DE7308636U - Vorrichtung zum Feststellen der Position von Objekten, insbesondere von Brennelementen eines Reaktors - Google Patents

Description

We/D ι '

9.9.197H

INTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg

Vorrichtung zum Feststellen der Position von Objekten, insbesondere von Brennelementen eines Reaktors

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 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 ^v per.

In den verschiedensten Bereichen der Technik tritt häufig das Problem auf, die Fosition 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 lie 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.

Zur Lösung dieses Problems wird erfiniungsgemäß vorgeschlagen, daß diti Vorrichtung aus einem Ring besteht, auf dessen Innenseite eine umlaufende Primärspüle und mindestens ein Kranz von zylindrischen Sekundärspulen ;->it zur Drehachse des Rings gerichteten Achsen angeordnet sind, wobei der lichte Durchmesser der Vorrichtung größer als der Außendurchmesser des ferromagnetischen Körpers ist. Der zylindrische, ferromagnetische Körper befindet sich also an dem OLjekt, dessen Position festgestellt werden soll. Die Primärspule und die Sekundärspule/i die den zylindrischen, ferromagnetischen Körper umgeben, haben eine bekannte

Position. Die Positionsbestimmung ergibt sich daraus, daß die Kopplung zwischen der Primärspule und den Sekurriärspulen unterschiedlich ist, je nachdem, wie weit der zylindrische, ferromagnetische Körper von den Sekundärspulen entfernt ist. Ist der ferromagnetische Körper konzentrisch zu den Primärspulen, so wird in jeder Primärspule dieselbe Spannung indu-

ÄjLtii't . LS Kanu jeücä üüjcKt mJ.~C einem Ι6ιΤΟΠΊΰξΓι£ΐ15ΰΓι£Γι ί\ΟΙ"-

per versehen sein. Es ist aber auch möglich, den ferromagnetischen Körper an einem Fühler zu befestigen, der jeweils ein Objekt erfaßt und senkrecht zur Achse des zylindrischen Körpers beweglich ist.

Die beschriebene Vorrichtung eignet sich zum Feststellen der Position der Objekte in der Ebene des Sekundärspulenkranzes. Zum Feststellen der Verdrehung eines Körpers um die senkrecht auf der Spulenkranzebene stehende Achse wird die erf ir.dungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in der Weise abgewandelt, daß sie einen zweiten Kranz von Sekundärspulen aufweist, der zum ersten Sekundärspulenkranz konzentrisch und gegenüber diesem in axialer Richtung versetzt ist» wobei der Abstand zwischen den Sekundärspulenkränzen annähernd gleich demjenigen zwischen zwei am Objekt sowohl um 18o° azimutal gegeneinander als auch axial versetzt angeordneten Ferritstücken ist. Der die Ferritstücke aufweisende Teil der Objekte einerseits und die Spulen andererseits sind derart gegeneinander verschiebbar, daß der erste Spulenkranz die Objekte im Bereich der ersten Ferritstücke und der zweite Spulenkranz im Bereich der zweiten Ferritstücke umgibt.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen

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

Figur 6 das Prinzip der Azimutmessung.

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In Figur 1 ist mit 1 der Körper, im Au;.;.fülirungsbeispiel ein Brennelement eines Kernreaktors bezeichnet, dessen Position ermittelt wurden soll. Hierzu wird es von einem nicht dargestc-':ll cen Fühler¹, der gleichzeitig Greifer zum Herausnehmen 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, ferro-• :ici;-;iici L ijciier Ko t-oo. ν 2 beie.j L J. >?c . LrfaliL er diia 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. Dieses besteht aus einer Primärspule U, einem unteren Spulenkranz 3 und einem oberen Spulenkranz 5. Für die zentrische Abweichung zur Bestimmung der Exzentrizität des Ferritzylinders von dem Spulensystem genügt ein Spulenkranz, z. B. der untere 3, Für die Azimutbesti.inmung, d. h. für die Verdrehung des Brennelementes 1 um seine Achse, werden beide Spulenkränze 3 und bcnö L .i i^;, L .

ächst soll die Bestimmung der Exzentrizität beschrieben werden. Wie schon erwähnt, befinde:! sieh zur Postionsbastimmung der Ferritzylinder 2 im Bereich des Spulensystems. Er isr Teil eines Führungsrohres, an dessen. Ende sich der Greifer befindet. Ist die Position nicht exakt zsntrisch, weil seit der letzten PositicnsDestiiriraungen Verschiebungen im "Core" aufgetreten sind, so verschiebt dei¹ Greifer beif.; Aufsetzen auf el is Brennelement das lose auf geh Hngte Führungsrohr au ftp. rniittig. Diese Verschiebung wird vom Spulensystei? aufgenommen, da Amplitude und Phasenlage der an den Sekundärspulen auftretenden Signale von der induktiven Kopplung der fJpulensyszeine durch den Ferritzylinder 2 abhängen. Die im sentrischen Zustand überall gleiche Kopplung wird im nicht zentrisciieri Zusxand durch die Stellung des Feri^itzylinders 2 verändert.

Figur 2 veraiisckdul ich t diese Verhältnisse, .jie Figuren 2a ' und 2 b zeig·:·:; {:. ;'ehr. i. Ι: ':..Lu'..; ^;_:-.:llu:i.'V-^:n '*■·''■-"■ -*>.·.'■.:::'-.■' '.:·:::ι .i ν: den 3puLensystemen 3, ^l; und 5 angeordneter; Ferrit ·>;ν1:i nder 2. Jeder¹ der Spulenkränze 3 und 5 be.-.teht aus 12 Snkundärspulen Sl, 32 ...312, die um jeweils 30 versetzt gleichmäßig üL-er den Umfang verteilt sind. Die von der Primärspule 4 in die Sekundärspuleri eines Spulenkranzes induzierten Spannungen Ul, U2 .,,Ul? si. ι κ! in Figur 2c über den ümfanp, äufiietrapen, Figur 2d zeigt dieselben Spannungen in geometrischer Dar:; teilung. Ln ist ersichtlich, daß an der Spule S4, zwischen der und dam Ferritzylinder 2 der kleinste Abstand ist, die größte Spannung U4 induziert wird. Zur Positionsbestimmung des Ferritzylind-.-irs 2 könnten im einfachsten Falle die 12 Spannungen geometrisch addiert werden, indem sie jeweils um 30 in der Phase gedreht una anschließend addiert werden. Da sich die Eingangsspannung aber nicht linear mit der Auslenkung des FerritZylinders 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.

Figur 3 zeigt eine vorteilhafte Ai":-. erteschaltung. Die Primärspule. 4 wird aus einer Konstantstromquexle Q gespeist. Der Erregerstroip der Primärwicklung muß konstantgehalten werden, da Änderungen die Meßgenauigkeit beeinträchtigen wurden. Hierzu wird der Strom mittels eines Stromineßwiderstandes gemessen, der arithmetische Mittelwert der an diesem auftretenden Spannung durch Gleichrichtung bestimmt und mit einem Sollwert verglichen und der Erregerstrom so eingestellt, daß die Differenz Null wird.

Jeder Sekundärspule ist ein Kanal zugeordnet, der aus einem Impedanzwandler IW, einem RC-Filter F, einem Gleichrichter GL und einer Linearisierungsstufe LS bestellt. Vor der Linearisierung werden je zwei Kanäle zusammengefaßt, so daß jeder Spulcnkranz mit 12 Spulen 6 Spannungen abgibt, die in einer Summierstufe SUO bzv;. SUU addiert worden. Das Ausgangesignal dieser Summierstufen ergibt die Position des Ferritzylinders 2. in kartesiscnan Koordinaten. Die Position kann auf einem Sichtgerät SGP, in das ein Faden-

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Figur ι* zeigt die Lineari&ierur.gr. 3tu£ e i::>. einseinen. Die-

'erstände Rl und R2 bilden die Surimierschaltung füi· die über Eingänge Ll und E2 zugeführten Signale von zwei gegenüberliegenden Spule;·.. Die Sumr.crispannung wird dem invertierenden Eingang eines Verstärkers V zugeführt, der über eine nicht bezeichnete Ividers tandEdiodenkonibination äcra^ nicht linear gegerigekoppolt ist, ddß die Nichtlincai-'ität zwischen Exzen'rr-izität und Spulenspannung ko.Ti;pe:isiert wird. Je Gpuleukranz sine' nur 6 Linearisiorctufc:\ erforderlich, cn ic zwei Spiilorispaririiinf.eu \'or der Li'/ieari s i erui;;; addiert. t;ind.

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V2 und VS verstärkt. Für die Spannung Ul' beträgt der Gegenkopplungsgrad Eins und dairiit auch der Verstärkungsgrad des Verstärkers V 2 L'ins. Die Spannung U2 ' wird mit dem Faktor sin 60

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die Spannung U3 ' mit der:. Faktor η in 30 , entsprechend ihrer Komponenten in Y-Rich tuiig abgeschv:"chί . Zur Bildung, der Y-Komponenten der Spannungen U5 ' und Ub ' ::iü.: η diene Spannungen zunächst invertiert werden, was ii. Ve:·:; t. ':'}.■.? rr. VJ und V4 geschieht. Anschließend wird die invertierte Spannung mit den Faktoren sin 30 bzw. sin f30" geschw.üeh r:. Die am Ausgang des Verstärkers V2 erscheinende Spannung UY ist somit gleich der Summe der Komponenten in Y-Ri.chtuug. MlL einem Potent io!;;·.;ter FY kann cli:r Nullpunkt des Verstärke r s V .·: e ' η g e s teil t w e r α e r ι.

Entsprechend werden zur Bildung der Komponenten in X-Richtunr l/"j ή Ί-λ ίϊΓαηΓίΤιίώη 1'2 und UG ir.it dem Faktor cos GO und die Sd?.;inur.j;=:! U3^r" und U& ^x mit dem Faktor cos 30^' multipliz;iert. Diese Sviaa:iungt"Mi werden zusammen mit der Spannung am Abgriff eines Potent icraeters PX, das zur I'ir.stellung des Nullpunktes des Verstärkers V5 dient, dem Invertierenden Eingang des Verst'Arker't-V5 zugeführt, an dessen Ausgang die Summe der X-Komponenten der Spannungen erscheint. Die Suinmierachaltungen SV und .';X geben damit Spannungen ab, die Ir: kartesischen Koordinaten die Auslenkung des Ferritzylinders angeben. Mit diesen Spannungen kann das Sichtgerät SGP angesteuert werden. Ferner können diese Signale In dem Koordinatenwandler KWP für die Position in Polarkoordinaten umgewandelt werden, dessen Ausgangsspannungen mit einem Phasenmesser PHP angezeigt werden können. Ferner können diese Spannungen digita isiert und gespeichert werden.

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 34 abgegebenen Wechselspannung der obere und der unter Spulenkranz mit ihren je 12 Spulen benötigt. Bei dieser Messung wird mi- Hilfe des Greifers das Brennelement in das Spulensystem hineingezogen. im Kopf jedes Brennelementes befänden sich zv/ei um 180 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 Winkellöge entsprechendes Signal erzeugt.

Figur b veranschaulicht die Verhältnisse bei der Azimutmessung. Die am Brennelement 1 bo for.tigten Ferri t -; lücke 6 und 7 koppeln die Pr i :uärspul·-. 4 mit den Sekund.'irspuleu 5 b".w. den Sokun.där-

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spulen 3. Die Messung muß auch dann durchgeführt werden können, wenn das Brennelement exzentrisch zum Spulensystem ist. Es treten dann die in Figur 6b als Vektoren dargestellten Spannungen auf. Der obere Spulenkranz 5 erzeugt eine Spannung UO, welche die Richtung vom Mittelpunkt Ml des Spulensystems zum Ferritstück 6 angibt. Die vom unteren Spulensystem und der nachgeschalteten Elektronik erzeugte Spannung UU liegt in der Richtung vom Mittelpunkt Ml zum Ferritstück 7. Zu ermitteln ist die Spannung UA. Bezeichnet man die geometrische Summe der Spannungen UO und UU mit USl, so gilt für die Spannung UA die Bezeichnung:

UA = UO - ψ = ^U0 - ^UU

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 3ntsprechenden Koordinaten UOY und UUY bzw. UOX und UUX einsetzt. Diese Rechenoperationen werden in einem an die Summierer SUO und SL¹J angeschlossenen Differenzrechner DIF durchgeführt. An diesen kann wieder ein Koordinatenwandler KWA mit einem Phasenmesser PMA angeschlossen sein. Der Koordinatenwandler wandelt die von der Differenzstufe DIF kommenden Gleichspannungen UAX und UAY in Polarkoordinaten um. Es werden hierbei die beiden von der Einheit DIF kommenden Spannungen UAY und UAX in zwei um 90 verschobene Wechselspannungen umgewandelt. Die Spannung UAY eilt um 90 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.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Feststellen der Position von 0bJ3kten mit einem in eine bestimmte räumliche Beziehung zu dem Objekt zu bringenden zylindrischen, ferromagnetischen Körper>

dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus einem Ring besteht, auf dessen Innenseite eine umlaufende Primärspule (4) und mindestens ein Kranz von zylindrischen Sekundärspulen (3, 5) mit zur Drehachse des Rings gerichteten Achsen angeordnet sind, wobei der lichte Durchmesser der Vorrichtung größer als der Außendurchmesser des ferromagnetischen Körpers (2) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß sie einen zweiten Kranz von Sekundärspulen (5) aufweist, der zum ersten Sekundärspulenkranz (3) konzentrisch und gegenüber diesem in axialer Richtung versetzt ist, wobei der Abstand zwischen den Sekundärspulenkränzen (3, 5) annähernd gleich demjenigen zwischen zwei am Objekt (1) sowohl um 180° azimutal gegeneinander als auch axial versetzt angeordneten Ferritstücken (6, 7) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Windungen der Primärspule (4) parallel zu den Sekundärspulenkränzen (3, 5) verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 _v dadurch gekennzeichnet,

daß die Primärspule (4) zwischen den Sekundärspulenkränzen (3, 5) angeordnet ist.