專利名稱：特殊磁芯互感式位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移傳感器，主要適用于測(cè)量核反應(yīng)堆控制棒的位移。
反應(yīng)堆功率水準(zhǔn)實(shí)際上與中子通量成正比。反應(yīng)堆控制的基礎(chǔ)就是利用控制棒(如鎘棒)插入反應(yīng)堆中的深淺來改變有效增殖因數(shù)或反應(yīng)率。如果有效增殖因數(shù)大于1，反應(yīng)堆就是超臨界的，而功率水準(zhǔn)也將不斷增高;當(dāng)增殖因數(shù)減到等于1，使得反應(yīng)堆恰好處在臨界上時(shí)，功率輸出就會(huì)維持當(dāng)時(shí)的水平不變;增殖因數(shù)小于1，那么功率水準(zhǔn)也將隨之減少。
控制增殖因數(shù)常用的方法是插入或抽出一種熱中子捕獲截面大的物質(zhì)，例如鎘棒，常稱控制棒?？刂瓢粼诜磻?yīng)堆中的深淺可控制有效增殖因數(shù)。粗調(diào)控制棒稱為補(bǔ)償棒;細(xì)調(diào)控制棒稱為調(diào)節(jié)棒;用于發(fā)生緊急事故時(shí)需迅速關(guān)閉反應(yīng)堆的控制棒叫做安全棒。堆內(nèi)總的增殖因數(shù)是各控制棒間距離及它們?cè)诙褍?nèi)位置的函數(shù)，因此需要測(cè)定各控制棒在堆內(nèi)的位置(亦即在堆內(nèi)深度)。
用來測(cè)量線性位移的傳感器叫位移傳感器，位移傳感器的種類繁多。如電容式位移傳感器，應(yīng)變式位移傳感器，差動(dòng)變壓器式位移傳感器，電感式位移傳感器等等。前兩種傳感器一般用于測(cè)量微位移，后兩種傳感器既可測(cè)量微位移，也可測(cè)量大位移。(見《傳感器敏感元件大全》，電子工業(yè)出版社1990年7月出版，張福學(xué)等編著)后兩種傳感器也常用于測(cè)量控制棒在反應(yīng)堆內(nèi)的位置。
電感式位移傳感器的工作原理是通過位移量轉(zhuǎn)變?yōu)榇判镜囊苿?dòng)，使電感量發(fā)生變化，再通過磁電轉(zhuǎn)換而達(dá)到測(cè)電壓的目的。這樣，測(cè)出電壓值即可計(jì)算出位移量。電感線圈的等效電路可看成線圈電阻R和電感L串聯(lián)，線圈兩端電壓U＝iR+L (di)/(dt) ，電感L與磁芯在線圈中的長度l和磁芯磁導(dǎo)率μ有關(guān)，而電阻R和磁芯磁導(dǎo)率μ都是溫度t的函數(shù)。因而用此方法測(cè)位移受溫度影響變化很大，這種電感式位移傳感器工作溫度范圍受到一定的限制。核反應(yīng)堆控制棒所處的環(huán)境溫度是20℃～220℃，由于溫度的變化，引起線圈電阻R變化和磁性材料磁導(dǎo)率μ的變化，導(dǎo)致位移測(cè)量產(chǎn)生很大誤差，如果用它來測(cè)定工作溫度20℃～220℃范圍內(nèi)變化的核反應(yīng)堆控制棒的位移將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
差動(dòng)變壓器式傳感器是采用差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)，差動(dòng)變壓器是一種變壓器型的電感式機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，將處于交變磁場中的磁芯位移，通過可動(dòng)磁芯產(chǎn)生的互感變化轉(zhuǎn)換成與該位移等基本線性函數(shù)關(guān)系的電信號(hào);根據(jù)電信號(hào)的大小，相應(yīng)計(jì)量位移，電壓U是溫度和磁芯在線圈中位置的函數(shù)，這種感應(yīng)器探測(cè)線圈多，引線多，接頭多;工作溫度范圍也受到限制，可靠性差。
本發(fā)明的目的在于提供一種特殊磁芯的互感式位移傳感器，它能在20℃～220℃環(huán)境溫度下使用，且測(cè)量精度高。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明位移傳感器由可移動(dòng)磁芯，線圈架，初級(jí)線圈，次級(jí)線圈，初級(jí)線圈接頭，次級(jí)線圈接頭組成，本發(fā)明位移傳感器在工作時(shí)，將初級(jí)線圈接頭兩端與穩(wěn)頻穩(wěn)流磁化電源連接，將次級(jí)線圈接頭兩端與顯示儀表(如數(shù)字電壓表或微機(jī)系統(tǒng))連接，可移動(dòng)磁芯與核反應(yīng)堆的控制棒剛性連接，通過可移動(dòng)磁芯在線圈架中移動(dòng)所產(chǎn)生的互感變化轉(zhuǎn)換成與位移等基本線性函數(shù)關(guān)系的電壓信號(hào)，再通過測(cè)定輸出電壓值，相應(yīng)計(jì)量出位移的大小。本發(fā)明位移傳感器的特點(diǎn)是可采用5種不同結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)磁芯，大大降低了由于磁芯磁導(dǎo)率隨溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，又因本發(fā)明位移傳感器所測(cè)量的是次級(jí)線圈的次級(jí)感應(yīng)電壓，測(cè)量回路電流幾乎為零，這樣也大大降低了由于電感線圈的電阻隨溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)，本發(fā)明還采用無磁非導(dǎo)電材料或沿長度軸線方向開縫的無磁非導(dǎo)電材料制做的線圈架，降低了由于線圈架在交變磁場中產(chǎn)生渦流隨溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，故本發(fā)明位移傳感器可在20℃～220℃溫度范圍內(nèi)使用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、使用溫度范圍寬。
本發(fā)明位移傳感器能在20℃～220℃的溫度內(nèi)使用。特別適用于測(cè)量核反應(yīng)堆控制棒的位移。
2、測(cè)量精度高，測(cè)量位移的范圍寬。
本發(fā)明位移傳感器測(cè)量精度可達(dá)1%～2%。
測(cè)量位移范圍為0～3M。
3、本發(fā)明位移傳感器只有兩個(gè)線圈，引線少，提高了工作的可靠性。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明位移傳感器做進(jìn)一步說明。


圖1 為本發(fā)明位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 為本發(fā)明位移傳感器的工作原理示意圖。
圖3 為本發(fā)明位移傳感器的管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 為本發(fā)明位移傳感器的開縫管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 為本發(fā)明位移傳感器的分段棒狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6 為本發(fā)明位移傳感器的分段管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7 為本發(fā)明位移傳感器的分段開縫管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8 為本發(fā)明位移傳感器的園管式線圈架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9 為本發(fā)明位移傳感器的開縫園管式線圈架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1、圖2中，1為可移動(dòng)磁芯，2為線圈架，3為次級(jí)線圈N2，4為初級(jí)線圈N1，5為次級(jí)線圈N2的接頭，6為初級(jí)線圈N1的接頭，7為穩(wěn)頻穩(wěn)流磁化電源，8為顯示儀表(如數(shù)字電壓表或微機(jī)系統(tǒng))，圖5、圖6、圖7中，9為構(gòu)成磁芯的磁性材料(如鐵芯)，10為構(gòu)成磁芯的非磁性材料(如無磁不銹鋼)，圖3、圖4、圖5、圖6、圖7中，D0為管狀結(jié)構(gòu)磁芯的外直徑，D1為管狀結(jié)構(gòu)磁芯的內(nèi)直徑，D2為棒狀結(jié)構(gòu)磁芯的直徑，h1為開縫管狀式磁芯結(jié)構(gòu)中開縫的寬度，h2為分段開縫管狀式磁芯結(jié)構(gòu)中開縫的寬度，L1為管狀式和開縫管狀式結(jié)構(gòu)磁芯的長度，L2為分段式磁芯結(jié)構(gòu)中磁性材料的長度，L3為分段式磁芯結(jié)構(gòu)中非磁性材料的長度，L4為分段式磁芯的長度;圖8、圖9中，D3為線圈架2的外徑，D4為線圈架2的內(nèi)徑，h3為開縫園管式線圈架的開縫寬度。其中D0，D1，D2，D3，D4，h1，h2，L1，L2，L3，L4，的尺寸都取決于核反應(yīng)堆控制棒的長度和直徑。
本發(fā)明位移傳感器由可移動(dòng)磁芯1，線圈架2，次級(jí)線圈3，初級(jí)線圈4，次級(jí)線圈接頭5，初級(jí)線圈接頭6組成，如附圖1所示?？梢苿?dòng)磁芯1可以在線圈架2中移動(dòng)，次級(jí)線圈3繞在線圈架2上，初級(jí)線圈4繞在次級(jí)線圈3上。工作時(shí)，將初級(jí)線圈接頭6兩端與穩(wěn)頻穩(wěn)流磁化電源7連接，將次級(jí)線圈接頭5兩端與顯示儀表8(如數(shù)字電壓表或微機(jī)系統(tǒng))連接，即可使用，本發(fā)明位移傳感器的工作原理示意圖如附圖2所示。通過可移動(dòng)磁芯1在互感線圈架2中的移動(dòng)所產(chǎn)生的互感變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過顯示儀表8(如數(shù)字電壓表或微機(jī)系統(tǒng))測(cè)出輸出電壓值，相應(yīng)計(jì)算出位移的大小。
本發(fā)明位移傳感器為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量值與溫度無關(guān)，采用了特殊結(jié)構(gòu)磁芯和線圈架并且測(cè)量次級(jí)線圈的次級(jí)電壓值。原理如下1、用電壓表測(cè)定傳感器的次級(jí)感應(yīng)電壓為u＝4.44Mif (Rr)/(Rr + R2) 〈1〉〈1〉式中M-傳感器的互感值，i-通過傳感器初級(jí)線圈電流峰值，f-電源頻率，u-次級(jí)電壓平均值，R2-次級(jí)線圈銅線電阻，Rr-電壓表輸入阻抗，R2是溫度的函數(shù)。R2≈102Ω，Rr≈105推出 (Rr)/(R2+ Rr) ≈1，這時(shí)〈1〉式可改寫成〈2〉式如下u＝4.44Mif <2>
因此，傳感器次級(jí)感應(yīng)電壓值的測(cè)量結(jié)果不受次級(jí)線圈電阻值隨溫度變化的影響，由此實(shí)現(xiàn)傳感器次級(jí)線圈電阻隨溫度變化與測(cè)量結(jié)果無關(guān)。
2、采用特殊磁芯，使測(cè)量結(jié)果與溫度無關(guān)。
2.1采用管狀磁芯結(jié)構(gòu)前面〈2〉式u＝4.44Mif中M是隨溫度而變化的，當(dāng)傳感器未插入磁芯時(shí)，傳感器的互感值為M0，次級(jí)感應(yīng)電壓u為U0，隨著線圈中插入鐵芯長度增加，互感值M也增加，而次級(jí)感應(yīng)電壓u也隨之增加。當(dāng)鐵芯插入線圈中時(shí)，鐵芯受交流磁場而磁化，由于存在超膚效應(yīng)，施加在鐵芯上的交流磁場是不均勻分布。超膚深度可用〈3〉式表示ds＝503ds=503purf<3>]]>〈3〉式中ρ為磁芯電阻率，μr磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率，f-磁化電源頻率。磁芯電阻率ρ是溫度函數(shù)，μr是溫度函數(shù)。很明顯，超膚深度ds也是隨溫度而變化，磁芯被磁化的有效截面積是隨溫度變化的，導(dǎo)致互感值M也隨溫度變化。為使在室溫至220℃范圍內(nèi)，施加在鐵芯上的交流磁場基本大致是均勻的，可采用以管狀磁芯代替園棒狀磁芯。管狀式磁芯結(jié)構(gòu)圖見附圖3，所采用的管狀磁芯管壁厚度應(yīng)小于或等于在不同溫度下的超膚深度。
2.2采用開縫管狀磁芯結(jié)構(gòu)磁芯是導(dǎo)體，它在受交流磁場磁化時(shí)，將產(chǎn)生渦流，渦流可由〈4〉式估算i＝ (e)/(r) <4>
〈4〉式中e-為穿過磁芯截面磁通量變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，r-磁芯中渦流回路電阻，正如前面提出的，磁芯渦流回路電阻r也是溫度函數(shù)，從<4>式中可得出i與溫度有關(guān)。渦流產(chǎn)生的磁場方向與外加磁場方向相反，因此，它將減少作用于磁芯的有效磁場。
盡管磁化電流是穩(wěn)定不變，由于渦流磁場的影響，真正作用于磁芯的有效磁場是隨溫度而變化。為了減小這種渦流所產(chǎn)生的影響，本發(fā)明采用的磁芯在圖3的管狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上沿軸線方向加工出一條間距為h1隙縫。見附圖4。
采用附圖4所示的磁芯結(jié)構(gòu)的目的是為了減小在磁芯中的渦流，從而減小了溫度對(duì)外加交流有效磁場的影響，以達(dá)到減小溫度對(duì)電壓測(cè)量值的影響，提高測(cè)量精度。
2.3采用分段磁芯結(jié)構(gòu)根據(jù)鐵磁學(xué)理論可知磁芯材料的磁導(dǎo)率μ是隨溫度變化，在開路磁路的情況下，磁芯的表觀磁導(dǎo)率μe可用〈5〉式表示
μe=11μ+Nd<5>]]>〈5〉式中μ為磁芯材料磁導(dǎo)率，Nd為磁芯退磁因子。
〈5〉式中磁芯磁導(dǎo)率μ是隨溫度變化的，如滿足條件Nd1/(μ) ，即〈5〉式可改寫成〈6〉式μe＝ 1/(Nd) 〈6〉這樣〈6〉中Nd只與磁芯的退磁因子有關(guān)，而與磁芯材料磁導(dǎo)率μ無關(guān)。因而μe與溫度無關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)Nd遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1/(μ) 這一條件，本發(fā)明位移傳感器所用磁芯可選用初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M的磁性材料且把磁性材料分成長度為L2的若干段，各段之間用長度為L3的非磁性材料聯(lián)接，L2＞L3，見附圖5、附圖6、附圖7。
圖5為分段棒狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為分段管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為分段開縫管狀式磁芯結(jié)構(gòu)示意圖。
總上所述，圖5、圖6、圖7所示的磁芯是初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M的磁性材料和非磁性材料組成，采用這種結(jié)構(gòu)組成的目的是實(shí)現(xiàn)磁芯的表觀磁導(dǎo)率μe不受溫度變化影響。
根據(jù)上述原因，本發(fā)明位移傳感器的磁芯有管狀式、開縫管狀式、分段棒狀式、分段管狀式、分段開縫管狀式五種結(jié)構(gòu)。五種磁芯結(jié)構(gòu)分別如附圖3、附圖4、附圖5、附圖6、附圖7、所示。具體分述如下①管狀式磁芯是一根初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L1，外徑為D0，內(nèi)徑為D1的無縫磁性材料園管。
②開縫管狀式磁芯是一根初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L1，外徑為D0，內(nèi)徑為D1并沿長度軸線方向開一寬度為h1的縫隙的磁性材料園管。
③分段棒狀式磁芯是一根由若干段的初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，直徑為D2園柱式磁性材料9和若干段長度為L3直徑為D2園柱式非磁性材料10組成的長度L4，直徑為D2的棒狀式磁芯。
④分段管狀式磁芯是一根由若干段的初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，外徑為D0，內(nèi)徑為D1的園管式磁性材料9和若干段長度為L3，直徑為D0的園柱式非磁性材料10組成的長度為L4，的磁芯。
⑤分段開縫管狀式磁芯是由若干段初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，外徑為D0，內(nèi)徑為D1并沿長度軸線方向開一寬度為h2縫隙的開縫園管式磁性材料9和若干段長度為L3，直徑為D0的園柱式非磁性材料10組成的長度為L4的磁芯。
其中，D0，D1，D2，h1，h2，L1，L2，L3，L4的尺寸取決于核反應(yīng)堆控制棒的長度和直徑。
3、本發(fā)明位移傳感器線圈架有園管式、開縫園管式兩種結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明位移傳感器線圈架是用非磁性非導(dǎo)電材料制成一支外徑為D3，內(nèi)徑為D4，長度為L5的園管式線圈架，如附圖8所示;如果采用非磁性導(dǎo)電材料〈如銅管〉，為了避免產(chǎn)生渦流，影響測(cè)量結(jié)果，還可以制成一支外徑為D3，內(nèi)徑為D4，長度為L5并沿長度軸線方向在管壁上開一條寬度為h3的縫隙的開縫園管式線圈架，如附圖9所示。
權(quán)利要求
1.特殊磁芯互感式位移傳感器，由磁芯，線圈架，初級(jí)線圈，次級(jí)線圈組成，其特征在于A、所采用磁芯有管狀式、開縫管狀式、分段棒狀式、分段管狀式、分段開縫管狀式五種結(jié)構(gòu)；B、所采用線圈架有園管式、開縫園管式二種結(jié)構(gòu)；C、次級(jí)線圈3繞在線圈架2上，初級(jí)線圈4繞在次級(jí)線圈3上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于管狀式磁芯是一根初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L1，外徑為D0，內(nèi)徑為D1的無縫磁性材料園管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于開縫管狀式磁芯是一根初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L1，外徑為D0，內(nèi)徑為D1并沿長度軸線方向開一寬度為h1的縫隙的磁性材料園管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于分段棒狀式磁芯是一根由若干段初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，直徑為D2的園柱式磁性材料和若干段長度為L3，直徑為D2的園柱式非磁性材料組成的長度為L4，直徑為D2的棒狀式磁芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于分段管狀式磁芯是一根由若干段初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，外徑為D0，內(nèi)徑為D1的園管式磁性材料和若干段長度為L3，直徑為D0的園柱式非磁性材料組成的長度為L4的磁芯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于分段開縫管狀式磁芯是由若干段初始磁導(dǎo)率μi＞1.9mH/M，長度為L2，外徑為D0，內(nèi)徑為D1并沿長度軸線方向開一寬度為h2縫隙的開縫園管式磁性材料和若干段長度為L3，直徑為D0的園柱式非磁性材料組成的長度為L4的磁芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4、5、6所述的磁芯，其特征在于D0，D1，D2，h1，h2，L1，L2，L3，L4的尺寸取決于核反應(yīng)堆控制棒的長度和直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于園管式線圈架是一支無縫園管式的非磁性非導(dǎo)電材料線圈架。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于開縫園管式線圈架是一支沿長度軸線方向在管壁上開有一條縫隙的非磁性導(dǎo)電材料線圈架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種互感式位移傳感器，主要適用于測(cè)量核反應(yīng)堆控制棒的位移，由于選用合理的磁芯材料，采用特殊結(jié)構(gòu)的磁芯和線圈架，并且測(cè)量次級(jí)電壓值，使得測(cè)量值不隨溫度變化而變化，從而使本發(fā)明傳感器能在20～220℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量核反應(yīng)堆控制棒的位移，并具有測(cè)量精度高，測(cè)量距離大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1098782SQ9410286
公開日1995年2月15日 申請(qǐng)日期1994年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月26日
發(fā)明者呂包苓, 劉治賦, 桂福生, 吳金聲, 蔡蕾 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院