热电偶多点测温装置和具有其的模拟压力反应堆技术领域
本发明涉及一种热工测量，尤其涉及一种热电偶多点测温装置和具有其
的模拟压力反应堆的堆芯温场测量。
背景技术
堆芯温场测量通常是在堆芯布置多支多点热电偶测量装置实现三维温
场测量。国内外目前专用多点热电偶测温产品普遍应用于电力或石化行业，
用于监控大空间容器内介质的温度分层，例如化工催化剂反应器使用的专用
多点热电偶。这种多点热电偶通常使用法兰式安装结构，通常安装于非承压
容器或低压容器，使用的铠装热电偶封装在不锈钢保护套管内，无法与介质
直接接触，温度响应时间较长，测量结果存在导热误差。
而用于试验的反应堆压力容器试验装置，具有特殊的模拟反应堆堆芯的
内部结构和缩小比例后极小的安装空间，常规工业使用的多点热电偶不适用。
具体地，反应堆压力容器试验装置内布置模拟燃料棒的电加热棒，堆芯设计
按比例模拟原型反应堆的流通面积，反应堆压力容器内还设计有多层加热棒
支撑格架，造成温场测量装置的安装空间十分有限，小空间安装多点热电偶
需要特殊的测温装置结构设计。
发明内容
为了利用热电偶丝以热电偶丝测温段垂直于流道且直接接触介质的方
式在狭小空间内测量流体温度，提出本发明。
根据本发明的一个方面的实施例，提出了一种热电偶多点测温装置，
包括：至少两根热电偶丝；套管，具有在套管的轴线方向上相对的第一端
和第二端，所述套管的侧壁上设置有至少两个引出孔，所述至少两个引出
孔在套管的轴线方向上间隔开，其中：每一根热电偶丝的一端穿入所述套
管内并从对应的一个引出孔引出到套管的外壁之外，引出的热电偶丝段作
为测温段大致垂直于套管的轴线方向延伸，且热电偶丝的直径略小于引出
孔的内径。
在本发明的一个示例性实施例中，所述套管在每一个引出孔的相对侧
设置有安装开口，安装开口的尺寸大于引出孔的直径。进一步地，热电偶
多点测温装置还包括：压块，所述压块适于置入所述安装开口中按压对应
的热电偶丝从而固定对应的热电偶丝的测温段。
在本发明的一个示例性实施例中，所有引出孔布置在平行于所述轴线
方向的一条直线上。
在本发明的一个示例性实施例中，在从套管的第二端到第一端的方向
上，每一个引出孔的靠近第一端的一侧设置有挡块，所述挡块从套管的外
壁延伸的径向距离不小于所述测温段的长度。
在本发明的一个示例性实施例中，所述套管的外径在6-8mm之间；所
述测温段的长度为2-3mm；每一个引出孔的直径为1.5-2.5mm。
在本发明的一个示例性实施例中，套管的第一端设置有第一端固定结
构。进一步地，套管的第一端还设置有吊装结构。进一步地，所述第一端
固定结构包括设置在所述套管的第一端的末端的内螺纹，以及适于与所述
内螺纹配合的螺杆；且所述吊装结构为设置在套管的第一端的与内螺纹间
隔开的牵吊孔。
在本发明的一个示例性实施例中，热电偶多点测温装置还包括：密封
安装座，密封安装座的围绕中心的部位设置有多个密封孔，每一个热电偶
丝穿过一个对应的密封孔；中心管，外径略小于套管的内径，且中心管的
一端适于固定到密封安装座的中心，而中心管的另一端适于插入固定到套
管的第二端，所述多个密封孔围绕中心管设置；所述套管上设置有热电偶
丝引入口，穿过密封孔的热电偶丝的所述一端经由所述引入口穿入套筒内
部；以及挤压部件，适于在径向向内方向上挤压密封安装座。可选地，设
置了多组热电偶丝引入口，多组热电偶丝引入口沿套管的轴线方向间隔开，
每一组热电偶丝引入口包括在套管的直径方向上相对的两个热电偶丝引入
口，且相邻的两组热电偶丝引入口绕套管的轴线方向在圆周方向上错开。
进一步地，所述套管上还设置有介质引入口。
根据本发明的另一个方面的实施例，提出了一种模拟压力反应堆，包
括：模拟压力反应堆容器，限定容器的轴线方向，所述模拟压力反应堆容
器包括上封头和下封头并且内部设置有下模拟堆芯板和上模拟堆芯板，所
述下模拟堆芯板和上模拟堆芯板均设置有多个第一穿孔和多个第二穿孔；
多个电加热棒，所述电加热棒作为模拟堆芯，所述多个电加热棒平行于容
器的轴线方向布置在模拟压力反应堆容器内，且每一个电加热棒穿过所述
下模拟堆芯板和上模拟堆芯板的对应的第一穿孔；以及至少一个热电偶多
点测温装置，所述热电偶多点测温装置为上述的热电偶多点测温装置，且
所述热电偶多点测温装置的套管的轴线方向平行于所述容器的轴线方向，
所述热电偶多点测温装置的套管置于相邻电加热棒的间隙之间、且穿过所
述下模拟堆芯板和上模拟堆芯板的对应的第二穿孔。
在本发明的一个示例性实施例中，所述至少一个热电偶多点测温装置
包括多个热电偶多点测温装置，所述多个热电偶多点测温装置分布在所述
模拟压力反应堆容器内的电加热棒所在的区域内，用于测量流过电加热棒
所在区域的介质的温度分布。可选地，所述至少一个热电偶多点测温装置
包括第一组四个热电偶多点测温装置、第二组四个热电偶多点测温装置和
一个中心热电偶多点测温装置，其中：中心热电偶多点测温装置的套管的
轴线方向与容器的轴线方向重合；且在所述模拟压力反应堆容器的俯视图
中，第一组四个热电偶多点测温装置沿经过中心热电偶多点测温装置所在
的点的第一条直线布置，第二组四个热电偶多点测温装置沿经过中心热电
偶多点测温装置所在的点的第二条直线布置，第一条直线垂直于第二条直
线，且第一组四个热电偶多点测温装置和中心热电偶多点测温装置沿第一
直线以第一距离等间隔布置，第二组四个热电偶多点测温装置和中心热电
偶多点测温装置沿第二直线以所述第一距离等间隔布置。
在本发明的一个示例性实施例中，热电偶多点测温装置还包括：密封
安装座，密封安装座的围绕中心的部位设置有多个密封孔，每一个热电偶
丝穿过一个对应的密封孔；中心管，外径略小于套管的内径，中心管的一
端适于固定到密封安装座的中心，而中心管的另一端适于插入固定到套管
的第二端，所述多个密封孔围绕中心管设置；所述套管上设置有热电偶丝
引入口，穿过密封孔的热电偶丝的所述一端经由所述引入口穿入套管内部；
以及挤压部件，适于在径向向内方向上挤压密封安装座，其中每一个所述
螺杆适于穿过对应的第二穿孔而由紧固螺母固定到上模拟堆芯板。
在本发明的一个示例性实施例中，所述下封头上设置有供套管的第二
端引出的多个下封头引出孔；套管的第二端经由对应的下封头引出孔延伸
到下封头之外。
本发明再一方面的示例性实施例提出了一种将上述的具有密封安装座
的热电偶多点测量装置安装到模拟压力反应堆的压力反应堆容器中的方法，
包括如下步骤：
(1)从模拟压力反应堆容器上部向下布置外径与套管外径相同的导向
管，该导向管沿竖直方向穿过下模拟堆芯板的对应的第一穿孔和上模拟堆
芯板上对应的第二穿孔；
(2)将牵引丝穿过导向管和牵吊孔；
(3)通过拉动牵引丝带动导向管向上移动，使得套管从上往下穿过模
拟堆芯；
(4)将密封安装座预紧以预密封；
(5)在检查热电偶多点测量装置可用之后，在上模拟堆芯板上紧固螺
母以固定套管的第一端；
(6)锁紧密封安装座，执行模拟压力反应堆容器打压测试，确认无泄
漏。
附图说明
图1为现有技术中的反应堆压力容器试验装置的结构示意图；
图2为显示根据本发明的一个示例性实施例的多个热电偶多点测温装置
相对于电加热棒的布局的俯视示意图；
图3为根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测温装置的结构示
意图；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的显示热电偶丝的测温段的引出、
保护和固定的局部放大示意图；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测温装置的上端的
结构示意图，其中示出了螺杆和牵吊孔；
图6为根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测温装置的下端的
结构示意图，其中示出了密封安装座以及固定到密封安装座且插入到套管的
第二端中的中心管，以及示出了热电偶丝如何从下往上引入到热电偶多点测
温装置的内部；以及
图7示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测量
装置的测点布置。
具体实施方式
虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此
描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时
获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人
员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施
例。
下面参照图3-7描述根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测
温装置。
如图3所示，根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测温装置
10，包括：至少两根热电偶丝11；以及套管12，具有在套管12的轴线L
方向上相对的第一端(图中对应于上端)和第二端(图中对应于下端)，
所述套管12的侧壁上设置有引出孔121(参见图4，图3中仅仅示出了一
个，其他未示出)，引出孔121在套管的轴线L方向上间隔开，其中：每
一根热电偶丝11的一端穿入(例如通过下面描述的热电偶丝引入口122)
所述套管12内并从对应的一个引出孔121引出到套管12的外壁之外，引
出的热电偶丝段作为测温段111大致垂直于套管的轴线L方向延伸，且热
电偶丝的直径略小于引出孔的内径。
由于热电偶丝直接伸出到套管12之外而与在套管外侧流动的介质直
接热接触，所以克服或抑制了现有技术中铠装热电偶由于无法与介质直接
接触而导致的温度响应时间较长、测量结果存在导热误差的问题。即，基
于精确测温模型设计的接触式测量方式，可以得到相较常规工业多点热电
偶更完整准确的数据。测量结果可直接准确反映模拟堆芯温度和功率分布
状态，并通过堆芯温场反映流体的三维流动和热分层。
另外，因为可以将多根热电偶丝放入到一个套管内，然后从套管内穿
过套管壁直接引出到套管外，所以可以利用一个套管同时设置多根热电偶
丝，从而减少了热电偶多点测温装置的空间占用，尤其是在将热电偶多点
测温装置布置在由多个电加热棒组成的阵列中的情况下。
而且，由于细的热电偶丝布置在套管12内，套管12可以保护热电偶
丝免受套管12外部的介质的冲击。
套管12上还设置有介质引入口125(例如参见图7)，介质可以通过
介质引入口进入套管12内部，实现套管12内外的压差很小或为零。
该热电偶多点测温装置同样可用于模拟反应堆压力容器内下降段、冷
热管等位置温场或热分层状态的测量和监测。如图4所示，所述套管12
在每一个引出孔121的相对侧设置有安装开口123，安装开口的尺寸大于
引出孔121的直径。安装开口123可以是矩形槽或圆孔。安装开口123用
于便于例如使用镊子将热电偶丝的11的一端从引出孔121穿出。不过，如
图4中所示，安装开口123中还可以设置压块13，该压块13适于置入安
装开口123中按压对应的热电偶丝11从而固定对应的热电偶丝的测温段
111。
在本发明中，热电偶丝的直径略小于引出孔的内径，在满足最小弯曲
半径的前提下，每根热电偶丝11的一端(即端部需要穿出套管的一端)的
弯曲长度不小于2倍的热电偶丝11的直径，如此，在图4中，热电偶丝
11的上侧由引出孔121的上部外缘支撑，而由于压块13的作用热电偶丝
11的下侧则由引出孔121的下部内缘支撑。这样，测温段111大致垂直于
套管的轴线L方向延伸(即测温段111大致垂直于流道)，热电偶丝的上
下两侧被支撑固定，基本上可以保证测点位置在介质的流速冲击下固定、
防止流体冲刷后弯曲段位移，从而满足测温段处于等温线这一一测温基本要
求。压块13可以通过激光焊接而固定到安装开口123中，同时按压对应的
热电偶丝11。压块13也可以是其他的可以按压热电偶丝11而利用固定方
式不会从套管脱落的任何结构。
在本发明的一个可选的实施例中，所有引出孔121可以布置在平行于
所述轴线L方向的一条直线上。
如图4所示，在从套管12的第二端到第一端的方向上(即，图4中从
下往上的方向上)，每一个引出孔121的靠近第一端的一侧设置有挡块14，
所述挡块14从套管的外壁延伸的径向距离不小于测温段111的长度。在将
热电偶多点测温装置从下往上装入到后面提及的模拟压力反应堆容器20
内时，挡块14可以防止测温段111因为磕碰而受到损害。挡块14可以利
用焊接焊丝形成。
在本发明的一个具体示例性实施例中，热电偶丝的直径可以为1mm。
套管12的外径在6-8mm之间；测温段111的长度为2-3mm；每一个引出
孔121的直径为1.5-2.5mm。
套管12的第一端可以设置有第一端固定结构和吊装结构。下面参照图
5描述热电偶多点测温装置的第一端固定结构和吊装结构。所述第一端固
定结构包括设置在套管12的第一端的末端的内螺纹(未示出)，以及适于
与所述内螺纹配合的螺杆15；且所述吊装结构为设置在套管的第一端的与
内螺纹间隔开的牵吊孔124。需要指出的是，第一端固定结构可以不设置
内螺纹和螺杆，而是仅仅在套管的第一端设置外螺纹，螺母可以与外螺纹
配合而固定套管的第一端。吊装结构也不限于图中的牵吊孔124，例如，
吊装结构为与图5中的螺杆15配合的结构，再如，牵吊孔124可以设置在
螺杆上。在图5中示出了穿过牵吊孔124的钢丝16(即牵引丝，也可以采
用其他形式，例如强度足够的尼龙丝等)，可以利用钢丝向上拉套管12
从而热电偶多点测温装置。
图6为根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测温装置10的下
端的结构示意图，其中示出了密封安装座17以及固定到密封安装座17且
插入到套管12的第二端中的中心管18，以及示出了热电偶丝11如何从下
往上引入到热电偶多点测温装置10的内部。具体地，热电偶多点测温装置
10还包括：密封安装座17，密封安装座17的围绕中心的部位设置有多个
密封孔171，每一个热电偶丝11穿过一个对应的密封孔171；中心管18，
外径略小于套管12的内径，且中心管18的一端适于固定到密封安装座17
的中心，而中心管18的另一端适于插入固定到套管12的第二端，所述多
个密封孔171围绕中心管18设置；所述套管12上设置有热电偶丝引入口
122，穿过密封孔171的热电偶丝11的所述一端经由所述引入口122穿入
套筒12内部；以及挤压部件(未示出)，适于在径向向内方向上挤压密封
安装座。基于该径向挤压，热电偶丝11被紧固。
图6的最下端示出了密封安装座17的横截面图。
在本发明中，热电偶多点测温装置10的上端和下端均可以被固定，而
且，细的热电偶丝布置在套管12中，从而实现了模拟堆芯流动介质的纵向
和横向冲击对热电偶丝的保护，这避免了现有技术中“模拟堆芯的横向流
速使热电偶与格架碰撞导致热电偶丝损坏甚至断裂而危及主泵等设备安全”
这样的技术问题。
在本发明中，密封结构(密封安装座17)能承受至少10MPa的压力
和350℃的温度工况，且可实现多支热电偶丝在同一位置同时引出的功能。
如图6中所示，在中心管18插入到套管12中就位之后，可以使用焊
接方式将中心管18相对于套管12固定。
如图6所示，设置了两组热电偶丝引入口122a、122b，两组热电偶丝
引入口沿套管的轴线L方向间隔开，每一组热电偶丝引入口包括在套管的
直径方向上相对的两个热电偶丝引入口，且两组热电偶丝引入口绕套管的
轴线方向在圆周方向上错开，例如错开90度，当然也可以错开其他角度。
也可以设置多组热电偶丝引入口。
在具体的示例中，套管12可以为外径为7mm而内径为约5mm的不
锈钢管。中心管18通过例如堆焊而固定在密封安装座17上，其最大偏心
度为0.2mm，中心管的外径例如为4.78mm。在套管12的中心管顶端上方
的位置开窗以形成热电偶丝引入口122。
根据本发明的另一方面的示例性实施例，提出一种模拟压力反应堆，
其包括：
模拟压力反应堆容器20，如图1所示，限定容器的轴线M方向，所
述模拟压力反应堆容器20包括上封头21和下封头22并且内部设置有下模
拟堆芯板23和上模拟堆芯板24，所述下模拟堆芯板23和上模拟堆芯板24
均设置有多个第一穿孔和多个第二穿孔；
多个电加热棒30(参见图2)，所述电加热棒作为模拟堆芯，所述多
个电加热棒30平行于容器的轴线方向布置在模拟压力反应堆容器内，且每
一个电加热棒穿过所述下模拟堆芯板23和上模拟堆芯板24的对应的第一
穿孔；以及
至少一个上述热电偶多点测温装置10，且热电偶多点测温装置的套管
12的轴线L方向平行于所述容器的轴线M方向，所述热电偶多点测温装
置10的套管置于相邻电加热棒的间隙之间、且穿过所述下模拟堆芯板23
和上模拟堆芯板24的对应的第二穿孔。
明显地，模拟压力反应堆容器20内也会形成有其他的层结构，例如定
位格架，则定位格架上也设置有对应的第一穿孔和第二穿孔。
可选地，可以设置多个热电偶多点测温装置10，其分布在所述模拟压
力反应堆容器20内的电加热棒所在的区域内，用于测量流过电加热棒所在
区域的介质的温度分布。当然也可以仅仅设置一个热电偶多点测量装置10。
可选地，如图2中所示，多个热电偶多点测温装置10可以包括第一组
四个热电偶多点测温装置、第二组四个热电偶多点测温装置和一个中心热
电偶多点测温装置，其中：中心热电偶多点测温装置的套管的轴线方向与
容器的轴线方向重合；且在所述模拟压力反应堆容器的俯视图中，第一组
四个热电偶多点测温装置沿经过中心热电偶多点测温装置所在的点的第一
条直线布置，第二组四个热电偶多点测温装置沿经过中心热电偶多点测温
装置所在的点的第二条直线布置，第一条直线垂直于第二条直线，且第一
组四个热电偶多点测温装置和中心热电偶多点测温装置沿第一直线以第一
距离等间隔布置，第二组四个热电偶多点测温装置和中心热电偶多点测温
装置沿第二直线以所述第一距离等间隔布置。
在本发明的一个示例性实施例中，在热电偶多点测温装置10还包括密
封安装座17、中心管18、挤压部件的情况下，每一个所述螺杆适于穿过对
应的第二穿孔而由紧固螺母(未示出)固定到上模拟堆芯板，从而套管12
的上端例如利用螺杆固定，同时，套管12的下端也利用密封安装座17固
定。
另外，热电偶多点测温装置10的套管和中心管的使用保证了强度和不
直度要求。
在本发明的一个示例性实施例中，所述下封头上设置有供套管的第二
端引出的多个下封头引出孔(未示出)；套管的第二端经由对应的下封头
引出孔延伸到下封头之外。
需要指出的是，热电偶多点测温装置10需要穿过容器下封头，以及下
模拟堆芯板、上模拟堆芯板等容器内部格板，各层上的开孔应考虑热电偶
丝弯曲后热电偶多点测温装置10的套管的外轮廓直径的增加，同时保证热
电偶多点测温装置10正确安装且得到充分的限位支撑。
此外，热电偶多点测温装置10在模拟压力反应堆容器的外部的安装座
的长度，需要根据电加热棒的接线部位空间确定。电加热棒的安装次序需
要考虑热电偶多点测温装置10在模拟压力反应堆容器中的安装次序。挡块
14可以在引出孔111上方5mm处焊接5x2焊丝形成。另外，套管12顶部
的内螺纹为M5内螺纹，而螺杆为M5螺杆。
图7示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的热电偶多点测
量装置的测点布置。图7中示出了测点标高基线d1，第一测点p1的距离
d2，中心管插入套管长度d3。如图7所示，第一测点设置在下模拟堆芯板
的上表面s1处，下模拟堆芯板的上表面s1上方的三条虚线从下往上分别
是第一定位格架的中心线、第二定位格架的中心线、第三定位格架的上表
面，而下模拟堆芯板的上表面s1下方的两条虚线自上而下分别是下封头下
表面和中心管下端面。
总之，根据本发明的示例性实施例的热电偶多点测温装置以及上述的
安装了该热电偶多点测温装置的模拟反应堆压力容器，解决了模拟反应堆
压力容器堆芯温场准确测量问题，既考虑了构建温度测量模型的基本要求，
也实现了在容器内部小空间多层格架间的成功安装，通过多点测温装置两
端固定和外套管内热电偶的结构，实现了堆芯流动介质纵向与横向冲击对
极细热电偶的保护。
该热电偶多点测温装置已成功安装在ACME试验反应堆压力容器内，
提供了完整准确的堆芯温场数据。
本发明的热电偶多点测温装置可在大型热工水力试验装置测量系统广
泛应用，还可应用于反应堆压力容器堆芯冷却性能试验和下降段夹带试验
等试验装置。
下面具体示例性描述如何将热电偶多点测量装置安装到模拟压力反应
堆容器20中。
(1)从模拟压力反应堆容器20上部向下布置直径为7mm的导向管，
该导向管沿竖直方向穿过下模拟堆芯板和上模拟堆芯板上对应的穿孔；
(2)将直径为1mm的钢丝穿过导向管和牵吊孔124；
(3)通过拉动钢丝带动导向管向上移动，使得套管12从上往下穿过
模拟堆芯；
(4)将密封安装座17预紧以预密封；
(5)在检查热电偶多点测量装置可用之后，在上模拟堆芯板上紧固螺
母以固定套管的第一端；
(6)锁紧密封安装座17，执行模拟压力反应堆容器20打压测试，确
认无泄漏。
在上述方法步骤中，将直径为1mm的钢丝穿过导向管和牵吊孔124
可以采用先将钢丝从上往下穿过导向管，然后穿过牵吊孔124的步骤，也
可以采用先穿过牵吊孔，然后从下往上穿过导向管的步骤，这均在本发明
的保护范围之内。需要指出的是，在将多根热电偶丝11的测温段111穿过
引出孔121时，需要从最长的热电偶丝开始，保证顶部的测点安装就位之
后逐一向下安装，保证测温段的长度为2-3mm。
虽然在上文已经公开了结合了本发明的原理的示例性实施例，但本发明
不限定于所公开的实施例。相反地，本申请旨在使用本发明的一般原则覆盖
本发明的任何变化、用途或修改。而且，本发明意图涵盖偏离本公开内容的、
如落入本发明所属领域中已知或习惯做法范围内的内容。