核电工程控制棒棒位探测器简析

万治东（中电投电力工程有限公司，上海 200233）

核电工程控制棒棒位探测器简析

万治东（中电投电力工程有限公司，上海 200233）

控制棒是反应堆的核心部件之一，提升或插入控制棒可以实现堆芯反应性快速控制。控制棒运动位置直接影响反应堆的起动、功率调节、稳态运行和正常停堆等，安全可靠的棒位监测系统是反应堆安全运行的重要保证。在控制棒棒位监测系统的设备中，棒位探测器是最为关键的设备，各控制棒棒束的棒位信息是通过棒位探测器采集而来，而棒位监测系统的其他监测任务也是以采集到的棒位信息为基础。

对于各类型探测器的研究正是仪控专业的特点，而作为核电工程仪控管理人员，本人在此文中将主要探讨了现行在役核电机组广泛采用的线圈编码式棒位探测器。

控制棒；棒位探测器；编码

1 控制棒棒位监测系统介绍

控制棒棒位监测系统用于测量并监视每一束控制棒束的位置，为运行人员提供控制棒在堆芯的真实位置。运行人员可以根据各棒束相应的测量位置和给定棒位位置检查其棒位的正确性，并识别控制棒束的失步、卡棒或落棒等情况。

2 线圈编码数字式棒位探测器

目前在役核电站的棒位探测器大都采用线圈编码式电感探测器，大亚湾、岭澳以及红沿河核电站（CPR1000型机组）设计均如此。控制棒棒位探测器的设计采用一个长的初级线圈加上若干次级线圈，次级线圈采用31个编码短线圈按一定的规律连接，分为5组线圈，每组线圈由引线以差动方式输出5位信号A，B，C，D，E，经滤波、放大、整流、整形后输出5位葛莱码信号D0，D1，D2，D3，D4，得到的葛莱码与控制棒的棒位一一对应。

2.1 次级线圈感应电压信号分析

铁芯处于通有励磁电流的初级线圈中运动时，铁芯被初级线圈生成的磁场磁化，自身产生磁场。铁芯离次级线圈较远时，对次级线圈的感应电压信号基本没有影响，在铁芯逐渐靠近并穿过次级线圈的过程中，铁芯对次级线圈感应电压的影响情况。以U表示次级线圈的感应电压信号经整流整形后得到的直流电压大小，铁芯未进入但很接近次级线圈时对U的影响逐渐变强，在铁芯的顶端处于次级线圈内部时，U线性增大，当铁芯完全通过次级线圈后对U的影响逐渐稳定。

下面以次级线圈1，3为例分析铁芯运动对线圈感应电压信号的影响，这里对两次级线圈的感应电压信号只做近似化分析。

在初级线圈中通以交变恒流励磁电流，在足够长的初级励磁线圈内部，各处的磁场强度视为匀强磁场。在铁芯进入次级线圈前，由于空气的磁导率太小，导致次级线圈中的磁通量变化幅值很小，而且次级线圈匝数很少，所以次级线圈上的感应电压很小，可以近似认为是零。当磁导率很大的铁芯通过次级线圈时，次级线圈产生的感应交流电压的幅值逐渐变大，并且可以认为感应电压信号的幅值与铁芯进入次级线圈的深度成正比的。而当铁芯完全包含次级线圈后可以认为次级线圈的感应电压幅值达到最大值。

以U1表示次级线圈1的感应电压经整流整形后的直流电压大小，以U2表示次级线圈3的感应电压经整流整形后的直流电压大小。在铁芯完全通过次级线圈1后，U1达到最大值。当铁芯逐渐进入次级线圈3时，U2逐渐增大。由于次级线圈1与次级线圈3是反向串接，所以，串接后得到的电压U为U1与U2之差。当铁芯逐渐进入次级线圈3时，次级线圈1与次级线圈3串接后得到的电压U逐渐减小，当铁芯完全包含次级线圈3时，U减小为零。由此看出，线圈编码式棒位探测器实际上是利用各组次级线圈中的各次级线圈上的感应电压的差值变化规律来表征控制棒的棒位信息的，所以也可以称这种探测器为差动变压型棒位探测器。

参见上图3，选择铁芯进入到次级线圈1一半长度时的电压值为参考阈值，大于此值认为是逻辑高电平，小于此值认为是逻辑低电平。在铁芯由进入次级线圈1，到进入并包含次级线圈3的过程中，线圈1和3串接后输出的逻辑电平由1变为0。

2.2 线圈编码原理

31个次级线圈分成5组，每组用不同的图标表示。各组线圈串接后所有的一端共同接地，另一端分别用A，B，C，D，E五条引线引出。从这五条引线引出的感应电压信号经过滤波、放大、整流、整形处理后，再经过通过数字化处理后可以得到对应的五位数码值D4D3D2D1D0。可以得出，随着铁芯插入各次级线圈的位移x逐渐增大，对应着每一位移值x，都会输出唯一对应的五位数码值D4D3D2D1D0，即为得到的葛莱码。

31个次级线圈对应31个不同的葛莱码，取这31个线圈中间的30个等距间隔作为棒位测量行程。以大亚湾、岭澳核电站为例，棒位探测器的次级线圈之间间隔为127mm，棒移动一步的行程是15.875mm，因此，每个间隔为8步，测量区控制棒的移动范围是8×30＝240步。取每两个相邻次级线圈的中间位置作为与葛莱码对应的棒位标准位置，由于相邻的两线圈中间8个机械步位都对应着同一葛莱码，所以用葛莱码表示控制棒棒位的误差为±4个机械步。

在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，常见的二进制码有8421码、BCD码、4241码、GRAY码等。葛莱码是一种无权码，采用绝对编码方式，标准的葛莱码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。葛莱码属于可靠性编码，表现在相邻的码值只有一位发生变化，是一种错误最小化的编码方式。

3 结语

控制棒棒位监测系统的关键在于棒位探测器，提高棒位探测器的性能是提高系统可靠性的关键所在，未来核电站的控制棒棒位监测系统的改进首要重点是棒位探测器的研究与改进。相应地，采用更为可靠、通用、功能强大的工业控制设备以替代原系统陈旧的硬件设备，可以提高系统的可靠性及维护方便性。