一种用于核燃料棒直径在线测量的装置及方法

1.本发明涉及核电站领域，具体是一种用于核燃料棒直径在线测量的装置及方法。


背景技术：

2.核能是我国重要的能源类型之一，作为一种清洁能源，其在发电、制氢、同位素生产等方面有着至关重要的作用。核试验堆是用于综合性的试验及工程应用研究的反应堆。在试验堆内对有关元件进行更多的测量实验，能够保证器件的稳定工作，促进核安全事业的发展。
3.试验堆测量技术主要包括在工程试验堆内进行的堆内测量、堆外测量和在线测量。其中在线测量技术是其中最为困难且最难实现的环节。在线测量技术既要保证输出信号具有较高的信噪比，又要达到实时监测的目的。
4.有关试验堆在线测量的内容主要有环境参数、核参数以及辐照形变参数等。燃料棒作为反应堆的重要燃料元件，它的形变测量是在线测量内容中及其重要的环节。燃料棒在工作过程中长期处于强辐照、较大压力差和温度梯度大等环境中，辐照会造成辐照生长、辐照肿胀和辐照蠕变等现象，压力差和温度差会使燃料棒的不同部位所受的应力不同，这些因素都会导致燃料棒产生变形，而这些变形都可以通过燃料棒直径的变化很直观的反应出来。
5.但是，目前尚未出现可以进行核燃料棒形变的测量与评估的系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，包括第一支架、第二支架、绕组骨架、初级绕组、次级绕组、衔铁、电压测量模块、计算模块。
7.所述第一支架用于固定待测量燃料棒的d端。
8.所述第二支架用于固定待测量燃料棒的e端。
9.所述绕组骨架的一端固定在第一支架上，另一端固定在第二支架上。
10.所述初级绕组、次级绕组均缠绕在绕组骨架上。
11.所述衔铁的转动中心与绕组骨架固定，使衔铁可转动。
12.所述电压测量模块获取初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压，并传输至计算模块。
13.所述计算模块对初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压进行处理，计算得到用于表征燃料棒表面形变的衔铁旋转程度。
14.进一步，对初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压进行处理的步骤包括：
15.根据初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压之间的关系，计算t时间内衔铁a端、b端与绕组骨架之间的距离变化。所述衔铁a端、b端与绕组骨架之间的距离变化即为衔铁旋转程度。
16.进一步，初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压之间的关系如下：
[0017][0018]
式中，u1、u2为初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压。w1、w2为初级绕组、次级绕组的线圈匝数。δa和δb分别为衔铁a端、b端与绕组骨架之间的距离。
[0019]
进一步，所述第一支架上开设有安装孔。
[0020]
所述安装孔用于供待测量燃料棒的d端和衔铁的a端伸入。
[0021]
所述待测量燃料棒的d端和衔铁的a端形状匹配。
[0022]
进一步，所述初级绕组包括至少两个初级线圈绕组。
[0023]
所述初级线圈绕组的同名端顺向串联。
[0024]
进一步，所述初级线圈绕组的线圈匝数相等。
[0025]
进一步，所述次级绕组包括至少两个次级线圈绕组。
[0026]
所述次级线圈绕组的同名端反向串联。
[0027]
进一步，所述次级线圈绕组的线圈匝数相等。
[0028]
进一步，所述电压测量模块包括电压传感器。
[0029]
使用用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，包括以下步骤：
[0030]
1)将待测量燃料棒的d端伸入第一支架的安装孔，使待测量燃料棒与第一支架固定。
[0031]
将待测量燃料棒的e端与第二支架固定。
[0032]
将衔铁的a端伸入第一支架的安装孔。
[0033]
2)利用电压测量模块实时获取初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压，并传输至计算模块。
[0034]
3)所述计算模块根据初级绕组的输入电压、次级绕组的输出电压之间的关系计算出衔铁a端、b端与绕组骨架之间的距离。
[0035]
4)重复步骤2)-步骤3)，计算不同时刻衔铁a端、b端与绕组骨架之间的距离变化，也即衔铁旋转程度。
[0036]
若衔铁a端与绕组骨架之间的距离变化为正值，则与衔铁a端同侧的待测量燃料棒发生凹陷，或者与衔铁b端同侧的待测量燃料棒出现凸起。
[0037]
若衔铁a端与绕组骨架之间的距离变化为负值，则与衔铁a端同侧的待测量燃料棒出现凸起，或者与衔铁b端同侧的待测量燃料棒发生凹陷。
[0038]
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供核燃料棒直径测量系统，可以进行核燃料棒形变的测量与评估，从而为反应堆安全运行提供必需的手段。
[0039]
本发明只需要测量感生电动势的差动变化，就能得到衔铁旋转的角度，进而得到燃料棒表面形变大小及类型(凸起或凹陷)，装置简单可靠，适应性强。
附图说明
[0040]
图1为装置结构示意图；
[0041]
图2为装置等效磁路原理图；
[0042]
图3交流磁路中线圈的感应电势；
[0043]
图中，第一支架1、第二支架2、绕组骨架3、初级绕组4、次级绕组5、衔铁6、待测量燃
料棒7。
具体实施方式
[0044]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0045]
实施例1：
[0046]
参见图1至图3，一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，包括第一支架1、第二支架2、绕组骨架3、初级绕组4、次级绕组5、衔铁6、电压测量模块、计算模块。
[0047]
所述第一支架1用于固定待测量燃料棒7的d端。
[0048]
所述第二支架2用于固定待测量燃料棒7的e端。
[0049]
所述绕组骨架3的一端固定在第一支架1上，另一端固定在第二支架2上。
[0050]
所述初级绕组4、次级绕组5均缠绕在绕组骨架3上。
[0051]
所述衔铁6的转动中心与绕组骨架3固定，使衔铁6可转动。
[0052]
所述电压测量模块获取初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压，并传输至计算模块。
[0053]
所述计算模块对初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压进行处理，计算得到用于表征燃料棒表面形变的衔铁旋转程度。
[0054]
实施例2：
[0055]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1，进一步的，对初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压进行处理的步骤包括：
[0056]
根据初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压之间的关系，计算t时间内衔铁6a端、b端与绕组骨架3之间的距离变化。所述衔铁6a端、b端与绕组骨架3之间的距离变化即为衔铁旋转程度。
[0057]
实施例3：
[0058]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-2任一项，进一步的，初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压之间的关系如下：
[0059][0060]
式中，u1、u2为初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压。w1、w2为初级绕组4、次级绕组5的线圈匝数。δa和δb分别为衔铁6a端、b端与绕组骨架3之间的距离。
[0061]
实施例4：
[0062]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-3任一项，进一步的，所述第一支架1上开设有安装孔。
[0063]
所述安装孔用于供待测量燃料棒7的d端和衔铁6的a端伸入。
[0064]
所述待测量燃料棒7的d端和衔铁6的a端形状匹配。
[0065]
实施例5：
[0066]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-4任一项，进一步的，所述初级绕组4包括至少两个初级线圈绕组。
[0067]
实施例6：
[0068]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-4任一项，进一步的，所述初级绕组4包括两个初级线圈绕组。
[0069]
实施例7：
[0070]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-6任一项，进一步的，所述初级线圈绕组的同名端顺向串联。
[0071]
实施例8：
[0072]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-7任一项，进一步的，所述初级线圈绕组的线圈匝数相等。
[0073]
实施例9：
[0074]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-8任一项，进一步的，所述次级绕组5包括至少两个次级线圈绕组。
[0075]
实施例10：
[0076]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-9任一项，进一步的，所述次级绕组5包括两个次级线圈绕组。
[0077]
实施例11：
[0078]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-10任一项，进一步的，所述次级线圈绕组的同名端反向串联。
[0079]
实施例12：
[0080]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-11任一项，进一步的，所述次级线圈绕组的线圈匝数相等。
[0081]
实施例13：
[0082]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-12任一项，进一步的，所述电压测量模块包括电压传感器。
[0083]
实施例14：
[0084]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-13任一项，进一步的，该装置用于检测核燃料棒在使用过程中发生的形变类型以及形变大小。所述形变类型包括凸起和凹陷。形变大小(凸起高度、凹陷深度)通过衔铁旋转程度表征。
[0085]
实施例15：
[0086]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-14任一项，进一步的，建立初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压之间关系的步骤包括：
[0087]
在线圈骨架上绕有线圈匝数为w
1a
＝w
2a
的两个初级线圈绕组和w
1b
＝w
2b
的两个次级线圈绕组。两个初级绕组的同名段顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联，流经初级线圈的电路为i1，流经次级线圈的电路为i2。根据以上结构，可以将磁场化为两个磁路φ1和φ2进行分析，对应线圈骨架上两个磁路的总磁阻分别为r
m1
和r
m2
，那么根据磁路磁阻的计算公式，则r
m1
和r
m2
可分别表示为：
[0088]
[0089][0090]
其中l1、l2分别为线圈骨架和衔铁的磁路长度，μ1、μ2分别为线圈骨架和衔铁的磁导率，s1、s2分别为铁芯和衔铁的磁路截面面积μ-0
和s0为气隙的磁导率和截面面积，δa和δb分别为衔铁两端与线圈骨架之间的距离。
[0091]
由于空气的磁导率远小于线圈骨架和衔铁的磁导率，即：
[0092][0093][0094]
所以两个磁路的磁阻可以改写为：
[0095][0096][0097]
由磁路欧姆定律可知，单个磁路中的磁阻等于“磁动势”比上磁通量，因此磁路中的磁通量φ等于作用在该磁路上的磁动势f除以磁路的磁阻rm，可得：
[0098][0099]
上式中，i为激励电流，φ为磁通量，w为线圈匝数，f为磁动势，rm为磁路磁阻。所以根据磁路欧姆定了对图所示结构可以得出如下两式：
[0100][0101][0102]
代入磁路磁阻的表达式可得：
[0103][0104][0105]
而对于交流磁路，如图3所示。
[0106]
满足电路方程：
[0107][0108]
式中：(-e
l
)和(-e
σ
)分别是主磁通和漏磁通φ
σ
产生的感应电动势，w为线圈匝数。一般情况下，ur很小，则可得：
[0109]
[0110]
故可得以下两式：
[0111][0112][0113][0114]
根据变压器的变比公式可得次级绕组上的电压为：
[0115][0116][0117]
故综合变比公式可以得到：
[0118][0119]
因此次级线圈上的输出电压为：
[0120][0121]
从而可以得到次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之间的关系为：
[0122][0123]
通过上面对直径规的磁路分析可以得知，输出电压和输入电压之间呈线性关系，线性系数和初级线圈匝数、次级线圈匝数和衔铁两端和线圈骨架之间的距离有关。在保持线圈匝数一定的情况下，在一定范围内，线性系数只和δa、δb有关。
[0124]
实施例16：
[0125]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-15任一项，进一步的，δa和δb的和为固定值，即量程。
[0126]
实施例17：
[0127]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，技术内容同实施例1-16任一项，进一步的，所述量程为
±
2mm，δa和δb的和值为4mm。
[0128]
实施例18：
[0129]
使用实施例1-17任一项所述用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，包括以下步骤：
[0130]
1)将待测量燃料棒7的d端伸入第一支架1的安装孔，使待测量燃料棒7与第一支架1固定。
[0131]
将待测量燃料棒7的e端与第二支架2固定。
[0132]
将衔铁6的a端伸入第一支架1的安装孔。
[0133]
2)利用电压测量模块实时获取初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压，并传输至计算模块。
[0134]
3)所述计算模块根据初级绕组4的输入电压、次级绕组5的输出电压之间的关系计算出衔铁6a端、b端与绕组骨架3之间的距离。
[0135]
4)重复步骤2-步骤3，计算不同时刻衔铁6a端、b端与绕组骨架3之间的距离变化，也即衔铁旋转程度。
[0136]
实施例19：
[0137]
使用实施例1-17任一项所述用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，技术内容同实施例18，进一步的，两个次级线圈的输出幅值信号的相位不同，根据相位差法可以确定核燃料棒不同位置的形变类型及形变大小。
[0138]
实施例20：
[0139]
使用实施例1-17任一项所述用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，技术内容同实施例18，进一步的，两个次级线圈的输出幅值信号的相位不同，根据相位差法可以确定核燃料棒d端所在一侧和e端所在一侧的形变类型及形变大小。
[0140]
实施例21：
[0141]
使用实施例1-17任一项所述用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，技术内容同实施例18，进一步的，若衔铁(6)之间的距离变化为正值，则待测量燃料棒(7)发生凹陷，若距离变化为负值，则待测量燃料棒(7)出现凸起。
[0142]
同时存在凸起和凹陷两种情况时，采用相位差法(两个次级线圈的输出幅值信号的相位之差)确定凸起和凹陷位置。
[0143]
实施例22：
[0144]
一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其主要由左/右侧支架、线圈骨架、衔铁和初/次级线圈等构成。核心组件为线圈骨架和与其连接的可转动的衔铁。装置整体结构尺寸为：52mm*19mm*17mm。
[0145]
燃料棒直径发生变化，便会导致衔铁转动，在衔铁转动的过程中，衔铁两端和线圈骨架之间的间隙会发生变化，间隙的变化会改变其中的磁阻，从而导致磁通量发生变化，磁通量的变化值会体现在次级线圈产生的感生电动势上，从而只需要测量感生电动势的差动变化，就能得到衔铁旋转的角度，进而得到燃料棒表面形变大小及类型(凸起或凹陷)。
[0146]
燃料棒产生形变导致与其接触的衔铁发生转动，装置中的磁通量就会发生变化，从而引起线圈电动势的变化，通过测量电动势可以得到燃料棒表面的形变大小及类型，燃料棒由可转动的衔铁与支架所固定夹持，衔铁的转动中心与线圈骨架以一定尺寸固定连接。

技术特征：
1.一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：包括第一支架(1)、所述第二支架(2)、绕组骨架(3)、初级绕组(4)、次级绕组(5)、衔铁(6)、电压测量模块、计算模块。所述第一支架(1)用于固定待测量燃料棒(7)的d端；所述第二支架(2)用于固定待测量燃料棒(7)的e端；所述绕组骨架(3)的一端固定在第一支架(1)上，另一端固定在第二支架(2)上；所述初级绕组(4)、次级绕组(5)均缠绕在绕组骨架(3)上；所述衔铁(6)的转动中心与绕组骨架(3)固定，使衔铁(6)可转动；所述电压测量模块获取初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压，并传输至计算模块。所述计算模块对初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压进行处理，计算得到用于表征燃料棒表面形变的衔铁旋转程度。2.根据权利要求1所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于，对初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压进行处理的步骤包括：根据初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压之间的关系，计算t时间内衔铁(6)a端、b端与绕组骨架(3)之间的距离变化；所述衔铁(6)a端、b端与绕组骨架(3)之间的距离变化即为衔铁旋转程度。3.根据权利要求2所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于，初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压之间的关系如下：式中，u1、u2为初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压；w1、w2为初级绕组(4)、次级绕组(5)的线圈匝数；δ
a
和δ
b
分别为衔铁(6)a端、b端与绕组骨架(3)之间的距离。4.根据权利要求1所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：所述第一支架(1)上开设有安装孔；所述安装孔用于供待测量燃料棒(7)的d端和衔铁(6)的a端伸入；所述待测量燃料棒(7)的d端和衔铁(6)的a端形状匹配。5.根据权利要求1所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：所述初级绕组(4)包括至少两个初级线圈绕组；所述初级线圈绕组的同名端顺向串联。6.根据权利要求3所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：所述初级线圈绕组的线圈匝数相等。7.根据权利要求1所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：所述次级绕组(5)包括至少两个次级线圈绕组；所述次级线圈绕组的同名端反向串联。8.根据权利要求7所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于：所述次级线圈绕组的线圈匝数相等。9.根据权利要求1所述的一种用于核燃料棒直径在线测量的装置，其特征在于，所述电压测量模块包括电压传感器。
10.使用权利要求1-9任一项所述用于核燃料棒直径在线测量的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将待测量燃料棒(7)的d端伸入第一支架(1)的安装孔，使待测量燃料棒(7)与第一支架(1)固定；将待测量燃料棒(7)的e端与第二支架(2)固定；将衔铁(6)的a端伸入第一支架(1)的安装孔；2)利用电压测量模块实时获取初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压，并传输至计算模块；3)所述计算模块根据初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压之间的关系计算出衔铁(6)a端、b端与绕组骨架(3)之间的距离；4)重复步骤2)-步骤3)，计算不同时刻衔铁(6)a端、b端与绕组骨架(3)之间的距离变化，也即衔铁旋转程度。

技术总结
本发明公开一种用于核燃料棒直径在线测量的装置及方法，装置包括第一支架(1)、第二支架(2)、绕组骨架(3)、初级绕组(4)、次级绕组(5)、衔铁(6)、电压测量模块、计算模块；方法步骤为：所述计算模块根据初级绕组(4)的输入电压、次级绕组(5)的输出电压之间的关系计算出衔铁(6)A端、B端与绕组骨架(3)之间的距离；重复前述步骤，计算不同时刻衔铁(6)A端、B端与绕组骨架(3)之间的距离变化，也即衔铁旋转程度。本发明只需要测量感生电动势的差动变化，就能得到衔铁旋转的角度，进而得到燃料棒表面形变大小及类型(凸起或凹陷)，装置简单可靠，适应性强。性强。性强。


技术研发人员：斯俊平 周文雄 李康 张文龙 潘良明 赵文斌 孙皖 黄岗
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/16