

与现有技术相比，由于本发明的控制棒位置线性测量系统，其初级线圈、次级线圈沿控制棒驱动杆的行程方向分别设置，且两者均是整体绕出，内部引接线少，从而降低了引接线老化、绝缘下降和断线故障的几率；并且由于探测器端的结构简单，因此稍加修改即可适应不同的堆芯高度，使用更广泛。电源板输出一励磁电流至初级线圈，该励磁电流是在稳恒交流源上叠加稳定直流分量得到的，使驱动杆磁特性工作在磁滞特性曲线的第一象限内，从而降低了磁滞特性对感应电压的影响。而其滤波放大单元的一端与初级线圈的两引出端连接，另一端与处理器连接，用于获取初级线圈上的电压并进行滤波、放大处理后传输至处理器作为温度补偿信号，由于初级线圈上的励磁电流含有直流分量，因此初级线圈的电阻率相对温度的变化率恒定，采用初级线圈上的直流电压作为控制棒棒位的温度补偿信号，温度补偿信号的可靠性高，使控制棒棒位的测量精度高。另外，采用数字转换模块对次级线圈的感应电压直接进行解调和数字化，提高了转换精度和抗干扰能力。对应地，本发明控制棒位置线性测量方法也具有相同的效果。

附图说明

图1是本发明控制棒位置线性测量系统的原理框图。

图2是图1中探测器端的具体结构示意图。

图3是图1中测量电路端的放大图。

图4是本发明初级线圈输入的励磁电流的波形图。

图5是本发明次级线圈的感应电压随棒位变化的曲线图。

图6是不同温度下次级线圈的感应电压与棒位变化的线性关系图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本发明所提供的控制棒位置线性测量系统1，利用可变变压器原理测量控制棒的位置，并具有较高的测量精度。

如图1、图2所示，本发明所提供的控制棒位置线性测量系统1，包括探测器端11及测量电路端；探测器端11通过引接线连接到外部的测量电路端，通过测量电路端对探测器端11的信号进行处理并计算得出控制棒的位置。

如图1、图2所示，所述探测器端11包括控制棒驱动杆111、初级线圈112、次级线圈113、上限位线圈114及下限位线圈115；其中，所述初级线圈112、次级线圈113均呈长条形，初级线圈112、次级线圈113均沿控制棒驱动杆111的行程方向设置且两者相间隔，初级线圈112与次级线圈113相绝缘，控制棒驱动杆111设置于初级线圈112与次级线圈113之间，所述控制棒驱动杆111可沿竖直方向移动。

具体地，初级线圈112均匀地缠绕于控制棒驱动杆111一侧的骨架上，且初级线圈112的两引出端位于其一端的端部，两引出端通过引接线连接到外部的测量电路端；次级线圈113均匀地缠绕于控制棒驱动杆111的另一侧，次级线圈113的两引出端也位于其一端的端部，其两引出端通过引接线连接到外部的测量电路端。由于初级线圈112、次级线圈113均采用整体绕出，内部引接线少，大大降低了引接线老化、绝缘下降和断线故障的几率；且因为其结构简单，稍加改动即可以适用于不同堆芯高度的反应堆。

另外，所述上限位线圈114设置于次级线圈113的上方，下限位线圈115设置于次级线圈113的下方。具体地，上限位线圈114均匀地缠绕于次级线圈113的上方，下限位线圈115均匀地缠绕于次级线圈113的上下方；次级线圈113、上限位线圈114、下限位线圈115三者的总高度与初级线圈112的高度相对应；且上限位线圈114的两引出端、下限位线圈115的两引出端分别通过引接线连接到外部的测量电路端；内部无其他引接线，大大降低了引接线老化、绝缘下降和断线故障的几率。

继续参阅图1-图3所示，所述测量电路端包括电源板12、信号转换电路板13及处理器14，所述初级线圈112的两引出端通过引接线与所述电源板12相连接，所述电源板12输出一励磁电流至初级线圈112。具体地，所述电源板12上设置有参考电压信号整理模块121、正弦信号发生器122、功率放大模块123及直流偏置模块124；所述功率放大模块123的一端与所述正弦信号发生器122的一端连接，所述功率放大模块123的另一端与所述初级线圈112的两引出端连接，且所述功率放大模块123还与直流偏置模块124连接，所述功率放大模块123将正弦信号发生器122产生的正弦信号与直流偏置模块124产生的直流偏置并加后得到所述励磁电流，并将所述励磁电流输入到初级线圈112。

结合图1-图4所示，所述励磁电流是在稳恒交流源上叠加稳定直流分量得到的，其中，交流分量由电源板12上的正弦信号发生器122提供，该正弦信号发生器122采用数字频率合成技术，在CPLD上实现正弦信号查找表和地址扫描，经D/A输出可得到正弦信号。正弦信号通过功率放大模块123并加直流偏置后，形成稳恒励磁电流源信号，其波形图如图4所示。且本发明所使用的励磁电流，其直流偏置和正弦信号的大小均可调，以方便励磁电流大小的调整。优选地，本发明使用的是直流120mA叠加正弦交流峰值为80mA而得到的励磁电流源，且交流频率为31Hz。输入到初级线圈112的励磁电流是在稳恒交流源上叠加稳定直流分量得到，使控制棒驱动杆111磁特性工作在磁滞特性曲线的第一象限内，降低了磁滞特性对感应电压的影响。

另外，所述正弦信号发生器122的另一端与所述参考电压信号整理模块121连接，所述参考电压信号整理模块121用于为信号转换电路板13上的数字转换模块131提供参考电压（详见下述）。

结合图1-图5所示，所述信号转换电路板13上设置有数字转换模块131、滤波放大单元132、第一整流滤波单元133及第二整流滤波单元134。其中，所述数字转换模块131的一端与所述次级线圈113的两引出端连接，所述数字转换模块131的另一端与所述处理器14连接；所述数字转换模块131用于将所述次级线圈113的感应电压转换成数字信号，并将所述数字信号隔离变换成相应的电压量后传输至所述处理器14。本发明中，次级线圈113上的感应电压的波形图如图5所示，该波形类似于线性旋转变压器的输出信号，且次级线圈113的感应电压与电源板12上的正弦信号相位相关，因此，所述数字转换模块131的参考电压取自于电源板12，即所述数字转换模块131与参考电压信号整理模块121连接，所述参考电压信号整理模块121用于输出参考电压至所述数字转换模块131。

本发明中，所述数字转换模块131优选为一轴角数字转换芯片。具体地，本实例使用十四位轴角数字转换芯片对次级线圈113的感应电压进行解调和数字转换，提高转换精度和抗干扰能力。

继续结合图1-图5所示，所述滤波放大单元132的一端与所述初级线圈112的两引出端连接，所述滤波放大单元132的另一端与所述处理器14连接；所述滤波放大单元132用于获取初级线圈112上的电压信号并进行滤波、放大处理，并将处理后的电压信号输出至处理器14；本发明中，获取初级线圈112上的直流电压作为控制棒棒位计算时的温度补偿信号，由于本发明中的励磁电流为稳定交流源，且初级线圈112的电阻率相对温度的变化率恒定，因此温度补偿信号的可靠性高，从而保证控制棒位置测量的准确性。

具体地，所述滤波放大单元132包括第一放大模块1321、第一滤波模块1322及第二放大模块1323，所述第一放大模块1321的一端与所述初级线圈112的两引出端连接，第一放大模块1321的另一端与第一滤波模块1322的一端连接，第一滤波模块1322的另一端与第二放大模块1323的一端连接，第二放大模块1323的另一端与处理器14连接。初级线圈112的电压（包含直流电压分量和交流电压分量）经第一放大模块1321放大后，再由第一滤波模块1322滤除所述电压信号中的交流电压分量，并将直流电压分量输出至第二放大模块1323，第二放大模块1323将所述直流电压分量放大后输出至处理器14。

参阅图1-图3所示，所述第一整流滤波单元133设置于所述信号转换电路板13上，且第一整流滤波单元133的一端与所述处理器14连接，所述第一整流滤波单元133的另一端与所述上限位线圈114的两引出端连接。

具体地，所述第一整流滤波单元133包括第三放大模块1331、第一整流模块1332及第二滤波模块1333，所述第三放大模块1331的一端与所述上限位线圈114的两引出端连接，第三放大模块1331的另一端与第一整流模块1332的一端连接，第一整流模块1332的另一端与第二滤波模块1333的一端连接，第二滤波模块1333的另一端与所述处理器14连接。

上限位线圈114设置于探测器端11的最高位置，当控制棒驱动杆111穿过和抽出所述上限位线圈114时，上限位线圈114上的感应电压有较明显的变化；例如，在初级线圈112输入某一励磁电流的情况下，控制棒驱动杆111未插入上限位线圈114时，上限位线圈114输出的感应电压为179mV，而当控制棒驱动杆111插入上限位线圈114时，其上的感应电压变为1292mV；上述感应电压经第一整流滤波单元133的第三放大模块1331放大后，由第一整流模块1332对放大后的电压进行整流，整流后的电压再经第二滤波模块1333滤波后，输出至处理器14，处理器14将该电压信号与阈值电压比较，即可判断控制棒的位置，从而实现对控制棒位置的限位、报警。

再次参阅图1-图3所示，所述第二整流滤波单元134设置于所述信号转换电路板13上，所述第二整流滤波单元134的一端与所述处理器14连接，所述第二整流滤波单元134的另一端与所述下限位线圈115的两引出端连接。

具体地，所述第二整流滤波单元134包括第四放大模块1341、第二整流模块1342及第三滤波模块1343，第四放大模块1341的一端与下限位线圈115的两引出端连接，第四放大模块1341的另一端与所述第二整流模块1342的一端连接，所述第二整流模块1342的另一端与所述第三滤波模块1343的一端连接，第三滤波模块1343的另一端与处理器14连接。

对应地，所述下限位线圈115设置于探测器端11的最低位置，当控制棒驱动杆111穿过和抽出时，下限位线圈115上的感应电压也有较明显的变化；例如，初级线圈112输入某一励磁电流的情况下，控制板驱动杆未插入下限位线圈115时，下限位线圈115输出的感应电压为179mV；而当驱动杆插入下限位线圈115时，其上的感应电压变为1292mV；第二整流滤波单元134将该信号放大、整流和滤波后，输出给处理器14，处理器14将该电压信号与阈值电压比较，即可判断控制棒的位置，从而实现对控制棒位置的限位、报警。

本发明中，处理器14是基于PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）的控制系统，使用方便，编程简单，容易安装、维修，且抗干扰能力强和可靠性高。

对应地，本发明所提供的控制棒位置线性测量方法，包括如下步骤：

S1：冷态温度下，获取初级线圈的直流电阻R_L以及初级线圈的直流电压值U_L0；

S2：控制棒于最低位置时，获取次级线圈对应的感应电压U_PLEP；

S3：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电流值I_DC；

S4：根据式（1）计算出系数A，所述式（1）如下：

A=β/（α*R_L*I_DC）          （1）

其中，α为初级线圈的直流电压随温度的变化系数；β为次级线圈的感应电压随温度的变化系数；

S5：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电压值U_L，并获取次级线圈的感应电压U_P；

S6：根据棒位计算公式（2）得出控制棒的棒位，其中，公式（2）如下：

p=(U_P–U_PLEP)/【(U_L–U_L0)*A+1】/k        （2）

其中，p为控制棒的棒位；U_p为次级线圈的感应电压；U_PLEP为控制棒在最低位时，次级线圈对应的感应电压；U_L为初级线圈的直流电压值，U_L0为冷态温度时初级线圈的直流电压值，A为根据式（1）计算出的系数，k为冷态温度下，单位棒位变化对应的感应电压变化。

另外，所述步骤S1之前还包括：在冷态温度下，计算出单位棒位变化对应的感应电压变化k；并根据试验数据计算出所述初级线圈的直流电压随温度的变化系数α及所述次级线圈的感应电压随温度的变化系数β。

下面结合图1-图6所示，对利用本发明控制棒位置线性测量系统1测量控制棒位置的方法进行说明。

利用可变变压器原理测量控制棒位置时，次级线圈113的感应电压理论上与控制棒驱动杆111的高度线性相关。

但在实际工况下，压水堆的温度会从常温升高到工作温度300℃左右，通过在控制棒驱动系统的试验线上所做的试验可知，控制棒移动每步为10mm，总行程为416步，冷却剂温度会从10℃上升到298℃。温度的变化会使驱动杆和线圈的导磁率、电阻率发生变化，从而影响初级线圈112和次级线圈113之间的耦合强度，即影响次级线圈113的感应电压的大小。

参阅图6所示，图6为在没有温度补偿的情况下，不同温度时，测量得到的次级线圈113的感应电压随控制棒棒位变化的线性关系。

从图6中可看出，在控制棒棒位探测器端11工作的环境温度范围（0℃到300℃）内，次级线圈113的感应电压与控制棒棒位之间存在线性关系，只是温度变化会改变直线的倾斜度。例如，当冷却剂温度为30℃时，棒位200步处所对应的次级线圈113的感应电压为7.816V；而温度变化到290℃时，感应电压为7.816V时，所对应的棒位为180步；两者相差20步。因此，要对温度影响进行补偿；本发明通过获取初级线圈112上的电压来作为温度补偿信号，从而更精确地计算出控制棒的位置。

再次参阅图6，经试验发现，在控制棒的位置一定时，次级线圈113的感应电压的变化量与温度成线性关系。而根据试验数据可以确定次级线圈113的感应电压变化相对于温度变化的系数β（1/℃）。

结合图1-图5所示，本发明中，由于输入到初级线圈112的励磁电流中含有直流分量，因此初级线圈112上的直流电压随温度的变化只受电阻率的影响，而铜导线的电阻率为一常数，因此，监测初级线圈112上直流电压的变化，即可求得初级线圈112、次级线圈113平均温度的变化ΔΤ，由平均温度变化ΔΤ和次级线圈113的感应电压随温度变化的系数β，即可求出次级线圈113上温度变化带来的贡献值，减去此贡献值，就可以得出次级线圈113的感应电压相对控制棒位置的电压值；根据该电压值即可确定控制棒的位置。

下面结合图1-图5所示，对本发明确定控制棒位置的方法进行具体说明。

初级线圈112的电压（包含直流和交流电压分量）信号经放大后，滤除其中的交流分量，再放大直流电压后输出给棒位数据处理器14（基于PLC的控制系统）；次级线圈113的感应电压经数字转换模块131转换成数字量，该数字量信号经隔离变换成电压信号并输出给棒位数据处理器14。

所述处理器获取上述两路信号后，对控制棒棒位数据进行计算，且根据上述测量方法可知，次级线圈感应电压变化公式（1）为：

U_P–U_PLEP=k*p*(1+β*Δθ)         （1）

其中，U_P为次级线圈的感应电压（V）；U_PLEP为控制棒在最低位时，次级线圈对应的感应电压（V）；k为冷态温度下，单位棒位变化对应的感应电压变化（V/cm）；p为控制棒的棒位（cm）；β为次级线圈感应电压随温度的变化系数（1/℃）；Δθ为温度变化（℃）。

由于k为冷态温度下，单位棒位变化对应的感应电压变化（V/cm），因此，通过实验可得出k的具体数值，且k为一常数。另外，通过计算也可知次级线圈感应电压随温度的变化系数β也为一常数。

另外，本发明中初级线圈上的直流电压变化的公式（2）为：

U_L=R_L*I_DC*((1+α*Δθ)         （2）

其中，U_L为初级线圈的直流电压值（V）；R_L为冷态温度下，初级线圈的直流电阻（Ω）；I_DC为初级线圈的直流电流分量（mA）；α为初级线圈的直流电压随温度的变化系数（1/℃），通过计算可知初级线圈直流电压随温度的变化系数α也为一常数。

将式（2）代入（1）中消去温度变化Δθ，即可得到棒位的计算公式（3）：

p=（U_P–U_PLEP）/【（U_L–U_L0）*A+1】/k     （3）

其中，U_L0为冷态温度下，初级线圈的直流电压值（V）；而A为根据下述式（4）计算得出的一系数：

A=β/（α*R_L*I_DC）        （4）

根据（3）和（4）可得，在获取初级线圈的直流电流分量I_DC、初级线圈的直流电压U_L、次级线圈的感应电压U_P后，可以计算出控制棒的棒位p。

由于在计算控制棒的棒位时，考虑温度变化对次级线圈113的感应电压的影响，并消除温度变化带来的影响，从而使测得的控制棒的棒位更为准确；且本发明中，获取初级线圈112上的直流电压作为棒位的温度补偿信号，由于初级线圈112上的励磁电流为稳定交流源，因此初级线圈112的电阻率相对于温度的变化率恒定，因此温度补偿可靠性高，从而保证测量结果的准确性。

另外，上述式（1）及式（2）中，Δθ为根据下述式（5）计算得到的温度变化（℃）；其中，θ₀为参考温度，单位为（℃），θ₁为运行时线圈的平均温度，单位为（℃）。

Δθ=θ₁-θ₀          （5）

需要说明的是：上述提到的冷态温度，即为常温，此为本领域技术人员所熟知的技术。

另外，本发明所述上限位线圈114和下限位线圈115分别设置于探测器端11的最高位置和最低位置，因此，当控制棒驱动杆111穿过和抽出时，上限位线圈114和下限位线圈115上的感应电压有较明显的变化；如，在初级线圈112输入某一励磁电流的情况下，驱动杆未插入上限位线圈114时，上限位线圈114输出的感应电压为179mV；而当驱动杆插入上限位线圈114时，其上的感应电压变为1292mV；上限位线圈114的感应电压通过第一整流滤波单元133放大、整流和滤波后得到直流电压，并将该直流电压输入到处理器14，处理器14将该直流电压与阈值电压比较，若超过阀值则控制报警装置进行报警，从而实现对控制棒位置的限位、报警。下限位线圈115的工作原理与上述上限位线圈114的工作原理相同，因此不再赘述。

经过试验证明，采用本发明控制棒位置线性测量系统1进行控制棒位置测量时，实际精度可到达±6步，即±60mm，是全行程的±1.5%，其中，控制棒总行程为4160mm。

由于本发明控制棒位置线性测量系统1，其初级线圈112、次级线圈113沿控制棒驱动杆111的行程方向分别设置，且两者均是整体绕出，内部引接线少，从而降低了引接线老化、绝缘下降和断线故障的几率；并且由于探测器端11的结构简单，因此稍加修改即可适应不同的堆芯高度，使用更广泛。电源板12输出一励磁电流至初级线圈112，该励磁电流是在稳恒交流源上叠加稳定直流分量得到的，使驱动杆磁特性工作在磁滞特性曲线的第一象限内，从而降低了磁滞特性对感应电压的影响。而其滤波放大单元132的一端与初级线圈112的两引出端连接，另一端与处理器14连接，用于获取初级线圈112上的电压并进行滤波、放大处理后传输至处理器14作为温度补偿信号，由于初级线圈112上的励磁电流含有直流分量，因此初级线圈112的电阻率相对温度的变化率恒定，采用初级线圈112上的直流电压作为控制棒棒位的温度补偿信号，温度补偿信号的可靠性高，使控制棒棒位的测量精度高。另外，采用数字转换模块131对次级线圈113的感应电压直接进行解调和数字化，提高了转换精度和抗干扰能力。对应地，本发明控制棒位置线性测量方法也具有相同的效果。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种控制棒位置线性测量系统，其特征在于：包括控制棒驱动杆、初级线圈、次级线圈、电源板、信号转换电路板及处理器，所述初级线圈、所述次级线圈均呈长条形，所述初级线圈、所述次级线圈均沿所述控制棒驱动杆的行程方向设置且两者相间隔，所述初级线圈与所述次级线圈相绝缘，所述控制棒驱动杆设置于所述初级线圈与所述初级线圈之间，所述初级线圈的两引出端与所述电源板相连接，所述电源板输出一励磁电流至所述初级线圈；其中，所述信号转换电路板上还设置有数字转换模块及滤波放大单元，所述电源板还与所述数字转换模块连接，以输出一参考电压至所述数字转换模块，且所述数字转换模块的一端与所述次级线圈的两引出端连接，所述数字转换模块的另一端与所述处理器连接，所述数字转换模块用于将所述次级线圈的感应电压转换成数字信号，并将所述数字信号隔离变换成电压量后输出至所述处理器；所述滤波放大单元的一端与所述初级线圈的两引出端连接，所述滤波放大单元的另一端与所述处理器连接，所述滤波放大单元用于将所述初级线圈上的电压进行滤波、放大处理后输出至所述处理器，所述处理器用于计算控制棒的棒位。

2.如权利要求1所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述电源板上设置正弦信号发生器、功率放大模块及直流偏置模块，所述功率放大模块的一端与所述正弦信号发生器连接，所述功率放大模块的另一端与所述初级线圈的两引出端连接，且所述功率放大模块还与所述直流偏置模块连接，所述功率放大模块将所述正弦信号发生器产生的正弦信号与所述直流偏置模块产生的直流偏置并加后得到所述励磁电流。

3.如权利要求2所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述电源板上还设置有参考电压信号整理模块，所述参考电压信号整理模块的一端与所述正弦信号发生器连接，所述参考电压信号整理模块的另一端与所述数字转换模块连接。

4.如权利要求1所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述滤波放大单元包括第一放大模块、第一滤波模块及第二放大模块，所述第一放大模块的一端与所述初级线圈的两引出端连接，所述第一放大模块的另一端与所述第一滤波模块的一端连接，所述第一滤波模块的另一端与所述第二放大模块的一端连接，所述第二放大模块的另一端与所述处理器连接，所述第一放大模块、所述第一滤波模块、所述第二放大模块依次用于对所述初级线圈上的电压进行放大、滤波、放大处理。

5.如权利要求1所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述数字转换模块为一轴角数字转换芯片。

6.如权利要求1所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：还包括上限位线圈及第一整流滤波单元，所述第一整流滤波单元设置于所述信号转换电路板上，所述第一整流滤波单元的一端与所述处理器连接，所述第一整流滤波单元的另一端与所述上限位线圈的两引出端连接，所述上限位线圈设置于所述次级线圈的上方。

7.如权利要求6所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述第一整流滤波单元包括第三放大模块、第一整流模块及第二滤波模块，所述第三放大模块的一端与所述上限位线圈的两引出端连接，所述第三放大模块的另一端与所述第一整流模块的一端连接，所述第一整流模块的另一端与所述第二滤波模块的一端连接，所述第二滤波模块的另一端与所述处理器连接。

8.如权利要求1所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：还包括下限位线圈及第二整流滤波单元，所述第二整流滤波单元设置于所述信号转换电路板上，所述第二整流滤波单元的一端与所述处理器连接，所述第二整流滤波单元的另一端与所述下限位线圈的两引出端连接，所述下限位线圈设置于所述次级线圈的下方。

9.如权利要求8所述的控制棒位置线性测量系统，其特征在于：所述第二整流滤波单元包括第四放大模块、第二整流模块及第三滤波模块，所述第四放大模块的一端与所述下限位线圈的两引出端连接，所述四放大模块的另一端与所述第二整流模块的一端连接，所述第二整流模块的另一端与所述第三滤波模块的一端连接，所述第三滤波模块的另一端与所述处理器连接。

10.一种控制棒位置线性测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：冷态温度下，获取初级线圈的直流电阻R_L以及初级线圈的直流电压值U_L0；

S2：控制棒于最低位置时，获取次级线圈对应的感应电压U_PLEP；

S3：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电流值I_DC；

S4：根据式（1）计算出系数A，所述式（1）如下：

A=β/（α*R_L*I_DC）            （1）

其中，α为初级线圈的直流电压随温度的变化系数；β为次级线圈的感应电压随温度的变化系数；

S5：控制棒运行时，获取初级线圈的直流电压值U_L，并获取次级线圈的感应电压U_P；

S6：根据棒位计算公式（2）得出控制棒的棒位，其中，公式（2）如下：

p=(U_P–U_PLEP)/【(U_L–U_L0)*A+1】/k       （2）

其中，p为控制棒的棒位；U_p为次级线圈的感应电压；U_PLEP为控制棒在最低位时，次级线圈对应的感应电压；U_L为初级线圈的直流电压值，U_L0为冷态温度时初级线圈的直流电压值，A为根据式（1）计算出的系数，k为冷态温度下，单位棒位变化对应的感应电压变化。

11.如权利要求10所述的控制棒位置线性测量方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：在冷态温度下，计算出单位棒位变化对应的感应电压变化k。

12.如权利要求10所述的控制棒位置线性测量方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：根据试验数据计算出所述初级线圈的直流电压随温度的变化系数α及所述次级线圈的感应电压随温度的变化系数β。

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