(51) Int. Cl. 2 G Ol D 5/20, G 21 C 17/12. (21) Patenlsøknad nr. 4887/71. (23) Løpedag

Transkript

1 [B] (11) UTLEGNINGSSKRIFT J& NORGE [NO] (51) Int. Cl. 2 G Ol D 5/20, G 21 C 17/12 STYRET (21) Patenlsøknad nr. 4887/71 FOR DET INDUSTRIELLE (22) Inngitt inngitt ] RETTSVERN (23) Løpedag (41) Ålment tilgjengelig fra (44) Søknaden utlagt, utlegningsskrift utgitt (30) Prioritet begjært USA, nr (54) Oppfinnelsens benevnelse Magnetisk pos is jons indikatorsystem. (71)(73) Søker/Patenthaver WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION, Gateway Center, Pittsburgh, Pa , USA. (72) Oppfinner SZABO, Andras Imre, Export og TARLI, Dan Vincent, Wilmerding, begge: Pa., USA. (74) Fullmektig (56) Anførte publikasjonar Bryns Patentkontor A/S Britisk patent nr , US patent nr ,

2 Foreliggende oppfinnelse vedrører et magnetisk posisjonsindikatorsystem for å påvise tilstedeværelsen av et bevegelig magnetisk legeme, og som har et antall magnetiske posisjonsindikatorer anordnet etter hverandre langsmed bevegelsesbanen til det bevegelige magnetiske legemet, hvilke hver omfatter en magnetisk bløt kjerne med en åpen magnetisk fluxbane med to poler i tilknytning til denne, og påvisningsinnretning for påvisning av enhver fluxforandring inne i den magnetisk bløte kjerne, hvilket bevegelige magnetiske legeme utgjøres av et permanentmagnetisk legeme som er bevegelig langsmed en bane nær ved polene til den magnetisk bløte kjerne for derved å frembringe forskjellige magnetfluxverdier inne i den magnetisk bløte kjerne når den magnetiske fluxbane til den magnetisk bløte kjerne blir sluttet av det permanentmagnetiske legeme og når den magnetiske fluxbane er åpen. Systemet er spesielt beregnet for å bestemme den relative posisjon til styrestenger inne i en kjernereaktors kjerne. En type styrestangdrivmekanisme for kjernereaktorer er et elektrisk styrt, hydraulisk operert utstyr som induviduelt beveger styrestengene mellom kun to hvilestillinger; enten helt inne

3 eller helt ute. Hver styrestang består av minst ett neutronabsorbsjonselement av tilnærmet samme størrelse som brenselstavene. Hver styrestang er forbundet med en hydraulisk mekanisme og vandrer i føringsrørlommer anordnet inne i brenselmontasjen. I den innskjøvne stilling passer absorbsjonselementene henholdsvis inn i brenselmontasjens rørlommer og i uttrukken posisjon beveger de seg inn i føringsrør. Dette er det samme arrangement som nyttes i den nåværende trykkvannreaktorutførelse, bortsett fra at stengene i det ovenfor beskrevne system ikke kan innta noen andre posisjoner enn å være enten helt innskjøvet eller helt uttrukket, mens i den foreliggende utformning kan stengene innta midlere posisjoner inne i reaktorkjernen. Hver hydraulisk styrestangmekanisme er et helt uavhengig system og styrer bevegelsen til en drivstang som er forbundet med absorbsjonsstavene som er forbundet med en styrestang, i dette eksempel, to forbundne absorbsjonsstaver som danner en styrestang. Por en bedre forståelse av operasjonen av det ovenfor beskrevne styresystem, vises det til US-patent nr , innlevert 2k. januar 1968 ved Robert J. French et al, med tittel "Nuclear Reactor" og overdratt til Westinghous Electric Corporation. Hovedformålet ved den foreliggende oppfinnelse er således å tilveiebringe et enmt, men pålitelig stang-posisjonsindikatorsystem som er ufølsomt for temperatur- eller andre påvirkninger fra omgiveisene. Den foreliggende oppfinnelse består således i et magnetisk posisjonsindikatorsystem for å påvise tilstedeværelsen av et bevegelig magnetisk legeme som innledningsvis angitt, og som er karakterisert ved at polene til posisjonsindikatorene er anordnet under hverandre og imellom hverandre i bevegelsesretningen til det magnetiske legemet idet hver av polene til en posisjonsindikator er anordnet mellom polene til de hosliggende posisjonsindikatorer. Operasjonen av hver stangposisjonsindikator er basert på den magnetiske flip-flop virkningskarakteristikk for de smale hysterese sløyfer for magnetisk bløte materialer. Hver posisjonsindikatorføler omfatter primært en magnetisk bløt kjerne som har en åpen magnetisk

4 fluxbane med to poler i tilknytning til denne. Folene til den magnetiske kjerne er plassert longitudinalt langsmed drivstanghuset slik at bevegelse av den magnetiske drivstang hovedsakelig på tvers av den magnetiske kjernes poler, bevirker en polaritets reversering av den magnetisek flux gjennom- den magnetisk blote k, rne. Denne fluxforandring inne i den magnetiske kjerne og som bevirkes ved hjelp av den magnetiske drivstang, kan bli påvist hvorved indikeres tilstedeværelsen av drivstangen i nærhet av den magnetiske kjernes poler. Fluxreverseringen som frembringes i foleelementet ved den magnetisk3 flip-flop virkning kan omdannes til et elektrisk signal enten ved å nytte magnetisk forspente tungebrytere eller metningstransformatorer som kan utgjore en del av foleelementet. Versjonen med metningstransformatoren er foretrukken fordi den gir utmerket pålitelighet og mindre hysterese ved posisjonsindikering.- Detektoren av metningstransformatortypen er magnetisk koplet til den magnetisk blote kjerne slik at den er under påvirkning av fluxen som flyter gjennom kjernen. Metningstransformatorens primærvikling blir magnetisert ved hjelp av en vekselstrøm, fortrinnsvis tilfort fra en stromkilde og posisjonssignalet blir uttatt fra sekundærviklingen. Amplituden til sekundærspenningen blir betraktelig redusert når transformator-lamellene blir mettet under påvirkning av den stadige flux som tilfores fra magnetstangen hvis posisjon blir avfolt. Fluxringer eller andre hensiktsmessige polstykket kan festes til den magnetisk blote kjerne for å hjelpe til med passeringen av den faste flux fra magnetstangen gjennom metningslamellene. Anvendbarheten til det omtalte foleelement kan okes i stor grad ved å inkorporere et magjietisk forspenningssystem i dette. Den magnetiske forspenning blir frembragt av en permanent magnet som induserer en fast flux gjennom transformatorlamellene. Permanentmagneten kan erstattes med en elektromagnet eller en likestromsvikling hvis onsket. Det er fem driftsmåter avhengig av den magnetiske forspenning som nytte: ingen tilfort forspenning; svak forspenning med hjelpepolarisasjon; svak forspenning med motsatt polarisasjop; sterk forspenning med hjelpepolarisasjons; og sterkt forspenning med motsatt polarisasjon. Hver av de angitt måter gir en stangposisjonindikering. Det er stort sett et bekvémmelighetssporsmål hvilke av de fem måter som nyttes ved en gitt anvendelse. Den siste måte er forétrukket i det tilfelle et stangposisjonsindikeringssystem er beregnet for an-

5 I vendelse ved kjernereaktorer fordi det krever enkle koplinger i resten av systemet. Magnetstyrken i den siste måte er valgt slik at den akkurat kan mette transformatorene i fråvær av den magnetiske stang og dens polaritet er motsatt av polariteten til den magnetiske stang slik at tilstedeværelsen av den magnetiske stang hovedsakelig mellom polene til foleelementet, reduserer fluxmengden som flyter i metningstransformatoren og bringer denne ut av mettet tilstand. Utgangen fra metningstransformatorens sekundærvikling, blir derved oket og indikerer tilstedeværelse av stangen i nevnte område. De individuelle foleelementer kan arjrangeres i tandem langsmed drivstanghuset eller interfoliert langs huset for å indikere den voksende bevegelse av stangen i dette. Hvis stangen som beveger seg i huset ikke er en permanent magnet, må en likestromsspole fores inn på denne og plasseres ved bunnen av rekken. En slik spole vil når den blir tilfort tilstrekkelig likestrom, magnetisere stangen og stangposisjonsindikatoren vil virke riktig. I tilfelle drivstengene drives ved hjelp av magnetiske jekkmekanismer, som f.eks. mekanismen beskrevet i U.S.-patent med tittel m Gripper Type Linear Motion Device er det ikke nodvendig med noen likestromsmagnetiseringsspole fordi likestromsspolene i jekkmekanismen magnetiserer stangen. Oppfinnelsen vil fremstå klarere i den folgende beskrivelse av en foretrukket utforelsesform av denne, kun vist som eksempel, og med henvisning til tegningene hvor fig. 1 er et skjematisk diagram av en kjernereaktor og dets styrestangdrivsystem omfattende den nye posisjonsindikator ifolge oppfinnelsen, fig. 2A og 2B viser perspektivriss av en utforelsesform av oppfinnelsen og illustrerer det grunnleggende operasjonsprinsipp som nyttes når stangen er henholdsvis ikke til stede og til stede, fig. 3 er et sideriss som viser en annen utforelsesform a- oppfinnelsen, fig. 4 er et toppriss av utforelsesformen som..vist i fig. 3, fig. 5 er et sideriss av ennå en annen utforelsesform av oppfinnelsen, og fig. 6 er et skjematisk diagram av ""en rekke av flere indikatorer som vist i fig. 5- Noyaktig kjennskap til styrestengenes posisjon i en kjerne-

6 reaktor er av storste betydning for å sikre en sikker og effektiv drift av reaktoren. Det vises til fig. 1 av hvilken det lett kan forstås at påvisning ar styrestengenes posisjon inne i en trykkvannsreaktor er spesielt vanskelig på grunn av nodvendigheten av å opprettholde tetningen av reaktorens trykktank 41» Styrestengene 72 ' og drivstengene 74 som er strukturelfetkoplet til sine respektive styrestenger 72, er omgitt av vann 40 som helt fyller trykktanken 41 Under normale driftsforhold, har vannet hoy temperatur og står under trykk slik at koking ikke finner sted. Posisjonen til styrestengene 72 må bestemmes ved målinger av tilstanden av fol^elementene som er plassert utenfor trykktanken 41 fordi det ikke er tillått med noen mekaniske gjennomffrringer i trykktanken 41 for det formål å påvise styrestangposisjonen. Det eneste området hvor slike foleelementer kan plasseres, er langsmed stangvandringshuset 62. Drivstengene 74 beveger seg inne i stangvandringshusene 62 som er artettede ror som strekker seg longitudinalt oppad'fra reaktorhodet 42. Foleementene 56 anbragt langsmed stangvandringshuset 62 kan kun avfole drivstangens 74 posisjon. Det er imidlertid vanligvis antatt at styrestengenes 72 feste til drivstengene 74 er pålitelig og derfor er drivstangens 74 g styrestangens 72 forskyvning den samme. Et nytt stangposisjonsindikasjonssyst.em er blitt frembragt for å påvise tilstedeværelsen eller ikke tilstedeværelsen av styrestangen i indikatorområdene. Den nye foler for indikagonssystemet som vist her, er spesielt hensiktsmessig når drivstangen er fremstilt av et magnetisk materiale og stangvandringshuset av et ikke magnetisk materiale. Foleren kan nytte både en v-ekslende og fast flux som strommer gjennom drivstangen og stangvandringshusets vegg. Det er foretrukket å nytte en fast flux fordi den ikke frembringer noen hvirvelstrommer samt forer til enklere koplingsarrangementer og bedre ytelse. Fi-gurene 2'A og 2B viser skjematisk en magnetisk blot kjerne 10 med en åpen magnetisk fluxbane med to poler.16 forbundet med denne. Det-er tilveiebragt et permanentmagnetisk legeme 14 som er bevegelig langs en akse nær ved og hovedsakelig parallell med aksen

7 som dannes av polene l6.- Den magnetisk blote kjerne 10 som kan fremstilles av blott stål blir magnetisert når den holdes nær det bevegelige magnetiske legmet 14. Magnetiseringens polaritet av henger av den relative posisjon av magnetkjernen 10 og det bevegelige magnetiske legemet 14. Hvis det bevegelige magnetiske legeme 14 og den magnetiske kjerne 10 er anbragt ende mot ende som vist i fig. 2A, blir den magnetisk blote kjerne magnetisert på en slik måte at magnetens effektive lengde blir oket. På den annen side, hvis det bevegelige magnetiske legemet 14 og den magnetiske blote kjerne 10 blir anbragt side ved side som vist i fig.'2b, blir den magnetiske blote kjerne magnetisert på en slik måte at den motvirker magneten 14. Det sees således at magnetiseringspolariteten til den magnetisk blote kjerne reverseres idet den ovre- ende av det bevegelige, magnetisk harde legeme 14 beveges fra den magnetiske kjernes 10 nedre ende til dens ovre ende. Hvis den bevegelige magnet 14 er meget lengre enn den magnetisk blote kjerne, slik som ved kjernen til en reaktordrivstang, blir fluxreverseringen i den magnetisk blote kjerne 10 oppnådd med en ganske liten relativ forskyvning av det bevegelige magnetiske legeme 14. Under disse forhold benyttes uttrykket "magnetisk flip-flop virkning'* i det folgende for å beskrive denne oppforsel. en magnetiske flip-flop virkning blir ikke påvirket når blottstålringer 12 blir festet til polene 16 til den magnetisk blote kjerne 10 på den måte som er vist i figurene 2A og 2B. Det bevegelige magnetiske legeme 14 beveges således inne i ringene 12. Ringene 12 av blott stål forsterker enhetens fclsomhet ve"d å tilveiebringe et stort overflate-område for den magnetiske flux. Ringene minsker også betydningen av magnetens 14 noyaktige posisjon i forhold til foleren 10. Fluxen blir ikke alvorlig påvirket av sideveis bevegelse av magneten 14 inne' i ringene 12 ettersom en hver reduksjon av avstanden på en side alltid blir fulgt av en tilsvarende okning av avstangen mellom magneten 14 og den annen side av ringen 12. Etter å ha tilveiebragt den magnetiske flip-flop virkning er det kun nodvendig å etablere en god, pålitelig innretning for å omvandle polaritetsforandringen til den faste flux i den magnetiske kjerne 10 til en elektrisk signalforandring. Dette kan oppnås ved' enten å nytte magnetisk' forspente tungebrytere eller metningstransformatorer som kan utfores som en del av den magnetiske kjerne 10 som vist i fig. 3, 4 g 5*

8 Det vises nå til fig. 3 g 4- hvor det sees at,;en slik raetningstransformator posisjonsindikator er skjematisk illustrert. Kjeren 10, polstykkene 16 og fluxringene 12 er identiske med de som er vist i fig. 2A og fig. 2B. Forskjellene i de viste utforelsesformer i figurene 3 og 4 er metningstransformatoren l8 og den permanent magnetisk forspente innretning 24 som er blitt tilfoyet bukten 23 på den magnetisk blote kjerne 10. Den magnetiske forspenningsinnretning 24 er kun en permanentmagnet som er magnetisk koplet over en metningstransformator.18 på den^magnetisk blote kjernes 10 bult 23. Ved en driftsmåte blir polariteten til den permanente magnet 24 valgt slik at denne resulterende magnetiske forspenning soker å understotte polariteten til den lange stavmagnet 14 hvis posisjon skal avfoles. F.eks. hvis stavmagnetens nordpol er ved toppen, må foleelementets forspenning være slik at den ovre ring er sydpol. På denne måte soker de to fluxer som går gjennom metningstransformatoren og som skyldes den magnetiske forspenning og stavmagneten, og utslette hverandre når magneten 14 er under foleelementet hvorved transformatorlamineringen ikke blir mettet. På den annen side, hvis magneten 14 fores gjennom folerens 10 begge ringer 12, summeres de to fluxer og, transformatorlamineringen l8 blir mettet forutsatt at transformator-, lamineringens 18 tverrsnittsareal og den magnetiske forspenning 24 er riktig valgt for den spesielle magnet 14* Andre forspenningsmåter ved drift, vil bli vist i det folgende. Metningstransformatorens l8 primærvikling 20 blir tilfort et vekselstromsignal 32 på vanligvis 400hz. Hvis ved denne forspenningsmåte, stangen er under foleelementet, vil transformatoren ikke bli mettet og det fulle vekselstromsignal vil fremtre over sekundærviklingen 22. Det fulle sekundærsignal er tilstede inntil stavmagnetens 14 ovre ende når elementets 10 ovre ring 12j ved dette punkt blir transformatoren 18 mettet og sekundærspenningen over sekundærviklingen 22 går mot null. Indikeringsinnretningen 26 kan plasseres over sekundærviklingene for å indikere utgangsspenningen. Indikeringsinnretningen kan være et hvilket som helst av et stort antall i og for seg kjente avlesningsinstrumenter, som f.eks. voltmeter eller ampermeter. Fig. 5 viser en modifikasjon av utforelseseksemplet som vist i fig. 3 og 4. Det sees av fig.. 5 at metningstransformatoren 18 kun opptar en del av bukten 23 av- den. magnetiske kjerne 10 og at den permanentmagnetiske forspenningsinnretning 24 som vist i fig. 3 og 4 er blitt skiftet ut med en likestromsforspenningsspoler hvilke er viklet

9 rundt den magnetiske kjerne 10. Polariteten av likestrømmen som tilfores disse spoler vil avhenge av den valgte forspenningsmåte. Som en illustrasjon på en andre forspenningsmåte, blir polariteten til den likestrøm som tilføres spolene valgt slik at den resulterende magnetiske forspenning soker å motvirke den lange stavmagnet 14. Forovrig er konstruksjonen og driften av utforelsesformen som vist i fig. 5 identisk med utforelsesformen som vist i fig. 3 g 4» Med den således beskrevne forspenning blir metningstransformatoren 18 mettet når stangen 14 er under den magnetiske kjerne 10 og blir umettet når stangen 14 er hovedsakelig til stede mellom polene 16. Derfor indikererer tilstedeværelsen av en spenning over sekundærviklingen 22 tilstedeværelsen av det bevegelige legemet 14 mellom polene 16 til den magnetisk blote kjerne 10. Mens utforelseseksemplene som er beskrevet i det foregående har vist at foleren i dette posisjonsindikatorsystem, har en magnetisk forspenningsinnretning, er denne forspenningsinnretning valgfri og indikativ for bare noen driftsmåter av foleren. Tilstedeværelsen av det bevegelige, magnetisk harde legemet 14 i alt vesentlig mellom polene 16 til den magnetiske kjerne 10, kan indusere tilstrekkelig flux i den magnetiske kjerne 10 for å mette metningstransformatoren l8. Derfor vil tilstedeværelsen av stangen i alt vesentlig mellom polene 16 til den magnetiske blote kjerne 10 mette transformmatoren og derved redusere utgangsspenningen over sekundærviklingen 22. Ikke tilstedeværelsen av det bevegelige legeme 14 i den magnetiske bane mellom polene l6 vil derimot ikke indusere tilstrekkelig flux til å mette transformatoren og sekundærvikllngens 22 utgangsspenning vil oke. En komplett stangposisjons indikatorrekke kan bygges av disse elementer ved å interfoliere disse på den måte som er vist i fig. 6. Det sees at fig. 6 at de individuelle folerelementer er arrangert etter hverandre langsmed bevegelsesaksen til det bevegelige legeme 14, idette tilfellet en" styrestang. Fluxringene 12 er anbragt rundt fstyrestanghuset 30 med hosliggende ringer til hosliggende indikatorer interfoliert. En stor.fordel ved den interfolierte struktur er tilveiebringelsen av hoy opplosning og samtidig tilveiebringelse av magnetisk isolasjon av fol-eelementene fra hveraxlre. Med en sterkt motsatt rettet forspenningskraft, blir alle elementene i rekken mettet bortsett fra de som er under stangens ovre ende. De sistnevnte folere

10 bevirker en hoy vekselstrdmutgang og indikerer derfor stangens plass. Det er fem grunnleggende måter for drift avhengig av den magnetiske forspenning som nytte: ingen forspenning i det hele tatt; svak forspenning med hjelpepolarisasjon; svak forspenning med motsatt polarisasjon; sterk forspenning med hjelpepolarisasjon; og sterkt forspenning med motsatt polarisasjon. Hver av de ovennevnte måter bevirker en stangposisjons indikasjon. Det.Ter stort sett et bekvemmeligshetssporsmål hvilke av de fem måter som skal anvendes. Den femte måte er foretrukket i fall stangposisjonsindikatorrekken er beregnet til anvendelse ved kjernereaktorer fordi den krever enkle koplinger i resten av systemet. Denne forspenningstype er derfor blitt vist i den foretrukne utforelsesform som er omtalt i det foregående. Det er nodvendig at drivstangen tildannes av et magnetisk hardt materiale. I visse eksempler er drivstengene til de magnetiske jekkmekanismer fremstilt av et magnetisk, rustfritt stål f type 410) som beholder sin magnetisme når det en gang er magnetisert. I den mekanisme som er vist i det for nevnte U.S -patent "Gripper Type Xinear Motion Device er det tre store spoler hvorav minst en hele tiden forer en likestrom. Denne likestrommagnetisering har en direkte magnetiserende påvirkning av drivstangen og sikrer at den er en meget kraftig magnet. Hvis en annen drivmekanisme blir nyttet og som ikke magnetiserer drivstangen direkte, kan det anbringes en magnetiseringsspole over stangvandringshuset ved bunnen av stangposisjonindikatorrekken. Drivstangen kan da magnetiseres ved å tilfore magnetiseringsspolen en likestrom. Alternativt kan drivstangen frem-.stilles av ikke magnetisk materiale og inkludere en magnetisk hard innsetning i denne. Indikatorene ifolge den foreliggende oppfinnelse kan anordnes på forskjellige måter for å mote spesifikke krav ved et styrestangsystem. De kan anbringes ganske enkelt etter hverandre, ende mot ende eller interfoliert som beskrevet i det foregående. Alternativt kan de anbringesiatskilte punkter langsmed styrestangens bevegelsesakse. Videre er det forskjellige måter for å feste foleren ifolge den foreliggende oppfinnelse til styrestanghuset. Folerenes poler l6 kan sveises direkte til huset eller fluxringene 12 kan festes rundt husets 30 omkrets som vist i fig. 5* Det viste system gir god noyaktighet og er mindre temperaturavhengig enn de systemer som hittil er kjent. Overskudd eller sikkerhet kan lett oppnås ved å nytte to transformatorer og magneti-

11 seringsspoler på hver føler. Den interfolierte rekkestruktur sikrer høy oppløsning og en enkel, rimelig og naturlig kjølt ved konveksjon slik at bruk av høytemperaturisoleringsmaterialer ikke er nødvendig. Patentkrav. 1. Magnetisk posisjonsindikatorsystem for å påvise tilstedeværelsen av et bevegelig magnetisk legeme, og som har et antall magnetiske posisjonsindikatorer anordnet etter hverandre langsmed bevegelsesbanen til det bevegelige magnetiske legeme, hvilke hver omfatter en magnetisk bløt kjerne med en åpen magnetisk fluxbane med to poler i tilknytning til denne, og påvisningsinnretning for påvisning av enhver fluxforandring inne i den magnetisk bløte kjerne, hvilket bevegelig magnetisk legeme utgjøres av et permanentmagnetisk legeme som er bevegelig langsmed en bane nær ved polene til den magnetisk bløte kjerne for derved å frembringe forskjellige magnetfluxverdier inne i den magnetisk bløte kjerne når den magnetiske fluxbane ti den magnetisk bløte kjerne blir sluttet av det permanentmagnetiske legemet og når den magnetiske fluxbane er åpen, karakterisert ved at polene 0-6) til posisjonsindikatorene er anordnet under hverandre og imellom hverandre i bevegelsesretningen til det magnetiske legemet (14) idet hver av polene (16) til en posisjonsindikator er anordnet mellom polene (16) til de hosliggende posisjonsindikatorer. 2. Magnetisk posisjonsindikatorsystem ifølge krav 1 hvor den magnetisk bløte kjerne er gitt en hovedsakelig C-form, karakterisert ved ringer (12) av magnetisk bløtt materiale festet til hver av kjernens (10) poler (16) og anbrakt slik at det bevegelige legemets (14) bevegelsesbane forløper gjennom ringene (12).

12 FIG. I

13 131851