Brevet FR2523719A1 — publié le 19830923

DETECTEUR DE POSITION D'UN ELEMENT MOBILE, NOTAMMENT D'UNE BARRE DE CONTROLE D'UN REACTEUR NUCLEAIRE. L'invention est relative à un dispositif de détection de la position d'un élément mobile suivant un parcours prédéter- miné, notamment de la position d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire, comprenant un aimant solidaire dudit élément mobile et un capteur soumis à l'action locale de l'aimant et délivrant un signal représentatif de la po- sition dudit élément mobile. Un dispositif connu du genre mentionné comporte des relais à lames scellées du type REED, qui se ferment lors de l'ap- proche de l'aimant permanent solidaire de la barre et four- nissant une information discrète de la position de la barre La défaillance de l'un des relais engendre une in- dication erronée de la position de la barre et pour éviter des arrêts intempestifs du réacteur on est amené à multi- plier les dispositifs de détection et les circuits de con- trôle et de sécurité Le nombre de conducteurs reliant les relais placés à l'intérieur de l'enceinte du réacteur et les blocs de traitement à l'extérieur est relativement élevé ce qui complique l'ensemble de l'installation. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients et de permettre la réalisation d'un dispositif de détection simple et fiable. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que le capteur est formé par une ligne a retard s'étendant à faible écartement le long de la trajectoire de l'aimant et comprenant un noyau en matériau magnétique saturable sur lequel est bobiné un enroulement de propaga- tion d'impulsions HF émises par un générateur à haute fré- quence connecté à l'entrée de la ligne, ledit signal indi- cateur de la position étant engendré par la saturation lo- cale du noyau en regard de l'aimant entraînant une varia- tion de la perméabilité magnétique du noyau suivi d'un changement d'état de propagation des impulsions HF, détec- té et mis en forme par des moyens de mesure et de traite- ment. La valeur de l'impédance Z de charge de la ligne à retard est avantageusement choisie pour établir un régime d'onde stationnaire à réflexion variable selon la position de l'aimant La configuration du capteur est quelconque, de manière à constituer une ligne coaxiale, bifilaire ou uni- filaire. Un réflectomètre fournit directement l'information de posi- tion de la barre de contrôle Cette information résulte soit du rapport des durées aller et retour d'une impulsion réfléchie dans la zone intermédiaire du noyau saturée par l'aimant et d'une impulsion réfléchie en bout de ligne, soit de la variation du coefficient de réflexion et/ou du taux d'onde stationnaire en fonction de la position de l'aimant. La sensibilité du capteur peut être ajustée en concentrant le flux de l'aimant vers la zone saturable du noyau grâce à l'adjonction d'une culasse ou circuit magnétique de forme prédéterminée Il est également possible d'agir sur la per- méabilité du noyau en injectant un courant de polarisation dans l'enroulement de la ligne. L'étalonnage des distances du capteur est réalisé grâce a la subdivision du noyau en une pluralité de tronçons élé- mentaires alignés, délimités soit par des discontinuités, soit par des zones saturées au moyen d'aimants auxiliaires. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exem- ples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale du dis- positif de détection selon l'invention; la figure 2 montre en coupe transversale et à échelle agrandie la ligne à retard du capteur selon la fig 1; les figures 3 et 4 sont des vues identiques à la fig 2 de deux variantes de réalisation; la figure 5 représente le schéma électrique équivalent de la ligne à Fetard selon l'invention; la figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI de la fig 1, montrant trois capteurs associés à une même barre de con- traie; la figure 7 est une vue partielle de la fig 1, représen- tant une variante de réalisation; les figures 8 et 9 montrent deux autres modes de réalisa- tion de la ligne à retard selon la fig 1. Sur les figures, un aimant permanent 10, fixé à l'extré- mité d'une tige 12 de commande d'une barre de contrôle (non représentée) d'un réacteur nucléaire, est monté à coulissement axial à l'intérieur d'un tube 14 en matériau amagnétique communiquant avec le coeur du réacteur A l'ex- térieur du tube 14 est disposé un capteur, désigné par le repère général 16, qui détecte la position de l'aimant 10 et fournit une indication de la position de la barre de contrôle. Le capteur 16 de position est formé par une ligne à retard 18 s'étendant le long de la trajectoire axiale de coulisse- ment de l'aimant 10, en étant accolée à la paroi externe du tube 14, ou séparée de ce dernier par une distance ra- diale prédéterminée La ligne à retard 18 comporte un noyau 20 rectiligne en matériau magnétique saturable, sur lequel est bobiné un enroulement 22 de propagation d'un signal à haute fréquence HF Le noyau 20 est constitué par une barre en ferrite ou en un matériau ferromagnétique à perméabilité variable avec le champ magnétique de l'aimant 10 Le noyau 20 associé à l'enroulement 22 est logé à l'in- térieur d'une enveloppe 24 formée par un tube métallique en matériau conducteur amagnétique L'ensemble constitue une ligne coaxiale (fig I à 3) dont le conducteur central formé par l'enroulement 22 est maintenu dans l'axe de l'en- veloppe 24 par un moyen de support diélectrique La section de l'enveloppe 24 creuse peut être quelconque, notamment cylindrique (fig 2) ou rectangulaire (fig 3) L'enroule- ment 22 de propagation du signal HF comprend un bobinage régulier à spires Jointives ou décalées. Selon la figure 4, la ligne 18 est du type bifilaire à con- ducteurs parallèles rigides maintenus à un écart constant à l'intérieur d'une enceinte 26 tubulaire en matériau iso- lant L'un des conducteurs est constitué par l'enroulement 22 positionné sur le noyau 20 de section quelconque, l'au- tre conducteur étant formé par une barre 28 conductrice. Selon une autre variante (non représentée), la ligne 18 est du type unifilaire Dans ce cas, le tube 14 de logement de la tige 12 de commande et de l'aimant 10 remplace l'un des conducteurs de la ligne. La figure 5 représente le schéma électrique équivalent de la ligne 18 à capacité distribuée le long de l'enroulement 22, de manière à former une succession de cellules élémen- taires à selfs L et condensateurs C entre l'entrée et la sortie de la ligne 18. L'entrée de la ligne 18 e 3 t connectée par des conducteurs de liaison 30, 32 à un réflectormitre 34 destiné à envoyer des impulsions à haute fréquence dans la ligne, et à sur- veiller le régime de propagation des impulsions en fonction de la position de l'aimant 10 mobile A l'opposé du rèflec- 253371 9 tomètre 34 la ligne 18 est ciargée par une impédance Z pré- sentant une valeur différente mais voisine de l'impédance caractéristique Z * L'impédance Z est branchée à la sortie de la ligne 18 par des conducteurs 36, 38 de liaison Selon la ligne coaxiale des figures 1 à 3, les paires de conduc- teurs de liaison 32, 38; 30, 36 sont connectéesrespective- ment aux extrémités opposées de l'enveloppe 24 et de l'en- roulement 22 Selon la ligne bifilaire de la fig 4, la paire de conducteurs de liaison 32, 38 est reliée aux ex- trémités de la barre 28 de retour. Le réflectomètre 34 comporte un générateur d'impulsions ca- librées à haute fréquence ayant une durée et un taux de ré- pétition prédéterminés En régime d'ondes stationnaires défini par la valeur de l'impédance Z de charge de la ligne 18, il existe à tout moment une réflexion des impulsions issues du générateur HF Des moyens de mesure incorporés dans le réflectomètre 34 indiquent le délai exact entre une impulsion incidente d'aller et l'impulsion réfléchie de re- tour Selon une variante, le réflectomètre 34 est constitué par un générateur d'ondes HF entretenues avec un balayage prédéterminé en fréquence susceptible de coopérer avec des moyens de mesure du coefficient de réflexion et/ou du taux d'onde stationnaire de la ligne 18. Le fonctionnement du capteur de position 16 selon l'inven- tion est le suivant: Dans un premier stade, on détermine la correspondance entre la longueur électrique et la longueur physique de la ligne 18 La mesure initiale de la longueur électrique de la ligne s'opère en l'absence de l'aimant permanent 10, et pour une valeur prédéterminée de l'impédance Z de charge susceptible d'établir un régime de propagation en ondes stationnaires Une impulsion d'aller est réfléchie en bout de ligne et la mesure du délai entre l'émission et la ré- ception de l'impulsion permet de définir la longueur élec- trique de la ligne 18 Par la suite, la valeur de l'impé- dance Z sera conservée pour la mesure de la position de la barre de contrôle La ligne à retard 18 est ensuite soumise dans un deuxième stade au champ magnétique de l'aimant 10 mobile associé au mouvement de translation bidirectionnelle de la barre de contrôle du réacteur L'aimant permanent 10 est polarisé axialement dans la direction de déplacement et peut être flanqué de deux culasses 40, 42 (fig 7) radiales ferromagnétiques de concentration et d'uniformisation du champ magnétique dans la zone saturable du noyau 20, dispo- sée en regard de l'aimant 10 La configuration de l'aimant peut être différente en étant constituée par un ou plu- sieurs plots cylindriques à aimantation radiale perpendicu- laire au déplacement et à la ligne 18. Le champ de l'aimant permanent provoque la saturation lo- cale du noyau 20 en ferrite dans la zone en regard de l'ai- mant 10 Dans cette zone saturée située entre l'entrée et la sortie de la ligne 18 intervient une variation de la perméabilité magnétique du noyau 22, qui engendre une ré- flexion partielle de l'impulsion HF incidente émise par le réflectomètre 34 Une partie de l'impulsion incidente est ainsi réfléchie dans la zone saturée du noyau 22 et l'autre partie traverse la zone intermédiaire saturée en se propa- geant axialement vers le bout de la ligne 18 o elle est réfléchie Il en résulte deux impulsions réfléchies dont le retour vers le réflectomètre 34 s'opère à des instants dif- férents Le décalage entre les deux impulsions réfléchies est pris en compte par l'organe de mesure et de traitement du réflectomètre 34 qui délivre un signal représentatif de la position de l'aimant 10 Ce signal peut être obtenu de diverses manières selon la nature de l'organe de traitement, notamment au moyen du rapport des durées aller et retour des impulsions réfléchies dans la zone intermédiaire satu- rée et en bout de ligne 18 Ce système suppose une ligne sans perte et une vitesse de propagation sensiblement con- stante Un autre système de traitement peut etre utilisé pour le répérage de la position de l'aimant, basé sur le principe de la variation du coefficient de réflexion ou du taux d'onde stationnaire. La sensibilité du capteur 16 peut être ajustée en concen- trant le flux de l'aimant 10 dans la zone saturable du noyau 20 de la ligne 18 grâce à l'adjonction d'un circuit magnétique de forme prédéterminée, dont un exemple est il- lustré à la figure 7 Un autre moyen consisterait à injec- ter au moyen d'un générateur auxiliaire (non représenté) un courant continu de polarisation d'intensité constante ou variable à l'entrée de l'enroulement 22 de la ligne 18. La superposition de cette composante continue à l'impulsion HF modifie la perméabilité magnétique du noyau 20 sur toute sa longueur pour se placer à proximité du point de saturation. L'étalonnage des distances est réalisé grâce au fractionne- ment du noyau 20 rectiligne en une pluralité de tronçons élémentaires 20 a, 20 b, 20 c, alignés selon la direction axiale de l'enveloppe 24 (fig 8) Il en résulte des ré- flexions des impulsions HF à chaque discontinuité 44 ména- gée entre les différents tronçons Selon une variante il- lustrée à la fig 9, le noyau 20 en ferrite est unique, et les discontinuités 44 de la fig 8 sont remplacées par des zones saturées au moyen d'aimants 46, 48 auxiliaires Ce type d'étalonnage est précis malgré les dérives en tempé- rature de l'ensemble du capteur 16. L'enveloppe 24 creuse de la ligne à retard 18 est réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur, notamment en cuivre, entraînant une répartition uniforme de la tempéra- ture sur toute la longueur de la ligne 18. La figure 6 montre schématiquement la disposition de trois capteurs 16 répartis circonférentiellement autour du tube 14 amagnétique de logement de l'aimant 10. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et repré- sentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au con- traire à toute variante restant dans le cadre des équiva- lences, notamment celle dans laquelle l'impédance Z de charge de la ligne 18 aurait une valeur quelconque. Revendications 1 Dispositif de détection de la position d'un élément mo- bile suivant un parcours prédéterminé, notamment de la po- sition d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire, comprenant un aimant solidaire dudit élément mobile et un capteur soumis à l'action locale de l'aimant et délivrant un signal représentatif de la position dudit élément mobile, caractérisé par le fait que le capteur ( 16) est formé par une ligne à retard ( 18) s'étendant à faible écartement le long de la trajectoire de l'aimant ( 10) et comprenant un noyau ( 20) en matériau magnétique saturable sur lequel est bobiné un enroulement ( 22) de propagation d'impulsions HF émises par un générateur à haute fréquence connecté à l'en- trée de la ligne ( 18), ledit signal indicateur de la posi- tion étant engendré par la saturation locale du noyau ( 20) en regard de l'aimant ( 10) entraînant une variation de la perméabilité magnétique du noyau suivi d'un changement d'état de propagation des impulsions-HF détecté et mis en forme par des moyens de mesure et de traitement. 2 Dispositif de détection selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le noyau ( 20) en matériau magnétique et l'enroulement ( 22) associé sont agencés à l'intérieur d'une enveloppe ( 24) métallique creuse en matériau conduc- teur amagnétique, de manière à constituer une ligne à re- tard coaxiale. 3 Dispositif de détection selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que l'enroulement ( 22) bobiné sur le noyau ( 20) coopère avec un conducteur ( 28) adjacent pour former une ligne à retard bifilaire logée dans une enceinte ( 26) en matériau isolant. 4 Dispositif de détection selon la revendication 1, dans lequel l'aimant permanent lié à la barre de contrôle est monté à coulissement à l'intérieur d'un tube amagnétique en matériau conducteur, caractérisé par le fait que l'en- roulement ( 22) du noyau ( 20) est agencé pour former une ligne à retard unifilaire, le retour s'effectuant par le- dit tube ( 14) conducteur de logement de l'aimant ( 10). 5 Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit générateur à haute fréquence et les moyens de mesure et de traitement constituent un réflectomètre ( 34) connecté à l'entrée de la ligne à retard ( 18), l'extrémité opposée de la ligne étant chargée par une impédance Z de valeur prédéterminée susceptible d'assurer un régime d'onde stationnaire à ré- flexion variable selon la position de l'aimant ( 10). 6 Dispositif de détection selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que le réflectomètre ( 34) est agencé pour effectuer le rapport des durées aller et retour d'une impulsion HF réfléchie dans la zone intermédiaire du noyau ( 20), saturée par l'aimant ( 10) et d'une impulsion HF ré- fléchie en bout de ligne, ledit rapport représentant le signal indicateur de position. 7 Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens de mesure et de traitement sont agencés pour détecter la variation du co- efficient de réflexion et/ou du taux d'onde stationnaire en fonction de la position de l'aimant ( 10). 8 Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'aimant ( 10) co- opère avec une culasse ( 40, 42) ou un circuit magnétique pour concentrer le flux dans la zone saturable du noyau ( 20) disposée en regard de l'aimant ( 10). 9 Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la ligne à retard ( 18) est branché à un générateur auxiliaire susceptible d'injec- ter un courant continu de polarisation, d'intensité con- stante ou variable, dans l'enroulement ( 22) pour améliorer la sensibilité du capteur ( 16). Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant un noyau rectiligne en ferrite, caracté- risé par le fait que l'étalonnage des distances du capteur ( 16) est réalisé grâce à la subdivision d' noyau ( 20 O) en une pluralité de tronçons élémentaires ( 20 a, 20 b, 20 c) alignés, délimités soit par des discontinuités ( 44,fig e), soit par des zones saturées au moyen d'aimants ( 46, 48, fig 9) auxiliaires.