CN109682404A - 核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表 - Google Patents

Abstract

核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，由仪表座体、铠装热电偶杆、铠装电缆线、水位传感器、水温指示表头、水位指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、锂电池组和仪用步进电机本体组成，其要点在于：本发明基于PROFIBUS现场总线控制，既支持乏核燃料池的水温测量和水位测量，还同步支持乏核燃料池的水温及水位的数字指针指示，并将将仪用步进电机本体和控制电路集成在一块PCB电路板上；在失去外电源的极端情况下，靠仪表内置的锂电池组供电，仍可长期读出并指示测量出的水温、水位参数，在设计思路上走出了一条独具特色的道路，是核电仪器仪表全新的一次突破。

Description

核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表

技术领域

本发明涉及一种核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，主要用于核电站的乏核燃料池的水温和水位的同步测量及实时指示。

背景技术

现代核电站是物理学家、“原子能之父”恩里科·费米的发明。有意思的是，费米是著名物理学家玻尔的学生，玻尔又是“原子核之父”卢瑟福的学生，而诺贝尔物理奖得主杨振宁先生又是费米的学生。正是搭帮这种传承关系，当年的费米用中子引发了原子核裂变，并从理论上指出，1千克的铀全部裂变所释放出来的裂变核能，大约相当于2500吨标准煤，或者是2000吨石油燃烧所释放出来的能量，铀核裂变的爆炸力相当于是TNT炸药的2000万倍。然后，费米又总结出慢中子理论，继而发明了核反应堆，这就是现代核电站的雏形。

世界上第一座原子反应堆诞生之后，就派生出来了乏核燃料。所谓的乏核燃料是核电站使用过后的核燃料，又称辐照核燃料，通常是由核电站的核反应堆产生。这种燃料的铀含量很低，无法继续维持堆内的正常核反应,因此叫乏核燃料。乏核燃料是这样产生的：核燃料在核反应堆内经中子轰击发生核反应，经过一定时间后从堆内卸出，其中含有大量的可增殖材料238U或232Th，以及未烧完的和新生成的易裂变材料239Pu、235U、233U、镎、镅、锔等超铀元素和90Sr、137Cs、99Tc裂变元素，这些裂变元素具有放射性，如果不加以妥善处理，将会严重影响核电站周边环境和人们的生命健康。

另一方面，当核电站的核反应堆关闭时候，链式核反应也随之停止，但作为衰变产物的乏核燃料仍然会放出大量的热量。据测算，现代核反应堆关闭时，衰变放出的热功率大约是核反应堆稳定工作时功率的7%；在反应堆关闭1小时以后，衰变热功率约为稳定工作时的功率的1.5%;一天以后变为0.4%;一周后变为0.2%。衰变热功率随着时间会继续慢慢的减小。

因此，从核反应堆中移除的乏核燃料通常会暂时储存在装满水的乏核燃料池中，所谓的乏核燃料池一般指储存乏核燃料的水池，而乏核燃料池设计成使用热交换器，并让冷却水在水池中循环流动，从而有效地将乏核燃料衰变产生的热量带走，所以乏燃料池中的冷却水并非处于静止状态。通常，乏核燃料需要保存一年甚至更长的时间以使其冷却，同时对其放射性提供屏蔽。当冷却降到一定程度时，再将乏核燃料从乏燃料池中移出，然后放入特制的干式贮存桶或湿式中间贮存设备中长期储存，以腾出乏核燃料池的空间，以此作为乏核燃料最终处置前的替代方案。

核电站中，乏核燃料池中常用的测量仪表设备为采用钨铼热电偶温度计或铂铑热电偶温度计，在日本福岛第一核电站发生核事故中，因为没有装备可靠的乏燃料池水位测量仪表，导致在发生超设计基准事件后，对乏燃料池中水位的误判，进而采取不当措施，加剧了损失。所以对乏核燃料池增设可靠的水位、水温测量仪表，已成为乏核燃料池监测仪表的标配。

发明内容

前车之鉴总是一个令人沉重又使人警醒的话题，基于以上的背景材料，发明人提出了核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表的设计方案。本方案的设计思路是，乏核燃料池水温及水位一体化测量+高可靠性的水温及水位数字指针指示+基于PROFIBUS现场总线控制，在设计思路上走出了一条独具特色的道路，这种基于PROFIBUS现场总线的仪表还具有分析测量仪表的功能，这是核电仪器仪表全新的一次突破。特别重要的是，本发明的显示部分采用了仪用步进电机驱动数字指针方案，不但可靠性高、寿命长、抗辐射，而且还特别省电，在失去外电源的情况下，靠仪表内置的锂电池组供电，仍可长期读出并指示测量出的水温、水位参数，这就能有效避免发生类似福岛的情况。

据此，发明人提出如下的技术方案：

一种核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，由仪表座体、铠装热电偶杆、铠装电缆线、水位传感器、水温指示表头、水位指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、锂电池组和仪用步进电机本体组成，其特征在于：

所述的仪表座体为T型空心圆柱体，一端带仪表座体内螺纹A，另一端带仪表座体内螺纹B，中间带有抱箍，抱箍上伸出一根铠装热电偶杆和一条铠装电缆线，铠装热电偶杆上带调节螺丝，用于调整铠装热电偶杆的安装位置，铠装电缆线的另一端套接水位传感器，铠装热电偶杆和水位传感器均插入乏核燃料水池中；

所述的T型空心圆柱体的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，装入圆柱形锂电池组，所述的方形柱体一端为六边体堵头，另一端装配有PROFIBUS插座；

所述的水温指示表头由水温指示表头壳体、水温刻度面板、水温指针和PCB电路板组成，所述的水温表头壳体上带外螺纹，水温指示表头通过水温表头壳体外螺纹与仪表座体内螺纹A相连；

所述的水位指示表头由水位指示表头壳体、水位刻度面板、水位指针和PCB电路板组成，所述的水位表头壳体上带外螺纹，水位指示表头通过水位表头壳体外螺纹与仪表座体内螺纹B相连；

所述的水温指示表头壳体与水位指示表头壳体的内壁上均带四个带弹性的卡簧，并有一圈上凸的圆形台阶，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头；

所述的PCB电路板上开有四个矩形缺口，安装水温指示表头中的PCB电路板或者是安装水位指示表头中的PCB电路板时，将该PCB电路板上的四个矩形缺口对准水温指示表头壳体中的四个矩形凸头或者是水位指示表头壳体中的四个矩形凸头，按下PCB电路板使之与上凸的圆形台阶相接触，矩形凸头嵌入到PCB电路板上的矩形缺口中，弹性的卡簧自动将PCB电路板卡住；

所述的PCB电路板上，一面表贴焊接有ARM芯片、PROFIBUS总线收发接口芯片、微步距细分芯片，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器和偏置电阻；

所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、转动轴和励磁线圈包组成，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上，续流二极管与励磁线圈包两端相并联；

所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；

所述的ARM芯片为LQFP64封装，ARM芯片上的I/O引脚与支持PROFIBUS协议的PROFIBUS总线收发接口芯片相连，所述的微步距细分芯片的输入端与ARM芯片上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连，铠装热电偶与水位传感器分别与ARM芯片的A/D引脚相连, 环境温度传感器传来的信号直接送给ARM芯片的I²C引脚；

工作时，ARM芯片采集铠装热电偶信号、水位传感器信号和环境温度传感器信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片将采集到的铠装热电偶信号、水位传感器信号解析为步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向水温刻度面板和水位刻度面板输出当前仪用步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。

进一步，仪表座体、水温指示表头壳体和水位指示表头壳体均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成。

进一步，所述的PROFIBUS插座为9针专用航空插座。

进一步，所述的永磁转子体为六齿结构，采用钕铁硼材料。

进一步，所述的第一传动从动轮、第二传动从动轮和第三传动从动轮均采用尼龙66材料。

进一步，仪用步进电机本体上的转动轴采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。

进一步，所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。

附图说明

图1 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表外形图一；

图2 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表外形图二；

图3 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表分解图一；

图4 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表分解图二；

图5 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表分解图三；

图6 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表分解图四；

图7 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表正视图一；

图8 核电站乏核燃料池水温及水位一体化测量指示仪表正视图二；

图9 水温指示表头外形图；

图10 水位指示表头外形图一；

图11 水位指示表头外形图二；

图12 水位指示表头分解图一；

图13 水位指示表头分解图二；

图14 PCB电路板外形视图一；

图15 PCB电路板外形视图二。

标号说明：

1 仪表座体

11 六边体堵头

2 铠装热电偶杆

21 调节螺丝

22 抱箍

23 水位传感器

24 铠装电缆线

3 水温指示表头壳体

31 水温刻度面板

32 水温指针

33 水温表头壳体外螺纹

34 仪表座体内螺纹A

4 水位指示表头壳体

41 水位刻度面板

42 水位指针

43 水位表头壳体外螺纹

44 仪表座体内螺纹B

47 卡簧

48 凸头

49 台阶

5 PROFIBUS插座

6 PCB电路板

60 矩形缺口

61 ARM芯片

62 PROFIBUS总线收发接口芯片

63 微步距细分芯片

65 环境温度传感器

66 偏置电阻

70 铁芯体

71 永磁转子体

72 第一传动从动轮

73 第二传动从动轮

74 第三传动从动轮

75 转动轴

76 励磁线圈包

77 续流二极管

8 锂电池组

具体实施方式

为了使本技术领域的工程技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所介绍的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，由仪表座体1、铠装热电偶杆2、铠装电缆线24、水位传感器23、水温指示表头、水位指示表头、PROFIBUS插座5、PCB电路板6、锂电池组8和仪用步进电机本体组成，其要点在于：

所述的仪表座体1为T型空心圆柱体，一端带仪表座体内螺纹A 34，另一端带仪表座体内螺纹B 44，中间带有抱箍22，抱箍22上伸出一根铠装热电偶杆2和一条铠装电缆线24，铠装热电偶杆2上带调节螺丝21，用于调整铠装热电偶杆2的安装位置，铠装电缆线24的另一端套接水位传感器23，铠装热电偶杆2和水位传感器23均插入乏核燃料水池中；

应指出的是，所述的铠装热电偶杆2是将电偶丝以及固定偶丝位置的陶瓷粉末装进耐腐蚀的保护管中，然后灌装成形为一个铠装热电偶杆的整体；所述的铠装电缆线24，是将电缆线作为内芯铠装装配而成，从而对电缆线起到很好的保护作用；所述的水位传感器23内置隔离型扩散硅敏感元件，直接将液体的高度转化为电信号；

所述的T型空心圆柱体的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，装入圆柱形锂电池组8，所述的方形柱体一端为六边体堵头11，另一端装配有PROFIBUS插座5；

所述的水温指示表头由水温指示表头壳体3、水温刻度面板31、水温指针32和PCB电路板6组成，所述的水温表头壳体上带外螺纹，水温指示表头通过水温表头壳体外螺纹33与仪表座体内螺纹A 34相连；

所述的水位指示表头由水位指示表头壳体4、水位刻度面板41、水位指针42和PCB电路板6组成，所述的水位表头壳体上带外螺纹，水位指示表头通过水位表头壳体外螺纹43与仪表座体内螺纹B 44相连；

所述的水温指示表头壳体3与水位指示表头壳体4的内壁上均带四个带弹性的卡簧47，并有一圈上凸的圆形台阶49，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头48；

所述的PCB电路板6上开有四个矩形缺口60，安装水温指示表头中的PCB电路板6或者是安装水位指示表头中的PCB电路板6时，将该PCB电路板上的四个矩形缺口60对准水温指示表头壳体3中的四个矩形凸头48或者是水位指示表头壳体4中的四个矩形凸头48，按下PCB电路板6使之与上凸的圆形台阶49相接触，矩形凸头48嵌入到PCB电路板上的矩形缺口60中，弹性的卡簧47自动将PCB电路板6卡住；

应指出的是，本发明中所述的PCB电路板6设计为既适应于水温测量，又适应于水位测量，PCB电路板6的一面表贴焊接有ARM芯片61、PROFIBUS总线收发接口芯片62、微步距细分芯片63，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器65和偏置电阻66；

所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体70、永磁转子体71、第一传动从动轮72、第二传动从动轮73、第三传动从动轮74、转动轴75和励磁线圈包76组成，铁芯体70的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包76分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包76的引脚分别焊接在PCB电路板6上，续流二极管77与励磁线圈包76两端相并联；

所述的永磁转子体71所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包76通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体71转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体71与第一传动从动轮72啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮72与第二传动从动轮73啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮73再与第三传动从动轮74啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴75与第三传动从动轮74同轴相连，保证第三传动从动轮74转动时同步带动转动轴75；

所述的ARM芯片61为LQFP64封装， ARM芯片61上的I/O引脚与支持PROFIBUS协议的PROFIBUS总线收发接口芯片62相连，所述的微步距细分芯片63的输入端与ARM芯片61上的I/O引脚相连，微步距细分芯片62的驱动引脚再与两个励磁线圈包76的引脚相连，铠装热电偶与水位传感器的输入线分别与ARM芯片61的A/D引脚相连, 环境温度传感器65传来的信号直接送给ARM芯片61的I²C引脚；

工作时，ARM芯片61采集铠装热电偶信号、水位传感器信号和环境温度传感器65信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座5输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片61将采集到的铠装热电偶信号、水位传感器信号解析为仪用步进电机转动轴75角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向水温刻度面板31和水位刻度面板41输出当前仪用步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴75带动其指针准确定位的目的。

仪表座体1、水温指示表头壳体3和水位指示表头壳体4均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成。

所述的PROFIBUS插座5为9针专用航空插座。

所述的永磁转子体71为六齿结构，采用钕铁硼材料。

所述的第一传动从动轮72、第二传动从动轮73和第三传动从动轮74均采用尼龙66材料，因为尼龙66具有自润滑的特性。

仪用步进电机本体上的转动轴75采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。

所述的铁芯体70采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。

本发明提出的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，有如下有益的效果：

1.本发明是一款既支持乏核燃料池的水温测量，又支持乏核燃料池的水位测量，还同步支持乏核燃料池的水温及水位的数字指针指示，并且将这种测量与实时指示做成一体化结构，具有系统最省、整体最优的特点。

2.本发明基于PROFIBUS现场总线控制，在设计思路上走出了一条独具特色的道路，这种基于PROFIBUS现场总线的仪表通过内嵌APP程序还具有分析测量仪表的功能，具有锂电池余量显示、环境温度测量、设备故障指示等多种布局，这是核电仪器仪表全新的一次突破。

3.本发明的显示部分采用了仪用步进电机驱动数字指针方案，不但可靠性高、抗辐射，而且还特别省电，计算机模拟仿真证明其工作寿命长达60年，在失去外电源的极端情况下，靠仪表内置的锂电池组供电，仍可长期读出并指示测量出的水温、水位参数。

4.本发明将仪用步进电机本体和控制电路集成在一块PCB电路板上，使得水温指示表头和水位指示表头的拓扑结构十分简洁而且焕然一新。

上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，由仪表座体、铠装热电偶杆、铠装电缆线、水位传感器、水温指示表头、水位指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、锂电池组和仪用步进电机本体组成，其特征在于：

所述的仪表座体为T型空心圆柱体，一端带仪表座体内螺纹A，另一端带仪表座体内螺纹B，中间带有抱箍，抱箍上伸出一根铠装热电偶杆和一条铠装电缆线，铠装热电偶杆上带调节螺丝，铠装电缆线的另一端套接水位传感器，铠装热电偶杆和水位传感器均插入乏核燃料水池中；

所述的T型空心圆柱体的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，装入圆柱形锂电池组，所述的方形柱体一端为六边体堵头，另一端装配有PROFIBUS插座；

所述的水温指示表头由水温指示表头壳体、水温刻度面板、水温指针和PCB电路板组成，所述的水温表头壳体上带外螺纹，水温指示表头通过水温表头壳体外螺纹与仪表座体内螺纹A相连；

所述的水位指示表头由水位指示表头壳体、水位刻度面板、水位指针和PCB电路板组成，所述的水位表头壳体上带外螺纹，水位指示表头通过水位表头壳体外螺纹与仪表座体内螺纹B相连；

所述的水温指示表头壳体与水位指示表头壳体的内壁上均带四个带弹性的卡簧，并有一圈上凸的圆形台阶，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头；

所述的PCB电路板上开有四个矩形缺口，安装水温指示表头中的PCB电路板或者是安装水位指示表头中的PCB电路板时，将该PCB电路板上的四个矩形缺口对准水温指示表头壳体中的四个矩形凸头或者是水位指示表头壳体中的四个矩形凸头，按下PCB电路板使之与上凸的圆形台阶相接触，矩形凸头嵌入到PCB电路板上的矩形缺口中，弹性的卡簧自动将PCB电路板卡住；

所述的PCB电路板上，一面表贴焊接有ARM芯片、PROFIBUS总线收发接口芯片、微步距细分芯片，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器和偏置电阻；

所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、转动轴和励磁线圈包组成，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上，续流二极管与励磁线圈包两端相并联；

所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；

所述的ARM芯片为LQFP64封装，ARM芯片上的I/O引脚与支持PROFIBUS协议的PROFIBUS总线收发接口芯片相连，所述的微步距细分芯片的输入端与ARM芯片上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连，铠装热电偶与水位传感器分别与ARM芯片的A/D引脚相连, 环境温度传感器传来的信号直接送给ARM芯片的I²C引脚；

工作时，ARM芯片采集铠装热电偶信号、水位传感器信号和环境温度传感器信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片将采集到的铠装热电偶信号、水位传感器信号解析为步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向水温刻度面板和水位刻度面板输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。

2.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：仪表座体、水温指示表头壳体和水位指示表头壳体均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成。

3.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：所述的PROFIBUS插座为9针专用航空插座。

4.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：所述的永磁转子体为六齿结构，采用钕铁硼材料。

5.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：所述的第一传动从动轮、第二传动从动轮和第三传动从动轮均采用尼龙66材料。

6.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：仪用步进电机本体上的转动轴采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。

7.根据权利要求1所述的核电站乏核燃料池水温及水位测量仪表，其特征在于：所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。