Способ и устройство для измерения абсолютного положения линейного поступательного элемента
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE ABSOLUTE POSITION OF A LINEAR TRANSLATIONAL ELEMENT

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для измерения положения отслеживаемого элемента, двигающегося линейно, то есть прямолинейно, предпочтительно с заранее определенными шагами перемещения. В частности, изобретение касается устройства для измерения абсолютного положения регулирующего органа, который входит в состав системы управления и защиты ядерного реактора. Изобретение особо предпочтительно касается устройства для измерения абсолютного положения регулирующего органа энергетического ядерного реактора, особо предпочтительно ядерного реактора типа ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200, но и других типов ядерных реакторов. Под «измерением абсолютного положения» для целей данного изобретения понимается определение, то есть установление или оценка абсолютного положения отслеживаемого элемента. Под «абсолютным положением» понимается фактическое положение отслеживаемого элемента, то есть положение, в котором в данный момент измерения находится наблюдаемый линейный поступательный элемент.
Уровень техники
До сих пор применяемые устройства для измерения положения отслеживаемого линейного поступательного элемента, в частности, регулирующего органа ядерного реактора, согласно актуальному состоянию техники применяются, например, для определения положения приводов регулирующих органов ядерных реакторов. В данных устройствах часто применяется катушка или несколько катушек и кодирующий элемент, также называемый шунт, состоящий из магнитных и немагнитных частей, а для достижения требуемой точности измерений, обычно определяемой размером шага перемещения отслеживаемого элемента, когда в зависимости от количества оцениваемых дискретных шагов требуется определенное общее количество выводных проводов. Для данного количества проводов потом необходимо рассчитать соответствующие кабельные трассы, по которым данные провода от устройства для измерения положения отслеживаемого элемента к устройству, выполняющему оценку, будут проходить. При большом количестве проводов не только на эксплуатируемых, но и на проектируемых атомных электростанциях это может представлять проблему.
Недостатком существующих устройств для измерения положения отслеживаемого элемента является то, что отсутствует резервное решение, обеспечивающее полную или частичную работоспособность в случае так называемого простого отказа, возникшего, например, повреждением соответствующего провода.
Например, актуальная практика на атомных электростанциях такова, что в случае отказа устройства для отслеживания положения регулирующего органа дальнейшая эксплуатация данного ядерного реактора должна руководствоваться существующими эксплуатационными инструкциями, которые предусматривают необходимость ограничения мощности ядерного реактора, вплоть до его остановки. Таким образом, отказ датчика может оказать негативное воздействие на экономику эксплуатации ядерного реактора, что является недостатком существующих шаговых датчиков. Внедрение резервного решения, обеспечивающего полную или частичную работоспособность в случае простого отказа, у существующих шаговых датчиков означало бы увеличение количества выводных проводов, но на это не рассчитаны кабельные трассы эксплуатируемых и проектируемых атомных электростанций. В качестве примера, описывающего уровень техники у шаговых датчиков, можно привести документ RU 2073917, который описывает подобный линейный датчик с индукционными катушками, расположенными внутри герметичного корпуса датчика с вышеуказанными недостатками, у которого отсутствует резервное решение на случай простого отказа.
Изобретение ставит перед собой цель предложить такой способ и устройство для определения абсолютного положения элемента, у которого при данной точности измерения (размер шага) и количестве оцениваемых дискретных шагов, общее количество выводных проводов не превысит количество проводов, на которое рассчитаны кабельные трассы эксплуатируемых и проектируемых АЭС, и одновременно будет располагать резервным решением для обеспечения полной или частичной работоспособности в случае простого отказа датчика (например, при повреждении провода).
Раскрытие изобретения
Указанные недостатки устраняет способ измерения положения линейного поступательного элемента по пункту 1 и устройство для измерения абсолютного положения элемента по пункту 2 настоящего изобретения. Предпочтительные исполнения устройства для измерения положения отслеживаемого элемента согласно изобретению приведены в пунктах 3-10.
Сутью способа измерения абсолютного положения линейного поступательного элемента, при котором по отношению друг другу перемещаются кодирующий элемент, состоящий из магнитных и немагнитных частей, и датчик, содержащий активную первичную обмотку и магнитно-связанную с ней измерительную вторичную обмотку с несколькими выводами, где датчик или элемент соединен с отслеживаемым линейным поступательным элементом, а второй из них является стационарным, причем данное перемещение генерирует напряжение на указанной измерительной вторичной обмотке с несколькими выводами, что образует соответствующий код, однозначно идентифицирующий абсолютное положение линейного поступательного элемента, является то, что на каждом соответствующем выводе измерительной вторичной обмотки с несколькими выводами образуются хотя бы три состояния напряжения в зависимости от конкретного положения линейного поступательного элемента, причем для каждого измеряемого положения линейного поступательного элемента образуется уникальное сочетание состояний напряжения, измеренных на всей вторичной обмотке с несколькими выводами, что позволяет снизить количество выводов вторичной обмотки, необходимых для определения положения линейного поступательного элемента. Устройство для измерения абсолютного положения линейного поступательного элемента, в частности, регулирующего органа ядерного реактора, содержит датчик положения с комплектом катушек, образуемым активной первичной обмоткой и измерительной вторичной обмоткой с несколькими выводами, далее в тексте также датчик положения, или датчик, и параллельно с ним расположенный кодирующий элемент, модулирующий магнитный ток в комплекте катушек датчика положения, причем данный кодирующий элемент состоит из магнитных и немагнитных частей подходящей длины, расположенных попеременно друг за другом, для формирования набора кодов, которые однозначно определяют все отслеживаемые положения линейного поступательного элемента. Кодирующий элемент или датчик положения соединен с отслеживаемым линейным поступательным элементом для их одновременного перемещения. В зависимости от положения отслеживаемого линейного поступательного элемента, например, регулирующего органа ядерного реактора, кодирующий элемент двигается по отношению к катушкам датчика положения, или наоборот, и этим изменяется их индуктивность. В результате изменения индуктивности катушек датчика положения на отдельных выводах вторичной обмотки с несколькими выводами образуется сочетание напряжения, которое измеряется для образования упомянутого уникального кода, однозначно идентифицирующего каждое положение отслеживаемого линейного поступательного элемента. В особо предпочтительном исполнении устройства согласно изобретению, кодирующий элемент расположен коаксиально датчику, для максимального влияния.
Кодирующий элемент и датчик по отношению друг к другу линейно подвижны и приспособлены для оценки отслеживаемого положения линейного поступательного элемента измерением напряжения, генерируемого на измерительной вторичной катушке датчика. Как уже было отмечено, датчик положения содержит комплект катушек, который состоит из первичной обмотки и вторичной обмотки с несколькими выводами. Питание первичной обмотки обеспечивается от подходящего источника питания, в то время как вторичная обмотка с несколькими выводами с первичной обмоткой магнитно соединена для образования напряжения на вторичной обмотке при одновременно гальваническом отделении питающей первичной обмотки и измерительной вторичной обмотки. Магнитное соединение первичной и вторичной обмотки особо предпочтительно создано их коаксиальным размещением, однако возможно, например, и параллельное расположение и т.д. Вторичная обмотка с несколькими выводами по настоящему изобретению образована комплектом из хотя бы двух вторичных катушек, предназначенных для считывания индуцированного напряжения на отдельных вторичных катушках, причем размер индуцированного напряжения на выводах отдельных вторичных катушек соответствует измеряемому положению отслеживаемого линейного поступательного элемента для создания кодов, обозначающих абсолютное положение отслеживаемого линейного поступательного элемента. Устройство для измерения положения линейного поступательного элемента по настоящему изобретению создано так, что содержит датчик положения, который снабжен первичной обмоткой, расположенной на взаимно электромагнитно отделенных друг от друга участках, на первичной обмотке расположена вторичная обмотка с несколькими выводами, образованная множеством отдельных вторичных катушек, где каждая вторичная катушка состоит из хотя бы из двух частей обмотки и расположена параллельно, особо предпочтительно коаксиально первичной обмотке, причем каждая данная часть обмотки каждой вторичной катушки расположена на отдельном электромагнитно отделенном участке первичной обмотки, а длина отдельных магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента является хотя бы соответствующей длине электромагнитно отделенного участка первичной обмотки.
По одному предпочтительному исполнению устройство согласно изобретению снабжено датчиком с многослойной первичной обмоткой с несколькими ветками, особо предпочтительно устройство согласно настоящему изобретению снабжено первичной обмоткой с двумя ветвями. Несмотря на то, что для нескольких веток первичной обмотки и требуется больше выводов из датчика, но это можно реализовать именно благодаря снижению количества выводов вторичной обмотки согласно изобретению. Ветки многократной первичной обмотки расположены на сердечнике катушки в соответствующем количестве коаксиально расположенных слоев, то есть, например, у двойной первичной обмотки, то есть у обмотки с двумя ветками, данные две ветки расположены в двух друг на друге размещенных слоях, и тройной первичной обмотки в трех слоях, причем данная многослойная первичная обмотка создана с так называемым выводом из центра или центров между соседними ветками так, чтобы питание каждой части обмотки можно было обеспечивать независимо. Однако многослойную первичную обмотку можно сформировать и иначе, чем намоткой ее отдельных веток слоями друг над другом, может быть выполнена обмотка отдельных веток друг возле друга и т.д. Многослойная первичная обмотка у устройства согласно настоящему изобретению обеспечивает устойчивость устройства согласно изобретению к так называемому простому отказу датчика положения, то есть отказу датчика, вызванному, например, разрывом провода, образующего первичную обмотку в одной ветке, или подобной неисправности. В случае возникновения простого отказа первичной обмотки датчика положения, например, при разрыве провода в одной ветке многократной первичной обмотки, будет обеспечена полная работоспособность датчика положения с помощью оставшейся хотя бы одной ветки первичной обмотки, которая не повреждена. Особо предпочтительно при разрыве провода в одной ветке многократной первичной обмотки повышается возбуждение оставшейся по меньшей мере одной ветки многократной первичной обмотки, например так, что питающая и вычислительная электроника переключается в режим более высокого возбуждения оставшейся части, или оставшихся веток первичной обмотки, которая является или которые являются работоспособными, чем данный отказ компенсируется. Повышение возбуждения оставшейся работоспособной хотя бы одной ветки первичной обмотки является лишь предпочтительным и не является необходимым для надежной работы датчика при возникновении указанного простого отказа. Как уже было указано, под простым отказом для целей данного изобретения понимается отказ, который возник, например, разрывом провода, разъединением или деградацией контакта в соединении и т.д.
В особо предпочтительном исполнении устройство по настоящему изобретению имеет первичную обмотку, которая является более длинной, чем расположенная на ней вторичная обмотка с несколькими выводами, образованная группой вторичных катушек, которые первичной обмоткой возбуждаются, чем предпочтительно обеспечивается симметрия магнитного поля на всех вторичных катушках.
Возбуждение первичной обмотки особо предпочтительно выполнено источником переменного тока с током постоянной амплитуды.
Как уже было указано, устройство согласно изобретению имеет датчик положения, у которого вторичная обмотка с несколькими выводами состоит из группы вторичных катушек, где каждая вторичная катушка состоит из нескольких частей обмотки, например из двух, трех или четырех частей обмотки. Особо предпочтительным является, если данные части вторичной обмотки каждой вторичной катушки взаимно-симметричные, что для целей настоящего изобретения означает, что они имеют, по сути, одинаковую длину и имеют одинаковое количество витков. Данные части обмотки вторичной катушки соответствующим образом размещены на соответствующем количестве электромагнитно отделенных участков первичной обмотки, то есть в случае двух частей обмотки одной вторичной катушки данные две части размещены на двух электромагнитно отделенных участках первичной обмотки, в случае трех частей обмотки вторичной катушки они расположены на трех электромагнитно отделенных участках первичной обмотки, а в случае четырех частей обмотки вторичной катушки они расположены на четырех электромагнитно отделенных участках первичной обмотки, всегда одна часть обмотки на одном электромагнитно отделенном участке.
Предпочтительно, когда указанные части обмотки вторичной катушки расположены на соседних электромагнитно отделенных участках первичной обмотки, чем упрощается создание кодов. Такая конструкция датчика устройства согласно изобретению при изменении положения отслеживаемого элемента, а таким образом, и при изменении положения кодирующего элемента по отношению к описанной компоновке вторичных катушек датчика позволяет получить на выходе каждой вторичной катушки датчика выходной сигнал, имеющий хотя бы три состояния напряжения. Это позволит снизить количество выводных проводов из датчика. Особо предпочтительно устройство согласно изобретению имеет датчик, у которого каждая вторичная катушка состоит из двух частей обмотки, которые соответствующим образом расположены на двух соседних электромагнитно отделенных участках первичной обмотки так, что каждая часть вторичной катушки расположена на электромагнитно отделенном участке первичной обмотки. Две части вторичных катушек, расположенные на двух электромагнитно отделенных участках первичной обмотки, позволяют снизить количество выводных проводов на половину, и одновременно позволяют обеспечить надежно измеряемый уровень выходного напряжения для всех ключевых положений кодирующего элемента по отношению к данной вторичной катушке. Этим не исключено создание вторичных катушек с большим количеством частей.
Подходящий выбор физической длины отдельных электромагнитно отделенных участков первичной обмотки и соответствующей длины вторичных катушек датчика, или их частей, а также количества вторичных катушек позволит добиться требуемой точности измерений актуального положения отслеживаемого элемента в диапазоне его перемещения. Длиной электромагнитно отделенного участка можно, по сути, определить размер изменяемого шага перемещения отслеживаемого элемента, например, 40 мм. Само перемещение отслеживаемого элемента в диапазоне его перемещения может быть как шаговым, так и плавным. Например, для диапазона перемещения отслеживаемого элемента 560 мм для точности измерения перемещения 40 мм количество электромагнитно отделенных участков первичной обмотки, на которых описанным способом размещена вторичная обмотка, составляет по меньшей мере 14, для диапазона перемещения отслеживаемого элемента 2000 мм количество электромагнитно отделенных участков составляет 50, а для диапазона 3800 мм необходимо 95.
Особо предпочтительно устройство согласно изобретению оснащено датчиком, обмотка которого намотана на сердечнике катушки из ферро-магнитного материала, на котором образованы участки для намотки электромагнитно отделенных частей первичной обмотки.
Под кодирующим элементом для целей настоящей заявки понимается элемент, состоящий из линейно организованных магнитных и немагнитных частей подходящей длины, который приспособлен для линейного перемещения по отношению к датчику с измерительными вторичными катушками, причем может перемещаться как кодирующий элемент по отношению к стационарно расположенным измерительным катушкам, так и измерительные катушки по отношению к стационарно расположенному кодирующему элементу. Магнитные и немагнитные части кодирующего элемента имеют правильно выбранные длины и организованы так, чтобы хотя бы для каждого измеряемого положения отслеживаемого элемента положением данных магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента по отношению к датчику образовался на выходе измерительных катушек датчика, при требуемой точности измерений линейного перемещения отслеживаемого элемента, уникальный сигнал. Требуемая точность измерения линейного перемещения отслеживаемого элемента, по сути, определена требуемым количеством дискретных шагов отслеживаемого элемента в ходе его линейного перемещения. Указанным подбором правильно выбранной длины магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента обеспечивается, что для каждого измеряемого положения кодирующего элемента по отношению к катушкам датчика положения, которое соответствует актуально измеряемому положению отслеживаемого элемента, генерируется уникальный код. Данный уникальный код генерируется измерением напряжения, индуцированного на отдельных вторичных измерительных катушках. Напряжение на вторичных катушках для каждого положения отслеживаемого элемента различное, причем на каждой вторичной катушке могут в зависимости от количества частей возникнуть хотя бы три состояния напряжения, что позволяет при данном количестве вторичных катушек увеличить количество различаемых положений отслеживаемого элемента. Как уже было указано, изменение индуцированного напряжения на каждой вторичной измерительной катушке происходит из-за изменения их индуктивности в результате перемещения отслеживаемого элемента, чем изменяется положение магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента по отношению к группе измерительных катушек. Пример создания такого уникального кода будет приведен ниже в описании.
Особо предпочтительно в устройстве согласно изобретению путем подходящего подбора магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента разной длины в два раза увеличить количество измеряемых взаимно различимых положений отслеживаемого линейного поступательного элемента при одинаковом количестве электромагнитно отделенных участков так, что всегда при каждом изменении положения между соседними измеряемыми положениями некоторая часть магнитного и немагнитного отрезка по отношению к датчику находится в такой позиции, которая на выходе измерительных вторичных катушек датчика вызывает изменение генерируемого сигнала. Например, для диапазона перемещения отслеживаемого элемента 560 мм для двойной точности измерения перемещения 20 мм количество измеряемых, взаимно различимых положений отслеживаемого элемента, определенных отдельными электромагнитно отделенными участками первичной обмотки, на которых описанным способом размещена вторичная обмотка, составляет хотя бы 28, для диапазона перемещения отслеживаемого элемента 2000 мм количество измеряемых, взаимно различимых, положений в таком случае составляет 100, а для диапазона 3800 мм - 190.
Как было указано, в устройстве согласно изобретению подходящим подбором магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента различной длины достигается, что для каждого положения отслеживаемого элемента формируется уникальный код. Особо предпочтительно в положении кодирующего элемента, соответствующем выбранному важному положению отслеживаемого элемента, например, нижнему концевому положению регулирующего органа ядерного реактора, кодирующий элемент приспособлен для образования значительно отличающегося сопротивления питающей первичной катушки по сравнению с любым другим положением кодирующего элемента. Это позволяет обеспечить надежную идентификацию выбранного важного положения отслеживаемого элемента и в случае неисправности иных частей датчика. Измерение сопротивления первичной обмотки датчика особо предпочтительно, так как данная обмотка благодаря ее конструкции является особо устойчивой. Этим настоящее изобретение позволяет независимо определить, что отслеживаемый элемент достиг выбранного важного положения. Указанное однозначно идентифицируемое изменение сопротивления первичной катушки предпочтительно достигается путем однозначно идентифицируемого повышения/снижения ее сопротивления, которое возникнет лишь в указанном важном положении отслеживаемого элемента. Данное однозначно идентифицируемое повышение/снижение сопротивления первичной катушки достигается закрытием первичной катушки особенно длинным магнитным или немагнитным участком кодирующего элемента. Этим предпочтительно обеспечивается возможность независимого и надежного установления того, что отслеживаемый элемент достиг данного важного положения. Предпочтительным важным положением отслеживаемого элемента является конечное положение отслеживаемого элемента, которым особо предпочтительно является регулирующий элемент ядерного реактора, то есть, например в случае разрыва какого-либо из выводных проводов комплекта измерительных катушек можно с помощью изменения индукции первичной катушки определить, что регулирующий элемент ядерного реактора достиг своего нижнего положения.
Важным положением отслеживаемого элемента для целей настоящей заявки предпочтительно считается и определенный диапазон положений отслеживаемого элемента, в которых уже достигается, по сути, требуемый результат. Например, нижним положением регулирующего органа ядерного реактора считается такое его положение, которое обеспечит его максимальное регулирующее воздействие на реакцию распада, когда регулирующий орган уже покрывает всю длину активной зоны ядерного реактора.
Устройство для измерения положения отслеживаемого элемента, по сути, является указателем абсолютного положения отслеживаемого элемента. Изменение положения кодирующего элемента по отношению к комплекту первичных и вторичных катушек датчика устройства согласно изобретению в зависимости от положения отслеживаемого элемента влияет на индуктивность отдельных вторичных измерительных катушек и изменяет размер образуемого на них индуцированного напряжения, т.е. благодаря данным различным напряжениям, образующимся на отдельных вторичных катушках, возможно создание уникального кода для каждого положения отслеживаемого элемента. Предпочтительно устройство для измерения положения содержит питающую электронику для питания комплекта катушек и вычислительную электронику для оценки указанного абсолютного положения.
Устройство и способ согласно настоящему изобретению имеют следующие преимущества:
- благодаря многопозиционному выводу на каждой измерительной катушке устройство для измерения положения согласно изобретению разработано с малым, по сути, минимальным, количеством выводов измерительных катушек, в которых в результате перемещения кодирующего элемента по отношению к комплекту катушек генерированы хотя бы три состояния напряжения, причем обеспечена высокая точность измерения положения отслеживаемого элемента, особо предпочтительно регулирующего органа ядерного реактора. При данном количестве выводов вторичных катушек датчик согласно изобретению позволяет давать более точную информацию о положении отслеживаемого элемента (например, регулирующего органа). Данное преимущество достигается тем, что для каждой из измерительных катушек генерированы хотя бы три состояния напряжения, что позволяет увеличить количество сочетаний для данного количества измерительных катушек и нет необходимости увеличивать количество проводов, устанавливаемых в кабельных трассах для повышения точности информации о положении регулирующего органа;
- вышеуказанная экономия количества выводных проводов позволяет создать больше ветвей первичной обмотки для повышения устойчивости датчика к возникновению простого отказа, вызванного, например, разрывом провода в одной из ветвей первичной обмотки;
- более высокое количество оцениваемых взаимных положений катушек и кодирующего элемента позволяет применение датчика согласно настоящему изобретению и для различных приложений, где требуется точное знание положения отслеживаемого элемента;
- возможность независимой оценки важного положения отслеживаемого линейного поступательного элемента, в частности, нижнего концевого положения регулирующего органа ядерного реактора лишь на основании измеренного сопротивления датчика, что обеспечивает питающая и вычислительная электроника первичной обмотки;
- работоспособность первичной обмотки резервируется возможностью питать произвольную часть первичной обмотки;
- питающая и вычислительная электроника, подключенная к первичной обмотке, в случае простого отказа перейдет в режим более высокого возбуждения работоспособной части (частей) первичной обмотки, что обеспечит выходной сигнал измерительных катушек, который питающая и вычислительная электроника в состоянии далее обработать;
- благодаря своей конструкции устройство согласно изобретению в состоянии надежно работать и в случае возникновения неисправностей, которые бы у ныне используемых устройств для определения абсолютного положения отслеживаемого элемента, применяемых, в частности, на атомных электростанциях, означали бы необходимость снижения мощности реактора или его полный останов, что приводит к причинению огромного ущерба эксплуататору АЭС, возникновение данного ущерба устройство согласно изобретению существенно снижает,
- датчик согласно настоящему изобретению в сочетании с подходящим приводом отслеживаемого линейного поступательного элемента дополняет собственное комплексное техническое решение для новых проектов и для проектов модернизации эксплуатируемых атомных электростанций.
Краткое описание чертежей
Примерное исполнение предлагаемому решению описано со ссылками на ниже приведенные чертежи:
Фиг. 1 Первый пример исполнения устройства для измерения согласно изобретению,
Фиг. 2а Датчик
Фиг. 2b Продольное сечение датчика, показанного на фиг. 2а,
Фиг. 2с Поперечное сечение датчика, показанного на фиг. 2b, сечение А-А,
Фиг. 3а Схема подключения отдельных первичных и вторичных катушек датчика, показанного на фиг. 2а,
Фиг. 3b Принцип генерирования трех выходных решающих уровней напряжения смещением кодирующего элемента по обеих вторичных катушках датчика для генерирования кода
Фиг. 3с График генерируемых решающих уровней на отдельных вторичных катушках датчика
Фиг. 3d Пример возможного кода, соответствующего трем выходным решающим уровням обеих вторичных катушек, показанных на фиг. 3b
Фиг. 4 Второй пример реализации кодирующего элемента для измерения высоты подъема отслеживаемого линейного элемента 560 мм
Фиг. 5 Схема подключения датчика с вторичной обмоткой с несколькими выводами, образованными шестью вторичными катушками.
Фиг. 6 Генерированный код на датчике, показанный на фиг. 5 с кодирующим элементом, показанным на фиг. 4, когда кодирующий элемент движется скачкообразно с шагом, равным длине отдельных электромагнитно отделенных участков датчика
Фиг. 7 Генерированный код на датчике на датчике, показанном на фиг. 5 с кодирующим элементом, показанным на фиг. 4, когда кодирующий элемент по отношению к датчику (или наоборот) перемещается плавно.
Примеры применения изобретения
Способ измерения абсолютного положения линейного поступательного элемента и устройство для измерения положения линейного поступательного элемента будут лучше понятны на ниже приведенных примерах возможного исполнения. Данные предметы служат в первую очередь для понимания и иллюстрации изобретения и не должны восприниматься как возможное ограничение изобретения лишь на описанные примеры. В приведенных примерах исполнения для описания одних и тех же элементов применены одинаковые обозначения, а информация и данные, приведенные к отдельным примерам исполнения устройства согласно изобретению, задуманы как применимые и для других примеров исполнения, за исключением случаев, когда четко указано иное или иное следует из контекста описания.
На фиг. 1 показан пример исполнения устройства для измерения положения отслеживаемого элемента, которое можно применить, например, в ядерных реакторах или в системах с прямолинейным перемещением отслеживаемого элемента. Особо предпочтительно устройство согласно изобретению применяется в ядерных реакторах в составе привода регулирующего органа ядерного реактора.
Взаимное перемещение датчика по отношению к кодирующему элементу приводит в устройстве согласно изобретению к изменению индуцированного напряжения в отдельных вторичных катушках датчика, а таким образом и к генерированию кода, определяющего точное абсолютное положение отслеживаемого элемента, которым особо предпочтительно является регулирующий орган ядерного реактора. Благодаря хотя бы трехпозиционному выводу на отдельных вторичных катушках устройство согласно изобретению снижает количество проводов, которые выходят из датчика для идентификации положения отслеживаемого элемента.
Устройство для измерения положения на фиг. 1 содержит датчик 1 и кодирующий элемент 2, размещенные в данном примере исполнения коаксиально, причем в данном примере исполнения кодирующий элемент 2 механически соединен с отслеживаемым линейным поступательным элементом, положение которого должно определяться, в то время как датчик 1 является неподвижным. Специалисту ясно, что также можно с данным отслеживаемым элементом соединить и датчик, в таком случае неподвижным будет кодирующий элемент. Возможна и иная компоновка датчика 1 и кодирующего элемента 2, которая обеспечит их магнитное соединение для воздействия на индуцированное напряжение на вторичных катушках в результате взаимного перемещения датчика и кодирующего элемента. Показанный на фиг. 1 пример исполнения служит лишь для иллюстрации исполнения устройства согласно изобретению.
Датчик 1, показанный на фиг. 1, содержит магнитный сердечник из подходящего материала, снабженного для наглядности лишь четырьмя электромагнитно отделенными участками датчика с первичной обмоткой. Первичная обмотка имеет две ветви (сдвоенная) и выведенный центр. На первичной обмотке коаксиально расположена вторичная обмотка, образованная двумя вторичными катушками. На фиг. 1 показано лишь особо простое исполнение, предназначенное для понимания устройства согласно изобретению. Специалисту ясно, что возможно создание намного более сложных сочетаний датчика и кодирующего элемента, в частности, в зависимости от длины подъема отслеживаемого элемента и необходимого размера отслеживаемого шага. Для правильной работы устройства согласно изобретению ясно, что особо предпочтительно, чтобы все электромагнитно отделенные участки датчика имели одинаковую длину. Подобное правило верно и для части первичной обмотки и вторичной обмотки, то есть предпочтительно, чтобы их отдельные соответствующие части были одинаковыми.
Пример особо предпочтительного исполнения датчика 1 показан на фиг. 2а и 2b. На фиг. 2а показан вид сбоку на сердечника 1.1 и катушки, в данном примере исполнения из ферро-магнитного материала, с намотанными первичными и вторичными катушками, а на фиг. 2b показано сечение датчика. Сердечник 1.1 катушки снабжен участками 1.1.1 для электромагнитно отделенных частей первичной обмотки 1.2. Электромагнитно отделенные участки первичной обмотки 1.2 датчика 1 по настоящему изобретению особо предпочтительно образуются тем, что в следующих друг за другом участках 1.1.1 на сердечнике 1.1 меняется направление намотки первичной обмотки 1.2.
На фиг. 2а-2с показан датчик из фиг. 1. Как видно из данных чертежей, датчик 1 в данном примере исполнения образован так, что на сердечнике 1.1 намотана двойная первичная обмотка 1.2, а на ней намотана магнитно-связанная вторичная обмотка 1.3, которая в данном примере исполнения образована двумя вторичными катушками 1.3.1 и 1.3.2. Сердечник 1.1 катушки в данном примере исполнения имеет четыре участка 1.1.1, на которых постепенно намотаны четыре электромагнитно отделенные части первичной обмотки 1.2, причем данная первичная обмотка 1.2 намотана как двойная, с первой первичной обмоткой 1.2.1 и второй первичной обмоткой 1.2.2 с выведенным центром первичной обмотки 1.2. Первичная обмотка 1.2 расположена на сердечнике 1.1 катушки с двумя ветвями, расположенными в два слоя друг на друге. На первичной обмотке 1.2 в данном примере исполнения далее намотана вторичная обмотка 1.3 с несколькими выводами. Вторичная обмотка 1.3 с несколькими выводами в данном примере исполнения образована двумя вторичными катушками 1.3.1 и 1.3.2, и каждая вторичная катушка состоит в данном примере исполнения из двух частей своей обмотки, причем каждая данная часть обмотки вторичной катушки вторичной обмотки 1.3 расположена на иной электромагнитно отделенной части первичной обмотки 1.2. Так как первичная обмотка 1.2 выполнена как сдвоенная, исполнение обоих ее ветвей лучше видно на фиг. 2b, где показано продольное сечение датчика 1, изображенного на фиг. 2а. Способ подключения первичной обмотки 1.2 и вторичной обмотки 1.3 показан на фиг. 3а. На фиг. 2b в данном примере исполнения магнитное соединение вторичной обмотки 1.3 с первичной обмоткой 1.2 особо предпочтительно выполнено так, что вторичная обмотка 1.3 коаксиально намотана на первичной обмотке 1.2, или на показанном примере исполнения на вторичной обмотке 1.2.2. На фиг. 2b первичная обмотка 1.2 с двумя ветками образована как первой первичной обмоткой 1.2.1, намотанной внизу на сердечнике 1.1, и второй первичной обмоткой 1.2.2 впоследствии намотанной на первой первичной обмотке 1.2.1, причем выведен центр первичной обмотки 1.2. Как уже было описано, электромагнитно отделенные участки первичной обмотки 1.2, или первой первичной обмотки 1.2.1 и второй первичной обмотки 1.2.2, образованы так, что всегда два соседних участка 1.1.1 сердечника 1.1 катушки содержат по отношению друг к другу обратно намотанные участки первой первичной обмотки 1.2.1 и второй первичной обмотки 1.2.2, то есть на следующем участке 1.1.1 сердечника 1.1 всегда меняется направление намотки данной первичной обмотки 1.2.1, 1.2.2 для образования отдельных электромагнитно отделенных участков первичной обмотки 1.2.
На фиг. 2с показано поперечное сечение датчика 1, изображенного на фиг. 2а, сечение А-А, то есть в месте, разделяющем отдельные электромагнитно отделенные участки 1.1. Как видно из фиг. 2с, в отделяющих участках между отдельными участками 1.1.1 выполнен надрез, через который предпочтительно выведена соответствующая первичная обмотка, при необходимости и вторичная обмотка в следующий участок. Длина отдельных электромагнитно отделенных участков первичной обмотки 1.2 одинакова, в данном примере составляет 40 мм.
На фиг. 3а показана схема подключения отдельных обмоток катушек датчика 1 устройства согласно изобретению из фиг. 1, или фиг. 2а. Здесь видно, что первичная обмотка 1.2 сдвоенная с двумя ветками, образуемыми первой первичной обмоткой 1.2.1. и второй первичной обмоткой 1.2.2, и имеет выведенный центр. В случае повреждения одной части первичной обмотки 1.2 по-прежнему можно обеспечивать питание оставшейся ветви первичной обмотки 1.2 и получать из вторичной обмотки 1.3 код, соответствующий абсолютному положению отслеживаемого линейного поступательного элемента. Особо предпочтительно в оставшейся ветви первичной обмотки 1.2 увеличить возбуждение, чтобы компенсировать воздействие поврежденной части первичной обмотки 1.2. Из фигуры За видно, что как первая первичная обмотка 1.2.1, так и вторая первичная обмотка 1.2.2, образующие первичную обмотку 1.2, содержат всегда четыре участка, которые взаимно электромагнитно отделены, как было описано выше. Направление витков первой первичной обмотки 1.2.1 и второй первичной обмотки 1.2.2, намотанных друг на друге в одном электромагнитно отделенном участке первичной обмотки 1.2 таково, чтобы воздействие отдельных веток первичной обмотки 1.2 не приводило к возникновению помех, но так, чтобы действия тока в обеих ветках первичной обмотки 1.2, расположенных в данном примере исполнения в двух намотанных друг на друге слоях первичной обмотки 1.2, суммировались.
Вторичная обмотка 1.3 с несколькими выводами в данном примере исполнения образована комплектом из двух расположенных друг за другом вторичных катушек, каждая из которых расположена на двух расположенных друг за другом электромагнитно отделенных участках первичной обмотки 1.2, которые в данном исполнении имеют один конец, подключенный к общему выводу, а второй выведен самостоятельно наружу, то есть нужны лишь три провода, выходящих из данной вторичной обмотки 1.3 с несколькими выводами.
Кодирующий элемент 2 устройства согласно изобретению образован хотя бы одним магнитным участком, ограниченным немагнитными участками или наоборот. На фиг. 1 кодирующий элемент 2 образован одним магнитным участком, проходящим через все четыре электромагнитно отделенные участки первичной обмотки, который с обеих сторон ограничен немагнитным окружением. Кодирующий элемент 2 своими магнитными и немагнитными участками под влиянием изменения положения отслеживаемого линейного поступательного элемента движется через датчик 1 и генерирует уникальный код во вторичной обмотке 1.3 обеих вторичных катушек. Под перемещением кодирующего элемента 2 по отношению к датчику 1 для целей настоящей заявки понимается относительное перемещение, то есть как физическое перемещение кодирующего элемента по отношению к стационарно расположенному датчику, так и перемещение датчика по отношению к стационарно расположенному кодирующему элементу 2.
На фиг. 3b показан принцип генерирования трех решающих уровней напряжения на одной вторичной катушке устройства согласно изобретению при передвижении кодирующего элемента 2 через данную катушку вторичной обмотки 1.3. Положение О потом показывает кодирующий элемент 2, причем его магнитный участок пока не перекрывает какую-либо часть данной вторичной катушки вторичной обмотки 1.3. Данному состоянию на фиг. 3с соответствует уровень выходного напряжения "а", то есть наиболее низкое индуцированное напряжение на данной вторичной катушке. В положении 1 потом магнитный участок кодирующего элемента перекрывает всю первую часть вторичной катушки, которая расположена на одном магнитно-отделенном участке первичной обмотки. Как видно на фиг. 3с, данному положению соответствует уровень выходного напряжения "b", то есть средний уровень. В положении 2 на фиг. 3b показан кодирующий элемент 2 в положении, полностью перекрывающем данную вторичную катушку. На ее выходе выходное напряжение имеет уровень "с", то есть наиболее высокий. Специалисту ясно, что график напряжения на фиг. 3с упрощен для лучшего понимания, реальный график не будет резко скачкообразным. Поэтому желательно задать пороговые уровни напряжения, при достижении которых или при превышении которых выходной уровень напряжения будет считаться достигшим данного скачкового значения. То есть понятно, что благодаря изобретению при помощи лишь трех проводов можно генерировать сигнал, обозначающий пять положений отслеживаемого элемента.
На фиг. 3d показан пример возможного кода, соответствующего трем возможным уровням напряжения а, b, с на двух вторичных катушках вторичной обмотки 1.3 устройства согласно фиг. 1. Уровень а соответствует состоянию, когда данная вторичная катушка не закрыта кодирующим элементом 2, уровень b соответствует состоянию, когда кодирующим элементом закрыта первая часть вторичной обмотки 1.3, а уровень с соответствует состоянию, когда кодирующим элементом закрыта полностью одна вторичная катушка вторичной обмотки 1.3. Из этого следует, что особо предпочтительно, чтобы длина магнитных и немагнитных частей кодирующего элемента 2 соответствовала кратным значениям длины одного электромагнитно отделенного участка датчика 1, точнее расположенной на нем части вторичной катушки. Данный размер в данном примере исполнения датчика 40 мм, также общая длина одной вторичной катушки 80 мм.
На фиг. 4 показан второй пример исполнения кодирующего элемента 2 для длины хода 560 мм, который состоит из двух немагнитных участков 2.2 и двух магнитных участков 2.1, причем минимальная длина данных отдельных магнитных или немагнитных частей соответствует целым кратным значениям длины одного электромагнитно отделенного участка датчика 1. Длины отдельных участков приведены на фиг. 4 в мм.
Фиг. 5 показана схема подключения датчика 1 устройства согласно изобретению, содержащего шесть вторичных катушек вторичной обмотки 1.3 с несколькими выводами, где каждая данная вторичная катушка 1.3 содержит две части обмотки, которые намотаны на двух электромагнитно отделенных участках датчика 1. Данное устройство согласно изобретению имеет сдвоенную первичную обмотку 1.2, которая образована двенадцатью последовательно соединенными первичными катушками в каждой ветви первичной обмотки 1.2 и выполнено с выведенным центром. Все катушки обоих ветвей первичной обмотки 1.2, то есть первой первичной обмотки 1.2.1 и второй первичной обмотки 1.2.2, расположены в соответствующих электромагнитно отделенных участках 1.1.1 первичной обмотки 1.2. Катушки вторичной обмотки 1.3 здесь расположены на второй ветви первичной обмотки 1.2, то есть на второй первичной обмотке 1.2.2 так, что каждая из пары частей обмотки вторичных катушек вторичной обмотки 1.3 расположена на иной первичной катушке, которая лежит на ином электромагнитно отделенном участке первичной обмотки 1.2, которые взаимно соседствуют. Электромагнитно отделенные участки первичной обмотки 1.2 датчика 1 выполнены подобно как на фиг. 2а, то есть уже ранее описанным противоположным направлением витков первичных катушек в данном электромагнитно отделенном участке первичной обмотки 1.2 на соответствующе образованном сердечнике 1.1. Длина отдельных электромагнитно отделенных участков в данном примере исполнения предпочтительно снова составляет 40 мм, причем следующие друг за другом первичные катушки каждой части первичной обмотки всегда имеют обратное направление витков, чем у предыдущей первичной катушки данной части первичной обмотки, как было указано выше. Направление витков в отдельных электромагнитно отделенных участках первичной обмотки 1.2 в обеих ветвях, то есть первой первичной обмотки 1.2.1 и второй первичной обмотки 1.2.2, намотанных в данном примере исполнения друг на друге, таково, чтобы воздействие отдельных ветвей первичной обмотки 1.2 не приводило к возникновению помех, но чтобы действия тока в обоих друг на друге намотанных слоях первичной обмотки 1.2 суммировались.
Вторичная обмотка 1.3 с несколькими выводами в данном случае образована шестью вторичными катушками с общим выводом 7а. Второй вывод первой вторичной катушки обозначен 1, второй вывод второй вторичной катушки обозначен 2а, второй вывод третьей вторичной катушки обозначен 3а, второй вывод четвертой вторичной катушки обозначен 4а, второй вывод пятой вторичной катушки обозначен 5а, второй вывод шестой вторичной катушки обозначен 6а, общий вывод (то есть центр) первичной обмотки обозначен 10а, второй вывод первой части первичной обмотки обозначен 8а, а второй вывод второй части первичной обмотки обозначен 9а.
На Фиг. 6 показан пример кода на датчике 1, содержащего шесть вторичных катушек вторичной обмотки 1.3 и двенадцать первичных катушек первичной обмотки 1.2 в каждой ее ветви, как показано на фиг. 5, при применении кодирующего элемента 2, показанного на фиг. 4. Каждая вторичная катушка вторичной обмотки имеет две симметричные части, расположенные на различных электромагнитно отделенных участках первичной обмотки датчика 1. Длина отдельных электромагнитно отделенных участков датчика 1 в данном примере исполнения составляет 40 мм, а кодирующий элемент 2 скачкообразно перемещается с шагом 40 мм. Генерированный код на датчике 1, показанном на фиг. 5 с кодирующим элементом 2, показанным на фиг. 4, предназначен для измерения длины хода 560 мм отслеживаемого линейного поступательного элемента, когда кодирующий элемент 2 по отношению к датчику 1 (или наоборот) перемещается скачкообразно с шагом, равным длине отдельных электромагнитно отделенных участков датчика 1.
На Фиг. 7 показан пример кода устройства согласно изобретению, обнаруженного на датчике 1, содержащем шесть вторичных катушек вторичной обмотки 1.3 длиной 80 мм каждая и двенадцать первичных катушек первичной обмотки 1.2 в каждой ветви длиной 40 мм каждая. Подключение датчика показано на фиг. 5. В качестве кодирующего элемента применен кодирующий элемент 2, показанный на фиг. 4. Длина отдельных электромагнитно отделенных участков датчика составляет 40 мм. Кодирующий элемент 2 в данном примере исполнения перемещается плавно. Длина хода отслеживаемого линейного поступательного элемента составляет 560 мм. Как уже было указано, точно также плавно датчик 1 может перемещаться по отношению к кодирующему элементу 2, таким образом, важно, какой из них с отслеживаемым линейным поступательным элементом соединен для отслеживания положения данного элемента. Кодирующий элемент 2 на фиг. 4 имеет магнитные и немагнитные участки различной длины. Длины отдельных участков выбраны и подобраны так, чтобы для данной вторичной обмотки 1.3 при каждом перемещении измеряемого линейного поступательного элемента на 20 мм изменилось хотя бы одно из значений на выходе вторичной обмотки 1.3 с несколькими выводами для измерения абсолютного положения отслеживаемого линейного поступательного элемента. Благодаря такой конструкции кодирующего элемента 2 можно повысить точность измерения абсолютного положения с шага 40 мм на 20 мм, причем в данном примере исполнения настройка вычислительного контура уровней напряжения, генерируемых на отдельных вторичных катушках вторичной обмотки 1.3 с несколькими выводами выполнена так, что уровень напряжения на выходе каждой вторичной катушки берется так, что достиг своего полного значения уже в момент, когда превысил нижнее пороговое значение, т.е. если одна часть двойной вторичной катушки закрыта магнитным участком кодирующего элемента лишь частично, сигнал считается таким же, каким он бы был в случае полного закрытия данной части двойной вторичной катушки. Конкретно, если закрыта лишь половина одной части вторичной катушки, в данном случае 20 мм из одной вторичной катушки, выходное значение b такое же, как если бы была закрыта данная 40 мм часть, образующая одну вторичную катушку длиной 80 мм. Если магнитной частью кодирующего элемента закрыта одна целая часть одной вторичной катушки, а вторая часть данной вторичной катушки закрыта лишь наполовину, то есть закрыто 60 мм из данной вторичной катушки, выходной сигнал будет с, точно также, если бы была закрыта вся двойная вторичная катушка, то есть 80 мм. Подходящим подбором отдельных длин магнитных и немагнитных участков кодирующего элемента 2, как показано, например, в данном примере исполнения для кодирующего элемента длиной 560 мм на фиг. 4 обеспечивается, что для каждого отслеживаемого положения, то есть в данном примере кода, показанного на фиг. 7 для различения перемещения по 20 мм, в каждом положении код является уникальным. Согласно настоящему изобретению подходящим подбором длины магнитных и немагнитных участков кодирующего элемента 2 можно с датчиком 1с шестью двойными вторичными катушками, схема которого показана на фиг. 5, где длина отдельных электромагнитно отделенных участков составляет 40 мм, создать уникальные коды для длины кодирующих элементов существенно превышающих длину датчика, причем обеспечивается идентификация большего количества абсолютных положений, чем имеющееся количество электромагнитно отделенных участков. В данном примере исполнения речь идет о 28 абсолютных положениях.
Вышеприведенное описание приведено в качестве иллюстрации для понимания сути изобретения.
Промышленная применимость
Практическое применение предлагаемого решения предлагается для измерения положения регулирующего органа реактора типа ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и других типов.
Список обозначений:
1 датчик
1.1 магнитный сердечник
1.1.1 участки для электромагнитно отделенных частей первичной обмотки
1.2 первичная обмотка
1.2.1 первая первичная обмотка
1.2.2 вторая первичная обмотка
1.3 вторичная обмотка с несколькими выводами
1.3.1 первая вторичная катушка вторичной обмотки с несколькими выводами
1.3.2 вторая вторичная катушка вторичной обмотки с несколькими выводами
2 кодирующий элемент
2.1 магнитная часть кодирующего элемента
2.2 немагнитная часть кодирующего элемента
1а вывод первой вторичной катушки
2а вывод второй вторичной катушки
3а вывод третьей вторичной катушки
4а вывод четвертой вторичной катушки
5а вывод пятой вторичной катушки
6а вывод шестой вторичной катушки
7а общий вывод вторичных катушек
8а вывод первой части первичной обмотки
9а вывод второй части первичной обмотки
10а вывод общего центра первичной обмотки