專利名稱:用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫氣冷堆燃料元件檢測技術(shù)領(lǐng)域：
。背景技術(shù)：
合理發(fā)展核能是緩解世界能源危機的一種經(jīng)濟有效的途徑。球床式高溫氣冷堆是一種先進的“第四代核反應(yīng)堆型”，具有發(fā)電效率高，固有安全性好，能夠在不停堆的情況下進行燃料裝卸等優(yōu)點，受到許多國家的高度重視。世界上已建成的球床式高溫氣冷堆有德國AVR堆和THTR堆、中國的HTR-10高溫氣冷實驗堆，還有正在建設(shè)中的南非PBMR堆和我國的200MW示范堆。
目前在球床堆上使用的燃料元件檢測裝置有以下幾種(均基于石墨導(dǎo)體對線圈感抗的影響原理)。
一是內(nèi)裝式在不銹鋼過球管道內(nèi)預(yù)裝檢測線圈，燃料球通過時線圈的感抗會發(fā)生變化，通過檢測線圈感抗的變化來得到過球信號，德國的AVR堆、THTR堆、我國的HTR-10 高溫氣冷實驗堆和在建中的南非PBMR堆采用的就是這種裝置。二是側(cè)壁打孔安裝式在不銹鋼過球管道側(cè)壁打孔，在孔內(nèi)安裝檢測線圈，這種裝置類似于電磁式接近開關(guān)，德國曾采用這種傳感器進行過200MW模塊堆裝卸料系統(tǒng)的設(shè)計。
以上兩種傳感器的安裝都破壞了過球管道的完整性，傳感器結(jié)構(gòu)和安裝方式必須保證過球管道的高壓氣密性，因此傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難。傳感器出現(xiàn)故障后，維修和更換傳感器必須拆卸過球管道，施工時間長，容易造成輻射污染，影響反應(yīng)堆的可利用性。 傳感器線圈、骨架和其它附件直接與放射性燃料球接觸，對整個檢測傳感器材料的抗輻射性要求很高，影響了傳感器的使用壽命。
清華大學(xué)機械系與核能研究院已經(jīng)研制完成了一種外裝式過球檢測裝置(專利號CN200510136309. 4)，該裝置包括兩組共6個線圈，線圈呈半圓包附于過球管道外側(cè)， 基于激勵線圈、檢測線圈和燃料球之間的互感作用完成過球檢測。由于過球管道金屬壁的屏蔽，有效的過球信號非常微弱，必須進行復(fù)雜的信號分析和處理，才能實現(xiàn)可靠的過球計數(shù)。此法解決了前述兩種形式傳感器的缺點，但尚存在以下不足
(1)外包附式設(shè)計的互感式傳感器結(jié)構(gòu)特殊，包括內(nèi)凹式繞制的兩組檢測線圈和一組寬大的激勵線圈，繞制內(nèi)凹式線圈的工藝復(fù)雜，傳感器制作難度較大；
(2)檢測電路獲得的信號十分微弱，后續(xù)信號處理電路的放大倍數(shù)高，容易引入干擾噪聲，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
(3)由于干擾波形明顯，需增加單片機程序復(fù)雜度以提高其波形識別能力，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜對軟件的可靠性不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的新型過球檢測系統(tǒng)用于對裝料管道、卸料管道和乏燃料管道中的以石墨為基體的燃料球進行準(zhǔn)確檢測和計數(shù)，并為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的各種過球信息，從而在不停堆的情況下實現(xiàn)燃料元件裝卸的有效控制，以保證球床式高溫氣冷堆的連續(xù)運行。[0012]本發(fā)明的特征在于，含有以下步驟
1)諧振電橋檢測電路中的兩個自感線圈感應(yīng)到有球經(jīng)過，輸出正弦交流電壓 AU ；
2)信號處理電路將正弦交流電壓Δ U依次進行放大、整流、濾波后，提取過球波形 U0,過球波形U0經(jīng)過比較器后輸出波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2 ；
3)所述過球波形^、波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2輸入到單片機，單片機判斷是否有球經(jīng)過，如有球經(jīng)過，則通知上級控制系統(tǒng)；
所述單片機按照下述條件判斷是否有球經(jīng)過
條件(1)，波形完整性判斷過球波形^經(jīng)比較器后產(chǎn)生的相鄰脈沖需包含波峰脈沖Un和波谷脈沖Up2 ；
條件O)，波形連續(xù)性判斷對于過球波形隊相鄰的波峰與波谷極值的時間差 ΔΤ，若ΔΤ大于波峰脈寬TD1，或Δ T大于波谷脈寬TD2，則波峰和波谷不滿足連續(xù)性要求； 反之，則滿足連續(xù)性要求；所述波峰脈寬TD1，由過球波形Uo的波峰的幅度域值Uthl決定； 所述波谷脈寬TD2由過球波形Uo的波谷的幅度域值Uth2決定；
條件(3)，波形對稱性判斷過球波形U0的雙方向波形的寬度具有相似性，即波峰脈寬TDl與波谷脈寬TD2相差25%以內(nèi)表明波形具有對稱性；
當(dāng)上述條件(1) (3)同時滿足時，可判斷為有球通過；當(dāng)有球通過，則條件 ⑴ ⑶全部復(fù)位；
上述條件中，
Uthl為過球波形U0的波峰的幅度域值；
Uthl =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波峰統(tǒng)計值)/2
Uth2為過球波形Uo的波谷的幅度域值；
Uth2 =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波谷統(tǒng)計值)/2
無球時^的基準(zhǔn)值由系統(tǒng)設(shè)定，過球時^的波峰統(tǒng)計值和波谷統(tǒng)計值依據(jù)實驗統(tǒng)計獲取。
用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于，含有
諧振電橋檢測電路；包含兩個自感線圈(Li，L2)，所述兩個自感線圈(L1，L2)在激勵信號Ue的作用下，產(chǎn)生正弦交流電壓Δυ;所述自感線圈(Li，L2)以圍繞在管道外側(cè)的兩個對裝的半環(huán)柱作為骨架，在每側(cè)骨架上分別上、下繞制2個半環(huán)形線圈，兩側(cè)骨架同一水平面上的2個半環(huán)形線圈作為一組，每一組通過外部連接等效為單個自感線圈Ll和L2 ； 所述兩組線圈輸出正弦交流電壓AU;
信號處理電路接收正弦交流信號Δυ，將其進行放大、整流和濾波，輸出過球波形Uo ；還含有一個比較器，將所述過球波形Uo轉(zhuǎn)換為一個波峰脈沖Upi和一個波谷脈沖
TI ·
Up2 ,
單片機接收過球波形Uo、波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2，進行過球判斷，并將過球信息傳送給上一級控制系統(tǒng)；
激勵單元，受單片機控制產(chǎn)生正弦交流激勵信號UE，輸入諧振電橋檢測電路的自感線圈(L1，L2)。
所述自感線圈中的兩組線圈的繞制方法、所用材料和線圈匝數(shù)相同。[0033]所述諧振電橋檢測電路第一橋臂由電阻Rl構(gòu)成，第二橋臂由電阻R2構(gòu)成，該第一橋臂與第二橋臂的一端共同連接激勵信號UE，另一端分別連接電橋的正弦交流電壓輸出端；所述諧振電橋檢測電路的第三橋臂由自感線圈Li、電容Cl和電位器VRl并聯(lián)構(gòu)成，第四橋臂由自感線圈L2、電容C2和電阻R3并聯(lián)構(gòu)成；所述第三橋臂和第四橋臂的一端共同接地，另一端輸出正弦交流電壓AU。
所述信號處理電路含有依次連接的一級放大電路、精密整流電路、帶通濾波電路、 二級放大電路和比較器電路；所述一級放大電路輸入端連接正弦交流信號Δυ，所述二級放大電路分別輸出過球波形Uo到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和所述比較器電路；所述比較器電路輸出波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2到單片機的數(shù)字信號輸入端。
所述激勵單元采用AD9850芯片。
本發(fā)明具有如下有益效果
(1)基于自感檢測原理，簡化了外裝式傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器僅由骨架、兩組自感線圈和屏蔽外殼組成，去掉了寬大的激勵線圈，骨架加工和線圈繞制更加方便。
(2)傳感器信號的提取采用諧振式電橋電路，檢測靈敏度高，降低了后續(xù)信號處理電路的增益，改善了系統(tǒng)的信噪比，提高了系統(tǒng)可靠性。
(3)信號波形的改善簡化了單片機程序設(shè)計，降低了軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高了過球檢測的準(zhǔn)確性。

圖1過球檢測裝置工作原理框圖；
圖2傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3諧振檢測電路原理圖；
圖4幅度檢測單元基本原理圖；
圖5有無球通過時U0的波形；
圖6過球脈沖信號；
圖7單片機系統(tǒng)的基本組成圖；
圖8過球信號判斷原理示意圖；
圖9過球判斷程序流程框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合
本發(fā)明的具體實施方式
。
本發(fā)明的過球檢測裝置工作原理如圖1所示。單片機控制激勵單元產(chǎn)生穩(wěn)幅穩(wěn)頻的正弦交流激勵信號Ue，作用于諧振電橋檢測電路中傳感器的線圈在空間產(chǎn)生穩(wěn)定的交變電磁場。線圈產(chǎn)生的磁場一部分穿透鋼結(jié)構(gòu)管壁，當(dāng)石墨球通過時產(chǎn)生的渦流效應(yīng)使空間磁場分布發(fā)生變化，反作用于線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。線圈的感應(yīng)信號經(jīng)過諧振電橋提高靈敏度，輸出正弦交流電壓Δυ。ΔU經(jīng)過信號處理電路處理后，獲得過球波形隊和過球脈沖 Upi、Up2，波形和脈沖分別輸入單片機的A/D通道和數(shù)字輸入接口。單片機程序進行判斷后將過球信息傳送至PLC對應(yīng)通道，PLC通過總線與上級控制系統(tǒng)相連。
以下將結(jié)合圖1中的各個單元對本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)特征進行說明。
1、激勵單元[0054]激勵單元用于產(chǎn)生正弦交流激勵信號。激勵單元基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)設(shè)計，選用AD9850芯片，利用單片機控制，全數(shù)字式合成穩(wěn)幅穩(wěn)頻的正弦波，經(jīng)LM1875功率放大芯片后，輸入傳感器線圈。
2、諧振電橋檢測電路
如圖2所示，諧振電橋檢測電路的功能是提取傳感器的兩個線圈輸出的正弦波信號。
提高該部分電路對過球的敏感程度是提高系統(tǒng)信噪比的關(guān)鍵所在。相對于此前的 RL電橋，本發(fā)明中調(diào)試的LC諧振電橋具有更高的靈敏度。線圈Ll和L2分別并聯(lián)一個電容，使電路工作于諧振頻率附近。當(dāng)無球時，LC并聯(lián)阻抗達到極大值，電感上分壓達到最大值；石墨球經(jīng)過時影響線圈阻抗，電路偏離諧振點，使得電感上的分壓減小。為了調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電橋的平衡輸出，再分別并聯(lián)一個電阻R3和電位器VRl。
諧振電橋檢測電路中采用的傳感器是自感線圈Li、L2，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中1 是過球管道，2是線圈骨架，3是繞制的線圈，3-1是其中一組線圈，3-2是另一組線圈。
為了滿足外裝式要求，傳感器骨架2設(shè)計成為兩側(cè)對裝的半環(huán)柱。每側(cè)骨架上下繞制2個半環(huán)形線圈(如圖3右，圖中只畫出管道右邊的截面，左側(cè)截面與右側(cè)對稱，圖略)，兩側(cè)骨架同一水平面上對裝的2個半環(huán)形線圈作為一組(如圖2左)，通過外部連接使每組等效為單個環(huán)形線圈。傳感器采用自感檢測線圈方式，省去原有的寬大激勵線圈，簡化了傳感器的制作。線圈形狀窄平，可以保證檢測的靈敏度，并且兩組線圈的繞制方法、所用材料和線圈匝數(shù)要相同，以保證它們的電阻和電感誤差小于1%。骨架采用聚砜塑料，線圈采用聚酰亞胺漆包線，這些材料能夠在耐高溫和抗輻射的特殊環(huán)境下使用。
3、信號處理電路
信號處理電路的主要功能是對諧振電橋輸出的信號進行調(diào)理，獲得過球波形U0, 過球波形U0經(jīng)比較器電路獲得過球波峰脈沖Upi波谷脈沖UP2。過球波形和脈沖一并輸入單片機，以便用于判斷過球。其基本原理如圖4所示。
當(dāng)有球通過時，由于渦流的作用檢測線圈的阻抗會發(fā)生變化，諧振電橋檢測電路輸出正弦交流電壓八U。由于AU幅值很低，且過球時變化微弱，首先需進行一級放大處理， 提高其峰峰值至4 6V，以便后續(xù)處理。精密整流和帶通濾波用于濾除無球時的AU信號， 并提取疊加在AU上面的過球波形。二級放大用于進一步放大過球波形，便于單片機識別。 U。的波形如圖5所示，圖5 (a)是無球經(jīng)過時Uo的基準(zhǔn)電壓，圖5(b)和圖5(c)分別為正向和反向過球波形。經(jīng)比較器輸出的脈沖Upi和Up2 一樣，如圖6所示。
4、單片機系統(tǒng)
單片機系統(tǒng)主要實現(xiàn)過球信號的分析處理和檢測裝置的使用功能，其基本組成如圖7所示。單片機采用AD公司的AD μ C812單片機。
AD μ C812單片機自帶flash程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，簡化了外圍接口電路。各部分的作用如下DDS用于控制激勵單元的工作頻率和狀態(tài)，與單片機的D0-D7、P2. 4、P2. 5 相連；RS232串行通訊接口用于聯(lián)機下載程序；過球指示燈為發(fā)光二極管，程序判斷每產(chǎn)生一個過球時相應(yīng)閃爍一次；過球信息以脈沖形式從單片機輸送至PLC對應(yīng)通道；檢測電壓 U0輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，過球脈沖Upi與Up2連接單片機數(shù)字輸入端口 ；功能鍵用于編程實現(xiàn)一些使用功能；LED數(shù)碼管可顯示過球數(shù)。本系統(tǒng)中功能鍵和LED數(shù)碼管作為選用。[0066]單片機部分的主要功能是對^和UP1、UPJf號進行分析，以確定過球與否。為了提高抗干擾能力，保證過球信號判斷的準(zhǔn)確性，本發(fā)明采用了如圖8所示的過球判斷方法。
條件(1)-波形完整性判斷 經(jīng)比較器產(chǎn)生的一對相鄰脈沖，需包含波峰脈沖和波谷脈沖，以避免單方向干擾信號的干擾(見圖8(b))。
條件O)-波形連續(xù)性判斷雙方向波形滿足連續(xù)性，以避免非連續(xù)的雙向干擾信號。單片機對過球波形進行A/D采樣，獲得波峰與波谷極值的時間差ΔΤ，若ΔΤ大于 TDl (或TD2)，則波峰和波谷不滿足連續(xù)性要求(見圖8 (c))。其中，TDl是過球波形Uo的波峰脈寬，TD2是過球波形Uo的波谷脈寬。
條件(3)_波形對稱性判斷雙方向波形的寬度具有相似性，以避免雙方向不對稱干擾信號的干擾(見圖8(d))。TDl和TD2相差25%以內(nèi)表明波形具有對稱性。
閾值Uthl和Uth2的確定方法如下
Uthl =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波峰統(tǒng)計值)/2
Uth2 =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波谷統(tǒng)計值)/2
無球時U0的基準(zhǔn)值由系統(tǒng)設(shè)定，如圖5 (a)。過球波形U0的波峰和波谷統(tǒng)計值依據(jù)實驗統(tǒng)計獲取。
當(dāng)條件⑴ (3)同時滿足時，可判斷為有球通過。只要有球通過，則條件⑴ (3)全部復(fù)位。過球判斷部分的程序框圖如圖9所示。
如果在球床式高溫氣冷堆燃料裝卸系統(tǒng)中采用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)，將在保證過球檢測可靠性的前提具有如下有益的效果外裝式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維修無需破壞過球管道，保證裝卸料管道的完整性和高壓氣密性，降低輻射污染；檢測系統(tǒng)具有良好的信噪比，進一步降低了系統(tǒng)增益，提高抗干擾能力；在此基礎(chǔ)上簡化了程序結(jié)構(gòu)，增強軟件可靠性。
權(quán)利要求
1.用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測方法，其特征在于，含有以下步驟1)諧振電橋檢測電路中的兩個自感線圈感應(yīng)到有球經(jīng)過，輸出正弦交流電壓AU；2)信號處理電路將正弦交流電壓AU依次進行放大、整流、濾波后，提取過球波形U。， 過球波形U0經(jīng)過比較器，輸出波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2 ；3)所述過球波形^、波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2輸入到單片機，單片機判斷是否有球經(jīng)過，如有球經(jīng)過，則通知上級控制系統(tǒng)；所述單片機按照下述條件判斷是否有球經(jīng)過條件(1)，波形完整性判斷過球波形隊經(jīng)比較器后產(chǎn)生的相鄰脈沖需包含波峰脈沖 Up1和波谷脈沖Up2 ；條件0)，波形連續(xù)性判斷對于過球波形^相鄰的波峰與波谷極值的時間差ΔΤ，若 Δ T大于波峰脈寬TD1，或Δ T大于波谷脈寬TD2，則波峰和波谷不滿足連續(xù)性要求；反之， 則滿足連續(xù)性要求；所述波峰脈寬TD1，由過球波形Uo的波峰的幅度域值Uthl決定；所述波谷脈寬TD2由過球波形Uo的波谷的幅度域值Uth2決定；條件(3)，波形對稱性判斷過球波形U0的雙方向波形的寬度具有相似性，即波峰脈寬 TDl與波谷脈寬TD2相差25%以內(nèi)表明波形具有對稱性；當(dāng)上述條件⑴ ⑶同時滿足時，可判斷為有球通過；當(dāng)有球通過，則條件⑴ ⑶ 全部復(fù)位；上述條件中，Uthl為過球波形Uo的波峰的幅度域值；Uthl =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波峰統(tǒng)計值)/2Uth2為過球波形Uo的波谷的幅度域值；Uth2 =(無球時U0的基準(zhǔn)值+過球時U0的波谷統(tǒng)計值)/2無球時^的基準(zhǔn)值由系統(tǒng)設(shè)定，過球時^的波峰統(tǒng)計值和波谷統(tǒng)計值依據(jù)實驗統(tǒng)計獲取。
2.用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于，含有諧振電橋檢測電路；包含兩個自感線圈(Li，L2)，所述兩個自感線圈(L1，L2)在激勵信號Ue的作用下，產(chǎn)生正弦交流電壓Δυ;所述兩個自感線圈(Li，L2)以圍繞在管道外側(cè)的兩個對裝的半環(huán)柱作為骨架，在每側(cè)骨架上分別上、下繞制2個半環(huán)形線圈，兩側(cè)骨架同一水平面上的2個半環(huán)形線圈作為一組，每一組通過外部連接等效為單個自感線圈Ll和L2 ； 所述兩組線圈輸出正弦交流電壓AU;信號處理電路接收正弦交流信號Δ U，將其進行放大、整流和濾波，輸出過球波形Uo ； 還含有一個比較器，將所述過球波形Uo轉(zhuǎn)換為一個波峰脈沖Upi和一個波谷脈沖Up2 ；單片機接收過球波形Uo、波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2，進行過球判斷，并將過球信息傳送給上一級控制系統(tǒng)；激勵單元，受單片機控制產(chǎn)生正弦交流激勵信號Ue，輸入諧振電橋檢測電路的自感線圈(Li，L2)。
3.如權(quán)利要求
2所述的用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于， 所述自感線圈中的兩組線圈的繞制方法、所用材料和線圈匝數(shù)相同。
4.如權(quán)利要求
2所述的用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于，所述諧振電橋檢測電路第一橋臂由電阻Rl構(gòu)成，第二橋臂由電阻R2構(gòu)成，該第一橋臂與第二橋臂的一端共同連接激勵信號Ue，另一端分別連接電橋的正弦交流電壓輸出端；所述諧振電橋檢測電路的第三橋臂由自感線圈Li、電容Cl和電位器VRl并聯(lián)構(gòu)成，第四橋臂由自感線圈L2、電容C2和電阻R3并聯(lián)構(gòu)成；所述第三橋臂和第四橋臂的一端共同接地，另一端輸出正弦交流電壓Δ U。
5.如權(quán)利要求
2所述的用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于， 所述信號處理電路含有依次連接的一級放大電路、精密整流電路、帶通濾波電路、二級放大電路和比較器電路；所述一級放大電路輸入端連接正弦交流信號Δυ，所述二級放大電路分別輸出過球波形Uo到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和所述比較器電路；所述比較器電路輸出波峰脈沖Upi和波谷脈沖Up2到單片機的數(shù)字信號輸入端。
6.如權(quán)利要求
2所述的用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測裝置，其特征在于， 所述激勵單元采用AD9850芯片。
專利摘要
用于球床式高溫氣冷堆的外裝式過球檢測方法與裝置屬于高溫氣冷堆燃料元件檢測技術(shù)領(lǐng)域：
。其特征是，諧振電橋檢測電路中的兩個自感線圈感應(yīng)到有球經(jīng)過，輸出正弦交流電壓ΔU；信號處理電路將正弦交流電壓ΔU依次進行放大、整流、濾波后，提取過球波形UO，經(jīng)過比較器后輸出波峰脈沖UP1和波谷脈沖UP2；將這些數(shù)據(jù)輸入到單片機，根據(jù)條件判斷是否有球經(jīng)過。其中諧振電橋電路包含兩個自感線圈，該自感線圈以圍繞在管道外側(cè)的兩個對裝的半環(huán)柱作為骨架，在每側(cè)骨架上分別上、下繞制2個半環(huán)形線圈，兩側(cè)骨架同一水平面上的2個半環(huán)形線圈作為一組，每一組通過外部連接等效為單個環(huán)形線圈。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確性高、可靠性好等優(yōu)點。
文檔編號G21C17/06GKCN101719387SQ200910250491
公開日2012年2月8日 申請日期2009年12月10日
發(fā)明者劉繼國, 張亮, 張海泉, 都東, 韓贊東 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),