CN1098782A - 特殊磁芯互感式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种互感式位移传感器，主要适用于 测量核反应堆控制棒的位移，由于选用合理的磁芯材 料，采用特殊结构的磁芯和线圈架，并且测量次级电 压值，使得测量值不随温度变化而变化，从而使本发 明传感器能在20～220℃温度范围内测量核反应堆 控制棒的位移，并具有测量精度高，测量距离大等优 点。

Description

本发明涉及一种位移传感器，主要适用于测量核反应堆控制棒的位移。

反应堆功率水准实际上与中子通量成正比。反应堆控制的基础就是利用控制棒（如镉棒）插入反应堆中的深浅来改变有效增殖因数或反应率。如果有效增殖因数大于1，反应堆就是超临界的，而功率水准也将不断增高;当增殖因数减到等于1，使得反应堆恰好处在临界上时，功率输出就会维持当时的水平不变;增殖因数小于1，那么功率水准也将随之减少。

控制增殖因数常用的方法是插入或抽出一种热中子捕获截面大的物质，例如镉棒，常称控制棒。控制棒在反应堆中的深浅可控制有效增殖因数。粗调控制棒称为补偿棒;细调控制棒称为调节棒;用于发生紧急事故时需迅速关闭反应堆的控制棒叫做安全棒。堆内总的增殖因数是各控制棒间距离及它们在堆内位置的函数，因此需要测定各控制棒在堆内的位置（亦即在堆内深度）。

用来测量线性位移的传感器叫位移传感器，位移传感器的种类繁多。如电容式位移传感器，应变式位移传感器，差动变压器式位移传感器，电感式位移传感器等等。前两种传感器一般用于测量微位移，后两种传感器既可测量微位移，也可测量大位移。（见《传感器敏感元件大全》，电子工业出版社1990年 7月出版，张福学等编著）后两种传感器也常用于测量控制棒在反应堆内的位置。

电感式位移传感器的工作原理：是通过位移量转变为磁芯的移动，使电感量发生变化，再通过磁电转换而达到测电压的目的。这样，测出电压值即可计算出位移量。电感线圈的等效电路可看成线圈电阻R和电感L串联，线圈两端电压

U＝iR+L (di)/(dt) ，电感L与磁芯在线圈中的长度l和磁芯磁导率μ有关，而电阻R和磁芯磁导率μ都是温度t的函数。因而用此方法测位移受温度影响变化很大，这种电感式位移传感器工作温度范围受到一定的限制。核反应堆控制棒所处的环境温度是20℃～220℃，由于温度的变化，引起线圈电阻R变化和磁性材料磁导率μ的变化，导致位移测量产生很大误差，如果用它来测定工作温度20℃～220℃范围内变化的核反应堆控制棒的位移将会产生很大的误差。

差动变压器式传感器是采用差动变压器原理设计，差动变压器是一种变压器型的电感式机电转换元件，将处于交变磁场中的磁芯位移，通过可动磁芯产生的互感变化转换成与该位移等基本线性函数关系的电信号;根据电信号的大小，相应计量位移，电压U是温度和磁芯在线圈中位置的函数，这种感应器探测线圈多，引线多，接头多;工作温度范围也受到限制，可靠性差。

本发明的目的在于提供一种特殊磁芯的互感式位移传感器，它能在20℃～220℃环境温度下使用，且测量精度高。

为了达到上述目的，本发明位移传感器由可移动磁芯，线圈架，初级线圈，次级线圈，初级线圈接头，次级线圈接头组成，本发明位移传感器在工作时，将初级线圈接头两端与稳频稳流磁化电源连接，将次级线圈接头两端与显示仪表（如数字电压表或微机系统）连接，可移动磁芯与核反应堆的控制棒刚性连接，通过可移动磁芯在线圈架中移动所产生的互感变化转换成与位移等基本线性函数关系的电压信号，再通过测定输出电压值，相应计量出位移的大小。本发明位移传感器的特点是可采用5种不同结构的可移动磁芯，大大降低了由于磁芯磁导率随温度变化对测量结果的影响，又因本发明位移传感器所测量的是次级线圈的次级感应电压，测量回路电流几乎为零，这样也大大降低了由于电感线圈的电阻随温度变化对测量结果的影响，同时，本发明还采用无磁非导电材料或沿长度轴线方向开缝的无磁非导电材料制做的线圈架，降低了由于线圈架在交变磁场中产生涡流随温度变化对测量结果的影响，故本发明位移传感器可在20℃～220℃温度范围内使用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、使用温度范围宽。

本发明位移传感器能在20℃～220℃的温度内使用。特别适用于测量核反应堆控制棒的位移。

2、测量精度高，测量位移的范围宽。

本发明位移传感器测量精度可达1%～2%。

测量位移范围为0～3M。

3、本发明位移传感器只有两个线圈，引线少，提高了工作的可靠性。

下面结合附图对本发明位移传感器做进一步说明。

图1  为本发明位移传感器的结构示意图。

图2  为本发明位移传感器的工作原理示意图。

图3  为本发明位移传感器的管状式磁芯结构示意图。

图4  为本发明位移传感器的开缝管状式磁芯结构示意图。

图5  为本发明位移传感器的分段棒状式磁芯结构示意图。

图6  为本发明位移传感器的分段管状式磁芯结构示意图。

图7  为本发明位移传感器的分段开缝管状式磁芯结构示意图。

图8  为本发明位移传感器的园管式线圈架结构示意图。

图9  为本发明位移传感器的开缝园管式线圈架结构示意图。

图1、图2中，1为可移动磁芯，2为线圈架，3为次级线圈N₂，4为初级线圈N₁，5为次级线圈N₂的接头，6为初级线圈N₁的接头，7为稳频稳流磁化电源，8为显示仪表（如数字电压表或微机系统），图5、图6、图7中，9为构成磁芯的磁性材料（如铁芯），10为构成磁芯的非磁性材料（如无磁不锈钢），图3、图4、图5、图6、图7中，D₀为管状结构磁芯的外直径，D₁为管状结构磁芯的内直径，D₂为棒状结构磁芯的直径，h₁为开缝管状式磁芯结构中开缝的宽度，h₂为分段开缝管状式磁芯结构中开缝的宽度，L₁为管状式和开缝管状式结构磁芯的长度，L₂为分段式磁芯结构中磁性材料的长度，L₃为分段式磁芯结构中非磁性材料的长度，L₄为分段式磁芯的长度;图8、图9中，D₃为线圈架2的外径，D₄为线圈架2的内径，h₃为开缝园管式线圈架的开缝宽度。其中D₀，D₁，D₂，D₃，D₄，h₁，h₂，L₁，L₂，L₃，L₄，的尺寸都取决于核反应堆控制棒的长度和直径。

本发明位移传感器由可移动磁芯1，线圈架2，次级线圈3，初级线圈4，次级线圈接头5，初级线圈接头6组成，如附图1所示。可移动磁芯1可以在线圈架2中移动，次级线圈3绕在线圈架2上，初级线圈4绕在次级线圈3上。工作时，将初级线圈接头6两端与稳频稳流磁化电源7连接，将次级线圈接头5两端与显示仪表8（如数字电压表或微机系统）连接，即可使用，本发明位移传感器的工作原理示意图如附图2所示。通过可移动磁芯1在互感线圈架2中的移动所产生的互感变化转换成电压信号，再通过显示仪表8（如数字电压表或微机系统）测出输出电压值，相应计算出位移的大小。

本发明位移传感器为了实现测量值与温度无关，采用了特殊结构磁芯和线圈架并且测量次级线圈的次级电压值。原理如下：

1、用电压表测定传感器的次级感应电压为

u＝4.44Mif (Rr)/(Rr + R₂) 〈1〉

〈1〉式中M-传感器的互感值，i-通过传感器初级线圈电流峰值，f-电源频率， u-次级电压平均值，R₂-次级线圈铜线电阻，Rr-电压表输入阻抗，R₂是温度的函数。R₂≈10²Ω，Rr≈10⁵

推出 (Rr)/(R₂+ Rr) ≈1，这时〈1〉式可改写成〈2〉式如下：

u＝4.44Mif <2>

因此，传感器次级感应电压值的测量结果不受次级线圈电阻值随温度变化的影响，由此实现传感器次级线圈电阻随温度变化与测量结果无关。

2、采用特殊磁芯，使测量结果与温度无关。

2.1采用管状磁芯结构

前面〈2〉式 u＝4.44Mif中M是随温度而变化的，当传感器未插入磁芯时，传感器的互感值为M₀，次级感应电压 u为U₀，随着线圈中插入铁芯长度增加，互感值M也增加，而次级感应电压 u也随之增加。当铁芯插入线圈中时，铁芯受交流磁场而磁化，由于存在超肤效应，施加在铁芯上的交流磁场是不均匀分布。超肤深度可用〈3〉式表示

d_s＝503

$d_s=503\sqrt{\frac{p}{u_{r}f}}<3>$

〈3〉式中ρ为磁芯电阻率，μ_r磁芯相对磁导率，f-磁化电源频率。磁芯电阻率ρ是温度函数，μ_r是温度函数。很明显，超肤深度d_s也是随温度而变化，磁芯被磁化的有效截面积是随温度变化的，导致互感值M也随温度变化。为使在室温至220℃范围内，施加在铁芯上的交流磁场基本大致是均匀的，可采用以管状磁芯代替园棒状磁芯。管状式磁芯结构图见附图3，所采用的管状磁芯管壁厚度应小于或等于在不同温度下的超肤深度。

2.2采用开缝管状磁芯结构

磁芯是导体，它在受交流磁场磁化时，将产生涡流，涡流可由〈4〉式估算：i＝ (e)/(r) <4>

〈4〉式中e-为穿过磁芯截面磁通量变化而产生的感应电动势，r-磁芯中涡流回路电阻，正如前面提出的，磁芯涡流回路电阻r也是温度函数，从<4>式中可得出i与温度有关。涡流产生的磁场方向与外加磁场方向相反，因此，它将减少作用于磁芯的有效磁场。

尽管磁化电流是稳定不变，由于涡流磁场的影响，真正作用于磁芯的有效磁场是随温度而变化。为了减小这种涡流所产生的影响，本发明采用的磁芯在图3的管状结构的基础上沿轴线方向加工出一条间距为h₁隙缝。见附图4。

采用附图4所示的磁芯结构的目的是为了减小在磁芯中的涡流，从而减小了温度对外加交流有效磁场的影响，以达到减小温度对电压测量值的影响，提高测量精度。

2.3采用分段磁芯结构

根据铁磁学理论可知磁芯材料的磁导率μ是随温度变化，在开路磁路的情况下，磁芯的表观磁导率μ_e可用〈5〉式表示

${\mathrm{\&mu;}}_e=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\&mu;}}+N_d}<5>$

〈5〉式中μ为磁芯材料磁导率，N_d为磁芯退磁因子。

〈5〉式中磁芯磁导率μ是随温度变化的，如满足条件：

N_d1/(μ) ，即〈5〉式可改写成〈6〉式

μ_e＝ 1/(N_d) 〈6〉

这样〈6〉中N_d只与磁芯的退磁因子有关，而与磁芯材料磁导率μ无关。因而μ_e与温度无关。为了实现N_d远远大于 1/(μ) 这一条件，本发明位移传感器所用磁芯可选用初始磁导率μ_i＞1.9mH/M的磁性材料且把磁性材料分成长度为L₂的若干段，各段之间用长度为L₃的非磁性材料联接，L₂＞L₃，见附图5、附图6、附图7。

图5为分段棒状式磁芯结构示意图。

图6为分段管状式磁芯结构示意图。

图7为分段开缝管状式磁芯结构示意图。

总上所述，图5、图6、图7所示的磁芯是初始磁导率μ_i＞1.9mH/M的磁性材料和非磁性材料组成，采用这种结构组成的目的是实现磁芯的表观磁导率μ_e不受温度变化影响。

根据上述原因，本发明位移传感器的磁芯有管状式、开缝 管状式、分段棒状式、分段管状式、分段开缝管状式五种结构。五种磁芯结构分别如附图3、附图4、附图5、附图6、附图7、所示。具体分述如下：

①管状式磁芯是一根初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₁，外径为D₀，内径为D₁的无缝磁性材料园管。

②开缝管状式磁芯是一根初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₁，外径为D₀，内径为D₁并沿长度轴线方向开一宽度为h₁的缝隙的磁性材料园管。

③分段棒状式磁芯是一根由若干段的初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，直径为D₂园柱式磁性材料9和若干段长度为L₃直径为D₂园柱式非磁性材料10组成的长度L₄，直径为D₂的棒状式磁芯。

④分段管状式磁芯是一根由若干段的初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，外径为D₀，内径为D₁的园管式磁性材料9和若干段长度为L₃，直径为D₀的园柱式非磁性材料10组成的长度为L₄，的磁芯。

⑤分段开缝管状式磁芯是由若干段初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，外径为D₀，内径为D₁并沿长度轴线方向开一宽度为h₂缝隙的开缝园管式磁性材料9和若干段长度为L₃，直径为D₀的园柱式非磁性材料10组成的长度为L₄的磁芯。

其中，D₀，D₁，D₂，h₁，h₂，L₁，L₂，L₃，L₄的尺寸取决于核反应堆控制棒的长度和直径。

3、本发明位移传感器线圈架有园管式、开缝园管式两种结构。

本发明位移传感器线圈架是用非磁性非导电材料制成一支外径为D₃，内径为D₄，长度为L₅的园管式线圈架，如附图8所示;如果采用非磁性导电材料〈如铜管〉，为了避免产生涡流，影响测量结果，还可以制成一支外径为D₃，内径为D₄，长度为L₅并沿长度轴线方向在管壁上开一条宽度为h₃的缝隙的开缝园管式线圈架，如附图9所示。

Claims (9)

1、特殊磁芯互感式位移传感器，由磁芯，线圈架，初级线圈，次级线圈组成，其特征在于：

A、所采用磁芯有管状式、开缝管状式、分段棒状式、分段管状式、分段开缝管状式五种结构；

B、所采用线圈架有园管式、开缝园管式二种结构；

C、次级线圈3绕在线圈架2上，初级线圈4绕在次级线圈3上。

2、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：管状式磁芯是一根初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₁，外径为D₀，内径为D₁的无缝磁性材料园管。

3、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：开缝管状式磁芯是一根初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₁，外径为D₀，内径为D₁并沿长度轴线方向开一宽度为h₁的缝隙的磁性材料园管。

4、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：分段棒状式磁芯是一根由若干段初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，直径为D₂的园柱式磁性材料和若干段长度为L₃，直径为D₂的园柱式非磁性材料组成的长度为L₄，直径为D₂的棒状式磁芯。

5、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：分段管状式磁芯是一根由若干段初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，外径为D₀，内径为D₁的园管式磁性材料和若干段长度为L₃，直径为D₀的园柱式非磁性材料组成的长度为L₄的磁芯。

6、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：分段开缝管状式磁芯是由若干段初始磁导率μ_i＞1.9mH/M，长度为L₂，外径为D₀，内径为D₁并沿长度轴线方向开一宽度为h₂缝隙的开缝园管式磁性材料和若干段长度为L₃，直径为D₀的园柱式非磁性材料组成的长度为L₄的磁芯。

7、根据权利要求2、3、4、5、6所述的磁芯，其特征在于：D₀，D₁，D₂，h₁，h₂，L₁，L₂，L₃，L₄的尺寸取决于核反应堆控制棒的长度和直径。

8、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：园管式线圈架是一支无缝园管式的非磁性非导电材料线圈架。

9、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：开缝园管式线圈架是一支沿长度轴线方向在管壁上开有一条缝隙的非磁性导电材料线圈架。

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