控制元件组件位置指示器 本发明一般涉及检测活动部件位置的设备，本发明具体涉及检测核电站控制元件组件(CEA，下同)位置的设备。
核电站一般包括独立的停机和安全操作系统，这些系统监控电站的操作和计算许多涉及安全的参数。在万一一个或多个测量的参数表示存在不安全条件时，设计于缓冲预料的不稳定状态影响的停机系统和/或安全操作系统便可以自动进行适当的补救操作。这些称作核电站保护系统的安全控制系统绝对要求操作可靠，因而绝对必要的是要保证所有测量值和检测值是有效的。
在核电站保防系统范围内，通常是测量涉及电站操作的许多参数。这些参数例如包括温度、压力、流量、功率密度、中子通量、流体液位等。核电站保护系统的其它功能包括各种部件例如阀门、泵、马达、控制装置和发电机的状态监控。
另外，核电站保护系统在某些确定的条件下可能起动事故停堆程序，即启动各种场系统和遥控驱动装置而快速、可控地安全停堆。在压力轻水反应堆中，常常是将调节控制棒插入反应堆堆芯，使反应堆变成亚临界状态，由此实现停堆。
控制棒通常配置成组或亚组，这些组包括至少四根连接于星形法兰的控制棒。这些组或压组通常称为CEA(控制元件组件，下同)。连接法兰将CEA连接于控制元件组件驱动机构，该机构控制CEA进入和移出堆芯。控制元件组件驱动机构通常包括检测CEA位置的位置指示器。因为CEA控制整个反应堆的功率水平并构成快速安全停堆的主要装置，所以检测和监控CEA在核反应堆中的位置是绝对必要的。
已存在周知的用于检测和监控CEA位置的系统。在转让给本发明受让人的并已作为参考包含在本文中的美国专利No.3 656 074中说明一种CEA位置检测装置10。如图1所示，该装置包括：由配置在控制棒管套内地单一控制棒代表的CEA；实际上固定在CEA驱动轴上的永元磁铁；位置传感器，该传感器包括许多磁通响应装置和分压线路。
如图1所示的CEA被表示为单一的控制棒，所以只示出一根从反应堆11的顶部向上伸出的控制棒套管12。控制棒套管12通常是非磁性的直径约为5英寸壁厚约为1英寸的不锈钢管。控制棒传动装置位于套管12内，而控制棒本身可以伸入反应堆11的主要部分。
控制棒驱动马达14装在密封套管12上端部的盖子的上面。通过适当的传动机构，控制棒驱动马达14使控制棒传动轴沿套管12的轴向运动，由此相对于堆芯调节控制棒(CEA)的位置。马达14的控制棒传动轴通过特别设计的可以买到的密封装置与套管12的内部连通。
永元磁铁16装在控制棒传动轴上。该磁铁必须用可以承受所在环境的作用的材料制作。另外，磁铁16的磁场必需足够强，使得其磁力线场可以跨越套管12的厚的不锈钢管壁。
如上所述，位置传感装置10的一部分装在套管12的外边，并包含在单独的传感器套管18内。套管18包括细长的形约为管状的空心部件，由非磁性的最好具有高热导系数的材料构成。套管18的上端部适合于安装电气连接件20。
连接件20形成一种装置，用于将位置传感器电路以可使连接器20移离套管18的方式连接于外部电路。连接器20在电气上还将位置检测装置10的输出连接于位置指示器22。
图2(a)和2(b)通过切去部分套管18分别示出配置在该套管18内的位置传感器电路的平面和侧视图。在套管18中示出的是接线条24，包括许多磁通响应开关和增量电位器部件的簧片位置传感器26装在该接线条上。磁通响应装置被表示为簧片开关28和28’，而增量电位器的部件被表示为电阻30。簧片开关28、28’和电阻30装在接线条24上，在电气上通过有托脚的贯穿连接器32进行相互连接。簧片开关28以均匀递增的小距离在接线条24上间隔开，该距离应小到可以确保在磁铁位于任何一个位置时至少有一个开关被驱动。
在优选实施例中，如图3中的参考编号28、28’所示，簧片开关是成对连接的。簧片开关28、28’其长度约为1英寸，配置成顺序轴向准直，平行于磁铁16的路径。形成簧片开关对的簧片开关28、28’间隔开约1英寸，构成一种开关驱动发生小重叠的配置，因而可防止在控制棒的某个位置没有开关驱动的可能性。当控制棒传动装置沿控制棒套管12的轴向运动时，开关28、28’将在磁铁16的磁场接近时顺序接通，而在磁铁通过后又打开，顺序相邻开关的位置是使得两个相邻开关在磁铁16位于这两个开关的中间时关闭，该磁铁的磁场同时驱动这两个开关。
对于位置指示装置10的电气部分，图3示出许多同样尺寸和类型的电阻30，这些电阻的端点33和34连接于电源38(示于图1)。电阻30形成增量电位器或分压器。如上所述，簧片开关28’在电气上与各个开关28串联，其位置基本上与开关28的位置相同。各个簧片开关28连接于包含电阻30的分压器上的不同点或接头。包含串联开关28、28’的所有电路均连接于具有端子20的信号总汇流条上。因此在开关28和与其串联的备份开关28’中的一个开关闭合时，包含电阻30的增量电位器来的信号将加在公共汇流条端子20上。此信号的幅值表示在那一瞬间哪一对开关对28、28’的开关正受到磁铁16的磁场的作用。在磁铁16处于轴向定位的两个相邻增量开关位置的中间并且磁场驱动位于两个增量位置的开关时，加到公共汇流端36上的信号其幅值在两个开关中每一个单独驱动时所产生信号幅值的中间。
检测、监示和传送控制元件组件(CEA)位置信号的另一种系统说明于美国专利No.5 333 160该专利已转让给本发明的受让人并已作为参考包含在本文中。如图4所示，装置100包括由配置在套管140内的单个控制棒组件120代表的CEA、包含至少一个磁铁104和至少一个圆拱形磁路106的许多磁路，以及至少一个包含许多簧片开关28、28’或其它磁响应开关和分压线路或增量电位器29的位置传感器组件108。
控制棒组件120、套管140、簧片开关28和28’以及分压线路29可以取美国专利No.3 656 074中公开的相同部件的结构，该专利的说明已作为参考包括在本文中。控制棒驱动线圈架142装在控制棒套管140上。通过不锈钢套管140作用的线圈架142的磁通使位于套管140内的控制棒组件120轴向移动，由此相对于反应堆芯调节控制棒的位置。当从反应堆抽出控制棒组件120时，控制棒的延伸轴150向上移入在控制棒套管组件120上面的延伸轴套管190。
确定延伸轴150的位置便可以确定控制棒组件120的垂直位置。控制棒位置传感器包括许多磁路，该磁线位于延伸轴套管190外侧的数目一定的高度上。例如，在延伸轴套管190的整11英尺长度上磁路间隔开1英寸。各个磁路具有至少一个磁铁104、包围延伸轴套管190的碳钢磁路104和至少一个纵向延向延伸的簧片开关位置组件108。参考图5，配置成对的磁铁104和成对的位置传感器组件108，从而可以更可靠地和重复地监测CEA的位置。
沿控制棒组件120运动方向的选定高度，由于围绕延伸轴套管190形成磁路，因而可以进行测量，该磁路可以延伸轴150的存在，这取决于控制棒抽出有多长。在优选实施例中，延伸轴150由铁磁材料构成。在位置传感器组件108区域内的磁场强度取决于磁路的磁阻，该磁阻又取决于在磁路中存在多少铁磁材料。因为铁磁性的延伸轴150在磁场路径中运动，所以在特定簧片开关28、28’区域的特定高度的磁场强度，在延伸轴150达到该高度或在该高度以上时比较大，而在延伸轴150低于该高度时则比较小。簧片开关28、28’的灵敏度被选择为簧片开关28、28’在较强的磁场中接通，而在较小的磁场中断开。
图2(a)和2(b)还分开示出位于套管190中的传感器电路的平面图和侧面切开图。在套管内示出的是接线条24，磁通响应开关28、28’以及位置传感器的增量电位器的其它部件装在该接线条上。簧片开关28、28’沿接线条24以均匀递增的距离间隔开，该距离对应于各个预定的磁路高度。
增量电位器的其它部件即电阻30装在接线条24上，并通过有托脚的贯穿连接器32进行相互电连接。
参考图3，图3示出位置传感器组件108的电气部分的示意图。同样大小和型号的许多电阻30在端点33和34连接于电源38的两极，从而形成增量电位器或分压器29。
上述类型的控制棒组件(CEA)的位置指示器需要许多电缆，以便使位置传感器连接于电气元件和反应堆污染区域外面的电路上。现有CEA的位置传感器组件的接线配置由于位置传感器的接线所需的敷设电缆的量很大，因而导致增加的用料和劳务费用。因此需要一种可以克服先有技术缺点的位置指示器。
因此，本发明的目的是克服上述缺点，方法是提供一种CEA位置检测设备，该设备采用多路传输的可编程逻辑控制器来控制位置检测设备的操作。
本发明的另一目的是提供一种CEA位置检测设备，该设备减少了电气连接位置检测设备的部件所需的电缆数目。
本发明的再一目的是提供一种位置检测设备，该设备减小了必须穿入污染区的电缆数目。
本发明的又一目的是提供一种位置检测设备，该设备可以更精细地分瓣CEA的位置。
为达到上述目的和其它目的以及按照本发明的意图，如所实施的，本发明包括CEA位置检测设备，该设备包括可编程的逻辑控制器(PLC)、带通滤波器和位置传感器组件。
PLC电连接于频率响应滤波器。该滤波器使可编程逻辑控制器产生的选定的频率相关信号通到位置传感器上。该位置传感器包括一分压电路和许多磁响应装置。分压器包括许多频率响应元件例如电感或电容。分压电路电连接于磁响应装置，这些磁响应装置是簧片开关。簧片开关配置在包含CEA的套管的外面，并沿着一条直线，该直线平行于控制CEA运动的CEA驱动轴的运动路径。
另外，该设备包括显示CEA位置的指示器。可以使用简单的指示器，例如电压表或校正到可表示CEA位置的其它类似计量器、液晶显示器或其它类似装置。
磁响应装置和分压电路可以包含在与装入CEA组件的套管分开的套管内。因此产生的磁场必须强到足以跨越CEA套管以及包含磁响应装置和分压器电路的套管。
在操作时，靠近CEA驱动轴产生磁场。当CEA驱动轴在CEA套筒内沿轴向移动时，在驱动轴附近的磁场强度是最强的。因此当CEA驱动轴接近和通过相应的磁响应装置时，该磁响应装置将依次断开和接通。分压器或其它合适的电信号源与磁响应装置相接并靠近磁响应装置。分压电路由经滤波器到该电路的频率相关电压激励。当分压电路和磁响应装置均被激励时，分压电路便输出代表CEA位置的信号。
从下面的详细说明、权利要求书和附图可以明显看出本发明的特征和创新方向，下面是附图的简要说明：
图1示出装在核反应堆控制棒套管上的先有技术的CEA位置检测装置；
图2(a)是图1和4所示位置检测装置的平面图，其中一部分套管被切去，以便示出其中的CEA位置检测装置的电路；
图2(b)是图1和4所示位置检测装置的侧视图，其中一部分套管被切去，以便示出其中的CEA位置检测装置的电路；
图3是图1和4所示装置电路的示意图；
图4示出装在核反应堆控制套管上的先有技术的CEA位置检测装置；
图5是图4所示装置内部结构的透视图；
图6是按本发明说明组成的CEA位置检测设备的电路示意图；
图7(a)是装有图6所示CEA位置检测设备的图1所示位置检测装置的平面图，其中一部分套管被切去，以便示出其中的CEA位置检测装置的电路；
图7(b)是装有图6所示位置检测设备的图1所示位置检测装置的侧视图，其中一部分套管被切去，以便示出其中的CEA位置检测装置的电路；
图1和4是现有CEA位置检测设备10、100的平面图，该设备可升级为包括按本发明说明构成的位置检测设备。作用举例，下面根据本发明位置检测设备在图1所示类型的装置上的应用说明本发明。
如图6、7(a)和7(b)，位置检测设备200包括簧片开关位置传感器(RSPT)202、与各个RSPT 202相联系的带通滤波器204和可程序的逻辑控制器(PLC)208。
如图7(a)和7(b)所示，RSPT 202装在套管18内，位于污染区域270中。RSPT 202包括许多磁响应装置210和许多构成分压线路的频率响应装置212。磁响应装置210可以为开关式装置，具体可以采用簧片开关。为例示说明，用簧片开关作磁响应装置210说明本发明。
簧片开关210装在接线条24上并由有托脚的贯穿连接器32进行电连接。要注意有托脚的连接器32的长度不能长到与套管18的内壁形成电接触。另外，相应开关210的导线要绝缘，以防止不希望的电接触。技术人员将会看出，为进行部件连接，可以应用包含印刷电路板的电路来代替有托脚的贯穿连接器。
所用关开的数目取决于所选开关的尺寸、型号和磁响应性以及在套管18中产生的磁场。簧片开关的长度通常约1英寸。开关210在接线条上以预定的间隔均匀间隔开。优选实施例中，位置检测设备200的最上部开关210距CEA套管14底边缘约156英寸。开关210沿套管18间隔开约1.5英寸。
在优选实施例中，簧片开关210连线接成如图6中参考编号210、210’表示的开关对。簧片开关对210、210’配置成顺序轴向准直，平行于控制棒(CEA)的路径。开关210、210’的这种配置和间隔构成一种开关驱动稍许重叠的结构，因而可以防止在CEA的某些位置没有开关被驱动的可能性。当CEA驱动轴沿套管14的轴向移动时，一个或多个响应开关210在接近磁铁16时将顺序接通，并在CEA驱动轴通过后断开。配置接连的开关210、210’，使得这两个接连的开关将在磁铁16位于两个开关的中间时的这一时刻接通，磁铁的磁场可使开关210、210’均接通。
RSPT 202可以制作成包括的开关210、210’比常规RSPT系统包含的多，因而可精细分瓣CEA位置。可以应用这种CEA位置的更准确测量作基础来减少控制元件组件计算器发生的分析参数，该计算机用于控制反应堆的反应性(下面说明)。
在优选实施例中，频率响应装置212是许多同样大小和型号的电感器。任何一个普通技术人员可以看出，可以使用电容器或其它类似的频率响应元件。电感器212电连接于PLC 208，从而构成电连接于开关关对210、210’的分压器线路。
带通滤波器204接在各个RSPT 202的源线上。各个带通滤波器204使RSPT 202连接于PLC 208，使得只有某些选择的频率才能通过相应的RSPT 202。这些带通滤波器204是周知的用在这种技术中的那种滤波器。
位于头部上面污染区域270中的电缆接线盘218安放带通滤波器以及将电缆从RSPT 202连接到PLC 208所必需的接线和连接件。在电缆接线盘210中的配线是使得RSPT 202并联接线，并且将RSPT 202线路电连接于PLC 208的电缆从电缆接线盘218引出，如图6所示。
可编程的逻辑控制器(PLC)208是可控微处理器，属于周知的用在工业上的那种处理器。PLC发生送到RSPT 202线路的频率。为防止因污染区域的辐照而受到损坏，PLC 208配置在污染区域的外面。
图6示出位置检测设备200的电路示意图。位置检测设备200包括许多由RSPT 202线路构成的位置检测通道，各个RSPT 202线路电连接于选择的CEA。
如上所述，RSPT 202包括许多簧片开关对210、210’以及许多形成分压电路的电感器212。形成簧片开关对的簧片开关210、210’电学上串联并电连接于形成分压线路的电感器212。各个簧片开关对210、210’沿分压器连接于不同的点。形开关对中一个开关的簧片开关210’其位置基本上与开关210的位置相同。
所有组成RSPT 202的部件，即串联的开关210、210’和电感器212均用普通电缆连接于PLC 208。因此开关210和与其串联的备分开关210’中的一个开关接通时，信号将输送到PLC 208。
PLC 208产生固定电压的特定频率的信号。选择的频率取决于构成位置检测设备200的频率响应元件的种类。电压信号输送到带通滤波器204，该信号通过带通滤波器，到达与正通过的特定频率信号相关的RSPT202。
磁铁16在套管18内产生磁场。在优选实施例中，磁铁16是由CEA驱动轴支承的永元磁铁。这些配置使得磁场在CEA驱动轴在套管18内轴向移动时可以在套筒18内移动。然而任何一个普通技术人员可以看出，磁铁16不一定要由CEA驱动轴支承，可以应用其它类型的磁场产生设备。当CEA驱动轴沿CEA套筒12轴向移动时，开关210、210’在磁铁16的磁场接近时便顺序接通，而在磁场通过后则断开，接连开关的位置是使得该两个相邻开关在磁铁16达到这两个开关的中间的这一时刻才接通，磁场驱动两个开关。
因为各个RSPT 202调谐到特定的频率范围，所以当电感器212接收到如上所述的PLC 208的频率相关电压信号时相应RSPT 202便驱动，并且接近开关210、210’的磁场驱动特定的开关对210、210’，使得开关对210、210’接通。
RSPT 202经一条公共输出线送一个信号到PLC 208，该输出线由构成RSPT线路的RSPT 202共享，上述信号代表CEA的位置。该公共线由PLC 208进行监测。因此，使RSPT 202连接于PLC所需的电缆数目与常规RSPT系统相比减小了。可以在靠近头部的区域应用这种多路传输方法，以进一步降低电缆费用。
RSPT 202的输出信号包括相位角、交流电压、交流电流的度量。电感器改变加在电感线路上的交流信号的相位，以正比于进行测量时接通的簧片开关210、210’的位置的方式发生改变。另外，穿过电感器线路的电压取决于进行电压测量的位置而改变。再则，进行测量的位置取决于在进行测量时哪一对开关210、210’是接通的。因此测量值可用来计算CEA相对于接通簧片开关对210、210’的位置。
控制PLC 208的微处理器根据从RSPT 202线路返回的信号计算CEA的相对位置。采用现在已知的用在工业上的适合于用于电压分压线路上的算法来计算CEA位置。将CEA位置输送到CEA计算器。该CEA计算器将产生调节反应堆堆芯反应性所需的任何必需的补偿因素。
可以用来形成位置检测设备200的结构有很多。例如，可以用电容器代替电感器形成分压电路。另外，设备200不一定包括多余开关210’。在开关210万一不能关到接通位置时开关210’起备用开关作用。因此公开的实施例用于例示本发明。因而公开的实施例无意限制本发明的精神和范围。本发明仅受附属权利要求书的限制。