УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
DEVICE FOR DISCRETE DETERMINATION OF LEVEL OF LIQUID-METALLIC COOLANT OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к техническим средствам системы внутриреакторного контроля, и может быть использовано в устройствах для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к настоящему изобретению является устройство для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, содержащее размещенный в полости защитного чехла по меньшей мере один чувствительный элемент, состоящий из установленных по высоте защитного чехла индуктивных катушек с обмотками возбуждения и измерительными обмотками, и электронный блок с генератором сигнала, подключенным к последовательно соединенным обмоткам возбуждения, (патент РФ №2328704, МПК G01F 23/26, опубл. 10.07.2008).
В известном устройстве для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора обмотка возбуждения представляет собой ряд отдельных индуктивных катушек, а измерительная обмотка также выполнена в виде ряда катушек, индуктивно связанных с катушками обмотки возбуждения. Катушки с измерительной обмоткой установлены между катушками с обмоткой возбуждения и удалены от катушек с обмоткой возбуждения на расстояние, величина которого больше толщины стенки защитного чехла, но не превышает трех диаметров катушек с обмоткой возбуждения. Электронный блок известного устройства представляет собой дискретно-аналоговый преобразователь, содержащий компараторы, коммутатор, усилитель и сумматор. Управление коммутатором осуществляется логическим устройством, содержащим логические элементы "исключающее ИЛИ". По мере «затопления» индуктивных катушек при увеличении уровня жидкометаллического теплоносителя электродвижущая сила (ЭДС) катушек с измерительной обмоткой уменьшается за счет уменьшения индуктивной связи с соседними катушками с обмоткой возбуждения, а подключенное к катушкам с измерительной обмоткой логическое устройство определяет количество полностью «затопленных» индуктивных катушек и степень затопления индуктивной катушки, ближайшей к поверхности уровня.
Недостатком известного устройства для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора является погрешность измерения в широком диапазоне температуры теплоносителя из-за температурного удлинения защитного металлического чехла и корпуса ядерного реактора, что приводит к смещению с заданного контролируемого уровня индуктивных катушек, расположенных по высоте защитного чехла. Кроме этого, недостатком известного устройства является низкая чувствительность катушек с измерительной обмоткой к изменению уровня жидкометаллического теплоносителя из-за замыкания части силовых линий от катушек с обмоткой возбуждения внутри защитного чехла и не участвующих в определении уровня жидкометаллического теплоносителя, а также недостатком является повышенная чувствительность к помехам на обмотке возбуждения вследствие прямого подключения к компараторам.
Технической проблемой настоящего изобретения является создание надежно работающего устройства для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, которое обеспечивает заданную точность определения положения уровня теплоносителя относительно одного и более контрольных уровней жидкометаллического теплоносителя в диапазоне температур от температуры плавления теплоносителя до 1000°С.
Техническим результатом настоящего изобретения является исключение температурной погрешности, отрицательно влияющей на точность сигнализации о положении уровня и связанной с температурным удлинением защитного чехла с чувствительными элементами и с температурным удлинением корпуса ядерного реактора, которые вызывают смещение индуктивных катушек относительно контролируемого уровня. Кроме этого, дополнительным техническим результатом является снижение чувствительности к помехам на обмотках возбуждения, а также увеличение выходного сигнала от измерительных обмоток, что также способствует повышению точности сигнализации о положении уровня жидкометаллического теплоносителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, содержащее размещенный в полости защитного чехла по меньшей мере один чувствительный элемент, состоящий из установленных по высоте защитного чехла индуктивных катушек с обмотками возбуждения и измерительными обмотками, и электронный блок с генератором сигнала, подключенным к последовательно соединенным обмоткам возбуждения, согласно настоящему изобретению введен по меньшей мере один термоэлектрический преобразователь, который установлен в полости упомянутого защитного чехла, при этом индуктивные катушки чувствительного элемента представляют собой по меньшей мере одну катушку сравнения, расположенную в верхней части полости защитного чехла и содержащую обмотку возбуждения и измерительную обмотку, и по меньшей мере одну измерительную катушку, размещенную в нижней части полости защитного чехла и содержащую обмотку возбуждения и измерительную обмотку, при этом измерительные обмотки индуктивных катушек выполнены с противоположно направленными намотками и соединены между собой последовательно, а длина измерительной катушки составляет величину не менее максимальной суммарной величины температурного удлинения защитного чехла и корпуса ядерного реактора, при этом электронный блок содержит контроллер и подключенные к его входам аналого-цифровые преобразователи, которые соединены с термоэлектрическим преобразователем и с измерительными обмотками индуктивных катушек.
Кроме этого, в качестве термоэлектрического преобразователя использована хромель-алюмелевая термопара.
Кроме этого, измерительная обмотка катушки сравнения размещена на обмотке возбуждения.
Кроме этого, измерительная обмотка измерительной катушки размещена на обмотке возбуждения.
Кроме этого, электронный блок снабжен цифро-аналоговым преобразователем, вход которого соединен с выходом контроллера.
Кроме этого, электронный блок снабжен резонансными усилителями, через которые измерительные обмотки подключены к аналого-цифровым преобразователям.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема устройства для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, а на фиг. 2 изображен защитный чехол с двумя чувствительными элементами и одним термоэлектрическим преобразователем (общий вид).
Устройство для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора состоит из первичного преобразователя 1 и вторичного преобразователя 2 в виде электронного блока. Первичный преобразователь 1 представляет собой защитный металлический чехол 3, в котором размещены, например, два чувствительных элемента 4, 5 и термоэлектрический преобразователь 6 для измерения температуры защитного чехла 3. В качестве термоэлектрического преобразователя 6 для измерения температуры защитного чехла 3 использована хромель-алюмелевая термопара, измеряющая температуру в большем диапазоне изменения температуры защитного чехла. Число чувствительных элементов в первичном преобразователе 1 выбрано равным количеству контролируемых уровней жидкометаллического теплоносителя, а именно для двух контролируемых уровней - два чувствительных элемента 4, 5. Чувствительный элемент 4 содержит две обмотки возбуждения 7, 8, соединенные между собой последовательно, и две измерительные обмотки 9, 10, имеющие противоположно направленные витки и соединенные между собой последовательно. Обмотка возбуждения 7 и измерительная обмотка 9 расположены в верхней части трубчатого корпуса 3 первичного преобразователя 1 выше контролируемого уровня и образуют индуктивную катушку сравнения чувствительного элемента 4, при этом измерительная обмотка 9 может быть расположена непосредственно ни обмотке возбуждения 7. Обмотка возбуждения 8 и измерительная обмотка 10 расположены на заданном контролируемом уровне и образуют индуктивную измерительную катушку чувствительного элемента 4, при этом измерительная обмотка 10 может быть расположена непосредственно на обмотке возбуждения 8. Чувствительный элемент 5 содержит две обмотки возбуждения 11, 12, соединенные между собой последовательно, и две измерительные обмотки 13, 14, имеющие противоположно направленные витки и соединенные между собой последовательно.. Обмотка возбуждения 11 и измерительная обмотка 13 расположены в верхней части трубчатого корпуса 3 первичного преобразователя 1 выше контролируемого уровня и образуют индуктивную катушку сравнения чувствительного элемента 5, при этом измерительная обмотка 13 может быть расположена непосредственно на обмотке возбуждения 11. Обмотка возбуждения 12 и измерительная обмотка 14 расположены на заданном контролируемом уровне и образуют индуктивную измерительную катушку чувствительного элемента 5, при этом измерительная обмотка 14 может быть расположена непосредственно на обмотке возбуждения 12. Длина индуктивной измерительной катушки чувствительного элемента 4 составляет величину не менее максимальной суммарной величины температурного удлинения защитного чехла 3 и корпуса 15 ядерного реактора. Длина индуктивной измерительной катушки чувствительного элемента 5 также составляет величину не менее максимальной суммарной величины температурного удлинения защитного чехла 3 и корпуса 15 ядерного реактора. Вторичный преобразователь 2 представляет собой электронный блок и содержит генератор сигнала синусоидальной формы 16, два резонансных усилителя 17, 18, три аналого-цифровых преобразователя 19, 20, 21, контроллер 22 и цифро-аналоговый преобразователь 23. Генератор сигнала синусоидальной формы 16 соединен с обмотками возбуждения 7, 8 индуктивных катушек чувствительного элемента 4 и с обмотками возбуждения 11, 12 индуктивных катушек чувствительного элемента 5. Термоэлектрический преобразователь 6 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 21, выход которого соединен с входом контроллера 22, а выход контроллера 22 подключен к цифро-аналоговому преобразователю 23. Измерительные обмотки 9, 10 индуктивных катушек чувствительного элемента 4 подключены к входу резонансного усилителя 17, а измерительные обмотки 13, 14 индуктивных катушек чувствительного элемента 5 подключены к входу резонансного усилителя 18. Выходы резонансных усилителей 17, 18 соединены с входами аналого-цифровых преобразователей 19, 20 соответственно. Выходы аналого-цифровых преобразователей 19, 20 подключены к входу контроллера 22, который соединен с цифро-аналоговым преобразователем 23. Устройство работает следующим образом.
01
01
11
11
11
01
21
21
x1
02
12
22
x2
0
1
01
0
01
1
01
0
1
Переменный ток заданной частоты от генератора сигнала синусоидальной формы 16 протекает через последовательно соединенные обмотки возбуждения 7, 8 чувствительного элемента 4 и возвращается в генератор сигнала синусоидальной формы 16. За счет последовательного соединения обмоток возбуждения 7, 8 чувствительного элемента 4 через них протекает ток одинаковой величины и создает вокруг каждой из них переменное электромагнитное поле. Обмотки возбуждения 7, 8 чувствительного элемента 4 имеют одинаковую геометрию и количество витков. Измерительные обмотки 9, 10 чувствительного элемента 4 имеют одинаковую геометрию и количество витков. В результате переменное электромагнитное поле от обмоток возбуждения 7, 8 чувствительного элемента 4 приводит к возникновению одинаковой электродвижущей силы в измерительных обмотках 9, 10 чувствительного элемента 4. В случае расположения уровня жидкометаллического теплоносителя ниже чувствительного элемента 4 в нем происходит следующее явление: за счет различного направлению намотки измерительных обмоток 9, 10 чувствительного элемента 4 в них возникают электродвижущие силы, одинаковые по величине, но с разным знаком. В результате сложения электродвижущих сил в электрической цепи измерительных обмоток 9, 10 чувствительного элемента 4 возникает напряжение U, близкое к нулю. Напряжение U поступает на вход в резонансный усилитель 17. При расположении уровня жидкометаллического теплоносителя выше обмоток 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4 переменное электромагнитное поле, возникающее вокруг обмотки возбуждения 8, приводит к возникновению токов Фуко в жидкометаллическом теплоносителе. Переменное электромагнитное поле токов Фуко направлено навстречу генерирующему электромагнитному полю обмотки возбуждения 8. В результате в измерительной обмотке 10 возникает электродвижущая сила, меньшей величины по сравнению с измерительной обмоткой 9. За счет различного направления намотки измерительных обмоток 9, 10 чувствительного элемента 4 в них возникают электродвижущие силы с различным знаком. В результате сложения электродвижущих сил в электрической цепи измерительных обмоток 9, 10 чувствительного элемента 4 возникает напряжение U. Напряжение U поступает на вход в резонансный усилитель 17. Температура теплоносителя ядерного реактора меняется в диапазоне от 360 до 1100°С.Теплоноситель омывает внутренние поверхности корпуса 15 ядерного реактора нагревая или охлаждая его. В зависимости от температуры теплоносителя изменение длины корпуса 15 ядерного реактора происходит в диапазоне от 20 до 80 мм. Защитный чехол 3 первичного преобразователя 1 прикреплен одним концом к верхней части корпуса 15 ядерного реактора. При изменении длины корпуса 15 ядерного реактора от температуры теплоносителя его верхняя часть вместе с защитным чехлом 3 смещается относительно уровня теплоносителя. Смещение защитного чехла 3 приводит к смещению обмоток 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4 и обмоток 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5. В зависимости от температуры теплоносителя длина защитного чехла 3 изменяется в диапазоне от 0 до 180 мм. Для того, чтобы обмотки 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4 и обмотки 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5 не оказались выше или ниже уровня теплоносителя при изменении его температуры из-за изменения длины корпуса 15 ядерного реактора и изменения длины защитного чехла 3 измерительные катушки имеют длину не менее максимальной суммарной величины температурного удлинения защитного чехла 3 и корпуса 15 ядерного реактора. При расположении уровня жидкометаллического теплоносителя на длине обмоток 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4 переменное электромагнитное поле, возникающее вокруг обмотки возбуждения 8, приводит к возникновению токов Фуко в жидкометаллическом теплоносителе, величина которых меньше, чем при расположении уровня жидкометаллического теплоносителя выше обмотки возбуждения 8. В результате в измерительной обмотке 10 возникает электродвижущая сила, величина которой находится в диапазоне между величинами напряжений U и U. За счет различного направления намоток измерительных обмоток 9, 10 в них возникают электродвижущие силы, противоположные по знаку. В результате сложения напряжений от электродвижущих сил измерительных обмоток 9, 10 в электрической цепи возникает напряжение U, зависящее от положения уровня жидкометаллического теплоносителя по длине обмоток 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4. Напряжение U поступает на вход в резонансный усилитель 17. На вход резонансного усилителя 17 поступает не только напряжение U, но и помехи, вызванные наводками от окружающего электрооборудования. В резонансном усилителе 17 происходит фильтрация, выделение полезного напряжения U и усиление до полезного аналогового сигнала. Затем полезный аналоговый сигнал передается в аналогово-цифровой преобразователь 19, где преобразуется в цифровой сигнал от чувствительного элемента 4 и направляется в контроллер 22. Аналогично работает чувствительный элемент 5, где генерируется напряжение в электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 в зависимости от положения уровня жидкометаллического теплоносителя. При положении уровня жидкометаллического теплоносителя ниже обмоток 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5 в электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 генерируется напряжение U. При положении уровня жидкометаллического теплоносителя выше обмоток 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5 в электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 генерируется напряжение U. При положении уровня жидкометаллического теплоносителя на длине обмоток 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5 в электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 генерируется напряжение U. Сгенерированное напряжение электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 поступает на резонансный усилитель 18. В резонансном усилителе 18 происходит фильтрация, выделение полезного напряжения U и усиление до полезного аналогового сигнала. Затем полезный аналоговый сигнал передается в аналогово-цифровой преобразователь 20, где преобразуется в цифровой сигнал от чувствительного элемента 5 и направляется в контроллер 22. Термоэлектрический преобразователь 6, установленный в полости защитного чехла 3, преобразует температуру защитного чехла 3, нагретого от жидкометаллического теплоносителя, в электрическое напряжение, которое поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 21, где преобразуется в цифровой сигнал от термоэлектрического преобразователя 6. Цифровой сигнал о величине температуры передается в контроллер 22. В контроллере 22 цифровые сигналы от чувствительных элементов 4, 5 подвергаются анализу и сравнению с заданными значениями U и U. Если сигнал U от чувствительного элемента 4 меньше U, то формируется промежуточный результат о положении уровня жидкометаллического теплоносителя ниже чувствительного элемента 4. Если сигнал U от чувствительного элемента 4 больше U, то формируется промежуточный результат о положении уровня жидкометаллического теплоносителя выше чувствительного элемента 4. Если сигнал U от чувствительного элемента 4 больше U, но меньше U, то сигнал подвергается дополнительной обработке и анализу по функциональной зависимости от величины сигнала от термоэлектрического преобразователя 6. В контроллере 22 выполняется анализ исправного состояния устройства для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя по величинам сигналов чувствительных элементов 4, 5 и термоэлектрического преобразователя 6. Из контроллера 22 цифровой сигнал о положении уровня жидкометаллического теплоносителя и исправного состояния поступает в цифро-аналоговый преобразователь 23, где преобразуется в выходной аналоговый сигнал о положении уровня жидкометаллического теплоносителя и исправности устройства для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора.