CN1866278A - 球床高温气冷堆双向过球计数器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于球床反应堆用燃料装卸技术领域，其特征在于它是根据采用涡流探测器的一次仪表而设计的双向过球计数器，分为A和B两路，分别对应于涡流探测器线圈LA和LB，把该线圈的驱动信号由原来频率固定的同频恒压源驱动改进为频率可调的双频恒流源驱动，为此设计了依次串接的两路由频率可调的信号发生电路、阻抗－电压转换电路和信号检测电路，使得线圈阻抗的微小变化可引起恒流源中LC并联回路阻抗的显著变化，直接使运算放大器的输出电压发生较大改变，显著增大了过球信号的幅值，并且有效降低了两个线圈的互感效应，保证了过球方向判断的正确性。
Description
技术领域
本发明应用在球床反应堆的燃料装卸系统中，可以探测系统管道中通过燃料球的数目以及指明燃料球的通过方向。
背景技术
清华大学核研院10MW球床高温气冷堆是用球形石墨燃料元件运行的，燃料包覆颗粒弥散在直径约60mm的石墨球中。石墨球在交变磁场中产生涡流，因此计数器的一次仪表采用电感式探测器。电感式探测以电磁感应为基础，其实质是涡流检测。探测器由在陶瓷制成的中空管上绕制电感线圈而成。没有燃料元件通过时，线圈的磁路为氦气与陶瓷材料；当有燃料元件通过线圈时，原来氦气的一部分磁路被燃料元件所代替，燃料元件上产生涡流，从而表现为线圈回路的阻抗发生变化。再通过二次电路将阻抗变化转化为过球脉冲信号。双向计数器的一次仪表探测器由两组并联线圈组成，通过过球时两个线圈所产生的过球脉冲的时序来判断过球的方向。根据要求，探测器两线圈的距离设计为30mm。由于两线圈距离很近，导致互感效应明显，在现场的噪音环境下，两线圈所产生的过球脉冲时序模糊，容易导致错误的过球方向的判断。并且现有计数器采用恒压源驱动，过球信号微弱，容易导致漏计情况发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能准确判断过球方向且显著增大过球信号幅值的球床高温气冷堆双向过球计数器电路。
本发明的特征在于，该双向过球计数器电路含有两组电路，分别对应于两组线圈；每组电路皆由频率可调的信号发生电路、阻抗-电压转换电路和信号检测电路依次串接而成，其中：
频率可调的信号发生电路，含有A和B两路：
A路：依次串接的输出频率可调的A路信号发生电路和电压跟随器(A1)，该A路信号发生电路输出频率为ω1的幅值固定的正弦波信号；
B路：依次串接的输出频率可调的B路信号发生电路和电压跟随器(A7)，该B路信号发生电路输出频率为ω2的幅值固定的正弦波信号；
阻抗-电压转换电路，含有A和B两路：
A路：依次串接的A路恒流源电路和电压跟随器(A3)，所述的A路恒流源电路含有：
运算放大器(A2)，负输入端和所述电压跟随器(A1)的输出端之间接可变电阻P3，正输入端接地；
并联谐振回路，含有：
谐振电容C2，并联于该运算放大器(A2)的负输入端和输出端之间；涡流检测器线圈LA，该线圈LA属于穿过式探头，由多层导线绕制而成，该线圈LA经双芯电缆B1连接到谐振电容C2的两端，涡流探测器输出给该线圈LA的是一个性质恒定的正弦电流，线圈LA电感微小的变化即引起LA、C2并联回路阻抗的显著变化，直接导致运算放大器(A2)输出电压的变化；
B路：依次串接的B路恒流源电路和电压跟随器(A9)，所述的B路恒流源电路含有：
运算放大器(A8)，负输入端和所述电压跟随器(A7)的输出端之间接可变电阻P8，正输入端接地；
并联谐振回路，含有：
谐振电容C8，并联于该运算放大器(A8)的负输入端和输出端之间；涡流检测器线圈LB，该线圈LB属于穿过式探头，由多层导线绕制而成，该线圈LB经双芯电缆B2连接到谐振电容C8的两端，涡流探测器输出给该线圈LB的是一个性质恒定的正弦电流，线圈LB电感微小的变化即引起LB、C8并联回路阻抗的显著变化，直接导致运算放大器(A8)输出电压的变化；
信号检测电路，含有A和B两路：
A路：依次由以运算放大器(A4)构成的整流电路、运算放大器(A5)构成的滤波电路以及以运算放大器(A6)构成的放大电路串接而成，输出为燃料球经过的过球脉冲；
B路：依次由以运算放大器(A10)构成的整流电路、运算放大器(A11)构成的滤波电路以及以运算放大器(A12)构成的放大电路串接而成，输出为燃料球经过的过球脉冲。
下面表1给出了两组线圈回路的电路及谐振参数，探测器两组线圈的电感相同为0.4mH，设置A路线圈并联电容为10nF，B路线圈并联电容为20nF，经谐振公式计算得出A路谐振频率f0为80kHz，B路谐振频率f0为56kHz。图5中曲线L1、L2分别为A路和B路在各自谐振频率下谐振回路阻抗随线圈电感L改变而变化的曲线，可以看出过球时涡流效应所引起的线圈电感(0.4mH)的微小变化即引起并联回路阻抗的显著变化。由于两组线圈相距很近(30mm)，所以会产生互感电流，图5中曲线L3、L4分别为A路和B路中互感电流所对应的阻抗随线圈电感L改变而变化的曲线，从图中可以看出，在使用条件下，即当L＝0.4mH时，互感电流所产生的阻抗很小，更重要的是随着电感的小幅变化，这部分阻抗几乎没有变化，所以两线圈之间的影响很小；如果两组线圈采用同频驱动，那么两路谐振曲线完全重合，这就意味着两组线圈会相互影响，即当燃料球经过A组线圈时，B组线圈回路也会输出变化信号，就会导致两路电路最后输出的脉冲时序间隔Δt1(图1)过小，从而最终影响过球方向的判断。本发明采用异频驱动，可明显增大脉冲时序间隔Δt2(图2)，从而增加系统的稳定性。
| L(mH) | C(nF) | ω0(s-1) | f0(kHz) | |
| A | 0.4 | 10 | 5.0E+05 | 80 |
| B | 0.4 | 20 | 3.5E+05 | 56 |
表1两组线圈回路的电路及谐振参数。
附图说明
图1为现有计数器电路原理框图。
图2为改进计数器电路原理框图。
图3为双向计数器电路原理图。
图4为LC并联谐振回路谐振曲线图，L-LC并联回路电感；Z-LC并联回路阻抗。
图5为两组线圈回路分别在两个频率下的谐振曲线图，L-LC并联回路电感，Z-LC并联回路阻抗：
L3，(ZA，56kHz)
具体实施方式
为了克服现有双向计数器过球脉冲时序模糊的缺点，发明了新的二次电路。本发明可以有效降低双向计数器两个线圈的互感效应，从而加大两个过球脉冲的间距，清晰两个过球脉冲的时序，以保证提供准确的过球方向的判断。并且显著增大过球信号幅值，有效杜绝了过球漏计情况的发生。
本发明的实施方式是：将线圈的驱动信号由原来的频率固定的同频恒压源驱动改进为频率可调的双频恒流源驱动，从而得以最大限度地适应现场的复杂环境，并且有效地降低两个线圈的互感效应，同时增大过球信号幅值。
现有计数器的电路原理框图见图1，其信号发生电路由晶振和分频电路构成，只能产生频率固定(ω0)的正弦驱动信号，并且用同一信号经过两路变压器驱动双向计数器的两组线圈(LA，LB)，燃料球经过线圈引起线圈谐振回路的阻抗发生变化，经过阻抗-电压转换电路输出过球脉冲，根据两路过球脉冲的时序即可确定燃料球经过双向计数器的方向；改进计数器的电路原理框图见图2，信号发生电路由芯片ICL8038构成，其输出的正弦信号的频率在一定范围内可调，两路信号发生电路输出两路频率相异(ω1，ω2)的正弦波信号驱动双向计数器的两组线圈(LA，LB)，后续信号检测电路与现有基本一致，此电路所输出的过球脉冲的时序间隔(Δt2)可明显大于现有电路(Δt1)，并且过球脉冲幅值(A2)也大于现有电路的过球脉冲幅值(A1)。
双向计数器的电路原理图见图3，图中运算放大器皆可用LF411。信号发生电路由芯片ICL8038构成，通过调节P1(P6)，可以输出频率为ω1(ω2)的幅值固定的正弦波信号，经过电压跟随器A1(A7)输出。双向计数器的两组线圈分别经双芯电缆B1(B2)连接到运放A2(A8)，双芯电缆和电容C2(C8)分别与两组线圈构成并联谐振回路，C2和C8选择不同的容值，以使两路谐振回路具有不同的谐振频率ω1、ω2，因为通过适当的参数设置，ICL8038输出的正弦波频率在一定范围内连续可调，所以可以很方便地使探测器电感、电容并联电路工作在谐振状态。图4所示为LC并联回路谐振曲线，L0为未过球时探测器线圈的电感，燃料球经过探测器时，引起线圈电感的变化，从图中可以看出，在谐振状态时，线圈电感微小的变化即可引起LC并联回路阻抗的显著变化，运放A2(A8)与滑动变阻器P3(P8)和由探测器线圈以及电缆、电容组成的LC并联谐振回路共同构成恒流源电路，即流经LC并联谐振回路的电流恒定，所以LC并联谐振回路的阻抗变化直接引起运放A2(A8)输出电压的变化，经由电压跟随器A3(A9)输出。后续的信号检测电路由整流、滤波、放大电路组成，最后给出燃料球经过的过球脉冲。
决定涡流探测器探测灵敏度的一个关键因素是探头线圈的磁场聚焦效果，本仪器所使用线圈属于穿过式探头，是由多层导线绕制而成，那么减小线圈的电磁等效直径，从而增强激励磁场并使之聚焦，就成为提高探测器灵敏度的关键。激励源的形式与探测线圈的等效直径有相应的联系。激励源分为恒压激励和恒流激励两种，恒压激励是指涡流探测仪器输出给探头线圈的是一个幅值恒定正弦电压，在这种激励方式下，多层线圈的电磁等效直径恒大于其内径，并可能大于其外径；恒流激励是指涡流探测仪器输出给探头线圈的是一个幅值恒定正弦电流，在这种激励方式下，多层线圈的电磁等效直径不但小于其外径，甚至还可小于其内径。电磁等效直径越小，在过球管道中产生的磁场越集中、越强烈，且时间变化率就越大，从而可以极大地提高计数器的灵敏度。所以本发明所采取的恒流源激励电路有效地提高了探测器的灵敏度，计数器电路输出的过球脉冲幅值A2(图2)明显大于原电路的过球脉冲幅值A1(图1)。
Claims (3)
1、球床高温气冷堆双向过球计数器电路，其特征在于，该双向过球计数器电路含有两组电路，分别对应于两组线圈；每组电路皆由频率可调的信号发生电路、阻抗-电压转换电路和信号检测电路依次串接而成，其中：
频率可调的信号发生电路，含有A和B两路：
A路：依次串接的输出频率可调的A路信号发生电路和电压跟随器(A1)，该A路信号发生电路输出频率为ω1的幅值固定的正弦波信号；
B路：依次串接的输出频率可调的B路信号发生电路和电压跟随器(A7)，该B路信号发生电路输出频率为ω2的幅值固定的正弦波信号；
阻抗-电压转换电路，含有A和B两路：
A路：依次串接的A路恒流源电路和电压跟随器(A3)，所述的A路恒流源电路含有：
运算放大器(A2)，负输入端和所述电压跟随器(A1)的输出端之间接可变电阻P3，正输入端接地；
并联谐振回路，含有：
谐振电容C2，并联于该运算放大器(A2)的负输入端和输出端之间；
涡流检测器线圈LA，该线圈LA属于穿过式探头，由多层导线绕制而成，该线圈LA经双芯电缆B1连接到谐振电容C2的两端，涡流探测器输出给该线圈LA的是一个性质恒定的正弦电流，线圈LA电感微小的变化即引起LA、C2并联回路阻抗的显著变化，直接导致运算放大器(A2)输出电压的变化；
B路：依次串接的B路恒流源电路和电压跟随器(A9)，所述的B路恒流源电路含有：
运算放大器(A8)，负输入端和所述电压跟随器(A7)的输出端之间接可变电阻P8，正输入端接地；
并联谐振回路，含有：
谐振电容C8，并联于该运算放大器(A8)的负输入端和输出端之间；
涡流检测器线圈LB，该线圈LB属于穿过式探头，由多层导线绕制而成，该线圈LB经双芯电缆B2连接到谐振电容C8的两端，涡流探测器输出给该线圈LB的是一个性质恒定的正弦电流，线圈LB电感微小的变化即引起LB、C8并联回路阻抗的显著变化，直接导致运算放大器(A8)输出电压的变化；
信号检测电路，含有A和B两路：
A路：依次由以运算放大器(A4)构成的整流电路、运算放大器(A5)构成的滤波电路以及以运算放大器(A6)构成的放大电路串接而成，输出为燃料球经过的过球脉冲；
B路：依次由以运算放大器(A10)构成的整流电路、运算放大器(A11)构成的滤波电路以及以运算放大器(A12)构成的放大电路串接而成，输出为燃料球经过的过球脉冲。
2.根据权利要求1所述的球床高温气冷堆双向过球计数器电路，其特征在于，所述的信号发生电路均采用芯片ICL8038。
3.根据权利要求1所述的球床高温气冷堆双向过球计数器电路，其特征在于，所述的运算放大器、电压跟随器均采用芯片LF411。
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