球床堆燃料元件装卸系统过球检测方法及外装式检测系统

摘要

球床堆燃料元件装卸系统过球检测方法及外装式检测系统属于球床式反应堆燃料元件检测技术领域。是以安装在过球管道外的外装式检测系统，利用远场涡流原理检测两个检测线圈的电压，并对该两个检测线圈的电压分别进行检幅和鉴相处理，得到包含有过球信息的检幅输出电压UOA和鉴相输出电压UOP，然后对该电压UOA和UOP进行进一步分析和处理，从而判断出过球管道内是否有球经过。本发明还提出了外装式检测系统。采用本发明，安装和维修无需破坏过球管道，保证装卸料管道的完整性和高压气密性，降低辐射污染；传感器线圈、骨架和其它附件直接与放射性燃料球接触，对整个检测传感器材料的抗辐射性要求较低，有利于提高传感器的使用寿命。

说明书

技术领域：

球床堆燃料元件装卸系统过球检测方法及外装式检测系统属于球床式反应堆燃料元件检测技术领域。

背景技术

目前，能源短缺已成为困扰世界各国的主要难题之一，对我国的可持续发展也构成了严峻的挑战，合理有序地发展核能是解决能源危机的重要手段，受到了国家的高度重视。球床式高温气冷堆是一种先进的反应堆堆型，具有发电效率高，安全性好，能够在不停堆的情况下进行燃料装卸等优点。世界上已建成的球床式高温气冷堆有德国AVR堆和THTR堆、中国的HTR-10高温气冷实验堆，还有正在建设中的南非PBMR堆。

为了实现球床式高温气冷堆的连续运行，必须能够在不停堆的情况下实现燃料元件装卸的有效控制。为此，必须对装料管道、卸料管道和乏燃料管道中的石墨球和石墨为基体的燃料球进行准确检测和计数，这正是本专利的目的所在。

准确性、安全性和可靠性是对燃料元件检测装置的基本要求。目前在球床堆上使用的燃料元件检测装置有两种(都利用了导电的石墨对线圈感抗的影响原理)。一是内装式：在不锈钢过球管道内预装检测线圈，燃料球通过时线圈的感抗会发生变化，通过检测线圈感抗的变化来得到过球信号，德国的AVR堆、THTR堆、我国的HTR-10高温气冷实验堆和在建中的南非PBMR堆采用的就是这种装置。二是侧壁打孔安装式：在不锈钢过球管道侧壁打孔，在孔内安装检测线圈，这种装置类似于电磁式接近开关，德国曾采用这种传感器进行过200MW模块堆装卸料系统的设计。

以上两种传感器在使用时存在以下问题：

(1)传感器安装都破坏了过球管道的完整性，传感器结构和安装方式必须保证过球管道的高压气密性，因此传感器结构复杂，安装困难。

(2)传感器出现故障后，维修和更换传感器必须拆卸过球管道，施工时间长，容易造成辐射污染，影响反应堆的可利用性。

(3)传感器线圈、骨架和其它附件直接与放射性燃料球接触，对整个检测传感器材料的抗辐射性要求很高，影响了传感器的使用寿命。

发明内容：

本发明的目的在于，针对现有过球检测装置的不足，提出了一种利用利用外装式过球检测检测系统，采用远场涡流穿透不锈钢管道实现燃料元件检测的方法。该方法具有如下优点：

(1)传感器安装无需破坏过球管道，保证了装卸料管道的完整性和高压气密性，而且传感器结构简单，安装方便。

(2)传感器线圈、骨架和其它附件不直接与放射性燃料球接触(中间由不锈钢管壁分隔)，对整个检测传感器材料的抗辐射性要求较低，有利于提高传感器使用寿命。

(3)在传感器出现故障后，维修和更换传感器无需拆卸过球管道，施工时间短，辐射污染小。保证了装卸料管道的完整性和高压气密性；解决了传感器安装的方便性和使用可靠性；提高了传感器的使用寿命。

本发明的特征在于，是以安装在过球管道外的外装式检测系统，利用远场涡流原理检测两个检测线圈的电压，并对该两个检测线圈的电压分别进行检幅和鉴相处理，得到包含有过球信息的检幅输出电压U_OA和鉴相输出电压U_OP，然后对该电压U_OA和U_OP进行进一步分析和处理，从而判断出过球管道内是否有球经过。

在所述单片机中对经过检幅和鉴相处理的幅度检测电压U_OA和相位检测电压U_OP进行分析和处理，判断是否过球，其步骤如下：

1)初始化：给定幅度电压检测阈值Uth1、Uth2；

          给定相位电压检测阈值Uth3、Uth4；

          给定单次过球信号处理的时间范围ΔT；

          给定幅度检测电压U_OA的常态值，即无球通过时U_OA的电压值；

          给定相位检测电压U_OP的常态值，即无球通过时U_OP的电压值；

2)采集幅度检测电压U_OA和相位检测电压U_OP

3)进行如下条件的判断：

条件(1)，进行幅度阈值判断：U_OA在ΔT时间内是否被Uth1和Uth2分别切割两次；

条件(2)，进行相位阈值判断：U_OP在ΔT时间内是否被Uth3和Uth4分别切割两次；

条件(3)，进行幅度波形判断：双方向波形的形状是否具有相似性；

条件(4)，进行相位波形判断：双方向波形的形状是否具有相似性；

在ΔT时间内，当条件(1)和(3)同时满足，或条件(2)和(4)同时满足，或条件(1)～(4)同时满足时，判断为有球通过，并将条件(1)～(4)全部复位，继续判断；否则继续判断。所述阈值Uth1、Uth2、Uth3、Uth4的确定方法如下：

Uth1＝(U_OA的常态值+有球通过时U_OA的最大值)/2；

Uth2＝(U_OA的常态值+有球通过时U_OA的最小值)/2；

Uth3＝(U_OP的常态值+有球通过时U_OP的最大值)/2；

Uth4＝(U_OP的常态值+有球通过时U_OP的最小值)/2；

所述单次过球信号处理的时间范围ΔT＝燃料球通过两个检测线圈中心的时间间隔。

所述对幅度波形的双方向波形的形状的相似性判断，是通过在区间[t1，t4]内对U_OA进行积分，若积分值等于U_OA的常态值，则表明波形具有相似性；所述t1是在ΔT时间内Uth1第一次切割U_OA的时间，所述t4是在ΔT时间内Uth2第二次切割U_OA的时间。

所述对相位波形的双方向波形的形状的相似性判断，是通过在区间[t5，t8]内对U_OP进行积分，若积分值等于U_OP的常态值，则表明波形具有相似性；所述t5是在ΔT时间内Uth3第一次切割U_OP的时间，所述t8是在ΔT时间内Uth4第二次切割U_OP的时间。

根据过球检测方法而设计的外装式检测系统，其特征在于，它含有：

传感器：含有包覆在过球管道外的至少两个线圈，接收激励单元的激励信号，在空间产生稳定的交变电磁场，并检测反映过球信息的两个电压信号，输入信号检测与调理单元；

激励单元：接收单片机的控制信号，产生稳幅正弦交流激励信号，作用于传感器的激励线圈，在空间产生稳定的交变电磁场；

信号检测与调理单元：接收传感器两个检测线圈输出的正弦波电压信号，进行放大和相位处理，将处理后的信号分别输出到幅度鉴别单元和相敏检波单元；

幅度鉴别单元：接收信号检测与调理单元输出两个电压信号，检测这两个信号的幅度变化，输出反应幅度变化的电压信号U_OA；

相敏检波单元：接收信号检测与调理单元输出两个电压信号，检测这两个信号的相位变化，输出反应相位变化的电压信号U_OP；

单片机：输出控制信号到激励单元，同时接收幅度鉴别单元和相敏检波单元输出的信号，经过分析，确定是否有球经过。

所述传感器为包覆在过球管道外绕成半圆状的两个检测线圈，所述两个检测线圈紧挨过球管道外壁，且沿过球管道的长度方向排列，该两个检测线圈的绕制方法、所用材料和线圈匝数相同；还含有一个激励线圈，该激励线圈绕制的宽度大于所述检测线圈。

所述激励单元含有DDS正弦信号发生电路和功率放大电路，所述DDS正弦信号发生电路的控制信号输入端与所述单片机的激励电压控制信号输出端相连，其信号输出端连接所述功率放大电路的信号输入端；所述功率放大电路的信号输出端连接激励线圈，使激励线圈在空间产生稳定的交变电磁场。

所述信号检测与调理单元含有两个运算放大器，其输入端分别连接所述两个检测线圈，其输出端分别连接所述幅度鉴别单元和所述相敏检波单元。

所述幅度鉴别单元含有依次串联的减法器、放大器、加法器和整流电路，所述信号检测与调理单元的两个信号输出端连接所述减法器的两个信号输入端，所述激励单元输出的电压信号经过一个调整电路输入所述加法器的另一个输入端，所述整流器的输出端连接单片机的模拟信号输入端；述调整电路是一个运算放大器电路。

所述相敏检波单元含有依次串联的反相器、相敏检波器、减法器和放大器，所述信号检测与调理单元输出的一个信号输入反相器，另一信号输入所述相敏检波器，减法器的另一个输入端输入参考电压，所述放大器的输出端连接所述单片机的模拟信号输入端。

试验证明：本发明所提出的方法及系统能够实现在过球管道外进行过球情况的检测，达到了预期的目的。

附图说明：

图1外装式检测系统工作原理框图；

图2传感器结构示意图；1管道，2骨架，3线圈，3-1检测线圈1，3-2激励线圈，3-3检测线圈2，4支架

图3激励单元电路原理图；

图4检测与调理单元电路原理图；

图5幅度检测单元电路原理图；

图6有球和无球通过时U_OA的波形图；图6(a)无球通过时的波形，6(b)球正向通过时的波形，6(c)球反向通过时的波形

图7相敏检波单元电路原理框图；

图8单片机系统的基本组成框图；

图9过球信号判断原理示意图；图9(a)幅度信号，图9(b)相位信号，图9(c)单方向干扰信号，图9(d)双方向干扰信号

图10过球判断程序流程框图。

具体实施方式：

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明的原理是：通过交变电流的线圈会在其附近产生交变的电磁场，在线圈附近的导电体(石墨球)内会产生涡流，所产生的涡流反过来又会影响空间电磁场，从而影响线圈电压的幅值和相位，通过检测线圈电压的幅值和相位的变化，可以判断有无导电的石墨球通过。

本发明的过球检测系统工作原理如图1所示。单片机控制激励单元产生1K-8K的稳幅正弦交流激励信号U_E，作用于传感器的激励线圈在空间产生稳定的交变电磁场。由于互感作用，在两个参数和布置都对称的检测线圈上会感应出同频的正弦交流电压U_R1、U_R2，这两个感应信号在无球通过时是同相等幅信号，在有球通过时会出现幅值和相位的变化。检测线圈的感应信号经过信号检测和调理单元后，进行相敏检波和幅度鉴别，检相和检幅输出信号送入单片机的A/D通道，经过数据分析后确定有无过球及过球方向。

以下将结合图1中的各个单元对本发明的技术方案和技术特征进行说明。

1传感器

传感器的结构如图2所示。传感器采用激励和检测线圈分离的方式。激励线圈宽度较大，以便在空间形成稳定的磁场，保证检测线圈处磁场的均匀和稳定；检测线圈形状窄平，可以保证检测的灵敏度，并且两个检测线圈的绕制方法、所用材料和线圈匝数要相同，以保证它们的电阻和电感误差小于1％。传感器也可以仅包含两个线圈，这两个线圈互为激励和检测线圈；传感器也可以设计成对装的两个半圆，也可以绕制成V型；图2所示的结构效果较好。

2激励单元

激励单元的基本电路原理如图3所示。激励单元包括两个部分：DDS正弦信号发生电路和功率放大电路。

DDS(Direct Digital Synthesis)即直接数字频率合成，是一种新的频率合成方法，它具有频率稳定性高、频率分辨率高、频率快速切换，相位可控等优点，本发明采用了AD9850DDS控制芯片(U7)。通过选择合适的工作频率，可以使过球检测装置避开现场最经常出现的干扰频率，有助于提高系统的抗干扰能力。

功率放大线路比较简单，本发明采用了LM1875功率放大模块(A3A)。LM1875是一种音频功率放大芯片，其最大输出功率为30W，工作带宽可以达到70K，非常适合于本发明装置的功能要求。

3检测与调理单元

检测与调理单元的功能是：对两个检测线圈输出的正弦波信号进行放大和相位处理，使其处在适合后续电路处理的电压范围，并且在无燃料球通过时，保证这两个信号同相等幅。检测与调理电路基本原理如图4所示，U_R2的处理电路与U_R1相同，采用运放TL084，通过调整电位器VR1可以调整放大倍数，通过调整L1和C1，可以控制波形的相位。

4幅度鉴别单元

幅度鉴别单元的主要功能是：检测过球管道内有无球通过时U₁和U₂信号幅值的变化，其基本原理如图5所示。图中U_E与激励信号相同，Ur是与无球通过时的U₁和U₂同频同相的参考信号，调整电路与图4原理相同。无球通过时，U₁和U₂同频、同相、等幅，相减后为零，此时，整流电路的输出U_OA为Ur的整流输出。当有球通过时，由于涡流的作用检测线圈的感抗会发生变化，而且由于燃料球通过检测线圈1和检测线圈2的时间不同，因此U₁和U₂的幅值和相位会出现变化，此时整流输出信号U_OA会出现幅值上的变化，U_OA的波形如图6所示。

5相敏检波单元

由于传感器、电缆和检测系统很容易受到电磁干扰，而这些干扰以电压干扰为多，仅通过幅度检测单元来判断有无过球存在一定的不可靠性，因此本发明设计了相敏检波单元。其主要功能是检测过球管道有无球通过时信号相位的变化，其基本原理如图7所示，图中V_CC为电源电压。相敏检波的主要目的是将U₁和U₂的相位差转换为与之成比例的电压信号。相敏检波器可采用ADI公司生产的AD9901鉴频鉴相器，对于幅值为1.8V的典型输出，其转移函数可表示为0.286V/rad。无球通过时，U₁和U₂同频、同相，U₁反相后与U₂的相位差为π，此时相敏检波器的输出约为0.9V。当有球通过时，由于涡流的作用检测线圈的感抗会发生变化，而且由于燃料球通过检测线圈1和检测线圈2的时间不同，因此U₁和U₂的相位会出现变化，此时相敏检波器的输出将在0.9V左右变化，但此变化极其微小，难于直接检测。因此，将相敏检波器的输出减去一个设定值，再放大输出，输出电压U_OP的波形与图6所示波形相似。

6单片机系统

单片机系统是本发明的重要组成部分，主要实现过球信号的分析处理和检测装置的使用功能，其基本组成如图8所示。单片机采用Intel公司的80C196KB单片机。

各部分的作用如下：EPROM用于永久性储存程序；掉电保护RAM用于存储过球数据；串行通讯接口用于程序调试和数据读取；万年历用于为过球信号提供参考和记录时间；LED用于显示累计过球数；DDS用于控制激励单元的工作频率和状态，与单片机的D₀-D₇、P₁₀-P₁₂相连(见图3)；功能键用于实现一些使用功能；过球指示灯每通过一个燃料球闪烁一次；过球脉冲每通过一个燃料球输出一个脉冲信号，用于其它系统的控制。U_OA和U_OP为幅度检测单元和相敏检波单元输出的信号，是过球判断的主要依据，接入单片机的模拟量输入接口A/D₀和A/D₁。

单片机部分的主要功能是对U_OA和U_OP信号进行分析，以确定过球与否。为了提高抗干扰能力，保证过球信号判断的准确性，本发明采用了如图9-(a)(b)所示的过球判断方法。

设定幅度检测的阈值Uth1、Uth2，和相位检测的阈值Uth3、Uth4，进行如下条件的判断：

条件(1)—幅度阈值判断：U_OA在ΔT时间内被Uth1和Uth2分别切割两次，以避免单方

                       向干扰信号的干扰(图9—(c))。

条件(2)—相位阈值判断：U_OP在ΔT时间内被Uth3和Uth4分别切割两次，以避免单方

                      向干扰信号的干扰。

条件(3)—幅度波形判断：双方向波形的形状具有相似性，以避免双方向不对称干扰信号

                      的干扰(图9-(d))。可通过在区间[t1，t4]内对U_OA进行积

                      分，积分值等于U_OA的常态值(无球通过时的电压值)表明波

                      形具有相似性。

条件(4)—相位波形判断：双方向波形的形状具有相似性，以避免双方向不对称干扰信号

                      的干扰。可通过在区间[t5，t8]内对U_OP进行积分，积分值等

                      于U_OP的常态值表明波形具有相似性。

阈值Uth1和Uth2的确定方法如下：

Uth1＝(U_OA的常态值+有球通过时U_OA的最大值)/2

Uth2＝(U_OA的常态值+有球通过时U_OA的最小值)/2

Uth3＝(U_OP的常态值+有球通过时U_OP的最大值)/2；

Uth4＝(U_OP的常态值+有球通过时U_OP的最小值)/2；

阈值Uth3和Uth4的确定方法与Uth1和Uth2的确定方法原理相同。

ΔT是燃料球通过两个检测线圈中心的时间间隔，与球径和过球速度有关。

在ΔT时间内，当条件(1)和(3)满足时，或条件(2)和(4)满足时，条或件(1)～(4)同时满足时，可判断为有球通过。只要有球通过，则条件(1)～(4)全部复位。过球判断部分的程序框图如图10所示。

如果在球床式高温气冷堆燃料装卸系统中采用本发明的检测系统，将在保证过球检测可靠性的前提具有如下有益的效果：安装和维修无需破坏过球管道，保证装卸料管道的完整性和高压气密性，降低辐射污染；传感器线圈、骨架和其它附件直接与放射性燃料球接触，对整个检测传感器材料的抗辐射性要求较低，有利于提高传感器的使用寿命。