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Anordnung zum Feststellen der Position von Objekten, insbesondere
von Brennelementen eines Reaktors Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Feststellen
der Position von Objekten, insbesondere von Brennelementen eines Reaktors, mit einem
in eine bestimmte räumliche Beziehung zu dem Objekt zu bringenden zylindrischen,
ferromagnetischen Körper.
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In den verschiedensten Bereichen der Technik tritt häufig das Problem
auf, die Position von Objekten, wie Stäbe, zu erfassen und in ein elektrisches Signal
umzusetzen. Beispielsweise muß man zum Umsetzen und Austauschen von Brennelementen
eines Kernreaktors deren Position feststellen, damit die Umsetzvorrichtung in eine
zum Ziehen des Brennelementes aus dem sogenannten "Core" geeignete Stellung gebracht
werden kann. Außerdem muß die Position gespeichert werden, damit dasselbe oder ein
anderes Brennelement wieder eingesetzt werden kann. Wegen innerer Verschiebungen
des "Core" verändern nämlich die Brennelemente stets ihre Position.
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Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
der zylindrische, ferromagnetische Körper von mindestens einer Primärspule und von
einem Kranz von zylindrischen Sekundärspulen bekannter Position umgeben ist, die
auf einem Kreis mit zum Kreismittelpunkt gerichteten Achsen angeordnet sind und
an die eine Vorrichtung zum geometrischen Addieren ihrer Ausgangsspannungen angeschlossen
ist. Der zylindrische, ferromagnetische Körper befindet sich also an dem Objekt,
dessen Position festgestellt werden soll. Die Prinlarspule und die Sekundärspulen,
die den zylindrischen, ferromagnetischen Körper umgeben, haben eine bekannte
Position.
Die Positionsbestir.amung ergibt sicll daraus, daß die Kopplung zwischen der Primtirspule
und den Sekundärspulen unterschiedlich ist, je nachdem, wie weit der zylindrische,
ferromagnetische Körper von den Sekunddrspulen entfernt- ist.
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Ist der ferromagnetische Körper konzentrisch zu den Primtitspulen,
so wird in jede Primärspule dieselbe Spannung induziert. Es kann jedes Objekt mit
einem ferroma,Snetischen Kötper versehen sein. Es ist aber aucii moglich, den ferromagnetischen
Körper an einem Fühler zu befestigen, der jeweils ein Objekt erfaßt und senkrecht
zur Achse des zylindrischen Körpers beweglich ist.
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Die beschriebenen Anordnungen eignen sich zum Feststellen der Position
der Objekte in der Ebene des Sekundärspulenkranzes.
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Zum Feststellen der Verdrehung eines Körpers um die senkrecht auf
der Spulenkranzebene stehende Achse wird die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft
in der Weise erweitert, daß ein zweiter Kranz von Sekundärspulen vorgesehen ist,
der zum ersten Spulenkranz konzentrisch und gegenüber diesem in axialer Richtung
versetzt ist, daß an den zumindest teilweise stabförmigen Objekten je zwei Ferritstücke
angebracht sind, die um 180° und um den axialen Abstand der beiden Spulenkränze
gegeneinander versetzt sind, und daß der die Ferritstücke aufweisende Teil der Objekte
einerseits und die Spulen andererseits derart gegeneinander verschiebbar sind, daß
der erste Spulenkranz die Objekte im Bereich der ersten Ferritstücke und der zweite
Spulenkranz im Bereich der zweiten Ferritstücke umgibt.
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Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile un'd Ergänzungen
näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigern Figur 1 den Meßkopf der Anordnung, Figur 2 das Prinzip
der Positionsmessung, Figur 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Anordnung die
Figuren 4 und 5 Einzelheiten der Schaltung nach Figur 3 und Figur -6 das Prinzip
der Azir.utir.essung.
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In Figur 1 ist mit 1 der Körper, irn Ausführungsbeispiel ein Brennelement
eines Kernreaktors bezeichnet, dessen Position ermittelt werden soll. Hierzu wird
es von einem nicht dargestellten Fühler, der gleichzeitig Greifer zum Herausnehrnen
des Brennelementes 1 aus dem "Core" des Kernreaktors ist, erfaßt. Dieser Greifer
ist senkrecht zur Achse des Brennelementes 1 beweglich. An ihm ist ein zylindrischer,
ferromagi?ctischer Körper 2 befestigt. Erfaßt er das Brennelement 1, so wird der
Zylinder 2 in eine feste räumliche Beziehung zum Brennelement 1 gebracht. Ein Spulensystem
mit den Spulen 3, 4 und 5 umgibt den Ferritzylinder 2 und befindet sich in einer
bekannten Position. Die Feststellung der Position des Brennelementes 1 beschränkt
sich also darauf, die Abweichung seiner Achse von der Mitte des Spulensystems festzustellen.
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Dieses besteht aus einer Primärspule 4, einem unteren Spulenkranz
3 und einem oberen Spulenkranz 5. Für die zentrische Abweichung zur Bestimmung der
Exzentrizität des Ferritzylinders 2 von dem Spulensystem genügt ein Spulenkranz,
z. B. der untere 3.
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Für die Azimutbestimmung, d. h. für die Verdrehung des Brennelementes
1 um seine Achse, werden beide Spulenkränze 3 und 5 benötigt.
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Zunächst soll die Bestimmung der Exzentrizität beschrieben werden.
Wie schon erwähnt, befindet sich zur Postionsbes'irrmunb der Ferritzylinder 2 im
Bereich des Spulensystems. Er ist Teil eines Führungsrohres, an dessen Ende sich
der Greifer befindet.
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Ist die Position nicht exakt zentrisch, weil seit der letzten Positionsbestimmungen
Verschiebungen im "Cpre" aufgetreten sind, so verschiebt der Greifer bein. Aufsetzen
auf das Brennelement das ose aufgehängte Führungsrohr außermittig. Diese Verschiebung
wird vom Spulensystem aufgenoJsmen, da As.lplitude und Phasenlage der an den Sekundärspulen
auftretenden Signale von der induktiven Kopplung der Spulensysteme deren den Ferritzylinder
2 abhängen.
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Die im zentrischen Zustand überall gleiche Kopplung wird im nicht
zentrIschen Zustand durch die Stellung des Ferritzylinders 2 verändert.
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Figur 2 veranschaulicht diese Verhältnisse. Die Figuren 2a und 25
zeigen in Schnittdarstellungen den exzentrisch in den Spulensystemen 3, 4 und 5
angeoränten Ferritzylinder 2.
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Jeder der Spulenkränze 3 und 5 besteht aus 12 Sekundärspulen S1, S2
...S12, die um jeweils 30° versetzt gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die
von der Primärspule 4 in die Sekukndärspulen eines Spulenkranzes induzierten Spannungen
U1, U2 ...U12 sind in Figur 2c iiber den Umfang aufgetragen Zur 2d zeigt dieselben
Spannungen in geotnetrischer Darstellung. Es ist ersichtlich, daß an der Spule SL,
zwischen der und dem Ferritzylinder 2 der kleinste Abstand ist die größte Spannung
U4 induziert wird. Zur Positionsbestimmung des Ferritzylinders 2 könnten im einfachsten
Falle die 12 Spannungen geometrisch addiert werden, indem sie jeweils um 30° in
der' Phase gedreht und anschließend addiert werden. Da sich die Eingangsspannung
aber nicht linear mit der Aus lenkung des Ferritylinders 2 ändert und auch die Phase
durch die Änderung der Luftspaltverhältnisse beeinflußt wird, kann man diese an
sich einfache Lösung nicht ausnutzen. Außerdem können durch die langen Leitungen
Störungen verursacht werden.
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Figur 3 zeigt eine vorteilhafte Auswerteschaltung. Die Primärspule
4 wird aus einer Konstantstromquelle Q gespeist Der Erregerstrom der Primärwicklung
muß konstantgealten werden, da Änderungen die Meßgenauigkeit beeinträchtigen würden.
E-Iierzu wird der Strom mit tels eines Strommeßwiderstandes gemessen, der erithmetische
Mittelwert der an diesem auftretenden Spannung durch Gleichrichtung bestimmt und
mit einem Sollwert verglichen und der Erregers trem so eingestellt, daß die Differenz
Null wird.
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Jeder Sekundärspule ist ein Kanal zugeordnet, der aus einem Impendanzwandler
IW, einem RC-Filter F, einem Gleichrichter GL und einer Linearisierungsstufe LS
besteht. Vor der Linearisierung werden je zwei Kanäle zusammengefaßt, so daß jeder
Spulenkranz mit 12 Spule 6 Spannungen abgibt, die in einer Summinrstcüe SUO bzw.
SUU addiert werden. Das Ausgangssignal dieser Summierstufen ergibt die Position
des Ferritzylinders 2 in kartesichen Koordinaten. Die Position kann auf einem Sichtgerät
SGP, in das ein Fadenkreuz
eingeblendet is-t, durch einen Puiikt
dargestellt werden.
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Schließlich können an die Summierer SUU und SUO Koordinatenwandler
KWU und KWO angeschlossen sein, die die Darsteiluiig in kartesischeri Koordinaten
in eine Darstellung mit Polarkoordinaten umwandelt.
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Zur Bestimmung der Position werde der untere Spulenkranz 5 mit den
Spulen S1, S2 ... S12 herangezogen. Der Impedanzwandler IW enthält als wesen-t]icheki
Element einen Operationsverstarker. Das Filter F ist als aktives RC-Filter ausgebildet
und dient zur Unterdrückung von Störspannungen. Da nur kleine Meßsignale zur Verfügung
stehen, muß die Wecllselspannung so hoch verstärkt werden daß die Drift von auf
den Gleichrichter GL folgenden Gleichspannungsverstärkern praktisch keine Rolle
mehr spielt. Die Spannungen gegenüberliegender Spulen werden mit entgegengesetzter
Polarität gleichgerichtet und am Eingang der folgenden Linearisierungsstufe LS addiert.
Es werden also die Ausgangsignale der Spulen S1 und S7, S2 und S8, S3 und S9 usf.
(vgl. Figur 2X) addiert. Durch diese Maßnahme werden der Temperaturgang und andere
symmetrische Störgrößen eliminiert. Eine Linearisierung der Sekundärspulenspannungen
ist deshalb erforderlich, weil die Spulenspannung nicll-t-linear von der Exzentriztät
des Fetritzylinders 2 abhängig ist, für die nachfolgende Auswertung aber eine solche
Linearität bestehen muß.
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Figur 4 zeigt die Linearisierungsstufe im einzelnen. Die Widerstände
R1 und R2 bilden die Summierschaltung für die über Eingänge El und E2 zugeführten
Signale von zwei gegenüberliegenden Spulen. Die Summenspannung wird dem invertierenden
Eingang eines Verstärkers V zugeführt, der über eine nicht bezeichnete Widerstandsdiodenkombination
derart nicht linear gegengekoppelt ist, daß die Nichtlinearität zwischen Exzentrizität
und Spulenspannung kompensiert. wird. Je Spulenkranz sind nur 6 Linearisierstufen
erforderlich, da je zwei Spulenspannungen vor der Linearisierung addiert sind.
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Die Ausgangsspanungen der 6 Linearisierstufen werden gleichstrommeäßig
geometrisch addiert. Dadurch wird der mit erheblichem Aufwand verbundene üblich
Weg vermieden, die Gleichspannungen in Wechselspannungen umzu fornten und ihnen
eine jeweilige Phasenverschiebung zu geben, um geometrisch addieren zu können. Das
Frinzips-haltb-d der Addierstufe ist in Figur 5 dargestellt. Die nieder zugeßdhrten
6 Einzelspannungen U1 , U2 ... U6* können positiv oder nerativ sein, je nach dem,
welche der beiden jeweils gegenüberliegenden Sekundärspulen eine größere Spannung
abgibt. Diese 6 Spannungen werden auf zwei Summierer aufgeteilt, einen Summierer
SY und einen Summierer Sx, deren Ausgangsspannungen ein Maß für die Aus lenkung
des Fvrritzylinders 2 in den beiden Koordinatenrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems
sind. Nach dem Zeigerdiagramm der Figur 5b ist die Richtung vom Mittelpunkt zur
Spule S1, deren Ausgangsspannung Ul zusammen mit der Ausgangspannung U7 der ihr
gegenüberliegenden Spule S7 zur Spannung U1* beiträgt, die Y-Richtung. Entsprechena
ist die Richtung vom Mittelpunkt zur Spule 54 die X-Richtung. Größe und Vorzeichen
der Summe der Komponenten in Y-Richtung der Spannung U1*, U2*... U6* und sind ein
Maß für die Auslenkung des Ferritzylinders in Y-Richturg, Größe und Vorzeichen der
Summe der X-Komponenten dieser Spannung fLir die Aus lenkung in X-Richtung. Zur
Bildung der Summe der Komponenten werden di Spannungen U1* ...U6* mit unterschiedlicher
Gegenkopplung in Verstärkern V2 und V5 verstärkt. Für die Spannung U1 beträgt der
Gegenkopplungsgrad Eins und damit auch der Verstärkungsgrad des Vertärkers V2 Eins.
Die Spannung U2* wird mit dem Faktor sin 60° und die Spannung U3 mit dem Faktor
sin 300, entsprechend ihrer von ponenten in Y-Rich-tung abgeschwacht. Zur Bildung
der Y-Komponenten der Spannlnge.. US und U6 müssen diese Spannungen zumächst invertiert
werden, was in Verstärkern V3 und V4 gescliicht. Anschließend wird die invertierte
Spannung mit den Faktoren sin 330 bZw.
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sin 600 geschwächt. Die am Ausgang des Verstärkers 72 erscheinende
Spannung UY ist somit gleich der Summe dr Komponenten in Y-Richtung. Mit einem Potentiometer
PY kann dir Nullpunkt des Verstärker V2 eingestellt werden.
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Entsprechend werden zur Bildung der Komponenten in X-Kichtung die
Spannungen U2 und U6 mit dem Faktor ens 60° und die Spailnungen U3 und US mit dem
Faktor cos 300 multipliziert. Diese Spannungen werden zusammen mit der Spannung
am Abgriff eines Potentiometers PX, das zur Einstellung des Nullpunktes des Verstärkers
V5 dient, dem invertierenden Eingang des Ver--stärkers V5 zugeführt, an dessen Ausgang
die Summe der X-Komponenten der Spannungen erscheint. Die Summierschaltungen SY
und SX geben damit Spannungen ab, die in kartesischen Koordinaten die Auslenkung
des Ferritzylinders angeben. Mit diesen Spannungen kann das Sichtgerät SGP angesteuert
werden.
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Ferner können diese Signale in dem Koordinatenwandler KWP für die
Position in Polarkoordinaten umgewandelt werden, dessen Ausgangsspannungen mit einem
Phasenmesser PMP angezeigt werden können. Ferner können diese Spannungen digitalisiert
und gespeichert werden.
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Mit der bisher beschriebenen Schaltung kann nur die Auslenkung der
Brennelemente aus der Mittelachse des Spulensystems bestimmt werden. Es ist aber
auch wichtig, die Winkellage, des Brennelementes im "Core" zu kennen. Für die Azimutbestimmung
werden als Empfänger der von der Primärspule S4 abgegebenen Wechselspannung der
obere und der unter Spulenkranz mit ihren je 12 Spulen benötigt. Bei dieser Messung
wird mit Hilfe des Greifers das Brennelement in das Spulensystem hineingezogen.
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Im Kopf jedes Brennelementes befinden sich zwei um 1800 versetzte
Ferritstücke 6 und 7, die in der Höhe so weit versetzt sind, daß sie vor den oberen
bzw. unteren sekundärseitigen Spulenkranz zu liegen kommen. Die Winkellage jedes
Ferritstückes wird nach dem gleichen Verfahren wie bei der Bestimmung der Exzentrizität
ermittelt und mit Hilfe elektronisch durchgeführter Rechenoperationen ein der Winkellage
entsprechendes Signal erzeugt.
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Figur 6 veranschaulicht die Verhältnisse bei der Azimutmessung.
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Dic am Brennelement 1 befestigten Ferritstückc 6 und 7 koppeln die
Primärspule 4 mit den Sekundärspulen 5 bzw. den Sekundärspulen
3.
Die Messung muß auch dann durchgeführt werden können, wenn das Brennelement exzentrisch
zum Spulen sten ist. es treten dann die in Figur 6B als Vektoren darbestellten Spannungen
auf. Der obere Spulenkranz 5 erzeugt eine Spannung LG, welche die Richtung vom Mittelpunkt
Mi des Spulensystems zum Ferrit~ stück 6 angibt. Die vom unteren Spulensystem und
dei nachgeschalteten Elektronik erzeugte Spannung UU liegt In der Richtung vom Mittelpunkt
M1 zum Ferritstück 7. Zu ermitreln ist die Spannung UA. Bezeichnet man die geometrische
Summe der Spannungen UO und UU mit L'S1, so gilt für die Spannung UA die Bezeichnung:
### = ##### UA = UO - 2 = 2 Diese Rechenoperation wird mit Hilfe von Operationsverstärkern
durchgeführt. Mit der Spannung UA hat man die azimutale Orientierung der Brennelemente
in kartesischen Koordinaten, wenn man in die oben angegebene Gleichung für die Spannungen
UO und UU die entsprechenden Koordinaten UOY und UrJY bzw. UOX und UUX einsetzt.
Diese Rechenoperationen werden in einem an die Summe rer SUO und SUU angeschlossenen
Differenzrechner DIF durchgeführt. An diesen kann wieder ein Koordinatenwandler
KWA mit einem Phasenmesser PMA angeschlossen sein. Der Koordinatenwandler wandelt
die von der Differenzstu fe DII' kommenden Gleichspannungen UAX und UAY in Polarkoordinaten
um. Es werden hierbei die beiden von der Einheit DIF kommenden Spannungen UAY und
JAX in zwei um 900 verschobene Wechselspannungen umgewandelt. Die Spannung UAY eilt
um 900 gegen UAX vor. Diese beiden Werte werden anschließend addiert, so daß die
Spannung UA in Polarkoordinaten vorliegt. Ihre Phase wird gegen eine feste Wechselspannung
mit einem Phasenmesser gemessen. Damit liegt der Winkel zwischen Brennelement und
Bezugspunkt fest.
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ao Patentansprüche 6 Figuren