CN1003750B

CN1003750B - 数字式棒位探测系统

Info

Publication number: CN1003750B
Application number: CN85108640.3A
Authority: CN
Inventors: 迪尔克·简·伯姆加德; 詹姆斯·阿尔伯特·约纳
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-10-03
Filing date: 1985-09-29
Publication date: 1989-03-29
Also published as: DE3571287D1; EP0177007A2; ES8705636A1; KR930010419B1; JPS6190002A; ES547439A0; EP0177007B1; KR860003614A; JPH0367561B2; CN85108640A; EP0177007A3; US4629983A

Abstract

将一定间距的线圈置于轴向可移动的可导磁或导电的棒的路径上，当棒通过分套连接的线圈时，改变每个线圈的阻抗，每套由并联连接数目相等的两组串联而成，交流电源不能使相邻线圈同时产生信号，每套线圈公共结点上的电压随棒末端插入某套两组的线圈数相等或不等而变，该电压与一对串联电阻公共结点上的电压比较，以产生一位或几位单值数字棒位信号。由于每套线圈只需一根连到远距电子设备的信号线，还由于它们只输送电压信号，所需的导线极细，为使由数字信号代表的棒末端位置不受电压变化的影响而提供补偿。

Description

数字式棒位探测系统

总的说来，本发明涉及到用来产生代表一个轴向可移动端部位置的数字信号装置。它利用细长部件（可导磁的细长部件，诸如控制棒和其它可折入核反应堆堆总的棒）的末端顺序地通过一系列彼此留有一定间距的电器线圈，并利用一种独特的排列以极少量的硬件和导线连接各线圈，以便产生一个单值的数字位置信号。

需要遥控测定轴向可移动的、可导磁的细长部件的位置有许多作用，其作用之一是监视折入在核反应堆堆总中的各类棒的位置，这些棒包括调节功率级和堆总功率分布的控制棒，以及为控制堆总反应性的灰体棒和其它类型的棒。

对压水堆来说，知道每个控制棒的精确位置是极其重要的。相邻棒之间的折入距离之差不允许超过15英寸，此外，准确地了解控制棒的位置与输出热功率的关系，可用于测定堆总的燃耗状态。

压水堆中的控制棒在压力容器内移动，并被连接到驱动棒，驱动棒由驱动机构（例如在美国专利文献3158766中所叙述的磁力联接器）驱动能在上、下方向上作步级移动。驱动棒沿着控制棒的移动轴向纵向地延伸通过反应堆顶盖进入棒在内移动的压力外壳密封的加压的部分。由于保持压力容器完善的密封极其重要，折入棒要保持使增压环境可能的变化减到最小。因此，为测定堆芯内控制棒的相对位置不允许有机械折入，由于实测控制棒的位置将是非常困难的，现已采用测定驱动棒的位置并由此求得控制棒的位置。

为测定驱动棒的位置，已想出许多方法，早期的系统利用驱动棒穿过线圈移动时，由于其末端的作用，改变了线圈的阻抗或改变了线圈初次级间的偶合，从而产生一个指示棒位的模拟信号。这种模拟系统的灵敏度由于随下面这些因素而变：如温度，棒的磁化强度，棒的导磁性，供电电压和频率，而且由于相邻控制棒和驱动机构等间的影响，因而产生了（例如美国专利文献3846771中所配置的）数字位置指示系统，该系统使用若干有一定间距的分立线圈，沿棒末端的轨迹线排列。利用当棒推进而依次通过线圈时，便就顺序改变每个线圈的阻抗来产生独立的输信号或具有多个独立电平的一个输出信号。在一个实施例中，相邻的线圈分别被连到差动放大器，以使最大的差动信号指示棒的位置，该信号由一端连接在已折入该棒的末端的一个线圈上，另一端接在一个没有折入该棒的线圈上的放大器产生。

美国专利文献3858191使用两套这样的分立线圈探测器，以便交替提供见余。在这个系统中，每套线圈中的差动交流信号分别被整流并通过一个低通滤波器以获得直流分量，这些直流差动信号然后被加到比较器的同相输入端，该比较器处在范围跟踪示波器/编码器线路中，比较器的输出通过公共线被送回到反相输入端，以使只有施加有较大幅度差动信号的比较器才被转换到有效状态。该比较器的输出还产生一个代表该套中最大差信中的编码数字信号，该信号由于来自另一套的编码信号而受到处理，从而产生一个表明控制棒位置的显示。美国专利文献3833090公开了一个类似的交替见余系统，在该系统中，当一个见余设备停止工作时经常由处理装置调整到较粗略分辨率的棒位显示。

一般拥有的EPC专利公报号015134题为“具有补偿的数字式电磁棒位置指示器”公开了一个系统，该系统提高了这些分立线圈的精度，改进了数字形式贮存及补偿信号，它能自动地调整棒相对于线圈的位置，在此情况下，数字输出信号从一个代码转移到下一个代码。需要对棒移动的方向，对换向，和对初始起动或功率故障后起动作出正确的补偿的线路给系统添加了的很大复杂性，这种系统只有在需要非常高精度时在经济上才是合算的。

然而，为了新的销路和改型后畅销，通常总是希望减小位置探测器的尺寸和降低其成本，特别是对那些用于大量的棒需要监视的新颖反应堆中的棒位探测器，更是迫切需要这点，当探测器产生的是电压信号而不是电流信号时，允许使用较细的导线，设计一个需从传感器引出导线较少的探测器也正是我们所希望的。

概括来说，本发明在于一个装置，该装置用来测量一个细长的，纵向可移动的部件末端的位置，其包括：多个具有间距的分立电器线圈，所述的细长部件以纵向移动方式顺序通过这些线圈，在此过程中，每个线圈在通过时，其电感量发生变化;与各套中所述多个线圈相连的装置，每套包括以并联连接的数目相同的所述第一和第二组线圈，两组线圈在一个公共结点上串连连接，在任何给定的套中的线圈设有一个是与该套的其它线圈相邻的，而且套的数目至少等于一套中的线圈数目;一个电阻元件它们在公共结点上串联连接;一个交流源跨接于所述的多套线圈和所述电阻对之间;特征在于连接在所述一对电阻元件公共结点和所述多套线圈的每个公共结点之间的输出信号产生装置，其一对电阻的阻值比与每一套的第一组中的每个线圈的阻抗对第二组中每个线圈的阻抗之比是相同的，所述输出信号产生装置对每个线圈阻抗的顺序变化敏感，（而这种变化是由所述细长部件的末端折入线圈所引起的），从而产生代表所述细长部件相对于所述线圈位置的输出信号。

本发明的一个最佳实施例中，一个可导磁的和/或导电的，细长部件的末端位置由对一系列分立的电器线圈阻抗变化的敏感元件所探测，这些线圈沿着细长部件末端的路径有一定间距地排列。这些线圈连接成多套，每套包括二组，每组具有数目相等的，并联连接的线圈，而且该两组线圈在公共结点上相并联。在给定套的线圈中没有一个线圈与该套的其它线圈相邻，即细长部件的末端在位于给定套的两组线圈之间的另一套的一个线圈里通过。

一个交流电流源跨接于各套的两个线圈上/并跨接于一对阻抗上最好是一对电阻同样在公共结点上串联连接），而且每套线圈中第一组与第二组线圈阻抗之比等于第一电阻对第二电阻的阻值之比，最好所有线圈的阻抗相同，而且电阻阻值也相同，这样在电阻的公共结点和一套线圈的公共结点之间就不存在电压差，在这种情况下，细长部件的末端就折入该套每组中数量相同的线圈中，即一套中没有一个线圈、或所有的线圈、或例如每组中有一个线圈被折入。然而，在细长部件的末端折入到一个给定套圈数不相等的两组线圈的位置时，在那套线圈的公共接点和两个电阻的公共结点之间将产生一个交流电压差。线圈被分成各个套和组，这样当细长部件的末端顺序通过线圈时，在各套线圈的公共结点和电阻公共结点之间出现的电压差值的综合特性，作单值地变化以指示细长部件末端的位置。

为了提供一个代表细长部件末端位置的单值代码，线圈套的总数必须至少等于一套内的线圈数。然而，一套任何偶数的线圈，可被分成两个相等的组，如将一套线圈数规定为二、四、八等等是有利的，以便将为产生一个单值数字输出信号所需要的位数减至最少，另一方面，一组的线圈数目可减少到1，这样一套包含有二个串联连接的线圈，后一种装置对二个信号状态提供了更好的别能力，但需要较多的导线。

输出信号产生装置连接到两个电阻的公共结点和每套线圈的公共结点，按照差动交流电压的方式产生一个信号（最好是二进制的），代表细长部件末端的位置信号。在本发明典型的实施例中，差动交流电压被变换成平均直流信号，该直流信号与一个阀值电压相比较而产生该二进制输出信号，阀值电压可以根据探测线圈所暴露环境条件由手动或自动改变。在最佳实施例中，位于细长部件正常移动范围之外的二个附加线圈（一个始终有棒插入而另一个从不受棒的影响），串联连接并跨接于交流电流源上，这些附加线圈的公共接点和二个电阻公共结点之间产生的差动电压可以用于产生不同的阀值电压，以便对诸如温度，交流电流源的电压变化等外界条件提供补偿，阀值电压能被标定成：当细长部件末端通过所选择的点如线圈中点时，二进制的输出信号从一个值移到下一个值。

为了便于监视插入在堆芯中的各种类型的棒，这些棒影响核反应堆的反应性，本发明的特殊优点在于大大减少了所需导线的数量。由于电子设备位置远离探测线圈，最重要的是从线圈套的公共结点到远距的位置之间的连接导线，尽管在本发明的实施例中，每个线圈套只包括两个串联连接的线圈，遥控信号的导线比先有技术的系统已减少一半以上，信号导线随一套线圈的数目增加而呈算术递减，例如，对一个有4个线圈的套来说，导线减少四分之三，对8个线圈的套则减少八分之七。当导线数目的减少与由需要传送电压信号（与一些需要传送电流信号的先有技术系统相反）而减小导线尺寸结合起来看，在材料，空间和成本方面的总的节省是非常显著的，特别对可以装备180根相邻的棒的新设备来说更为重要。

从下面结合附图的所作说明中可以获得对本发明的全部了解，在所有的图中，相同的单元采用相同的标号表示，其中：

图1是一个用于核反应堆插入一部分驱动棒组件的纵剖面，示出了按照本发明的指导所适用的数字位置探测器的线圈的配置;

图2是一个示意图，示出了根据本发明一个实施例的一个线路，该线路可连接到图1所示的线圈上，以监视驱动棒末端的位置;

图3是本发明另一个实施例的示意图，示出了用于连接到图1所示线圈的另一种配置。

虽然本发明将对应于核反应堆控制棒位置指示系统给于说明，要了解的是：本发明对其它想要监视纵向可移动的导磁和/或导电的，细长部件的末端位置的设备有更广泛的用途。如图1所见，驱动棒1连接到核反应堆的一个控制棒（没示出），该控制棒在一个管形外壳3中可纵向移动。驱动棒最好由高导磁率的材料如钢来制成。它也可以用能由磁场感应出涡流的导电材料制成。多个电器线圈L₁至L₂₀（仅表示了一部分，以便使图可采用较大的比例尺）以一定的间距环绕外壳3，线圈的数目和它们的间距取决于棒1移动的范围和期望的棒位分辨率，因而图示的线圈数目仅仅是说明性的，两个附加的线圈L_A和L_B被装在线圈列（相对）的两端以提供补偿，这在下面要更全面地讨论。这些附加线圈处于驱动棒1的移动极限之外，驱动棒总是贯穿线圈L_A但从不到达L_A。

如图2所示，L₁至L₂₀的每个线圈由一个低迫，低频（例如12伏60＊）的交流电源5供电。由这种低频电流在线圈中所产生的磁场穿过非磁性外壳3提供给驱动棒1，由于驱动棒是导体或最好是可导磁的，当驱动棒的末端通过线圈时，每个线圈的阻抗顺序变化，这样通过监视线圈中的阻抗的顺序变化就可以跟踪棒的移动。

在图2所示的本发明实施例中，串联连接的各对探测线圈和串联连接的一对电阻R₁和R₂一起跨接于交流电流源5上。与每对串联线圈相连的是一个运算放大器7，该运算放大器的一个输入连到连接线圈对的公共结点9，第二个输入连到两个串联连接电阻R₁和R₂之间的公共结点11。运算放大器7放大出现于电阻对公共结点11和连接线圈对的公共结点9之间的任何交流电压的差值，以产生交流差值信号，该信号被加到鉴相器13，每个鉴相器产生一个数字输出信号，一共为D₀至D₉。

电阻R₁与R₂的阻值比等于图2中所示的每对线圈中上部线圈对下部线圈的阻抗比，最好电阻相等，线圈相等，只要驱动棒的末端还没插入到一对线圈中的任何一个线圈或二个线圈，电阻对公共接点11上的电压和给定的线圈对公共结点9上的电压将是相同的。当驱动棒1被插入到一对线圈中的一个时（例如L₁），则那个线圈的阻抗变化而产生一个差值交流电压，该电压通过连接的运算放大器7放大。当已放大的交流差值电压达到阀值时，由相关的鉴相器13产生的数字信号D₉改变其值。正如在下面将全面地论述的，可设置数字输出变化的阀值，以使当棒1的末端通过线圈中点时，输出信号从低态转到高态。当棒1继续移动并通过线圈L₂时，输出信号D₁从低态转到高态。当棒通过线圈L₃时，信号D₀转回到低态，自连成一对的线圈L₁和L₃被棒插入时起，电阻公共结点11和相关的线圈公共结点9之间的电压差，不再超过阀值电压。在这种情况下，信号D₁将停留在高态，一直到棒1的末端通过线圈L₅，但在这此之前，自棒的末端在L₅之前通过线圈L₄时，信号D₂将是变高。表1示出当棒1的末端依次从L₁到L₂₀前进通过时，二进制输出信号D₀至D₉的模式。

表1

位置 D₉ D₈ D₇ D₆ D₅ D₄ D₃ D₂ D₁ D₀

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

4 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0

5 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

6 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0

7 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

8 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

9 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

10 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0

11 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

12 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0

13 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

14 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0

15 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

16 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0

17 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

18 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

19 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

从图2可以注意到，每个串联连接的线圈对是彼此不相邻的，这就为棒1末端对应线圈的所有位置提供了一种输出信号D₀至D₉的单值模式。例如如果线圈L₁和L₂是一对，当一个也没有插入时，则所有D₀至D₉的信号都将为低态，当线圈L₁被插入时，D₀将变高，而当棒通过L₂时，D₀又会回到低态。这样所有的输出信号再次处于低态。如果所有的线圈成对地顺序连接，则在棒每次通过一对中第二个线圈时，将产生所有的输出信号全部为低态的非单值态。通过提供另一对线圈中的另一个线圈在任一给定对中的第二个线圈插入前被插入，就产生了如表1所示的一种单值模式的输出信号。为了保证棒1在两个方向上移动时均产生单值，中间线圈对是这样来选择的，即位于给定线圈对的一侧的一对中的一个线圈，使棒插入在该线圈和给定线圈对之间。

在图2所示的本发明的实施例中可以注意到：从探测器连到远距的以运算放大器7为首的电子设备每对线圈只需一根信号线加二根交流电源线。再者，由于信号线只传输电压信号，它们可以采用非常小的规格。此结果使有效地节省空间和材料方面超过了先有技术系统。由于电阻R₁和R₂是位于远距的一个实体部分，从它们的公共结点11引到运算放大器7不需要很多与之有关的重复，而且还只是传输一个电压信号，因此可以采用非常小的规格。

本发明的第二实施例示于图3。在这个装置中，线圈L₁至L₂₀分套排列，而且每套包括一上部组和一个下部组，每组由两个并联连接的线圈组成，两组线圈在公共结点9′串联连接。与图2中的线路一样，每套线圈的公共结点9′上的电压与电阻对R₁和R₂的公共结点11上的电压在一个运算放大器7中进行比较。再者，放大了的交流差值信号加到数字信号发生器13（该信号发生器包括一个整流/滤波线路15，用来产生一个平均直流差值信号），和一个比较器17上，该比较器用于将平均直流差值信号同一个阀值信号进行比较，并当差值电压等于或超过阀值时，产生一个高态数字输出信号，否则为低态。

阀值电压可以是一个固定的或手动可调的基准电压，也可以是一个如图所示的自动产生的信号。自动产生阀值电压的一个方法是连接二个附加的串联线圈L_A和L_B，并在运算放大器21中将两线圈的公共结点19上的电压同电阻对公共结点上的电压进行比较，从而在信号发生器23中产生一个作为差值交流电压函数的直流阀值电压，在这个装置中，信号发生器23产生的一个阀值电压被选择在当棒1的末端通过相连线圈L₁至L₂₀的中点时，引起比较器17输出状态的改变。用置于同线圈L₁至L₂₀同样的环境中的线圈L_A和L_B来产生一个阈值电压，以便对温度和加于线圈上的供电电压变化的影响提供自动补偿，否则这些线圈对应的数字位置信号往往要改变其状态。由图3装置产生的数字输出信号D₀至D₄的模式示于表2。

表2

位置 D₄ D₃ D₂ D₁ D₀

0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 1

2 0 0 0 1 1

3 0 0 0 1 0

4 0 0 1 1 0

5 0 0 1 1 1

表2（续）

位置 D₄ D₃ D₂ D₁ D₀

6 0 0 1 0 1

7 0 1 1 0 1

8 0 1 1 1 1

9 1 1 1 1 1

10 1 0 0 1 1

11 1 0 0 1 1

12 1 0 0 1 0

13 1 1 0 1 0

14 1 1 0 0 0

15 1 1 1 0 0

16 0 1 1 0 0

17 0 0 1 0 0

18 1 0 1 0 0

19 1 0 0 0 0

20 0 0 0 0 0

我们注意到在棒1的末端通过在另一套中的，任何给定套线圈之间的一个线圈时，产生的是单值信号，人们还注意到从探测器到远距的电子设备对于每4个线圈只需一根导线另加二根总的交流电源线，这样各套线圈的组合极大地提高了探测器系统的效率。在一套的线圈以2、4、8等组合，有利于用最少的二进位数获得单值数字输出信号。然而，要增加每套中的线圈有一些限制，为了对棒1末端的所有位置产生一个唯一的输出信号，线圈的套数必须不少于一套中的线圈数。此外，当一套中添加线时，由棒末端通过该套中的一个线圈的移动所引起的相对阻抗变化就变得越来越小。这样，差动交流信号变得较小，因此也就更难得加可靠的探测。

总之，本发明用最少的硬件和导线对轴向可移动棒的位置提供精确的监视。此外，在不用计算的情况下产生一个数字位置信号，因此，电源中断对读数没有影响。从表1和表2的分析中也会注意到：本发明采用二进制循环码（格雷码）产生数字信号，在此条件下，在某一时刻，输出信号只有一位改变状态，这就有除了可能在用真正的二进制代码信号出现的误差信号（用二进制代码信号时，对某个移动可有二位或更多位改变状态，但这些变化并非同时发生）。

虽然对本发明的具体实施例已经作了详细描述，但，本技术领域里的专业人员将会理解：根据揭示的所有教导，可产生对上述细节的各种改变和变化。因此，所公开的具体装置，意味着仅仅是一种说明，本发明的范围并不限制于由后面所附的权利要求书完整篇幅及其任何等同物所给定的内容。

Claims

1、用于探测一个细长的纵向可移动部件末端位置的装置。该装置包括：

多个有一定间距的分立线圈，所述细长部件纵向移动顺序通过这些线圈，在此过程中，当部件通过时，每个线圈的电感发生变化;

把所述的多个线圈相连成套的装置，其每套包括数目相等的并联连接的第一和第二组所述线圈，而此两组线圈在公共结点上串联，其任何给定套中没有一个线圈与该套中的其它任何线圈相邻，其套数至少等于一套的线圈数;

一对阻抗元件，它们在公共结点串联连接;

一个交流电流源，跨接于所述线圈套与所述阻抗对上;

本装置的特征在于：连接于所述阻抗对元件公共结点与每个所述线圈套的公共结点之间的输出信号产生装置，其阻抗对的阻抗比和每套中第一组每个线圈的阻抗对第二组每个线圈的阻抗之比是相同的，所述输出信号产生装置对应于由所述细长部件的末端插入线圈所引起的每个线圈中阻抗的顺序变化，而产生代表所述细长部件末端相对于所述线圈的位置的输出信号。

2、权利要求1的装置，其中的每个线圈大致相同及其中所述的阻抗对实质上也是相同的。

3、权利要求2的装置，其中所述输出信号产生装置产生一个二进制循环码的输出信号。

4、权利要求3的装置，其中输出信号产生装置包括多个运算放大器，每个放大器的一个输入连到所述阻抗对的公共结点，同时其第二输入连到一套线圈的公共结点。

5、权利要求3的装置，其中所述的各个线圈分套排列，以使所述细长部的末端交替通过一套中的两组线圈和通过介于任一给定套中的两个线圈之间另一套中的一个线圈。

6、权利要求5的装置，其中所述输出信号产生装置包括：

产生直流信号的装置，该信号代表在每套线圈公共结点上产生的一个信号和在所述阻抗对的公共结点上产生的基准信号及间的平均差值;

产生阈值信号的装置，该信号代表由所述细长部件末端按所选程度插入一个线圈所引起的一个线圈阻抗的变化;

为将每个直流信号与阀值信号进行比较的装置，并当直流信号超过阀值时，为每个直流信号产生某一个值的数字输出信号，而在没有超过时就产生另一个值。

7、权利要求6的装置，其中所述用来产生阀值信号的装置，包括用来产生一个阀值信号，该信号作为所选外界条件的一个函数而改变其值。

8、权利要求7的装置，其中所述阀值信号产生装置包括第一和第二附加线圈，这些线圈在公共结点串联连接，并安装于所述细长部件末端移动的范围之外，以使所述细长部件总是插入在所述的第一附加线圈中而从不插入第二线圈，以及包括连接所述附加线圈公共结点和所述阻抗对公共结点的装置，用来产生所述阀值信号，该阀值信号作为这些在二个公共结点上所产生的信号之间差值的一个函数。

9、权利要求6的装置，其中细长部件的末端插入线圈的所选程度约是一半距离。

10、权利要求5的装置，其中每组线圈包括两个线圈。

11、权利要求5的装置，其中每组线圈包括一个线圈。