本发明属核反应堆领域，尤其涉及用超声波测量反应堆控制棒棒位，以及各种工况下液介质中的物位与液面测量。 在反应堆中需要准确测量控制棒棒位，不同的堆型往往采取不同的方法，在常压下的试验反应堆中，伺服电机减速后带动一个卷筒，卷筒上的钢丝绳直接带动控制棒的提升或下降，控制棒的位置与电机转动的圈数和转角相对应，这时可以采用自整角机发送机与电机同步运动。自整角机接收机带动钟表式表盘，则表盘读数就代表控制棒位置。在压水堆中，由于密封要求，不能用钢丝绳带动控制棒，通常用直线电机，步进电机等磁力提升机构。前者不能用于压水堆型，后者又不能用旋转型自整角机来测量棒位，多年来各国科学工作者在压水堆控制棒棒位测量方法方面做了许多工作，目前用得最多的是格雷码控制棒棒位测量系统，该系统有几大缺点：（1）每根控制棒都必须接一根能穿出堆顶盖的加长杆，加长杆的下端与控制棒机械连接，上端要伸出压力壳顶盖，由于大型压水堆中装有许多根控制棒，每根控制棒的加长杆都要对应伸出压力壳顶盖，压力壳顶盖上必须打许多需要承压密封的孔。给压力壳顶盖的结构设计带来许多困难。（2）该测量系统的探头是多个扁平线圈，其测量原理就决定了这种系统不能连续测量，其步距由线圈间距所决定。要减小步距，提高测量精度，就必须增加线圈数量。（3）全量程线圈都布置在堆顶盖上方，这就必然使整过堆顶高度增加，堆顶结构复杂。（4）从原则上讲，每个线圈的信号线都要引到二次仪表，尽管通过多年努力，可以使引线减少，但其数量还是非常可观的。例如，在CN85108640A号专利中所采用的格雷码控制棒棒位测量系统，行程为20步的测量系统，每根控制棒的引出线为9-13根，一个大型压水堆往往有数十根甚至百根上的控制棒，上千根引线不仅结构复杂，成本增加，更重要的是降低了测量系统的安全性与可靠性。（5）由于上述原因，增加了整个反应堆成本。
为降低壳式水介质反应堆的造价，提高反应堆运行的固有安全性及可靠性。清华大学核能技术研究所推出了一种用于壳式水介质反应堆的新型控制棒-水力学驱动控制棒。-发明专利CN85100042《反应堆控制棒用对孔或水力步进缸》。
本发明的目的在于为这种新型控制棒提供一种量程宽、精度高。信号引线少，能连续测量控制棒棒位的超声测量系统。该系统也用于各种工况下液介质中的物位与液面测量。
本发明的特征是：
1.采用高温耐辐照全密封超声波测位探头。
2.在测位探头与控制棒加长杆的端面之间设有防声波干扰导管。
3.防声波干扰导管、测位探头、控制棒以及泵组成的具有一定过冷度水地独立循环流道。
4.设有测量固定距的测量探头与长度固定的反射体即双探头参比测量，自动修正液体物性变化，保证了测量精度。
5.双道承压密封信号线引电系统。
6.抗干扰、多功能信号处理及显示系统。
超声波测位探头除外壳是一带环翼的不锈钢密封外，筒内采用高温耐辐照全密封三晶片超声波换能器。该换能器获国家实用新型专利，专利号为CN87204877。
反应堆需装多个超声波测位探头，为防止各探头之间超声波产生相互干扰，每一个测位探头和控制棒端面之间都装有一根防声波干扰的不锈钢管。
测位探头都固定在反应堆压力壳内的吊兰上架板上，与堆内控制棒位置一一对应，防声波干扰导管固定在架板上，测位探头往下伸入导管中，控制棒向上伸入导管中，与导管保持一定间隙。控制棒在导管内保持静止或作提升、下降运动。
超声波探头发出的声脉冲在水中以一定的速度传播，遇障碍物将反射并服从光学反射定律，反射后的超声波再次为超声波探头所接收，发射波到回波之间的时间与探头到控制棒顶端之间的距离单值对应。其关系式为：hx＝（1/2）ctx （1）
式中：C：该工况下超声波在水中的传播速度[mm/μs]
tx：发射波回波之间的时间（μs）
hx：超声波探头到控制棒加长杆顶端之间的距离[mm]
若令控制棒在堆底时超声波探头到控制棒顶端之间的距离为ho（mm），则控制棒在堆内的提升距离就是：
h＝ho_hx＝ho_（1/2）ctx （2）
但是，超声波在水介质中的传播速度C是随工况（温度、压力等）而变的，准确测量声速C是相当困难的。为克服声速C对测量精度的影响。我们设计了双探头参比测量，在堆内再设置一固定距为Ho的反射面采用同样的方法测定发射波到回波之间的时间ts，则：
Ho＝（1/2）cto
C＝2Ho/to （3）
（3）式代入（2）时得到：
h＝ho_Ho· (tx)/(to) （4）
从（4）式可知，ho，Ho都是固定距离，可以用机械法度量，测量时间tx、to即可准确计算出控制棒棒位。我们称（4）式为参比测量式。由于时间变化是连续的，本测量系统可以连续测量控制棒位，另外，一根控制棒仅需要一个超声波探头，信号引出线也只需要1根。从而实现了量程宽、精度高信号引线少，能连续测量控制棒棒位的测量系统。
由于超声波测位探头安装在堆内，其铠装电缆引线是可以弯折的，我们将铠装电缆线及其保护套管集中起来通过几个引电腔及电缆插座引出压力壳外。从而实现了压力壳顶盖上少打孔的目的，减化了堆顶结构。降低了堆顶高度。
采用双探头参比测量公式从原理上证明，在任何复杂工况条件下，只要能找到合适的参比点，就可以较准确地连续测量控制棒棒位，从参比测量公式可知：被有4个被测参数。以单片机为核心的信号处理系统除了为超声波测位探头提供所需电脉冲以外，还要接收超声波测位探头所接收的微弱信号，加以放大，鉴别，处理，输出，显示。
超声脉冲是由电脉冲通过超声波换能器转换而来，电脉冲的峰值电压为500V左右，采用完全的电隔离措施可以减小强脉冲对单片机工作的干扰。保证整个测量系统正常工作。
超声波在介质中传播时，靠近测位探头近端的超声波是杂乱的，无规律的，此外，还有迟到波，二次回波，这些信号对测位而言都是干扰波，无用波，采用开关闸门可以完全去除近场波，迟到波以及二次回波。
任何控制棒超声波测量系统都有多个超声波测位探头，为避免彼此间电脉冲干扰，采用顺续工作制，用顺序窄脉冲发生器去控制相应信号处理单元和超声波测位探头的工作。
由于反应堆内的工况是非常复杂的，尤其是当反应堆启动、功率变化和保护停堆时更是如此，采用三取二符合测量技术可以消除工况变化的影响，该技术由单片机的软件来实现。
上述各项措施实现了超声波测位的绝对位置显示，以控制棒在堆应时为零位，显示精度为1mm。
水力学驱动控制棒的提升和下降都是按步进行的，反应堆运行的操作指令也是按步发出的，控制联锁信号也都直接与步数相联系，本系统采用多重译码实现数字步显及形象灯显。
本发明的优点在于，将液介质中的超声测位原理引入反应堆技术中，实现了一种量程宽、精度高、信号引线少、能连续测量控制棒棒位的超声波测量系统。采用高温耐辐照全密封三晶片超声波换能器及高温高压引电密封技术使得该系统的工作温度可达180℃，工作压力可达1.4兆巴。采用双探头参比测量及以单片机为核心的信号处理技术实现了全温区范围内的精度均满足反应堆运行要求。超声波测量系统与水力学驱动控制棒系统作为一个整体实现了反应堆堆体一体化设计中“整体安装于反应堆压力壳内部的要求”大大降低了反应堆堆体高度，从而显著降低了反应堆建造成本，如在船舶上使用，由于重心的降低还将增加船体的稳定性。
本发明还可用于温度低于200℃，压力低于20兆巴的各种工况下液体介质中物位与液面的测量。
附图说明：
图1 反应堆测量系统图示意图;
图2 过冷度水循环流道示意图;
图3 双探头参比测量示意图;
图4 隔离电路;
图5 开关闸门;
图6 主控制器;
图7 步显、灯显译码电路框图。
[1]可拆卸卡兰、[2]多芯电缆插座、[3]多芯电缆插头、[4]密封圈、[5]引电腔、[6]信号处理、[7]短导管、[8]膨胀节型护管、[9]多芯铠装电缆、[10]护管联座、[11]铠装电缆联座、[12]铠装电缆密封筒、[13]护管密封套筒、[14]磁绝缘子、[15]测位探头、[16]固定距探头、[17]吊篮架板、[18]反射体、[19]防声波干扰导管、[20]控制棒、[21]选择数字显示、[22]数字显示、[23]灯显、[24]单片机、[25]示波屏、[26]发逆接收放大器、[27]显示单元、[28]水循环流道、[29]泵、[30]反射面。
实施例：
清华大学5兆瓦核供热反应堆上的超声波测量系统工作温度为室温到180℃，工作压力为0.3～1.4兆巴，被测对象不仅包括控制棒，固定距棒，还包括压力壳水位。16个超声波测位探头构成双探头参比测量。全温区的棒位测量无步数误差，水位测量精度为±1cm。其显示单元包括数显、灯显，选择数显及示波屏显示。
16个超声波测位探头除外壳是一带环翼的圆柱形不锈钢密封筒以外，筒内的材料与结构均为高温耐辐照全密封三晶片超声波换能器相同。
每个测位探头和反射体之间都装有内径为51mm的不锈钢管。该管就是前面所说的防声波干扰导管。
测位探头固定在反应堆压力壳内的吊兰上架板上，与堆内控制棒位置相对应，防声波干扰导管固定在架板上，测位探头往下伸入导管中，控制棒的加长杆向上伸入导管中，与导管保持一定间隙。控制棒依靠水驱动力上升、下降或保持静止。控制棒及超声波导管中的水取自热交换器出端的一次水经屏蔽泵注入控制棒流道，其水温比堆芯出口水温至少低5℃，该温差保证流道内不会出现汽泡，更不会凝聚在探头表面，保证了超声波的正常传播。
测位探头获取的信号引通过铠装电缆引出堆外，为保证双道承压密封，铠装电缆安装顺序如下：（1）铠装电缆与测位探头的联接：在每根多芯铠装电缆的一端去除一段外皮，留出一段不锈钢芯线，将外皮与一个铠装联座焊成一体，膨胀节型护管的一端与护管联座焊成一体，然后将铠装电缆的另一端从护管联座中经膨胀节型护管穿出。再依次把直径不同的铠装密封筒与护管密封筒套在膨胀节型护管上，将留出的一段不锈钢芯线分别焊在测位探头的中心电报上，铠装密封筒的外沿焊在测位探头的顶盖上，铠装密封筒上端内沿与铠装联座下端的外沿焊在一起，通过护管密封筒将落在测位探头的环形翼板上，两者的外沿焊在一起，护管密封筒上端的内沿与护管连座下端的外沿焊在一起，至此多芯铠装电缆已与测位探头联成一体。
（2）引电腔与测位探头装电缆以及与多芯电缆插座的联接：几根短导管分别焊在引电腔下端的孔中，使带有铠装电缆的膨胀节型护管从短管下端向上插入短导管内，直到多芯铠装的芯线穿出短管进入引电腔为止，这时将膨胀节型护管与短导管的下端焊牢，引电腔上有几根短管就允许联接几个测位探头，在多芯铠装电缆的芯线上套上环多短段绝缘瓷管后，顺引电腔上行与嵌入引电腔上端的多芯电缆插座的插针焊接。引电腔与嵌入该腔中的多芯电缆插座之间垫有密封圈，由卡兰将它们卡死，锁紧。到此为止，引电腔的上端已穿出压力壳顶盖上的引出孔，引电腔的上端面与压力壳顶盖上引出孔的法兰的下端面由双道O型金属环完成端面密封，上述密封构成了从测位探头，引电腔及压力壳顶盖引出孔法兰端面的第一道密封，而引电腔为多芯电缆插座之间通过卡兰联接则是引电的第二道密封。
信号由铠装电缆引到堆外以后，由焊接在多芯电缆插头上的绝缘导线穿过位于安全壳侧壁上的穿管密封引向控制室的以单片机为核心的信号处理系统的信号输入插口。
信号处理及显示系统控制各测位探头的工作，接收各测位探头送出的测位信号，加以放大，鉴别后进行运算处理，输出反应堆运行所要求显示信号。仪器间的信号显示单元上可以数字显示控制棒棒位，也可以示波屏上选择显示某控制棒棒位的回波时间和回波高度。在控制台面板上则直接显示控制棒提升步数，灯显控制棒在堆内位置，并可选择显示任何一根控制棒的提升步数。