萬(wàn)治東（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

核電工程控制棒棒位探測(cè)器簡(jiǎn)析

萬(wàn)治東（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

控制棒是反應(yīng)堆的核心部件之一，提升或插入控制棒可以實(shí)現(xiàn)堆芯反應(yīng)性快速控制?？刂瓢暨\(yùn)動(dòng)位置直接影響反應(yīng)堆的起動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和正常停堆等，安全可靠的棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要保證。在控制棒棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備中，棒位探測(cè)器是最為關(guān)鍵的設(shè)備，各控制棒棒束的棒位信息是通過(guò)棒位探測(cè)器采集而來(lái)，而棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的其他監(jiān)測(cè)任務(wù)也是以采集到的棒位信息為基礎(chǔ)。

對(duì)于各類型探測(cè)器的研究正是儀控專業(yè)的特點(diǎn)，而作為核電工程儀控管理人員，本人在此文中將主要探討了現(xiàn)行在役核電機(jī)組廣泛采用的線圈編碼式棒位探測(cè)器。

控制棒；棒位探測(cè)器；編碼

1 控制棒棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

控制棒棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量并監(jiān)視每一束控制棒束的位置，為運(yùn)行人員提供控制棒在堆芯的真實(shí)位置。運(yùn)行人員可以根據(jù)各棒束相應(yīng)的測(cè)量位置和給定棒位位置檢查其棒位的正確性，并識(shí)別控制棒束的失步、卡棒或落棒等情況。

2 線圈編碼數(shù)字式棒位探測(cè)器

目前在役核電站的棒位探測(cè)器大都采用線圈編碼式電感探測(cè)器，大亞灣、嶺澳以及紅沿河核電站（CPR1000型機(jī)組）設(shè)計(jì)均如此?？刂瓢舭粑惶綔y(cè)器的設(shè)計(jì)采用一個(gè)長(zhǎng)的初級(jí)線圈加上若干次級(jí)線圈，次級(jí)線圈采用31個(gè)編碼短線圈按一定的規(guī)律連接，分為5組線圈，每組線圈由引線以差動(dòng)方式輸出5位信號(hào)A，B，C，D，E，經(jīng)濾波、放大、整流、整形后輸出5位葛萊碼信號(hào)D0，D1，D2，D3，D4，得到的葛萊碼與控制棒的棒位一一對(duì)應(yīng)。

2.1 次級(jí)線圈感應(yīng)電壓信號(hào)分析

鐵芯處于通有勵(lì)磁電流的初級(jí)線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵芯被初級(jí)線圈生成的磁場(chǎng)磁化，自身產(chǎn)生磁場(chǎng)。鐵芯離次級(jí)線圈較遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓信號(hào)基本沒(méi)有影響，在鐵芯逐漸靠近并穿過(guò)次級(jí)線圈的過(guò)程中，鐵芯對(duì)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓的影響情況。以U表示次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)整流整形后得到的直流電壓大小，鐵芯未進(jìn)入但很接近次級(jí)線圈時(shí)對(duì)U的影響逐漸變強(qiáng)，在鐵芯的頂端處于次級(jí)線圈內(nèi)部時(shí)，U線性增大，當(dāng)鐵芯完全通過(guò)次級(jí)線圈后對(duì)U的影響逐漸穩(wěn)定。

下面以次級(jí)線圈1，3為例分析鐵芯運(yùn)動(dòng)對(duì)線圈感應(yīng)電壓信號(hào)的影響，這里對(duì)兩次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓信號(hào)只做近似化分析。

在初級(jí)線圈中通以交變恒流勵(lì)磁電流，在足夠長(zhǎng)的初級(jí)勵(lì)磁線圈內(nèi)部，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在鐵芯進(jìn)入次級(jí)線圈前，由于空氣的磁導(dǎo)率太小，導(dǎo)致次級(jí)線圈中的磁通量變化幅值很小，而且次級(jí)線圈匝數(shù)很少，所以次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓很小，可以近似認(rèn)為是零。當(dāng)磁導(dǎo)率很大的鐵芯通過(guò)次級(jí)線圈時(shí)，次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)交流電壓的幅值逐漸變大，并且可以認(rèn)為感應(yīng)電壓信號(hào)的幅值與鐵芯進(jìn)入次級(jí)線圈的深度成正比的。而當(dāng)鐵芯完全包含次級(jí)線圈后可以認(rèn)為次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓幅值達(dá)到最大值。

以U1表示次級(jí)線圈1的感應(yīng)電壓經(jīng)整流整形后的直流電壓大小，以U2表示次級(jí)線圈3的感應(yīng)電壓經(jīng)整流整形后的直流電壓大小。在鐵芯完全通過(guò)次級(jí)線圈1后，U1達(dá)到最大值。當(dāng)鐵芯逐漸進(jìn)入次級(jí)線圈3時(shí)，U2逐漸增大。由于次級(jí)線圈1與次級(jí)線圈3是反向串接，所以，串接后得到的電壓U為U1與U2之差。當(dāng)鐵芯逐漸進(jìn)入次級(jí)線圈3時(shí)，次級(jí)線圈1與次級(jí)線圈3串接后得到的電壓U逐漸減小，當(dāng)鐵芯完全包含次級(jí)線圈3時(shí)，U減小為零。由此看出，線圈編碼式棒位探測(cè)器實(shí)際上是利用各組次級(jí)線圈中的各次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓的差值變化規(guī)律來(lái)表征控制棒的棒位信息的，所以也可以稱這種探測(cè)器為差動(dòng)變壓型棒位探測(cè)器。

參見(jiàn)上圖3，選擇鐵芯進(jìn)入到次級(jí)線圈1一半長(zhǎng)度時(shí)的電壓值為參考閾值，大于此值認(rèn)為是邏輯高電平，小于此值認(rèn)為是邏輯低電平。在鐵芯由進(jìn)入次級(jí)線圈1，到進(jìn)入并包含次級(jí)線圈3的過(guò)程中，線圈1和3串接后輸出的邏輯電平由1變?yōu)?。

2.2 線圈編碼原理

31個(gè)次級(jí)線圈分成5組，每組用不同的圖標(biāo)表示。各組線圈串接后所有的一端共同接地，另一端分別用A，B，C，D，E五條引線引出。從這五條引線引出的感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、整流、整形處理后，再經(jīng)過(guò)通過(guò)數(shù)字化處理后可以得到對(duì)應(yīng)的五位數(shù)碼值D4D3D2D1D0?？梢缘贸?，隨著鐵芯插入各次級(jí)線圈的位移x逐漸增大，對(duì)應(yīng)著每一位移值x，都會(huì)輸出唯一對(duì)應(yīng)的五位數(shù)碼值D4D3D2D1D0，即為得到的葛萊碼。

31個(gè)次級(jí)線圈對(duì)應(yīng)31個(gè)不同的葛萊碼，取這31個(gè)線圈中間的30個(gè)等距間隔作為棒位測(cè)量行程。以大亞灣、嶺澳核電站為例，棒位探測(cè)器的次級(jí)線圈之間間隔為127mm，棒移動(dòng)一步的行程是15.875mm，因此，每個(gè)間隔為8步，測(cè)量區(qū)控制棒的移動(dòng)范圍是8×30＝240步。取每?jī)蓚€(gè)相鄰次級(jí)線圈的中間位置作為與葛萊碼對(duì)應(yīng)的棒位標(biāo)準(zhǔn)位置，由于相鄰的兩線圈中間8個(gè)機(jī)械步位都對(duì)應(yīng)著同一葛萊碼，所以用葛萊碼表示控制棒棒位的誤差為±4個(gè)機(jī)械步。

在數(shù)字系統(tǒng)中只能識(shí)別0和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，常見(jiàn)的二進(jìn)制碼有8421碼、BCD碼、4241碼、GRAY碼等。葛萊碼是一種無(wú)權(quán)碼，采用絕對(duì)編碼方式，標(biāo)準(zhǔn)的葛萊碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補(bǔ)特性使得求反非常方便。葛萊碼屬于可靠性編碼，表現(xiàn)在相鄰的碼值只有一位發(fā)生變化，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式。

3 結(jié)語(yǔ)

控制棒棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于棒位探測(cè)器，提高棒位探測(cè)器的性能是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在，未來(lái)核電站的控制棒棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)首要重點(diǎn)是棒位探測(cè)器的研究與改進(jìn)。相應(yīng)地，采用更為可靠、通用、功能強(qiáng)大的工業(yè)控制設(shè)備以替代原系統(tǒng)陳舊的硬件設(shè)備，可以提高系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)方便性。