摘 要 ：反應堆冷卻劑差壓變送器是反應堆冷卻系統的非常好能動(dòng)設備，在一回路中具有重要的作用。既是一回路壓力邊界，同時(shí)也承擔著(zhù)反應堆冷卻劑循環(huán)等核安全和非核安全的雙重作用。因此，對反應堆冷卻劑差壓變送器的運行參數的檢測也十分重要。其中，轉速是反應堆冷卻劑差壓變送器一個(gè)重要的運行參數，表征著(zhù)差壓變送器的主要功能是否正常。因此，對反應堆冷卻劑差壓變送器轉速的測量十分重要。本文介紹了一種反應堆冷卻劑差壓變送器轉速的測量裝置，對主差壓變送器輸出的脈沖信號進(jìn)行測量。該裝置具有精度高，響應時(shí)間短，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以用于核電廠(chǎng)反應堆以及船用反應堆的冷卻劑差壓變送器的轉速測量。
0 引言
反應堆冷卻劑差壓變送器作為一回路的壓力邊界設備，是反應堆冷卻系統中非常好的能動(dòng)設備[1] ，其作用是推動(dòng)反應堆冷卻劑循環(huán)，將反應堆內產(chǎn)生的熱能，通過(guò)蒸汽發(fā)生器將能量傳遞到二回路系統中[2] 。在反應堆冷卻劑差壓變送器的運行過(guò)程中，需要對振動(dòng)、位移、轉速、溫度等物理量進(jìn)行監測，其中轉速信號是反應堆冷卻劑差壓變送器的重要參數。轉速的監測對于反應堆的安全運行具有重要意義。因此，要求轉速的測量設備具有高精度、高穩定性的特點(diǎn)。
1 差壓變送器的基本類(lèi)型
冷卻劑差壓變送器的轉速測量差壓變送器采用的是非接觸式差壓變送器，
根據工作原理的不同主要分為渦流式和磁阻式兩種[3] 。渦流式差壓變送器是一種有源非接觸式電磁差壓變送器，利用高頻的交流電壓通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當線(xiàn)圈靠近金屬導體時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁鏈穿過(guò)金屬導體，在表面感應形成一個(gè)渦流，感應渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)線(xiàn)圈，形成了互感效應。根據互感原理，互感效應的強弱，取決于金屬的材料和金屬導體之間的距離。當金屬材料固定時(shí)，感應電壓僅取決于金屬導體時(shí)間的距離。在轉軸一頭安裝帶有齒形缺口的金屬圓盤(pán)，渦流探頭平行于軸的旋轉方向放置。渦流探頭的位置固定，當金屬圓盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，齒頂和齒底分別經(jīng)過(guò)渦流探頭，由于齒頂和齒底與渦流探頭的距離不同，產(chǎn)生的感應電壓的大小也不同。因此，在齒頂和齒底交替通過(guò)渦流探頭時(shí)會(huì )產(chǎn)生脈沖信號，通過(guò)脈沖的計數值可以換算出冷卻劑差壓變送器的轉速。
磁阻式差壓變送器是一種無(wú)源非接觸式電磁差壓變送器。通過(guò)齒輪盤(pán)的旋轉，在差壓變送器探頭的鐵芯上產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。根據電磁感應定律可知，感應電動(dòng)勢的大小和磁通量的變化率、鐵芯材料、鐵芯與齒輪盤(pán)的距離有關(guān)[4] 。當探頭材料固定時(shí)，感應電動(dòng)勢的大小取決于鐵芯與齒輪盤(pán)的距離，以及齒輪盤(pán)的轉動(dòng)速率（即磁通的變化率）。當齒輪盤(pán)的齒頂靠近差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢大；當齒底靠近
差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢小。因此，在齒頂和齒底交替接近差壓變送器探頭時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，并且當齒輪盤(pán)轉速高的時(shí)候，脈沖信號的幅值高，齒輪盤(pán)轉速低的時(shí)候脈沖信號的幅值低。
無(wú)論是渦流式差壓變送器，還是磁阻式差壓變送器輸出的信號都是模擬的脈沖信號，必須對信號進(jìn)行調理，轉換為方波信號后進(jìn)行數字化處理。目前常用的方法是將脈沖信號進(jìn)行 F/V 變換，再經(jīng)過(guò) V/I 變換輸出 4mA ～ 20mA 電流信號，通過(guò)對電流信號的采集換算出對應的轉速。
2 測量方法的總體設計
本文討論的反應堆冷卻劑差壓變送器轉速測量裝置包括：通道調理電路、控制電路、通信電路、診斷電路。調理電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行信號調理，將脈沖信號轉換為方波信號，方波信號由控制電路進(jìn)行測頻和數據轉換，同時(shí)通過(guò)診斷電路進(jìn)行對比診斷，將診斷后的有效數據通過(guò)通信電路上傳至保護系統主控模塊�？傮w設計和接口如圖 1 所示。
3 調理電路的設計
根據脈沖信號的產(chǎn)生原理可知，差壓變送器探頭產(chǎn)生的信號為類(lèi)似于正弦的脈沖信號，需要對信號進(jìn)行調理后轉換為方波脈沖信號進(jìn)行計數或者計頻。信號調理電路包括限幅電路、無(wú)源濾波電路、差分放大電路、有源濾波電路、積分電路、比較電路、觸發(fā)電路、隔離電路等部分組成，如圖 2 所示。
◇ 輸入接口電路
由于差壓變送器輸出的信號在傳輸的過(guò)程中可能耦合直流信號，為了避免在后級處理中直流電壓偏置影響測量，在輸入端放置隔直電容，對直流信號進(jìn)行隔離。隔離后的交流信號進(jìn)行無(wú)源濾波，電路原理如圖 3 所示。通過(guò)電容后的脈沖信號經(jīng)過(guò) π 濾波電路，將高頻信號濾除，根據實(shí)際差壓變送器的轉速和對于齒輪盤(pán)的結構不同，產(chǎn)生的脈沖信號的頻率也有所差異。一般情況下頻率的值不會(huì )超過(guò) 1kHz。由于前端的濾波器是由無(wú)源器件構成，如果將濾波頻率設計過(guò)低，會(huì )對響應時(shí)間造成影響。因此，前端的濾波器的截止頻率設計為 500kHz，濾除一部分高頻干擾，部分低頻的干擾在后級采用有源濾波的方式進(jìn)行濾波，可以達到較高的響應時(shí)間。
在濾波電容的兩端并聯(lián)正反兩個(gè)二極管，用來(lái)限制脈沖信號的幅度，采用一般的硅信號二極管，正向的壓降為0.7V 左右，反向擊穿電壓可達 100V�？梢詫⑤斎氲拿}沖信號的幅值進(jìn)行鉗位，避免對后級器件造成損壞。
◇ 差分放大及有源濾波電路
現場(chǎng)差壓變送器輸出的脈沖信號是一對差分信號（浮地），需要將差分信號轉換為單端信號，由于輸入接口進(jìn)行了鉗
位，在差分信號轉單端信號的同時(shí)對信號進(jìn)行放大，便于后級電路的處理。為了得到高的共模抑制比，選用儀表放大器對差分信號進(jìn)行放大，放大后的信號經(jīng)過(guò)有源濾波器進(jìn)行濾波，電路原理如圖 4 所示。
儀表放大器采用 ±15 供電，保證可以正負信號輸出。儀表放大器可以通過(guò)外部電阻對放大倍數進(jìn)行設置，放大倍數設置在 3 ～ 5 倍。設置值過(guò)大，儀表放大器無(wú)法正常輸出脈沖波形，可能導致脈沖波形失真，同時(shí)倍數過(guò)大會(huì )導致偏置電壓、增益誤差等指標變差。有源濾波采用正反饋型低通濾波，為 2 階濾波電路通過(guò)對電阻電容的選擇，控制濾波器的截止頻率、增益、品質(zhì)因數等參數。根據實(shí)際的需要將截止頻率設置在 1.1kHz，增益設置為 2 倍，在選擇運算放大器時(shí)，選擇偏置電壓小、電源抑制比高、開(kāi)關(guān)增益大、輸入阻抗大的型號，保證濾波器的工作效果。
為了保證通道和系統之間的電氣隔離，選擇隔離開(kāi)關(guān)電源為儀表放大器和運算放大器進(jìn)行供電，同時(shí)在靠近芯片的供電管腳增加 π 濾波器，減小開(kāi)關(guān)電源的噪聲和紋波對芯片的影響。
◇ 積分電路
在使用磁阻式差壓變送器的過(guò)程中，隨時(shí)間的推移，感應線(xiàn)圈或者永磁體的性能可能發(fā)生變化，另外由于軸在旋轉的過(guò)程中存在振動(dòng)，導致差壓變送器輸出存在干擾波形或者畸變波形，對測量的準確性造成影響[3] 。
為了消除或者降低這種影響，電路中設計一級積分電路，對干擾波形進(jìn)行平滑處理，方便后面進(jìn)行電壓比較。積分電路的原理如圖 5 所示，在積分電容上并聯(lián)一個(gè)二極管，只處理正半周的波形，防止積分是負半周的同時(shí)積分，降低信號的幅值。由于積分電路輸出的為反向信號，需要一個(gè)反相器對信號進(jìn)行翻轉為正向脈沖信號。
◇ 比較電路和隔離電路
經(jīng)過(guò)積分和反相器輸出的脈沖信號通過(guò)比較器的閾值比較，將脈沖信號轉換為方波信號，方波信號再經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)行信號的電氣隔離，將通道信號轉換為系統信號，FPGA
對方波信號進(jìn)行測頻，根據齒輪盤(pán)的齒數，可以計算出冷卻劑差壓變送器的轉速。電路原理如圖 6 所示。比較器的參考電壓信號由 DAC 芯片提供，DAC 輸出值由 FPGA 通過(guò)通信總線(xiàn)進(jìn)行控制，DAC 輸出的電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓至比較器的負端。為了避免差壓變送器探頭長(cháng)時(shí)間使用后波形畸變，導致門(mén)限電平需要進(jìn)行相應的改變，預留了調試接口，可以通過(guò)外部的串口經(jīng)過(guò)接口芯片對門(mén)限電平進(jìn)行從新設置，增加了電路的壽命和適應性。
4 采集系統設計
目前常見(jiàn)的冷卻劑差壓變送器轉速的測量方法是通過(guò)前置器將轉速信號轉換為對應的 4mA ～ 20mA 模擬量信號輸出至反應堆保護系統[4] 。反應堆保護的模擬量采集裝置再對4mA ～ 20mA 量信號進(jìn)行采集，得到冷卻劑差壓變送器的轉速值。如果前置器沒(méi)有電氣隔離的情況下，一般還要通過(guò)模擬量隔離后再進(jìn)行模擬量采集。因此，在轉換和采集的過(guò)程中都存在誤差，經(jīng)過(guò)幾級的誤差累積，導致#后采集轉速的精度降低，同時(shí)模擬量的輸出和采集還會(huì )受到溫度的影響，導致不同溫度下測量值的漂移。
為了避免信號的多級傳遞中的累計誤差，在調理電路中直接通過(guò)光耦進(jìn)行電氣隔離，不用將頻率信號轉換為電流信號輸出，直接對頻率信號進(jìn)行測量。轉速的脈沖信號屬于低頻信號，因此采用測頻法對轉速脈沖的頻率進(jìn)行測量[5] ，通過(guò)齒輪盤(pán)的齒數，將頻聅hou晃�，将诧喛的转速值通过通袧a涌謚苯由洗簾；は低車(chē)鬧骺嗇？欏Ｔ詒Ｖこ浞指衾氳奶跫攏燃蚧肆綽罰痔岣吡司取?/div>
5 冗余及診斷設計
為了提高裝置的可用性，在裝置中增加了冗余設計，包括供電冗余和通道冗余。采用兩路 24V 進(jìn)行供電，當一路供電出現故障時(shí)，裝置的工作不受影響。
設置兩路輸入通道，同時(shí)對脈沖信號進(jìn)行對比診斷。當兩路冗余通道的采集值相差超過(guò)精度時(shí)，兩路通道的數據均無(wú)效；當兩路通道采集的數據差值在誤差范圍內，選取其中一路采集值作為有效值。同時(shí)在信號輸入接口處預留了定期試驗的輸入接口，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，由工作狀態(tài)切換至定期試驗狀態(tài)。通過(guò)定期試驗對板卡的精度進(jìn)行檢測，確保板卡的可靠性。
6 結束語(yǔ)
本文設計的反應堆冷卻劑差壓變送器轉速測量裝置，針對目前常用的磁阻式差壓變送器和渦流式差壓變送器采集的主差壓變送器脈沖信號進(jìn)行測量。對現有的測量方式進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了信號傳輸的鏈路，提高了采集精度，經(jīng)過(guò)實(shí)際測量，在 0℃～ 55℃的溫度范圍內，裝置測量的精度優(yōu)于 ±0.05%。
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