УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2022 года по МПК G21C17/35 

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.

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 U₀₁, близкое к нулю. Напряжение U₀₁ 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 U₁₁. Напряжение U₁₁ 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 U₁₁ и U₀₁. 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 U₂₁, зависящее от положения уровня жидкометаллического теплоносителя по длине обмоток 8, 10 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 4. Напряжение U₂₁ 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_x1 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 U₀₂. При положении уровня жидкометаллического теплоносителя выше обмоток 12, 14 (индуктивная измерительная катушка) чувствительного элемента 5 в электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 генерируется напряжение U₁₂. 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 U₂₂. Сгенерированное напряжение электрической цепи измерительных обмоток 13, 14 поступает на резонансный усилитель 18. В резонансном усилителе 18 происходит фильтрация, выделение полезного напряжения U_x2 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 U₀ и U₁. Если сигнал U₀₁ от чувствительного элемента 4 меньше U₀, то формируется промежуточный результат о положении уровня жидкометаллического теплоносителя ниже чувствительного элемента 4. Если сигнал U₀₁ от чувствительного элемента 4 больше U₁, то формируется промежуточный результат о положении уровня жидкометаллического теплоносителя выше чувствительного элемента 4. Если сигнал U₀₁ от чувствительного элемента 4 больше U₀, но меньше U₁, 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.

Изобретение относится к средству системы внутриреакторного контроля. Устройство для дискретного определения уровня жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора содержит меньшей мере один чувствительный элемент, размещенный в полости защитного чехла, и электронный блок. Чувствительный элемент содержит по меньшей мере одну катушку сравнения и одну измерительную катушку, расположенные соответственно в верхней и в нижней частях полости защитного чехла и содержащие обмотку возбуждения и измерительную обмотку. В полости защитного чехла размещен по меньшей мере один термочувствительный элемент. Измерительные обмотки катушек выполнены с противоположно направленными намотками и соединены между собой последовательно. Электронный блок содержит генератор сигнала, подключенный к последовательно соединенным обмоткам возбуждения, контроллер и подключенные к его входам аналого-цифровые преобразователи, которые соединены с термоэлектрическим преобразователем и с измерительными обмотками индуктивных катушек. Техническим результатом является исключение температурной погрешности, отрицательно влияющей на точность измерения 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. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. 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, отличающееся тем, что в устройство 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 соединены между собой последовательно и выполнены с противоположно направленными намотками, а длина измерительной катушки составляет величину не менее максимальной суммарной величины температурного удлинения защитного чехла и корпуса ядерного реактора, при этом электронный блок снабжен контроллером и подключенными к его входам аналого-цифровыми преобразователями, которые соединены с термоэлектрическим преобразователем и измерительными обмотками индуктивных катушек.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве термоэлектрического преобразователя использована хромель-алюмелевая термопара.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная обмотка катушки сравнения размещена на обмотке возбуждения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительная обмотка измерительной катушки размещена на обмотке возбуждения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электронный блок снабжен цифро-аналоговым преобразователем, вход которого соединен с выходом контроллера.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электронный блок снабжен резонансными усилителями, через которые измерительные обмотки подключены к аналого-цифровым преобразователям.