核電工程控制棒棒位探測器簡析

萬治東（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器簡析

萬治東（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

控制棒是反應堆的核心部件之一，提升或插入控制棒可以實現堆芯反應性快速控制。控制棒運動位置直接影響反應堆的起動、功率調節、穩態運行和正常停堆等，安全可靠的棒位監測系統是反應堆安全運行的重要保證。在控制棒棒位監測系統的設備中，棒位探測器是最為關鍵的設備，各控制棒棒束的棒位信息是通過棒位探測器采集而來，而棒位監測系統的其他監測任務也是以采集到的棒位信息為基礎。

對于各類型探測器的研究正是儀控專業的特點，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行在役核電機組廣泛采用的線圈編碼式棒位探測器。

控制棒；棒位探測器；編碼

1 控制棒棒位監測系統介紹

控制棒棒位監測系統用于測量并監視每一束控制棒束的位置，為運行人員提供控制棒在堆芯的真實位置。運行人員可以根據各棒束相應的測量位置和給定棒位位置檢查其棒位的正確性，并識別控制棒束的失步、卡棒或落棒等情況。

2 線圈編碼數字式棒位探測器

目前在役核電站的棒位探測器大都采用線圈編碼式電感探測器，大亞灣、嶺澳以及紅沿河核電站（CPR1000型機組）設計均如此。控制棒棒位探測器的設計采用一個長的初級線圈加上若干次級線圈，次級線圈采用31個編碼短線圈按一定的規律連接，分為5組線圈，每組線圈由引線以差動方式輸出5位信號A，B，C，D，E，經濾波、放大、整流、整形后輸出5位葛萊碼信號D0，D1，D2，D3，D4，得到的葛萊碼與控制棒的棒位一一對應。

2.1 次級線圈感應電壓信號分析

鐵芯處于通有勵磁電流的初級線圈中運動時，鐵芯被初級線圈生成的磁場磁化，自身產生磁場。鐵芯離次級線圈較遠時，對次級線圈的感應電壓信號基本沒有影響，在鐵芯逐漸靠近并穿過次級線圈的過程中，鐵芯對次級線圈感應電壓的影響情況。以U表示次級線圈的感應電壓信號經整流整形后得到的直流電壓大小，鐵芯未進入但很接近次級線圈時對U的影響逐漸變強，在鐵芯的頂端處于次級線圈內部時，U線性增大，當鐵芯完全通過次級線圈后對U的影響逐漸穩定。

下面以次級線圈1，3為例分析鐵芯運動對線圈感應電壓信號的影響，這里對兩次級線圈的感應電壓信號只做近似化分析。

在初級線圈中通以交變恒流勵磁電流，在足夠長的初級勵磁線圈內部，各處的磁場強度視為勻強磁場。在鐵芯進入次級線圈前，由于空氣的磁導率太小，導致次級線圈中的磁通量變化幅值很小，而且次級線圈匝數很少，所以次級線圈上的感應電壓很小，可以近似認為是零。當磁導率很大的鐵芯通過次級線圈時，次級線圈產生的感應交流電壓的幅值逐漸變大，并且可以認為感應電壓信號的幅值與鐵芯進入次級線圈的深度成正比的。而當鐵芯完全包含次級線圈后可以認為次級線圈的感應電壓幅值達到最大值。

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

參見上圖3，選擇鐵芯進入到次級線圈1一半長度時的電壓值為參考閾值，大于此值認為是邏輯高電平，小于此值認為是邏輯低電平。在鐵芯由進入次級線圈1，到進入并包含次級線圈3的過程中，線圈1和3串接后輸出的邏輯電平由1變為0。

2.2 線圈編碼原理

31個次級線圈分成5組，每組用不同的圖標表示。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電壓信號經過濾波、放大、整流、整形處理后，再經過通過數字化處理后可以得到對應的五位數碼值D4D3D2D1D0。可以得出，隨著鐵芯插入各次級線圈的位移x逐漸增大，對應著每一位移值x，都會輸出唯一對應的五位數碼值D4D3D2D1D0，即為得到的葛萊碼。

31個次級線圈對應31個不同的葛萊碼，取這31個線圈中間的30個等距間隔作為棒位測量行程。以大亞灣、嶺澳核電站為例，棒位探測器的次級線圈之間間隔為127mm，棒移動一步的行程是15.875mm，因此，每個間隔為8步，測量區控制棒的移動范圍是8×30＝240步。取每兩個相鄰次級線圈的中間位置作為與葛萊碼對應的棒位標準位置，由于相鄰的兩線圈中間8個機械步位都對應著同一葛萊碼，所以用葛萊碼表示控制棒棒位的誤差為±4個機械步。

在數字系統中只能識別0和1，各種數據要轉換為二進制代碼才能進行處理，常見的二進制碼有8421碼、BCD碼、4241碼、GRAY碼等。葛萊碼是一種無權碼，采用絕對編碼方式，標準的葛萊碼是一種具有反射特性和循環特性的單步自補碼，它的循環、單步特性消除了隨機取數時出現重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。葛萊碼屬于可靠性編碼，表現在相鄰的碼值只有一位發生變化，是一種錯誤最小化的編碼方式。

3 結語

控制棒棒位監測系統的關鍵在于棒位探測器，提高棒位探測器的性能是提高系統可靠性的關鍵所在，未來核電站的控制棒棒位監測系統的改進首要重點是棒位探測器的研究與改進。相應地，采用更為可靠、通用、功能強大的工業控制設備以替代原系統陳舊的硬件設備，可以提高系統的可靠性及維護方便性。