DE102012001509A1 - Device and method for measuring the position of a displaceable control rod - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (0) zur Messung der Position eines verschiebbaren Steuerstabes mit einer Mehrzahl von hintereinander entlang eines Verschiebeweges angeordneten, induktiv durch mindestens eine Primärspule (1) erregten Sekundärspulen (S'1–S'47), wobei jeweils eine oder mehrere Sekundärspulen (S'1–S'47) derart zu zumindest zwei Spulengruppen zusammengefasst sind, dass ein mit Hilfe der jeweiligen Spulengruppe erzeugtes Positionssignal (P'1–P'3) sich stufenartig erhöht oder erniedrigt, wenn der Steuerstab an den Sekundärspulen (S'1–S'47) vorbeigeschoben wird. Eine derartige Vorrichtung (0) soll einerseits eine möglichst geringe Anzahl an Meßleitungen (M0, M'1–M'3) benötigen und bei hoher betrieblicher Sicherheit und Zuverlässigkeit andererseits die Steuerstabsposition mit einer hohen Auflösung ermitteln. Dazu ist die Anordnung und Verschaltung der Sekundärspulen (S'1–S'47) erfindungsgemäß derart gewählt, dass anhand der Gesamtheit der Positionssignale (P'1–P'3) aller Spulengruppen eine eindeutige Bestimmung der momentanen Position des Steuerstabes möglich ist, und mindestens eine der Spulengruppen zumindest zwei Sekundärspulen (S'1–S'47) aufweist, die derart miteinander verschaltet sind, dass das zugehörige Positionssignal (P'1–P'3) beim Voranschieben des Steuerstabes zumindest drei diskrete Signalniveaus (N'0–N'3) annimmt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device (0) for measuring the position of a displaceable control rod with a plurality of secondary coils (S'1-S'47) arranged in series along a displacement path, inductively excited by at least one primary coil (1), one or more respective ones Secondary coils (S'1-S'47) are combined to form at least two coil groups such that a position signal (P'1-P'3) generated with the aid of the respective coil group increases or decreases stepwise, when the control rod at the secondary coils (S '1-S'47) is pushed past. Such a device (0) should, on the one hand, require the smallest possible number of measuring lines (M0, M'1-M'3) and, on the other hand, determine the control rod position with high resolution at high operational safety and reliability. For this purpose, the arrangement and interconnection of the secondary coils (S'1-S'47) according to the invention selected such that on the basis of the totality of the position signals (P'1-P'3) of all coil groups a unique determination of the current position of the control rod is possible, and at least one of the coil groups has at least two secondary coils (S'1-S'47) which are interconnected in such a way that the associated position signal (P'1-P'3) drives at least three discrete signal levels (N'0- ') as the control rod advances. N'3). The invention further relates to a corresponding method.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Position eines verschiebbaren Steuerstabes mit einer Mehrzahl von hintereinander entlang eines Verschiebeweges angeordneten, induktiv durch mindestens eine Primärspule erregten Sekundärspulen, wobei jeweils eine oder mehrere Sekundärspulen derart zu zumindest zwei Spulengruppen zusammengefasst sind, dass ein mit Hilfe der jeweiligen Spulengruppe erzeugtes Positionssignal sich stufenartig erhöht oder erniedrigt, wenn der Steuerstab an den Sekundärspulen vorbeigeschoben wird.The invention relates to a device for measuring the position of a displaceable control rod with a plurality of successively arranged along a displacement path, inductively excited by at least one primary coil secondary coils, wherein one or more secondary coils are combined to at least two coil groups such that one with help The position signal generated by the respective coil group increases or decreases stepwise as the control rod is pushed past the secondary coils.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein entsprechendes Verfahren.The invention also relates to a corresponding method.
In einem Kernreaktor dient ein Steuerstab – auch Regel- oder Kontrollstab genannt – der Regelung und Abschaltung eines Kernreaktors. Der Steuerstab absorbiert, wenn er sich im Reaktorkern befindet, durch die Kernreaktion freigesetzte Neutronen, welche dann nicht mehr für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird die Reaktionsrate verringert. Neben weiteren Möglichkeiten kann somit durch das mehr oder weniger tiefe Einfahren der Steuerstäbe in den Reaktorkern der Neutronenfluss und damit die Leistung reguliert werden. Prinzipiell bedeutet ein tieferes Einfahren der Steuerstäbe eine höhere Neutronenabsorption und somit eine Leistungsabsenkung. Durch das vollständige Einfahren der Steuerstäbe kann die Kettenreaktion völlig unterbunden werden, so dass der Reaktor abgeschaltet wird.In a nuclear reactor, a control rod - also called a control or control rod - serves to control and shutdown a nuclear reactor. The control rod, when in the reactor core, absorbs neutrons released by the nuclear reaction, which are then no longer available for further nuclear fission. In this way the reaction rate is reduced. In addition to other possibilities can thus be regulated by the more or less deep retraction of the control rods in the reactor core of the neutron flux and thus the power. In principle, a deeper retraction of the control rods means a higher neutron absorption and thus a power reduction. The complete retraction of the control rods, the chain reaction can be completely prevented, so that the reactor is switched off.
Die genaue Kenntnis über die Stellung der jeweiligen Steuerstäbe in einem Reaktorkern ist somit eine wichtige Information, da sie zum einen der Leistungssteuerung dient und zum anderen eine sehr hohe Sicherheitsrelevanz besitzt.The exact knowledge about the position of the respective control rods in a reactor core is thus an important information, since it serves on the one hand the power control and on the other hand has a very high safety relevance.
Bei vielen Kernreaktoren, vor allem bei Druckwasserreaktoren, ist zur Positionsbestimmung der Steuerstäbe ein induktives Messsystem vorgesehen. Dieses sieht für jeden zu überwachenden Steuerstab eine Mehrzahl von hintereinander entlang dessen Stellweges angeordneten Sekundärspulen vor, die durch mindestens eine durch Wechselspannung versorgte und somit einen magnetischen Wechselfluss erzeugende Primärspule induktiv erregt werden, und deren Sekundärspannungssignale abgreifbar sind. Der jeweilige Steuerstab und/oder dessen Antriebsstange besitzt einen ferromagnetischen Kern, vorzugsweise einen Eisenkern, der induktionsbeeinflussende, insbesondere den magnetischen Fluss verstärkende Eigenschaften aufweist, so dass sich in Abhängigkeit von der Steuerstabsposition das Spannungssignal an den Sekundärspulen ändert. In der Regel ist der ferromagnetische Kern durchgehend und reicht oftmals über die Gesamtlänge des Denkbar ist aber auch ein ferromagnetischer Kern mit kürzerer Länge. Bei Entlangfahren des Steuerstabs und/oder der Antriebsstange an einer Sekundärspule oder durch diese hindurch verändert sich der Wert der magnetischen Kopplung dieser Spule mit den/der Primärspule/n. Eine Sekundärspule, die sich im Wirkungsbereich des jeweiligen ferromagnetischen Kerns befindet, besitzt eine höhere magnetische Kopplung zu den Primärspulen als andere Spulen, die bevorzugt identisch aufgebaut sind. Das an dieser Sekundärspule abgegriffene Spannungssignal weist somit eine größere Amplitude auf als jenes von Sekundärspulen, die nicht vom ferromagnetischen Kern beeinflusst werden.In many nuclear reactors, especially in pressurized water reactors, an inductive measuring system is provided for determining the position of the control rods. This provides for each control rod to be monitored a plurality of successively arranged along its travel secondary coils, which are inductively energized by at least one supplied by AC voltage and thus generating a magnetic alternating current generating primary coil, and the secondary voltage signals can be tapped. The respective control rod and / or its drive rod has a ferromagnetic core, preferably an iron core, which has inductance-influencing properties, in particular the magnetic flux reinforcing properties, so that the voltage signal at the secondary coils changes depending on the control rod position. As a rule, the ferromagnetic core is continuous and often extends over the entire length of the conceivable but is also a ferromagnetic core with a shorter length. As the control rod and / or the drive rod travel along or through a secondary coil, the value of the magnetic coupling of that coil to the primary coil (s) changes. A secondary coil, which is located in the region of action of the respective ferromagnetic core, has a higher magnetic coupling to the primary coils than other coils, which are preferably constructed identically. The tapped off at this secondary coil voltage signal thus has a greater amplitude than that of secondary coils that are not affected by the ferromagnetic core.
Durch Messung und Vergleich aller durch die Sekundärspulenspannungssignale erzeugten Positionssignale ist eine Positionsbestimmung des Steuerstabes möglich. Messtechnisch würde sich die Amplitude des Sekundärspannungssignals idealerweise stufenartig bei Entlangfahren des Steuerstabs an einer Sekundärspule ändern. Durch vielfältige Effekte wird dies jedoch im Allgemeinen nicht in idealer Weise erreicht, so dass zum Zwecke der Auswertung meist aus dem Sekundärspannungssignal ein zugeordnetes Binärsignal erzeugt wird, welches die gewünschte Stufenfunktion beinhaltet. Die kann beispielsweise derart erfolgen, dass in einer Auswerteeinheit durch einen Vergleich des analog codierten „Rohsignals”, welches an der jeweiligen Sekundärspule abgegriffen wird, mit definierten Grenz- bzw. Schwellwerten ein binär codiertes Signal erzeugt wird.By measuring and comparing all position signals generated by the secondary coil voltage signals, a position determination of the control rod is possible. Metrologically, the amplitude of the secondary voltage signal would ideally change stepwise as the control rod traverses a secondary coil. By various effects, however, this is generally not achieved in an ideal manner, so that for the purpose of evaluation usually from the secondary voltage signal, an associated binary signal is generated, which includes the desired step function. This can be done, for example, such that a binary coded signal is generated in an evaluation unit by a comparison of the analog encoded "raw signal", which is tapped at the respective secondary coil, with defined threshold or threshold values.
Die Genauigkeit bzw. Ortsauflösung der Positionsbestimmung hängt wesentlich von der Anzahl und der Verteilung der Sekundärspulen, teilweise auch Meßspulen genannt, entlang des Verschiebeweges ab. Das Meßsystem liefert diskrete Positionswerte des Steuerstabes, die anzeigen, bei welcher Sekundärspule sich der ferromagnetische Kern oder ein sonstiger Impulsgeber und somit der Steuerstab befinden. Die Auflösung dieses Meßsystems ist somit begrenzt durch die Sekundärspulenzahl, Bisherige Meßsysteme, die eine räumliche Auflösung im Bereich der Sekundärspulengröße besitzen, benötigen für eine hohe Ortsauflösung eine Vielzahl von Sekundärspulen und eine dementsprechend hohe Anzahl an Meßleitungen.The accuracy or spatial resolution of the position determination depends essentially on the number and distribution of the secondary coils, sometimes called measuring coils, along the displacement path. The measuring system provides discrete position values of the control rod indicating which secondary coil is the ferromagnetic core or other pulse generator and thus the control rod. The resolution of this measuring system is thus limited by the number of secondary coils. Previous measuring systems, which have a spatial resolution in the range of the secondary coil size, require a large number of secondary coils and a correspondingly high number of measuring lines for high spatial resolution.
Eine hohe Anzahl an Meßleitungen ist prinzipiell unerwünscht. So existiert in einem Kernkraftwerk um den Reaktordruckbehälter, in dem die Brennelemente angeordnet sind, in der Regel ein Sicherheitsbehälter, der eine Sicherheitseinrichtung von Kernkraftwerken darstellt und den Reaktordruckbehälter umschließt. Zur Steuerung und Überwachung des Kernreaktors ist eine Vielzahl von Steuer-, Meß- oder Regelleitungen vorhanden, die oftmals notwendigerweise durch den Reaktordruckbehälter und den Sicherheitsbehälter hindurchgeführt werden. Diese Durchführungen verursachen vor allem wegen der erforderlichen Abdichtung einen bautechnischen Aufwand, der mit Kosten verbunden ist. Bei ungewollten Leckageszenarien stellen die Durchführungen zudem teilweise Schwachstellen dar.A high number of measuring lines is in principle undesirable. So exists in a nuclear power plant to the reactor pressure vessel in which the fuel assemblies are arranged, usually a security container, which is a safety device of nuclear power plants and encloses the reactor pressure vessel. For the control and monitoring of the nuclear reactor is a variety of control, measuring or control lines available, often necessarily be passed through the reactor pressure vessel and the security container. These bushings cause above all because of the required sealing a structural complexity, which is associated with costs. In addition, in case of unwanted leakage scenarios, the bushings are sometimes weak points.
Bei der Auslegung eines Kernreaktors, ist es daher wünschenswert, möglichst wenige solcher Durchführungen zu verwenden. Vor allem bei einem bestehenden Kernkraftwerk wäre es wünschenswert, die für die Steuerstabspositionsermittlung notwendigen Meßleitungen auf ein Mindestmaß zu begrenzen bzw. sogar zu reduzieren ohne dabei Informationsverluste zu erleiden. Die eingesparten Durchführungen stünden in diesem Fall für andere Leitungen zur Verfügung. Ebenfalls denkbar wäre es, die freiwerdenden Durchführungen zu nutzen, um die Sekundärspulenzahl zu erhöhen, was eine höhere räumliche Auflösung bieten würde.When designing a nuclear reactor, it is therefore desirable to use as few such bushings as possible. Especially in the case of an existing nuclear power plant, it would be desirable to limit the measuring lines necessary for the control rod position determination to a minimum or even to reduce them without incurring information losses. The saved passages would be available for other lines in this case. It would also be conceivable to use the liberated bushings to increase the secondary coil number, which would offer a higher spatial resolution.
Eine Kombination aus Reduktion von Meßleitungen und gleichzeitiger Erhöhung der Sekundärspulenzahl wäre sinngemäß ebenfalls denkbar.A combination of reduction of test leads and simultaneous increase in the number of secondary coils would also be conceivable.
Auch in anderen Anwendungsbereichen ist es oftmals notwendig die Position eines Steuerstabs auf ähnliche Weise mit einer möglichst geringen Zahl an Meßleitungen zu bestimmen. So sind beispielsweise auch Klärbecken denkbare Einsatzgebiete, bei denen ein ähnlich gelagerter Wunsch besteht.In other applications, it is often necessary to determine the position of a control rod in a similar manner with the least possible number of test leads. For example, clarifiers are also conceivable applications in which a similar desire exists.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Steuerstabsposition anzugeben, die einerseits eine möglichst geringe Anzahl an Meßleitungen benötigt und bei hoher betrieblicher Sicherheit und Zuverlässigkeit andererseits die Steuerstabsposition mit einer hohen Auflösung ermittelt. Weiterhin soll ein besonders geeignetes Verfahren zur Messung der Steuerstabsposition mittels eines induktiven Meßprinzips angegeben werden.The invention is therefore based on the object of specifying a device for measuring the control rod position, on the one hand requires the smallest possible number of measuring lines and determined at high operational safety and reliability on the other hand, the control rod position with a high resolution. Furthermore, a particularly suitable method for measuring the control rod position by means of an inductive measuring principle is to be specified.
Bezüglich der Vorrichtung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Anordnung und Verschaltung der Sekundärspulen derart gewählt sind, dass anhand der Gesamtheit der Positionssignale aller Spulengruppen eine eindeutige Bestimmung der momentanen Position des Steuerstabes möglich ist, und mindestens eine der Spulengruppen zumindest zwei Sekundärspulen aufweist, die derart miteinander verschaltet sind, dass das zugehörige Positionssignal beim Voranschieben des Steuerstabes zumindest drei diskrete Signalniveaus annimmt.With respect to the device, the object is achieved according to the invention by the arrangement and interconnection of the secondary coils are selected such that based on the totality of the position signals of all coil groups a unique determination of the current position of the control rod is possible, and at least one of the coil groups has at least two secondary coils, which are interconnected in such a way that the associated position signal assumes at least three discrete signal levels when the control rod advances.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Dabei ist der Begriff „Gruppe” so zu verstehen, dass der Extremfall von nur einer einzigen Sekundärspule beinhaltet ist. Im Allgemeinen wird aber eine derartige Gruppe von Sekundärspulen dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend zweckmäßigerweise mehrere Sekundärspulen aufweisen.The term "group" is understood to mean that the extreme case of only a single secondary coil is included. In general, however, such a group of secondary coils will usefully have a plurality of secondary coils following the general usage.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Positionsbestimmung der Steuerstäbe möglichst genau geschehen sollte und dass möglichst wenig Meßleitungen und damit Durchführungen genutzt werden sollten.The invention is based on the consideration that the positioning of the control rods should be as accurate as possible and that as few measuring lines and thus bushings should be used.
Die Anzahl der Durchführungen und damit der Meßleitungen limitiert nämlich einerseits bei einer Vorrichtung, die mit Hilfe eines induktiven Meßprinzips ein Positionssignal von verschiedenen Sekundärspulen kommend zur Positionsbestimmung nutzt, die Zahl der genutzten Sekundärspulen und somit auch die Meßgenauigkeit. Andererseits können aber auch auf Grund des neuartigen Meßsystems freiwerdende Leitungen in einem bestehenden Kernkraftwerk anderweitig genutzt werden. Zudem soll die gewünschte Vorrichtung eine hohe Sicherheit gewährleisten, die auch bereits erprobte Meßsysteme gewährleisten.The number of bushings and thus the measuring lines limited namely on the one hand in a device that uses a position signal coming from different secondary coils for position determination using an inductive measuring principle, the number of secondary coils used and thus the accuracy of measurement. On the other hand, but also due to the novel measuring system released lines in an existing nuclear power plant can be used elsewhere. In addition, the desired device should ensure a high level of security, which also ensures already proven measuring systems.
Überraschenderweise wurde erkannt, dass die Positionssignale einer Spulengruppe aus mehr als zwei diskreten Signalniveaus bestehen können, so dass durch geeignete Verschaltung der einzelnen Spulen der jeweiligen Gruppe ein zusätzlicher Informationsgehalt im zugehörigen Positionssignal aktivierbar und nutzbar ist. Durch eine geeignete elektrische Verschaltung der Sekundärspulen zu Spulengruppen und durch Nutzung von mehr als zwei diskreten Signalniveaus kann die Anzahl der Spulengruppen und damit auch die Anzahl der Durchführungen im Vergleich zu einer Nutzung von lediglich zwei diskreten Signalniveaus erreicht werden. Mit Hilfe aller von den einzelnen Spulengruppen kommenden Positionssignale wird ein Code gebildet, der die Steuerstabsposition eindeutig angibt. So kann zum Beispiel ein aus drei diskreten Signalniveaus bestehendes Positionssignal hier als tertiäres Signal bezeichnet werden, wobei die Gesamtheit dieser tertiären Positionssignale von unterschiedlichen Spulengruppen stammend zu einem solchen Code zusammengefügt werden kann. Dieser Code, welcher bei tertiären Positionssignalen drei Zustände besitzt, benötigt bei gleichem Informationsgehalt weniger Ziffern als ein bisher gebräuchlicher binärer, also ein aus zwei Niveaus oder Zuständen bestehender Code. Bei der bisher gebräuchlichen elektrischen Verschaltung und Nutzung von lediglich zwei Signalniveaus für die Positionsermittlung des Steuerstabs werden demzufolge mehr Spulengruppen benötigt als bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung. So erweist sich aber gerade der Übergang von einem binären System zu einem System, bestehend aus mehr als zwei diskreten Zuständen für die Positionssignale, bei einer gleichzeitigen geeigneten elektrischen Verschaltung der einzelnen Sekundärspulen zu Spulengruppen als vorteilhaft.Surprisingly, it was recognized that the position signals of a coil group can consist of more than two discrete signal levels, so that an additional information content in the associated position signal can be activated and used by suitable interconnection of the individual coils of the respective group. By means of a suitable electrical connection of the secondary coils to coil groups and by using more than two discrete signal levels, the number of coil groups and thus also the number of feedthroughs can be achieved compared to using only two discrete signal levels. With the help of all coming from the individual coil groups position signals a code is formed, which clearly indicates the control rod position. Thus, for example, a position signal consisting of three discrete signal levels may be referred to herein as a tertiary signal, the entirety of these tertiary position signals from different coil groups originating from such a code. This code, which has three states in the case of tertiary position signals, requires fewer digits for the same information content than a previously used binary code, that is to say one consisting of two levels or states. In the previously used electrical interconnection and use of only two signal levels for the position detection of the control rod more coil groups are therefore required than in the inventive device. But this is just the transition from a binary system to a system consisting of more than two discrete states for the position signals, with a simultaneous suitable electrical connection of the individual secondary coils to coil groups as advantageous.
Für die Kodierung, anhand derer sich aus der Gesamtheit aller Positionssignale die Steuerstabposition eindeutig ableiten lässt, sind verschiedene Methoden denkbar, wobei vorteilhafterweise ein bei binären Systemen bekannter Gray-Code, bei dem sich benachbarte Codewörter nur in einer einzigen dualen Ziffer unterscheiden, oder eben eine sinngemäße Verallgemeinerung eines derartigen Gray-Codes auf mehr als zwei Signalniveaus genutzt wird.For the coding, by means of which the control rod position can be derived unambiguously from the totality of all position signals, various methods are conceivable, advantageously a binary code known gray code, in which adjacent codewords differ only in a single dual digit, or just one analogous generalization of such a Gray code is used on more than two signal levels.
Vorteilhafterweise werden mehrere Spulengruppen mit drei diskreten Signalniveaus genutzt. Oftmals bewegt sich die Sekundärspulenzahl, die für einen Steuerstab vorgesehen ist, bei bestehenden Kernkraftwerken im Bereich zwischen 30 und 50 je nach Kernauslegung. Bei einer Umrüstung eines bestehenden Kernkraftwerks kann es zweckmäßig sein, die Sekundärspulenzahl unverändert zu lassen, so dass bei einer geeigneten elektrischen Verschaltung eine Maximalzahl von drei diskreten Signalniveaus ausreichen kann, um die Steuerstabsposition zu ermitteln. Nutzt man zudem eine zu hohe Anzahl an Signalpegeln kann es Schwierigkeiten bereiten, die Spannungssignale in die zur Auswertung zweckmäßigen diskreten Positionssignale zu wandeln, da die Größendifferenz der den Signalniveaus entsprechenden Spannungssignalamplituden für eine gute Unterscheidbarkeit zu gering werden kann. Drei diskrete Signalniveaus bieten daher im Sinne eines quantitativen Kompromisses einerseits den Vorteil, bestehende Anlagen ohne Veränderung der Sekundärspulenzahl umzurüsten und ermöglichen andererseits eine einigermaßen einfache Unterscheidung der induzierten Signale.Advantageously, multiple coil groups are used with three discrete signal levels. Often, the number of secondary coils provided for a control rod in existing nuclear power plants ranges from 30 to 50 depending on the core design. When retrofitting an existing nuclear power plant, it may be expedient to leave the secondary coil number unchanged, so that with a suitable electrical interconnection a maximum number of three discrete signal levels may be sufficient to determine the control rod position. If one also uses too high a number of signal levels, it can be difficult to convert the voltage signals into the discrete position signals which are suitable for the evaluation since the size difference of the voltage signal amplitudes corresponding to the signal levels can become too low for good distinctness. Three discrete signal levels therefore offer the advantage, in the sense of a quantitative compromise, on the one hand of converting existing systems without changing the number of secondary coils and, on the other hand, enabling a somewhat simple differentiation of the induced signals.
Vorteilhafterweise können die Sekundärspulen derart zu Spulengruppen verschaltet werden, dass dennoch gut voneinander unterscheidbare Signalniveaus gänzlich ausgenutzt werden, um aus einem Vergleich aller Positionssignale die eindeutige Bestimmung der Steuerstabsposition zu gewährleisten. Um messtechnisch sicher die Trennung der einzelnen Signalniveaus zu gewährleisten, sind daher mehrere diskrete Signalniveaus vorgesehen und zwar zwischen einschließlich drei und einschließlich fünf.Advantageously, the secondary coils can be connected in such a way to form coil groups that nevertheless good distinguishable signal levels are fully utilized to ensure the unambiguous determination of the control rod position from a comparison of all position signals. To ensure metrologically safe separation of the individual signal levels, therefore, several discrete signal levels are provided, namely between three and including five.
Neben dem induzierten Wechselspannungssignal sind grundsätzlich auch weitere Größen für eine Messung zugänglich. Denkbar wäre es anstelle der Spannung einen Strom zu messen. So bewirkt ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung eines Transformators einen Wechselstrom in dessen Primärwicklung. Messtechnisch ist es in der Regel aber einfacher das Spannungssignal zu nutzen. Vorzugsweise wird daher das Spannungssignal genutzt, um das zugeordnete, diskrete Werte annehmende Positionssignal zu erzeugen.In addition to the induced alternating voltage signal, other quantities are generally accessible for a measurement. It would be conceivable to measure a current instead of the voltage. Thus, an alternating current in the secondary winding of a transformer causes an alternating current in its primary winding. In terms of metrology, it is usually easier to use the voltage signal. Preferably, therefore, the voltage signal is utilized to generate the associated discrete value taking position signal.
Vorteilhafterweise sind die diskreten Positionssignalniveaus für alle Spulengruppen gleich. Dies erlaubt die Nutzung von gleichen Bauteilen für das gesamte Meßsystem, wie zum Beispiel den Sekundärspulen, da die Signalniveaus bei Verwendung gleicher Bauteile des beschriebenen Meßsystems idealerweise gleiche Höhen aufweisen. Hierdurch wird auch ein mögliches Einstellen falscher Signalniveaus weitestgehend vermieden, da in dieser bevorzugten Ausgestaltung insgesamt weniger Signalniveaus vorliegen als bei einer Ausgestaltung mit verschiedenen Signalniveaus für unterschiedliche Spulengruppen.Advantageously, the discrete position signal levels are the same for all coil groups. This allows the use of the same components for the entire measuring system, such as the secondary coils, since the signal levels ideally have the same heights when using the same components of the measuring system described. As a result, a possible setting of false signal levels is also largely avoided since, in this preferred embodiment, there are fewer signal levels overall than in the embodiment with different signal levels for different coil groups.
Um ein möglichst geringe Zahl an Durchführungen für die Meßleitungen der Sekundärspulen zu nutzen, ist es zweckmäßig, möglichst wenig Spulengruppen zu nutzen, wobei die diskreten Signalstufen gut voneinander unterscheidbar sein sollten. Bei einer Sekundärspulenzahl im Bereich von beispielsweise 40 bis 50 hat sich nach Kombination verschiedener elektrischer Verschaltungen herausgestellt, dass idealerweise drei Spulengruppen vorgesehen sind.In order to use the smallest possible number of bushings for the measuring lines of the secondary coils, it is expedient to use as few groups of coils, the discrete signal levels should be well distinguishable from each other. With a secondary coil number in the range of, for example, 40 to 50, it has been found, after combining various electrical interconnections, that ideally three coil groups are provided.
Vorteilhafterweise ist die Auflösung der Positionsbestimmung unabhängig von der Position des Steuerstabes. Zur Sicherstellung einer konstanten Auflösung sollten Inhomogenitäten im Magnetfeld ausgeglichen werden, so dass der Abstand der Sekundärspulen entlang des Verschiebeweges im Wesentlichen stets der gleiche sein sollte. Für eine möglichst homogene Ausgestaltung des Magnetfelds wird der Abstand in den meisten Fällen allerdings nicht vollkommen gleich sein.Advantageously, the resolution of the position determination is independent of the position of the control rod. To ensure a constant resolution, inhomogeneities in the magnetic field should be compensated, so that the distance of the secondary coils along the displacement path should always be substantially the same. However, for the most homogeneous possible configuration of the magnetic field, the distance will in most cases not be completely the same.
Vorteilhafterweise sind möglichst viele Bauteile des beschriebenen Meßsystems außerhalb des Reaktordruckbehälters und außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters angeordnet. Hierdurch wird unter anderem die Kontamination dieser Bauteile verhindert, Insbesondere die elektronischen Bauteile, welche zur Auswertung der Signale notwendig sind, würden bei einer Anordnung innerhalb des Containments auf Grund der Strahlenbelastung einem verstärkten Verschleiß ausgesetzt sein, der in einem Defekt oder Ausfall münden kann. Auch im Fall eines Defekts des Reaktordruckbehälters, der in einem solchen Fall ein Leck aufweisen kann, sind diese Bauteile relativ gefahrlos zugänglich, da sie sich außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters befinden. In bevorzugter Ausgestaltung sind daher die Sekundärspulen mit einer außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters befindlichen Auswerteeinheit über Signalleitungen verbunden, so dass die Diskretisierung der ursprünglich analogen Meßsignale, zumindest aber die Auswertung und Kombination der einzelnen Positionssignale in einer möglichst vor Strahlung geschützten Umgebung stattfindet.Advantageously, as many components of the described measuring system are arranged outside the reactor pressure vessel and outside the reactor containment vessel. Among other things, this prevents the contamination of these components. In particular, the electronic components which are necessary for the evaluation of the signals would be exposed to an increased wear in an arrangement within the containment due to the radiation exposure, which may result in a defect or failure. Even in the case of a defect of the reactor pressure vessel, which may have a leak in such a case, these components are relatively safe to access, as they are located outside the reactor containment. In a preferred embodiment, therefore, the secondary coils are connected to an evaluation unit located outside of the reactor safety container via signal lines, so that the discretization of the originally analog measurement signals, but at least the Evaluation and combination of the individual position signals takes place in a possibly protected from radiation environment.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst, indem die Anordnung und Verschaltung der Sekundärspulen derart gewählt ist, dass anhand der Gesamtheit der Positionssignale aller Spulengruppen eine eindeutige Bestimmung der momentanen Position des Steuerstabes möglich ist, und mindestens eine der Spulengruppen zumindest zwei Sekundärspulen aufweist, die derart miteinander verschaltet sind, dass das zugehörige Positionssignal beim Voranschieben des Steuerstabes zumindest drei unterschiedliche diskrete Signalniveaus annimmt. Die für die Vorrichtung genannten Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren.With regard to the method, the stated object is achieved by the arrangement and interconnection of the secondary coils is selected such that based on the totality of the position signals of all coil groups a unique determination of the current position of the control rod is possible, and at least one of the coil groups has at least two secondary coils, the are interconnected such that the associated position signal when advancing the control rod assumes at least three different discrete signal levels. The embodiments and advantages mentioned for the device also apply mutatis mutandis to the method.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das geschickte Kombinieren von Positionssignalen einzelner Spulengruppen eine eindeutige Aussage zur momentanen Position des Steuerstabes möglich ist, wobei – bezogen auf die Auflösung – nur wenige Meßleitungen notwendig sind, da mehr als zwei Signalniveaus genutzt werden. Gerade durch die Nutzung von mehr als zwei Signalniveaus erhöht sich insbesondere der Informationsgehalt eines Positionssignals im Vergleich zu bisher gebräuchlichen Vorrichtungen, die zwei Signalniveaus nutzen, so dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weniger Meßleitungen und damit Durchführungen notwendig sind als bei bisher gebräuchlichen Vorrichtungen.The advantages achieved by the invention are, in particular, that a clear statement about the current position of the control rod is possible by the skillful combining of position signals of individual coil groups, wherein - based on the resolution - only a few test leads are necessary because more than two signal levels are used , In particular, the use of more than two signal levels increases in particular the information content of a position signal compared to previously common devices that use two signal levels, so that less measuring lines and thus bushings are necessary in the inventive device than in previously conventional devices.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand mehrerer Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention will be explained with reference to several drawings. Show:
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Die Primärspule
Die Sekundärspulen S1–S40 sind durch elektrische Reihenschaltung zu Spulengruppen zusammengeschaltet, die jeweils zusätzlich zu der gemeinsamen Leitung M0 separate einseitig angebrachte Meßleitungen M1, M2 und M4–M8 besitzen. Neben den genannten Sekundärspulen S1–S40 existieren zwei weitere Meßleitungen M9 und M10, welche mit zwei gesonderten Sekundärspulen verbunden sind, die dazu dienen die Stellung des Steuerstabes nach vollständigem Einfahren in den Reaktorkern und in vollständig ausgefahrenem Zustand anzuzeigen. Die gesamte Spulenanordnung ist typischerweise außerhalb eines Druckrohres angeordnet, welches an den Reaktordruckbehälter eines Kernreaktors angeflanscht ist und den Steuerstab bzw. die Steuerstabantriebsstange aufnimmt.The secondary coils S1-S40 are interconnected by electrical series connection to coil groups, each having in addition to the common line M0 separate unilaterally mounted measuring lines M1, M2 and M4-M8. In addition to the said secondary coils S1-S40, there are two further measuring lines M9 and M10, which are connected to two separate secondary coils which serve to indicate the position of the control rod after complete retraction into the reactor core and in the fully extended state. The entire coil assembly is typically located outside of a pressure tube which is flanged to the reactor pressure vessel of a nuclear reactor and receives the control rod or control rod drive rod.
Die in einer Spulengruppe durch das von der Primärspule
Anhand der Spulengruppe, die mit Meßleitung M1 versehen ist und aus den Sekundärspulen S4, S8, S12, S16, S20, S24, S28, S32, S36 und S40 besteht, wird das Prinzip einer binären Positionssignalerzeugung erläutert. Die von einem Erregerstrom durchflossene Primärspule
Beim Passieren der Sekundärspule S8, die im Vergleich zu der vorangegangenen Sekundärspule S4 gegensinnig verschaltet ist, sinkt das induzierte Wechselspannungssignal und das gleichgerichtete und geglättete Positionssignal P1 nimmt den Wert N0 an. Aufgrund der gewählten elektrischen Verschaltung, bei der jeweils die benachbarten Sekundärspulen einer jeden Spulengruppe zueinander gegensinnig verschaltet sind, entsteht beim Entlangfahren des Steuerstabs ein stufenförmiges Muster für jedes einzelne der Positionssignale P1, P2 und P4–P8, welches jeweils aus zwei Werten N0 und N1 besteht. Durch die Zuordnung von in diesem Fall sieben binären Positionssignalen zu hinterlegten Positionswerten lässt sich bei geeigneter Spulenanordnung und elektrischer Verschaltung eine eindeutige Aussage über die momentane Position des Steuerstabs gewinnen, wobei die Ortsauflösung im Wesentlichen durch den Abstand zwischen zwei Sekundärspulen S1–S40 gekennzeichnet ist. Für die Stellungsanzeige bietet sich in diesem Verschaltungsplan ein 7-Bit Gray-Code zur Kodierung an.When passing the secondary coil S8, which is connected in opposite directions compared to the preceding secondary coil S4, the induced AC signal decreases and the rectified and smoothed position signal P1 assumes the value N0. Due to the selected electrical interconnection, in which in each case the adjacent secondary coils of each coil group are interconnected in opposite directions, a step pattern for each one of the position signals P1, P2 and P4-P8, which consists of two values N0 and N1, respectively, arises on passing the control rod , By assigning in this case seven binary position signals to stored position values can be obtained with a suitable coil arrangement and electrical wiring a clear statement about the current position of the control rod, the spatial resolution is essentially characterized by the distance between two secondary coils S1-S40. For the position display, a 7-bit Gray code for coding is available in this wiring diagram.
In dem gezeigten prinzipiellen Schaltbild von
Bei
In
In der gezeigten Variante erzeugt ebenfalls eine mit einer Wechselspannung beaufschlagte Primärspule
Im Gegensatz zu der aus
Die Konsequenz wird beispielhaft anhand der Spulen S'1, S'2, S'3, S'5, S'6 und S'7, die zu einer Spulengruppe gehören, verdeutlicht. Bei Entlangfahren der Antriebsstange an diesen Sekundärspulen von Sekundärspule S'1 in Richtung der Sekundärspule S'7 wird ein Wechselspannungssignal an dieser Spulengruppe induziert, welches das Positionssignal P'1 erzeugt. Zunächst besitzt dieses ein Signalniveau von N0. Beim Passieren von Sekundärspule S'1 erhöht sich das Positionssignal nahezu stufenartig auf den Wert N'1. Durch das gleichsinnige Verschalten der Sekundärspulen S'1, S'2 und S'3 erhöht sich das Signalniveau beim Entlangfahren des Steuerstabs an den Sekundärspulen S'2 und S'3 erneut und zwar ausgehend von dem Signalniveau N'1 zunächst auf das Signalniveau N'2 und anschließend auf N'3. Auf Grund der im Vergleich zu den Sekundärspulen S'1–S'3 gegensinnigen Verschaltung der Sekundärspule S'5 erniedrigt sich das induzierte Wechselspannungssignal beim weiteren Entlangfahren des Steuerstabs und Passieren der Sekundärspule S'5, was einhergeht mit einer Absenkung des Kennwerts des Positionssignals P'1 auf einen Wert des Signalniveaus von N'2. Beim Passieren der nächsten beiden Sekundärspulen S'6 und S'7 erreicht das erzeugte Positionssignal wieder die Signalniveaus N'1 und N'0.The consequence is illustrated by way of example with reference to the coils S'1, S'2, S'3, S'5, S'6 and S'7, which belong to a coil group. When driving along the drive rod at these secondary coils of secondary coil S'1 in the direction of the secondary coil S'7 an AC signal is induced at this coil group, which generates the position signal P'1. First, this has a signal level of N0. When passing through secondary coil S'1, the position signal increases almost stepwise to the value N'1. As a result of the interconnection of the secondary coils S'1, S'2 and S'3 in the same direction, the signal level increases again as the control rod travels past the secondary coils S'2 and S'3 and, starting from the signal level N'1, first to the signal level N. '2 and then N'3. Due to the opposite in comparison to the secondary coils S'1-S'3 interconnection of the secondary coil S'5, the induced AC signal decreases on further passing the control rod and passing through the secondary coil S'5, what this is accompanied by a lowering of the characteristic value of the position signal P'1 to a value of the signal level of N'2. When passing the next two secondary coils S'6 and S'7, the generated position signal again reaches the signal levels N'1 and N'0.
Die Sekundärspulen S'1–S'47 sind derart miteinander verschaltet, dass im Ausführungsbeispiel drei Spulengruppen ausreichen, um mit Hilfe von vier Signalniveaus N'0–N'3 bei zwei Spulengruppen, welche mit den Positionssignalen P'1 und P'2 assoziiert sind, und drei Signalniveaus N'0–N'2 bei einer Spulengruppe, welche mit dem Positionssignal P'3 assoziiert ist, die momentane Position des Steuerstabs zu bestimmen.The secondary coils S'1-S'47 are interconnected in such a way that in the exemplary embodiment three coil groups are sufficient to use four signal levels N'0-N'3 for two coil groups which are associated with the position signals P'1 and P'2 and three signal levels N'0-N'2 in a coil group associated with the position signal P'3, to determine the current position of the control rod.
Bei einer Erzeugung der Positionssignale P'1–P'3 aus den induzierten Wechselspannungen durch Gleichrichtung und Glättung, und anschließenden Vergleich mit vorab festgelegten Grenzwerten kann ein Ausgangssignal mit festgelegten Pegeln erzeugt werden oder sofort eine Auswertung und Übermittlung einer definierten Position des Steuerstabes durchgeführt werden. Hierzu bietet es sich an, auch gleichartige Sekundärspulen S'1–S'47 zu nutzen.Upon generation of the position signals P'1-P'3 from the induced AC voltages by rectification and smoothing, and subsequent comparison with predetermined thresholds, an output signal with fixed levels can be generated or immediately an evaluation and transmission of a defined position of the control rod can be performed. For this purpose it makes sense to also use similar secondary coils S'1-S'47.
Auch sind die Abstände der Sekundärspulen S'1–S'47 zueinander mit Bedacht gewählt worden. Die Abstände wurden so gewählt, dass – unter Berücksichtigung der Inhomogenitäten des Magnetfeldes – die Pegeländerungen in gleichem örtlichen Abstand auftreten und somit einen eineindeutigen Rückschluss auf die Position des Steuerstabes ermöglichen.Also, the distances of the secondary coils S'1-S'47 have been selected with care. The distances were chosen so that - taking into account the inhomogeneities of the magnetic field - the level changes occur at the same local distance and thus allow a one-to-one inference to the position of the control rod.
In der dargestellten Ausführung sind die Signalniveaus N'0–N'3 bei allen Positionssignalen P'1–P'3 von gleicher Höhe, so dass bei einer Kodierung die gleichen Zustände für die unterschiedlichen Positionssignale P'1–P'3 genutzt werden können. Die Signalniveaus können allerdings auch unterschiedlicher Höhe sein (bei uns ist das konstruktiv bedingt der Fall). Unter diesen Randbedingungen sind jedoch nur die Vergleichspegel in der entsprechenden Auswertebaugruppe entsprechend zu wählen.In the illustrated embodiment, the signal levels N'0-N'3 in all position signals P'1-P'3 of the same height, so that in a coding the same states for the different position signals P'1-P'3 can be used , However, the signal levels can also be of different heights (in our case this is the case for the constructive reasons). Under these boundary conditions, however, only the comparison levels in the corresponding evaluation module are to be selected accordingly.
Bei einer Platzierung einer nicht dargestellten Auswerteeinheit außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters, werden die Primär- und Sekundärspulen durch eine Abschirmung
Zusammenfassend ist bei der in
Anhand von
In
A6 kennzeichnet einen Referenzwert und ist hier nicht weiter relevant. A0 gibt den Wert des Erregerstromes der Primärspule an, welcher über den hier dargestellten Stellungsbereich konstant gehalten wurde.A6 indicates a reference value and is not relevant here. A0 indicates the value of the excitation current of the primary coil, which was kept constant over the position range shown here.
Neben den beiden äußeren Spulen sind insgesamt fünf weitere Spulengruppen vorhanden, deren Effektivwert der Wechselspannungssignale A1–A5 sich in Abhängigkeit der momentanen Position des Steuerstabs ändern. Deutlich erkennbar ist, dass sich bei einer Erhöhung der Momentanstellung von Post auf Pos7, also einer Bewegung des Steuerstabs in Richtung des Pfeils
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 00
- Vorrichtungcontraption
- 11
- Primärspuleprimary coil
- 22
- Abschirmungshielding
- 33
- Pfeilarrow
- S1–S40S1-S40
- Sekundärspulensecondary coils
- L1, L2L1, L2
- Leitung für die PrimärspuleCable for the primary coil
- M0M0
- Meßleitung für sämtliche Sekundärspulen S1–S40Test lead for all secondary coils S1-S40
- M1, M2M1, M2
- Meßleitung für die Sekundärspulen S1–S40 einer SpulengruppeTest lead for the secondary coils S1-S40 of a coil group
- M4–M8M4-M8
- Meßleitung für die Sekundärspulen S1–S40 einer SpulengruppeTest lead for the secondary coils S1-S40 of a coil group
- M9, M10M9, M10
- Meßleitung für die Anfangs- und EndsekundärspulenTest lead for the beginning and end secondary coils
- P1, P2P1, P2
- Positionssignale einer SpulengruppePosition signals of a coil group
- P4–P8P4-P8
- Positionssignale einer SpulengruppePosition signals of a coil group
- N0, N1N0, N1
- Signalniveau der PositionssignaleSignal level of the position signals
- S'1–S'47S'1-S'47
- Sekundärspulensecondary coils
- M'1–M'3M'1-M'3
- Meßleitungen für die Sekundärspulen S'1–S'47 einer SpulengruppeTest leads for the secondary coils S'1-S'47 of a coil group
- P'1–P'3P'1-P'3
- Positionssignale einer SpulengruppePosition signals of a coil group
- N'0–N'3N'0-N'3
- Signalniveaus der Positionssignale Pos1–Pos7Signal levels of the position signals Pos1-Pos7
- Pos1–Pos7Pos1-POS7
- Momentanstellung des SteuerstabsMomentary adjustment of the control rod
- A0A0
- Signal des Erregerstromes der PrimärspuleSignal of the exciting current of the primary coil
- A1–A5A1-A5
- Effektivwert der WechselspannungssignaleRMS value of the AC signals
- A6A6
- Referenzwertreference value
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R003 | Refusal decision now final |