JPH0367561B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、原子炉の炉心内に挿入可能な制御
棒およびその他の棒のような、軸方向に可動の磁
気透過性の長い部材の終端の位置を表すデイジタ
ル信号を発生するための装置に関するものであ
る。そしてその長い部材の終端が順次に通過する
間を置いた一連の電気コイルと、最少のハードウ
エアおよび配線でもつて明瞭なデイジタル位置信
号を発生するようそれらコイルを接続するための
独特の配列とを使用している。 軸方向に可動の磁気透過性の長い部材の位置を
遠隔的に決定することが望ましい場合の多くの応
用がある。そのような応用の１つは原子炉の炉心
内に挿入可能の種々の型の棒の位置を監視するこ
とである。これらは、原子炉内の動力レベルおよ
び動力の配分を調整する制御棒、および炉心の反
応度を制御するために使用されるグレイ棒
（grayrods）やその他どんな型の棒をも含む。 加圧水型原子炉にとつて、各々の制御棒の正確
な位置を知ることは最も重要なことである。隣接
した棒において貫通における38.1センチ（15イン
チ）以上の差は望ましくないと考えられている。
加うるに、制御棒の位置対熱出力の正確な知識は
炉心内の燃料の燃焼状態を決定するために使用さ
れ得る。 加圧水型原子炉における制御棒は圧力容器内で
動き、米国特許第3158766号に記載されているよ
うな磁気ジヤツク機構のような駆動機構によつて
上方向または下方向に増分的に動かされ得る駆動
棒に固着されている。駆動棒は、棒移動ハウジン
グの密封され加圧された環境内で制御棒の移動軸
に沿つて原子炉ヘツド（head）を通して長手方
向に延びている。加圧容器の密封の完全性を維持
することは最も重要なことであるので、加圧環境
の損失の可能性を減じるために機械的貫通は最少
に保たれる。従つて原子炉の炉心内での制御棒の
相対位置を検出するためのどんな機械的貫通も許
容されない。実際の制御棒の位置を検出すること
は非常に難しいので、駆動棒の位置を検出しその
位置から制御棒の位置を引き出すことが現在行な
われているところのものである。 駆動棒の位置を検出するために工夫されたいく
つかの装置がある。初期の装置はコイルのインピ
ーダンスにおける変化、もしくは駆動棒がコイル
を通して移動して棒位置を示すアナログ信号を発
生する時、その駆動棒の終端によつて為される一
次および二次コイル間の結合における変化を使用
した。このようなアナログ装置は、温度変化、棒
の磁化変化、棒の透磁率の変化、および電源電圧
や周波数の変化に対して敏感であり、さらに隣接
の制御棒および駆動機構からの干渉に対しても敏
感ので、デイジタル位置指示装置の発展をもたら
した。このような装置は米国特許第3846771号に
開示されている。この装置は、棒の終端によつて
描かれる直線経路に沿つて離されているいくつか
の別々のコイルを使用している。棒が引き続くコ
イルを通して進む時各コイルのインピーダンスに
おける順次の変化が、離散もしくは不連続の出力
信号を発生するように、もしくは離散もしくは不
連続のレベルを有した一つの出力信号を発生する
ように使用される。一実施例においては隣接のコ
イルは各々差動増幅器に接続され、それ故棒の終
端によつて貫通されてしまつた１つのコイルと貫
通されていない１つのコイルとに接続された該増
幅器が最大の差信号を発生し、この最大の差信号
が棒の位置を示すようになつている。 米国特許第3858191号は、冗長を与えるように
設けられた（interleaved）、これら離散したコイ
ル検出器の２組を使用している。この装置におい
てはコイルの各組における差のAC信号は各々整
流され、低域フイルタを通されてDC成分を抽出
する。これらDCの差信号は次にトラツキングレ
ベル検出器／解読器回路内の比較器の非反転入力
に与えられる。この検出器／解読器回路において
比較器の出力は共通母線上で反転入力にフイード
バツクされ、それ故最大量の差信号が与えられる
比較器だけが動作状態に切り換えられる。比較器
出力はまた、その組内の最大の差信号を表す符合
化されたデイジタル信号を発生し、それは他の組
からの符合化された信号と一緒に処理されて制御
棒の位置を示す表示を発生する。米国特許第
3893090号は、同様に設けられた（interleaved）
冗長システムを開示しており、これにおいて処理
手段は、冗長の組の一方が使用不能になつたとき
優勢であるより粗雑な分解能（coarser
resolution）に棒位置の表示を調節する。 M.M.FeilchenfeldとC.G.Geisの名のもとに
1984年１月24日に出願された、共有される米国特
許出願連続番号第573459号「補償を有するデイジ
タル、電磁棒位置指示器」には、デイジタル出力
信号が１つのコードから次のコードへ変化するコ
イルと相対的な位置を自動的に調節する補償信号
をデイジタル形態で記憶することにより、これら
の個々のコイルデイジタル位置検出器の正確さを
改良した装置が開示されている。棒の移動方向に
対して、反対方向に対して、そして最初の立ち上
がりもしくは電源故障の後の立ち上がりに対し
て、正確な補償を与えるために必要とされる回路
は、非常に高い正確さが要求される場合、経済的
にのみ正当化された装置に対してはかなりの複雑
さを加える。 新しいものを販売する市場および改造を行う市
場（retrofit market）の双方のために位置検出
器の大きさと価格を減ずることは常に望ましいけ
れども、監視されるべき非常に多くの棒を有した
いくつかの新しい型の原子炉のための棒位置検出
器の場合に、そのことは特に切迫したものとな
る。電流信号ではなく電圧を発生する検出器は少
量のワイヤの使用を可能とするけれども、センサ
から導かれるワイヤがより少量で良い検出器を設
計することもまた望ましいことである。 この発明によれば、磁気透過性および／または
導電性の長い部材の終端の位置は該長い部材の終
端によつて追随される経路に沿つて間を置いて配
置された一連の別個の電気コイルのインピーダン
ス変化を監視することによつて検出される。コイ
ルは組に接続され、各組は、２つの群を含み、そ
の群の各々は並列に接続された同数のコイルを有
し、そして２つの群は共通ノードで直列に接続さ
れる。与えられた組内のいずれのコイルもその組
内の他のコイルのどれとも隣接はしていない。す
なわち、長い部材の終端は、与えられた組内のコ
イルの間で別の組内のコイルを通して通過する。 コイルの各組を横切つて、かつ共通ノードにお
いて直列に接続されるインピーダンスの対、好ま
しくは抵抗器の対を横切つて、交流電流源が接続
される。コイルの各組における第１の群内のコイ
ルのインピーダンスの、第２の群のインピーダン
スに対する比が、第１の抵抗器のインピーダンス
の、第２の抵抗器のインピーダンスに対する比と
等しく、好ましくは全てのコイルのインピーダン
スが同じであり、そして抵抗器が電気的値におい
て等しい場合には、長い部材の終端が組の各群に
おける同数のコイルを貫通した時、すなわち組内
のコイルのいずれも貫通していないか、コイルの
全てを貫通したか、または例えば各群内の１つの
コイルだけを貫通した時には、抵抗器の共通ノー
ドと、コイルの組の共通ノードとの間に電圧差が
ないであろう。しかしながら、長い部材の終端が
与えられた組内のコイルの２つの群において等し
くない数のコイルを貫通する位置においては、そ
の組の共通ノードと、抵抗器の共通ノードとの間
に交流の差電圧が現れるであろう。これらコイル
は、長い部材の終端が連続するコイルを通つて通
過する時、コイルの組の共通ノードと抵抗器の共
通ノードとの間に現れる差電圧の全パターンが長
い部材の終端の位置を示すように独特に変化する
ように、種々の組と群に割り当てられる。 長い部材の終端の位置を現す両意性のないコー
ドすなわち明瞭なコードを提供するために、コイ
ルの組の総数は１つの組内のコイルの数に少なく
とも等しくなければならない。 偶数個のコイルは１つの組を構成する２つの群
に等しく分割することができるけれども、両意性
のないデイジタル出力信号を生ずるに必要な桁の
数を最少にするようにして、１つの組に２，４，
８等のコイルを割り当てることが長所的である。
スケールの他端において、１群内のコイルの数を
１つに減じて、１つの組が直列に接続された２つ
のコイルを有するようにすることができる。この
後者の配置はより配線を必要とするけれども、信
号状態間での判別度は良好なものを提供する。 抵抗器の共通ノードと、コイルの各組の共通ノ
ードとに接続された出力信号発生手段は、長い部
材の終端の位置を表す、交流差電圧の信号パター
ン、好ましくは２進信号のパターンで生じる。こ
の発明の実施例においては、交流の差電圧は平均
の直流信号に変換され、その平均の直流信号はス
レシヨールド電圧と比較されて２進出力信号を発
生する。スレシヨールド電圧は、検出器コイルが
さらされている環境条件に応じて手動または自動
で変更され得る。好ましい実施例においては交流
電流源を横切つて２つの付加的なコイルが直列に
接続されており、これら２つの付加的なコイルは
長い部材の終端の正常な移動範囲を超えた場所に
位置付けられており、その１つは棒によつてすで
に貫通されており、そしてもう１つは棒によつて
決して影響されることはない。これら付加的なコ
イルの共通ノードと、抵抗器の共通ノードとの間
で発生される差電圧は、温度のような環境条件
や、交流電流源の電圧変動に対する補償を与える
ように可変のスレシヨールド電圧を発生するよう
に使用され得る。スレシヨールド電圧は、長い部
材の終端がコイルの中間点のようなある選ばれた
点を通過した時に２進出力信号が１つの値から次
の値に変化するようにスケール化されている。 この発明は、原子炉の反応度に影響を与える
種々の型の棒を炉心内に貫通するのを監視するよ
うに適合されているので、必要な配線量を大いに
減じるという点において特に長所的である。電子
回路は検出器コイルから離れた場所にあるので、
最も関心のあるのはコイルの組の共通ノードから
離れた場所への配線である。各コイルの組が２つ
の直列接続されたコイルを含んでいるだけのこの
発明の実施例の場合においてさえ、離れた信号配
線は従来装置に対して半分だけ減ぜられる。１つ
の組内のコイルの数を増加すれば算術的に信号配
線の数を減少する。例えば１つの組内に４つのコ
イルの場合には配線は3/4だけ減ぜられ、８つの
コイルの組の場合には7/8だけ減ぜられる。幾つ
かの従来技術で必要であつた電流信号とは反対に
電圧信号を伝送することが必要なだけなので配線
のサイズを減少することができこの配線のサイズ
を減少することは配線の数を減少することと相ま
つて、材料、空間、および価格における節約量の
合計はかなりのものであり、このことは設置され
るべき約180個の棒を有したより新しいプラント
にとつて特に重要である。 この発明は図面と共に為される以下の説明から
充分に理解されることができるであろう。 この発明は原子炉の制御棒のための位置指示装
置に適用されるように記載されるけれども、長手
方向に可動の、磁気透過性および／または導電性
の、長い部材の終端の位置を監視することが望ま
しい場合の他の設備に対しても広く適用されるこ
とを理解すべきである。第１図に示されるよう
に、原子炉内の制御棒（図示せず）に接続される
駆動棒１は管状のハウジング３内で長手方向に可
動である。駆動棒は好ましくは鋼のような高い磁
気透過性の材料からなる。また磁界によつてうず
電流が誘起され得る導電性材料から成つていても
良い。複数個の電気コイルL₁〜L₂₀（拡大スケール
を使用し得るようにその一部だけが示されてい
る）は、間をおいた間隔でハウジング３を取り巻
いている。コイルの数およびそれらの間隔は、棒
位置の移動の範囲および所望の棒位置の分解能に
依存しており、それ故示されたコイルの数は単に
説明のためだけのものである。補償を与えるため
に２つの付加的なコイルL_AおよびL_Bがコイル配
列の両端に設けられている。これについては以下
に一層詳細に説明する。これら付加的なコイル
は、常にコイルL_Aを通つて延びているが決して
コイルL_Bに達することのない駆動棒１の移動の
限界を超えている。 第２図に示されるようにコイルL₁〜L₂₀の各々
は低い電圧、低い周波数、例えば12ボルト、60Hz
の交流電源５によつて付勢されている。コイル内
にこのような低い周波数電流によつて発生される
磁界は非磁気的ハウジング３を貫通し、そしても
しあるならば駆動棒１を貫通する。駆動棒は導電
性でありおよび／または好ましくは磁気透過性で
あるので、連続した各コイルのインピーダンスは
駆動棒の終端がそれを通過する時変化する。それ
故コイルのインピーダンスにおける引き続く変化
を監視することによつて棒の移動を追跡すること
ができる。 第２図に示されたこの発明の一実施例におい
て、直列接続された一対の抵抗器R₁およびR₂と
一緒に検出器コイルの対が交流電流源５を横切つ
て直列に接続されている。直列接続されたコイル
の各対には演算増幅器７が関連しており、この演
算増幅器７は関連したコイル対の共通ノード９に
接続された一方の入力と、直列接続された抵抗器
R₁およびR₂間の共通ノード１１に接続された第
２の入力とを有している。演算増幅器７は抵抗器
対の共通ノード１１に現れる交流電圧と関連のコ
イル対の共通ノード９に現れる交流電圧との差を
増幅し、交の差信号を発生する。この交流の差信
号はデイスクリミネータ１３に与えられ、その
各々はデイジタル出力信号D₀〜D₉を発生する。 抵抗器R₁およびR₂の抵抗の比は、第２図に示
された各対における上側コイルのインピーダンス
と下側コイルのインピーダンスの比に等しいの
で、そして好ましくは抵抗器もコイルも整合され
ているので、駆動棒の終端がいずれかのコイルを
貫通していない時、もしくは双方のコイルを貫通
してしまつた時、抵抗器対の共通ノード１１にお
ける電圧と、与えられたコイル対の共通ノード９
における電圧とは同じである。駆動棒１が一つの
対における一つのコイル、例えばL₁を貫通し始
めた時、そのコイルのインピーダンスは変化して
差の交流電圧を発生し、その差の交流電圧は関連
の演算増幅器７によつて増幅される。増幅された
交流の差電圧がスレシヨールド値に達した時、関
連のデイスクリミネータ１３によつて発生される
デイジタル信号D₀はその値を変える。以下にさ
らに詳細に説明されるように、デイジタル出力が
変化する点のスレシヨールド値は、駆動棒１の終
端がコイルの中間点を通つて通過した時にその出
力信号が低状態から高状態に変化するように設定
され得る。駆動棒１が移動し続け、コイルL₂を
通つて通過した時、その出力信号D₁は低状態か
ら高状態に切り換えられる。駆動棒がコイルL₃
を通過した時、信号D₀は低状態に戻される。何
故ならば関連の対L₁及びL₃における双方のコイ
ルが駆動棒によつて貫通されているので、共通の
抵抗器ノード１１と関連の共通コイルノード９と
の電圧差がもはやスレシヨールド電圧を超えてい
ないからである。これらの条件下で、信号D₁は
駆動棒１の終端がコイルL₅を通過してしまうま
で高状態に留どまる。そして駆動棒１の終端がコ
イルL₅を通過する時点までには、駆動棒の終端
がコイルL₅以前にコイルL₄を通過しているので
信号D₂は高状態である。表１は、駆動棒１の終
端がコイルL₁〜L₂₀のシリーズを通つて進む時に
発生される２進出力信号D₀〜D₉のパターンを示
す。

【表】

【表】 第２図からは、直列接続された各対におけるコ
イルは互いに隣接していないと言うことが認めら
れる。このことは、コイルに相対的な駆動棒１の
終端のすべての位置に対して、出力信号D₀〜D₉
のための独特のパターンを提供する。もし、例え
ばコイルL₁およびL₂が対にされているならば、
すべての信号D₀〜D₉は、コイルのいずれも貫通
されていない時に低状態にあり、コイルL₁が貫
通されている時にD₀が高状態になると共に駆動
棒がL₂を通過した時再び低状態となるであろう。
このようにすべての出力信号は再び低状態となる
であろう。もしすべてのコイルが対内で順次に接
続されるならば、駆動棒が各対の第２のコイルを
通過するごとに出力信号がすべて低状態になると
言う、このような曖昧性が生じるであろう。ある
与えられた対における第２のコイルが貫通される
前に別の対における別のコイルが貫通されると言
う条件を与えることによつて、表１に示されたよ
うな出力信号の独特のパターンが発生される。駆
動棒１の移動のいずれの方向においても曖昧性が
発生しないということを確実にするために、与え
られた１つのコイル対の両側での対における各１
つのコイルがその与えられた対内のコイルの間で
駆動棒の終端によつて貫通されるように中間のコ
イルの対を選んでいる。 第２図に示されたこの発明の実施例では、検出
器から、演算増幅器７で始まる離れた場所にある
電子回路まで、コイルの各対のための１つの信号
ワイヤと、交流電源のための２つのワイヤだけが
必要であるのがわかる。さらに信号ワイヤは電圧
信号だけを運ぶので、それらは非常に小さいゲー
ジであつて良い。このことは従来装置に比して空
間および材料における重大な節約をもたらす。抵
抗器R₁およびR₂は離れた場所にある電子回路の
物理的な部分であるので、それらの共通ノード１
１から演算増幅器７へのリードはたいした問題で
はなく、再度それが電圧信号を運ぶだけなので、
非常に小さいゲージであつて良いものである。 この発明の第２の実施例が第３図に示されてい
る。この装置において、コイルL₁〜L₂₀は組で配
列され、各組は上側群と下側群とを含み、各群は
並列に接続された２つのコイルを含み、コイルの
２つの群は共通ノード９′において直列に接続さ
れている。第２図の回路の場合におけるように、
コイルの各組の共通ノード９′における電圧が、
演算増幅器７において抵抗器R₁およびR₂の共通
ノード１１における電圧と比較される。再度、増
幅された交流の差信号はデイジタル信号発生器１
３′に与えられ、このデイジタル信号発生器１
３′は平均直流差信号を発生する整流器／フイル
タ回路１５と、平均直流差信号をスレシヨールド
信号と比較する比較器１７とを含み、そして差電
圧がそのスレシヨールドに等しいかもしくはそれ
を超えた時に高状態を有すると共にそうでない時
には低状態を有するデイジタル出力信号を発生す
る。 スレシヨールド電圧は固定であるかもしくは手
動で調節可能な基準電圧であつても良く、さもな
ければ示されたように自動的に発生される信号で
あつて良い、自動的なスレシヨールド電圧を発生
する１つの方法は、２つの付加的なコイルL_Aお
よびL_Bを直列に接続し、それらの共通ノード１
９における電圧を演算増幅器２１において抵抗対
の共通ノード電圧と比較し、そして差の交流電圧
の関数として信号発生器２３において直流スレシ
ヨールド電圧を発生することである。この配列に
おいて、信号発生器２３は、駆動棒１の終端が関
連のコイルL₁〜L₂₀の中間点を通過した時に比較
器１７の出力状態が切り変わるように選ばれたス
レシヨールド電圧を発生する。スレシヨールド電
圧を生ずるために、コイルL₁〜L₂₀と同じ環境内
に位置付けられたコイル対L_AおよびL_Bを使用す
ると、デイジタル位置信号の関連の桁が状態を変
える各コイルに関係した点での、温度および供給
電圧における変化の影響に対して自動補償を与え
る。 第３図の装置によつて発生されるデイジタル出
力信号D₀〜D₄のパターンが表２に示されている。

【表】 駆動棒１の終端が、与えられた組内のコイルの
間の、別の組内にある１つのコイルを通過し、そ
れ故どんな曖昧な出力信号をも発生されないと言
うことがわかる。また検出器から離れた所にある
電子回路へ、４つのコイルごとの１つのワイヤ
と、交流電源のための２つのワイヤとだけを走ら
せることが必要であるのがわかる。組内のコイル
の結合は検出器系統の効率をこのように非常に増
加する。１つの組内に２個、４個、８個等のコイ
ルを結合して、最小の２進桁数でもつて曖昧性の
ないデイジタル出力信号を得るようにすることが
長所的である。しかしながら、１つの組にコイル
を追加することに関しては制限がある。駆動棒の
終端のすべての位置に対して独特の出力信号を発
生するために、コイルの組の数は、１つの組内の
コイルの数よりも少なくてはならない。加うるに
コイルが１つの組に追加されるにつれて、その組
内の１つのコイルを経て駆動棒の終端が通過する
ことによつて生ずるインピーダンスの相対変化は
増々小さくなる。それ故差の交流信号はより小さ
くなり、そして容易に検出することがより難しく
なる。 要するに、この発明は最小のハードウエアおよ
び配線でもつて軸方向に可動の棒の位置を正確に
監視することができる。加うるに、デイジタル位
置信号は計数を行うことなく発生されるので、電
力の遮断が読み取りに影響を与えるということは
ない。また表１および表２を調べると、この発明
によつて発生されるデイジタル信号はグレー・コ
ードに従うと言うことがわかる。このグレー・コ
ードとは、出力信号の１つの桁だけが一度に状態
を変えるものである。このことは、与えられた変
遷点で２つまたは３つ以上の桁が状態を変えると
いう本当の二進符号化信号において生じ得る誤つ
た信号を除去し、その変化は同時には生じない。 この発明の特定の実施例が詳細に説明されてき
たけれども、それら細部に対して種々の変更がこ
こに説明されたすべての教えに鑑みて発展され得
ることは当業者には理解されるであろう。従つ
て、示された特定の装置は単に説明のためだけの
ものであり、この発明の範囲をそれに制限しよう
とするものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明によるデイジタル位置検出
器の配列を説明するために、原子炉の駆動棒組立
体の部分を示す縦断面図、第２図は、この発明の
一実施例による駆動棒位置検出器装置を示すブロ
ツク回路図、第３図はこの発明の別の実施例によ
る駆動棒位置検出器装置を示す回路図である。図
において、１は駆動棒、３は管状のハウジング、
L₁〜L₂₀は複数個の電気コイル、L_AおよびL_Bは付
加的コイル、５は交流電源、７は演算増幅器、
９，９′および１１は共通ノード、１３はデイス
クリミネータ、１３′はデイスクリミネータ、１
３′はデイジタル信号発生器、D₀〜D₉はデイジタ
ル出力信号、R₁およびR₂は抵抗器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 長手方向に可動の長い部材の終端の位置を検
   出するために、 前記長い部材が長手方向に動く時順次に通過さ
   れる、間をおいて離された複数個の電気コイルで
   あつて、前記長い棒が通過するにつれてそのイン
   ダクタンスを変えるものと、 前記複数個のコイルを組に接続する手段であつ
   て、前記各組は並列に接続された同数の前記コイ
   ルを有する第１および第２群を含み、コイルの２
   つの群は共通ノードで直列に接続され、与えられ
   た組内のコイルのいずれもその組内の他のどのコ
   イルとも隣接してはおらず、そして組の数は少な
   くとも１つの組内のコイルの数に等しいようにさ
   れたものと、 共通ノードで直列に接続された一対のインピー
   ダンスと、 前記コイルの組と前記インピーダンスの対とを
   横切つて接続された交流電流源と、 インピーダンスの対のインピーダンス比が、第
   １群における各コイルのインピーダンスの各組の
   第２群における各コイルのインピーダンスに対す
   る比と同じであるようにして前記インピーダンス
   の対の共通ノードと前記コイルの組の各々の共通
   ノードとの間に接続された出力信号発生手段であ
   つて、前記長い部材の終端によるコイルの通過に
   よつて生ずる、各コイル内のインピーダンスの連
   続変化に応答して、前記コイルと相対的な前記長
   い部材の終端の位置を表す出力信号を発生するよ
   うにしたものと、 を備えたことを特徴とする長手方向に可動の長い
   部材の終端の位置を検出するための装置。