DE2311302C2

DE2311302C2 - Anordnung zum Feststellen der Position eines stabförmigen Objektes

Info

Publication number: DE2311302C2
Application number: DE2311302A
Authority: DE
Inventors: Joachim Barzantny; Rainer 5060 Bensberg Hans; Siegfried 5062 Forsbach Maxam
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1973-03-07
Filing date: 1973-03-07
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE2311302A1

Description

a) Axialversetzt zu dem ersten Spulenkranz (3) Ist ein zweiter Spulenkranz in dem Meßkopf angeordnet, wobei koaxial zu der Achse des Meßkopfes und zwischen den beiden Spulenkränzen (3,5) eine von einer konstanten Wechselstromquelle beaufschlagbare Ringspule (4) angeordnet ist.

b) Der Meßabschnitt weist zur Feststellung der azimutalen Orientierung des Objektes (1) einen zweiten ferromagnetischen Axialabschnitt auf mit zwei um 180° und in Axialrichtung gegenelnander versetzten ferromagnetischen Bauteilen (6, 7).

c) Die Anordnung umfaßt eine Vorrichtung die eine Relativbewegung von Meßkopf und Objekt (1) In Axialrichtung derart bewirkt, daß entweder der erste (2) oder der zweite (6, 7) ferromagnetische Axialabschnitt vom Meßkopf umfaßt wird.

d) Die Anordnung weist eine Auswerteschaltung auf, die entweder die Koordinaten der versetzten Achse des Objektes (1) oder die azimutale Orientierung des Objektes (1) liefert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Das Objekt Ist ein Brennelement eines Kernreaktors, wobei der erste ferromagnetische, koaxial zu der Stabachse liegende, zylindrische Axialabschnitt (2) mit Hilfe eines Greifers einer Umsetzvorrichtung für die Brennelemente auf das Brennelement aufsetzbar und der zweite ferromagnetische Axialabschnitt mit diesem fest verbunden Ist.

b) Der Meßkopf Ist an der Umsetzvorrichtung befestigt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die konstante Wechselstromquelle Ist durch die Reihenschaltung eines Meßwiderstandes mit dem Ausgang eines gleichspannungsgesteuerten Wechselspannunfesverstärkers gebildet.

b) Die an dem Meßwiderstand ablallende Wechselspannung dient nach Gleichrichtung zur Steuerung des Wechselspannungsverstärkers.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Auswerteschaltung weist für jede Spule eines Spulenkranzes einen Gleichrichter (GL) auf.

b) Die Ausgangsspannungen der Gleichrichter werden einerseits mit dem Sinus und andererseits mit dem Kosinus des Winkels zwischen den zum Kreismittelpunkt gerichteten Spulenachsen und einem Bezugsradius in Multipliziergliedern der Auswerteschaltung multipliziert.

c) Die Auswerteschaltung umlaßt zwei Addierschaltungen, In deren einer die durch Multiplikation mit dem Sinus erhaltenen Spannungen und In deren anderer die durch Multiplikation mit dem Kosinus erhaltenen Spannungen addiert werden, wodurch sich die Koordinatenwerte des von dem Spulenkranz umfaßten ersten ferromagnetischen, koaxial zu der Stabachse liegenden, zylindrischen Axialabschnitles ergeben.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende .Merk male:

a) Die Auswcrteschaltung umfaßt Gleichrichter, Multlpllzlerglledcr und Addlerschallungen für beide Spulehkränze.

b) Die Auswerteschaltung umfaßt eine Subtraktionsstufe (DIF), in der die von den Spulenkränzen gelieferten, einander entsprechenden Koordinatenwerte subtrahiert werden, wodurch sich ein Wert für die Orientierung des von den Spulenkränzen umfaßten zweiten Axialabschnitles ergibt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine dcrartlge Anordnung Ist aus der FR-PS 11 96 058 bekannt.

In den verschiedenen Bereichen der Technik tritt häufig das Problem auf, die Position von Objekten, wie /. B. Stäben, zu erfassen. Beispielsweise muli man zum Umsetzen und Auslauschen von Brennelementen eines Kernreaktor deren Position feststellen, dam» die Umsetzvorrichtung In eine zum Ziehen des Brennelementes aus dem sogenannten Kern geeignete Stellung gebracht werden kann. Wegen innerer Verschiebungen des Kerns können nämlich die Brennelemente ihre Posltion verändern. Die aus der FR-PS 11 96 058 bekannte Anordnung ermöglicht die Feststellung der Richtung des Achsversatzes von Objekt und Meßkopl zueinander, jedoch kann damit nicht die azimutale Orientierung des Objektes bestimmt werden.

5n Zwar Ist aus der FR-OS 20 45 644 eine Vorrichtung bekannt, mit der auch die azimutale Orientierung eines länglichen Objektes festgestellt werden kann, jedoch handelt es sich um eine berührende Abtastvorrichtung. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,

zusätzlich zu den Koordinaten des Achsversatzes auch die azimutale Orientierung des Objektes berührungslrcl bestimmen zu können.

Diese Aulgabe wird, ausgehend von der im Oberbegriff vorausgesetzten Anordnung, durch die Im kennzelchnen-

W) den Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Anordnung befindet sich der Meßabschnlti zumindest während der Messung In einer eindeutigen räumlichen Beziehung zu dem Objekt, dessen Position

b¹; festgestellt werden soll. Der Meßkopl mit der als Primärspule wirkenden Ringspule und mit den als Sekundärspulen wirkenden Spulenkränzen hat eine bekannte Position. Die Positionsbestimmung ergibt sich daraus, daß

die Kopplung zwischen der Primärspule und den Sekun-(üärspulen unterschiedlich ist, je nachdem, wie weit der erste zylindrische, ferromagnetische Axialabschnitt von ■den Sekundärspulen entfernt 1st. 1st der erste ferromagnetische Axialabschnitt konzentrisch zu den Primärspulen, so wird in jeder Sekundärspule dieselbe Spannung jnduziert. Die beschriebene Anordnung erlaßt damit die Position des Objektes In der Ebene des Sekundärspulenikranües. Zum Feststellen der Verdrehung des Objektes um die senkrecht auf der Spulenkranzebene stehende Achse - der azimutalen Orientierung - besitzt die erflndungsgemäße Anordnung einen zweiten Kranz von Sekundärspulen, der zum ersten Spulenkranz konzentrisch und gegenüber diesem In axialer Richtung versetzt /1st. Außerdem weist das Objekt einen zweiten terromagnetlschen Axialabschnitt auf, der mit zwei um 180° und (in Axialrichtung gegeneinander versetzten ferromagnetlschen Bauteilen bestückt Ist. Eine Vorrichtung, die eine !Relativbewegung von Meßkopf" und Objekt ermöglicht, 'dient dazu, daß Objekt und Spulen so gegeneinander verschoben werden können, daß der erste Spulenkranz das Objekt im Bereich des ersten ferromagnetlschen Bauteiles und der zweite Spulenkranz im Bereich des zweiten ierromagnetlschen Bauteiles umgibt.

Die Verwendung des Prinzips der transi'ormatorlschen Kopplung von Spulen statt der bloßen Messung der Induktionsänderungen von Spulen hat eine große Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung zur Folge. Die erfindungsgemäße Anordnung ist damit bevorzugt für den Einsatz In einem Kernreaktor geeignet.

Weitere Ausgestallungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Flg. 1 den Meßkopf der Anordnung und den Meßabschnitt des Objektes,
Flg. 2 das Prinzip der Positionsmessung,
Fl g. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung,
Flg. 4 und 5 Einzelheiten der Schaltung nach Flg. 3 und

Flg. 6 das Prinzip der Azimutmessung.
In Flg. 1 Ist mit 1 ein Objekt, Im Ausführungsbeispiel ein Brennelement eines Kernreaktors, bezeichnet, dessen Position ermittelt werden soll. Hierzu wird es von einem nicht dargestellten Fühler, der gleichzeitig Greifer zum Herausnehmen des Brennelementes 1 aus dem Kern des Kernreaktors Ist, erfaßt. Dieser Greifer Ist senkrecht zur Achse des Brennelementes 1 beweglich. An Ihm ist ein zylindrischer, lerromagnetlscher Abschnitt 2 befestigt. Erfaßt der Greifer das Brennelement 1, so wird der Zylinder 2 in eine feste räumliche Beziehung zum Brennelement 1 gebracht. Ein Meßkopf mit den Spulen 3, 4 und 5 umgibt den Zylinder 2 und befindet sich in einer bekannten Position. Die Feststellung der Position des Brennelementes 1 besteht zunächst darin, die Abweichung beiner Achse von der Mitte des Meßkopfes festzustellen. Dieser besteht aus einer als Ringspule ausgebildeten Primärspule 4, einem unteren Spulenkranz 3 und einem oberen Spulenkranz 5. Für die Bestimmung der zentrischen Abweichung des Zylinders 2 von dem Meßkopf genügt ein Spulenkranz, z. B. der untere 3. Für die Azimutbestimmung, d. h. für die Verdrehung des Brennelementes 1 um seine Achse, werden beide Spulenkränze 3 und 5 benötigt.

/unilchsi soll die Bestimmung der Exzentrizität beschrieben werden. Wie schon erwähnt, befindet sich /in Positionsbestimmung der Zylinder 2 Im Bereich des MeUkonfes. Er Ist Teil eines Führungsrohres, an dessen

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Ende sich der Greller befindet. 1st die Position nicht exakt zentrisch, weil seit der letzten Positionsbestimmung Verschiebungen Im Kern aufgetreten sind, so verschiebt der Greller beim Aufsetzen auf" das Brennelement das lose aufgehängte Führungsrohr außermittig. Diese Verschiebung wird vom Spulensystem aufgenommen, da Amplitude und Phasenlage der an den Sekundärspulen auftretenden Signale von der induktiven Kopplung der Spulen durch den Zylinder 2 abhängen. Die im zentrisehen Zustand überall gleiche Kopplung wird Im nicht zentrischen Zustand durch die Stellung des Zylinders 2 verändert.

Flg. 2 veranschaulicht diese Verhältnisse. Die Flg. 2 a und 2 b zeigen in Schnittdarstellungen den exzentrisch in den Spulen 3, 4 und 5 angeordneten Zylinder 2. Jeder der Spulenkränze 3 und 5 besteht aus 12 Sekundärspulen 5Ί, S₁ ... Ss 2, die um jeweils 30° versetzt gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die von der Primärspule 4 in die Sekundärspulen eines Spulenkranzes Induzierten Spannungen U₁, U₂--. Un sind in Fig. 2c über den Umfang aulgetragen, F ä g. 2 d zeigt dieselben Spannungen in geometrischer Darstellung. Es ist ersichtlich, daß an der dem Zylinder 2 nächstliegenden Spule S₄ die größte Spannung U_t Induziert wird. Zur Positionsbestimmung des Zylinders 2 könnten im einfachsten Falle die 12 Spannungen geometrisch addiert werden, indem sie jeweils um 30° In der Phase gedreht und anschließend addiert werden. Dies kann jedoch zu Problemen führen, da sich die induzierten Spannungen nicht-linear mit der Auslenkung des Zylinders 2 ändern und zudem die Phase durch die Änderung der Luftspaltverhältnisse beeinflußt wird.

Fig. 3 zeigt eine diese Probleme umgehende Auswerteschaltung. Die Primärspule 4 wird aus einer konstanten Wechselstromquelle Q gespeist. Der Erregerstrom der Primärspule muß konstant gehalten werden, da Änderungen die Meßgenauigkeit beeinträchtigen würden. Hierzu wird der Strom mittels eines Strommeßwlderstandes gemessen, der arithmetische Mittelwert der an diesem auftretenden Spannung durch Gleichrichtung bestimmt und mit einem Sollwert verglichen und die Wechselstromquelle so eingestellt, daß die Differenz Null wird.

Jeder Sekundärspule Ist ein Kanal zugeordnet, der aus einem Impedanzwandler JW, einem RC-Filter F, einem Gleichrichter GL und einer Linearisierungsstufe LS besteht. Vor der Linearisierung werden je *wel Kanäle zusammengefaßt, so daß jeder Spulenkranz mit 12 Spulen 6 Spannungen abgibt, die In einer Summlerstufe SUO bzw. SUU addiert werden. Das Ausgangssignal dieser Summlerstufen ergibt die Position des Zylinders 2 In karteslschen Koordinaten. Die Position kann auf einem Sichtgerät SGP, In das ein Fadenkreuz eingeblendet Ist, durch einen Punkt dargestellt werden. Schließlich können an die Summlerer SUU und SUO Koordinatenausgaben KWU, Koordinatenwandler KWP und Phasenmesser PMP angeschlossen sein, die die Darstellung in kartesischen Koordinaten oder eine Darstellung in Polarkoordinaten ermöglichen.

Zur Bestimmung der Position werde der untere Spulenkranz 5 mit den Spulen S₁, S₁. .. Su herangezogen. Der Impedanzwandler JW enthält als wesentliches Element einen Operationsverstärker. Das Filter F 1st als aktives Filter ausgebildet und dient zur Unterdrückung von Störspannungen. Da nur kleine Meßsignale zur Verfügung stehen, muß die Wechselspannung so hoch verstärkt werden, daß die Drift von auf den Gleichrichter GL folgenden Glelchspannungsverstärkern 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 Ausgangssignale der Spulen S, und S₇, S₂ und S₈, Sj und S, usf. (vgl. Flg. 2 b) addiert. Durch diese Maßnahme werden der Temperaturgang und andere symmetrische Störgrößen eliminiert. Eine Linearisierung der Sekundärspulenspannungen ist deshalb erforderlich, well die Spulenspannung nicht-linear von der Exzentrizität des Zylinders 2 abhängig 1st, für die nachfolgende Auswertung aber eine solche Linearität bestehen muß.

Fig. 4 zeigt eine der Linearisierungsstufen LS Im einzelnen. Die Widerstände Rl und Λ2 bilden die Summlerschaltung für die über Eingänge £1 und El 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 Nlchtlinearltät zwischen Exzentrizität und Spulenspannung kompensiert wird. Je Spulenkranz sind nur 6 Llnearlslerstufen erforderlich, da je zwei Spulenspannungen vor der Linearisierung addiert sind. Die Ausgangsspannungen der 6 Linearislerstulen werden gleichstrommäßig geometrisch addiert. Dadurch wird der mit erheblichem Aufwand verbundene übliche Weg vermieden, die Gleichspannungen In Wechselspannungen umzuformen und ihnen eine jeweilige Phasenverschiebung zu geben, um geometrisch addieren zu können. Das Prinzipschaltbild der Addierstufe 1st In Fig. 5 dargestellt. Die dieser zugeführten 6 Einzelspannungen U₁*, U₂*... Ut* können positiv oder negativ sein, je nachdem, welche der beiden jeweils gegenüberliegenden Sekundärspulen eine größere Spannung abgibt. Diese 6 Spannungen werden auf zwei Summlerer aufgeteilt, einen Summierer S^, und einen Summierer S_x, deren Ausgangsspannungen ein Maß für die Auslenkung des Zylinders 2 In den beiden Koordinatenrichtungen eines karteslschen Koordinatensystems sind. Nach dem Zeigerdiagramm der Flg. 5 b Ist die Richtung vom Mittelpunkt zur Spule Si, deren Ausgangsspannung U\ zusammen mit der Ausgangsspannung £/₇ der ihr gegenüberliegenden Spule S₇ zur Spannung U* beiträgt, die y-Rlchtung. Entsprechend ist die Richtung vom Mittelpunkt zur Spule S< die x-Rlchtung. Größe und Vorzeichen der Summe der Komponenten In y-Richtung der Spannungen Ui*, U₂*... Ut* sind ein Maß für die Auslenkung des Zylinders In ^-Richtung, Größe und Vorzeichen der Summe der x-Komponenten dieser Spannungen für die Auslenkung in x-Richtung. Zur Bildung der Summe der Komponenten werden die Spannungen U\* ... Ut* mit unterschiedlicher Gegenkopplung in Verstärkern Vl und VS verstärkt. Für die Spannung U₁* beträgt der Gegenkopplungsgrad Eins und damit auch der Verstärkungsgrad des Verstärkers Vl Eins. Die Spannung Ui* wird mit dem Faktor sin 60° und die Spannung i/₃* mit dem Faktor sin 30°, entsprechend ihrer Komponenten In y-Rlchtung abgeschwächt. Zur Bildung der >>-Komponenten der Spannungen IZ₅* und Ut* müssen diese Spannungen zunächst invertiert werden, was in Verstärkern V3 und VA geschieht. Anschließend wird die Invertierte Spannung mit den Faktoren sin 30° bzw. sin geschwächt. Die am Ausgang des Verstärkers VL erscheinende Spannung U ist somit gleich der Summe der Komponenten.In ^-Richtung. Mit einem Potentiometer P kann der Nullpunkt des Verstärkers VL eingestellt werden.
Entsprechend werden zur Bildung der Komponenten in x-Rlchtung die Spannungen U₂* und Ut* mit dem Faktor cos 60° und die Spannungen U₁* und Ur* mit dem Faktor cos 30° multipliziert. Diese Spannungen werden zusammen mit der Spannung am Abgriff eines Potenilometers P_x, das zur Einstellung des Nullpunktes des Verstärkers VS dient, dem Invertierenden Eingang des Ver- , stärkers ^5 zugeführt, an dessen Ausgang die Summe der x-Komponenten der Spannungen erscheint. Die Summlerschaltungen Sy und S_x geben damit Spannungen ab, die In karteslschen Koordinaten die Auslenkung des Zylinders angeben. Mit diesen Spannungen kann das Sichtgerät SGP angesteuert werden. Ferner können diese Signale in dem Koordinatenwandler KWP tür die Posl- ^ tion in Polarkoordinaten umgewandelt werden, dessen | Ausgangsspannungen mit einem Phasenmesser PMP \··' angezeigt werden können. Ferner können diese Spannun- ■.--, gen digitalisiert und gespeichert werden. :

Mit der bisher beschriebenen Schaltung kann nur die Auslenkung der Brennelemente aus der Mittelachse des Spulensystems bestimmt werden. Es 1st aber auch wichtig, die Winkellage des Brennelementes im Kern zu kennen. Für die Azimutbestimmung werden als Empfänger der von der Primärspule S₄ abgegebenen Wechselspannungen der obere und der untere Spulenkranz mit Ihren je 12 Spulen benötigt. Bei dieser Messung wird mit Hilfe des Greifers das Brennelement in den Meßkopf hineingezogen. Am oberen Ende jedes Brennelementes befinden' sich zwei um 180° versetzte Ferritstücke 6 und 7, die In der Höhe so weit versetzt sind, daß sie vor den oberen bzw. unteren sekundärseltlgen 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 entspre-. chendes Signal erzeugt.

Flg. 6 veranschaulicht die Verhältnisse bei der Azimutmessung. Die am Brennelement 1 befestigten Ferritstücke 6 und 7 koppeln die Primärspule 4 mit den Sckun-därspulen 5 bzw. den Sekundärspulen 3. Die Messung muß auch dann durchgeführt werden können, wenn das Brennelement exzentrisch zum Spulensystem Ist. Es treten dann die in Flg. 6b als Vektoren dargestellten Spannungen auf. Der obere Spulenkranz 5 erzeugt eine Spannung U₀, welche die Richtung vom Mittelpunkt Ml des Spulensystems zum Ferritstück 6 angibt. Die vom unteren Spulensystem und der nachgeschalteten Elektronik erzeugte Spannung U₁₁ liegt in der Richtung vom Mittelpunkt Ml zum Ferrttstück 7. Zu ermitteln Ist die Spannung U_A. Bezeichnet man die geometrische Summe der Spannungen U₀ und U_u mit l/_s„ so gilt für die Spannung U_A die Bezeichnung:

Ua = U₀ ^i

₌ Uo-Uu

Diese Rechenoperation wird mit Hilfe von Operationsverstärkern durchgeführt. Mit der Spannung U_A hat man die azimutale Orientierung der Brennelemente in kartesiy sehen Koordinaten, wenn man In die oben angegebene Gleichung für die Spannungen U₀ und JZ₁ die enisprer: chenden Koordinaten U₀^ und U_Uy bzw. U_0x und U_11x ein^; setzt. Diese Rechenoperationen werden in einem an diet Summlerer SUO und SUU angeschlossenen Differenz!; rechner DIP durchgeführt und In einem Sichtgerät SG/ift dargestellt. An den DlTferenzrechner kann wieder elrjti Koordinatenwandler KWA mit einem Phasenmesser; PMA angeschlossen sein. Der Koordinatenwandler wandelt die von der Dlfterenzstufe DlF kommenden Gleich-?;

spannungen U_A, und (Λ,, In Polarkoordlnalcn um. Es werden hierbei die beiden von der F.lnhcll 1)11·' kommenden Spannungen U_Ay und U_A> In zwei um 90" verschobene Wechselspunnungcn umgewandelt. I)Ic Spannung U₁, olli um ¹Ml" gegen U,_u vor. Diese beiden

Werte werden anschließend addiert, so daß die Spannung U_A In Polarkoordlnaten vorliegt. Ihre Phase wird gegen eine feste Wechselspannung mit einem Phasenmesser gemessen. Damit liegt der Winkel zwischen Hrennelemcnt und Bezugspunkt fest.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

15 20 Patentansprüche:

1. Anordnung mit einem ringförmigen Meßkopf zum Feststellen der Position eines achsenparallel zu der Ringachse des Meßkopfes angeordneten stabförmigen Objektes, das mit einem Meßabschnitt versehen ist, der, zumindest während der Messung einen ersten ferromagnetlschen, koaxial zu der Stabachse liegenden, zylindrischen Axialabschnitt aufweist, wobei der Meßkopf einen ersten Spulenkranz mit auf einem Kreis um die Ringachse des Meßkopfes angeordneten Spulen aufweist, die zum Mittelpunkt des Kreises gerichtete Achsen haben und den Meßabschnitt umfassen und wobei in den Spulen induzierte Spannungen einen Rückschluß auf die Richtung und Größe der Achsversetzung vom Meßkopf und Objekt erlauben, gekennzeichnet durch folgend^ Merkmale: