石曉偉，梅宗川，邱建文，李久銳，楊曉奇

(1.中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京　100086; 2.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳　518124)

?

核電站用高精度雙通道電流/電壓轉(zhuǎn)換裝置研究設(shè)計(jì)

石曉偉1，梅宗川2，邱建文1，李久銳1，楊曉奇1

(1.中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京100086; 2.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳518124)

核電站由諸多復(fù)雜系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)相互之間經(jīng)常進(jìn)行信號(hào)傳遞和轉(zhuǎn)換，而電流/電壓轉(zhuǎn)換功能模塊是小信號(hào)轉(zhuǎn)換最常用的功能模塊，所研究設(shè)計(jì)的電流電壓轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)將兩路即雙通道輸入的0～20 mA或4～20 mA轉(zhuǎn)換為兩路0～5 V或1～5 V信號(hào)輸出，精度可達(dá)到0.2%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間信號(hào)隔離，所設(shè)計(jì)模塊精度高，延遲小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，安裝使用方便，并已經(jīng)在國內(nèi)核電站成功應(yīng)用并取得良好口碑。

核電站；電流電壓轉(zhuǎn)換；隔離；高精度

0　引言

電流/電壓轉(zhuǎn)換功能模塊(電流表示符號(hào)為I，電壓表示符號(hào)為V，以下簡稱電流/電壓轉(zhuǎn)換功能模塊為I/V模塊)的功能是實(shí)現(xiàn)將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，并將輸入和輸出信號(hào)隔離，避免相互干擾。輸入電流信號(hào)范圍是0～20 mA，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)輸出電壓信號(hào)范圍為0～5 V，這樣保證輸出輸出信號(hào)均為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，方便整個(gè)核電系統(tǒng)中信號(hào)傳輸，避免二次轉(zhuǎn)換[1-2]。該模塊包括兩部分，分為外部電子模塊保護(hù)外殼和內(nèi)部電子電路部分。外部的電子保護(hù)殼采用高強(qiáng)度、耐高溫且絕緣性好的塑料電子模塊外殼。內(nèi)部電路板從功能上又可以劃分為四部分：輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路、直流電源轉(zhuǎn)換電路、雙電源穩(wěn)壓電路和運(yùn)放放大器及其偏置電路。I/V模塊的整體電路結(jié)構(gòu)框圖及信號(hào)走向原理如圖1所示。

圖1　I/V模塊功能結(jié)構(gòu)框圖

1　I/V模塊電路設(shè)計(jì)

1.1輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路

根據(jù)實(shí)際的使用情況可知，輸入的電流信號(hào)一般不會(huì)發(fā)生突變，而信號(hào)在傳遞過程中極有可能引入干擾和噪聲信號(hào)，因此將輸入端信號(hào)先進(jìn)行濾波處理，濾除環(huán)境中引入的雜波或噪聲等干擾信號(hào)。然后電流信號(hào)經(jīng)過防止浪涌和脈沖的TVS保護(hù)二極管，防止輸入端出現(xiàn)的極端情況如過壓沖擊等，對后部電路起到保護(hù)作用[3]。經(jīng)過濾波和防浪涌脈沖保護(hù)后，平穩(wěn)的電流信號(hào)又經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)，精密的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將0～20 mA的電流信號(hào)先轉(zhuǎn)變成為0～2.2 V的電壓信號(hào)。0～2.2 V的電壓信號(hào)又經(jīng)過隔離運(yùn)算放大器，所設(shè)計(jì)的I/V模塊的隔離運(yùn)算放大器選用TI公司所生產(chǎn)的ISO124型隔離放大器件為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。該芯片的增益放大倍數(shù)為1，隔離電壓達(dá)到1 500 Vrms，即可以完美實(shí)現(xiàn)將輸入電壓信號(hào)進(jìn)行1倍放大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大前后電壓信號(hào)的隔離。輸入輸出的隔離電壓達(dá)到1 500 Vrms，該指示已經(jīng)完全可以應(yīng)用于實(shí)際的操作使用環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對該模塊前級(jí)和后級(jí)系統(tǒng)的隔離保護(hù)，同時(shí)隔離模塊ISO124的輸入/輸出電壓范圍在±12.5 V，也完全包含了輸入的0～2.2 V的電壓范圍。隔離模塊ISO124的最大工作電壓為±18 V，該設(shè)計(jì)所選用的穩(wěn)壓電源為±12 V也可以滿足隔離模塊的工作電壓的要求，電源設(shè)計(jì)在2.3章節(jié)再做詳細(xì)介紹。

精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的工作原理很簡單，即將輸入電流信號(hào)通過兩個(gè)精密電阻，在第二個(gè)電阻端得到固定比例分壓的電壓信號(hào)。具體介紹是輸入部分采用純電阻分壓設(shè)計(jì)，0～20 mA電流流經(jīng)大小分別為250Ω和110Ω的兩個(gè)精密電阻，然后流至信號(hào)地端，這樣在第二個(gè)電阻110Ω的電阻兩端即可得到2.2 V的分壓電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與輸入的0～20 mA電流信號(hào)成線性正比例關(guān)系，這樣在隔離放大器的輸入端上也得到最大2.2 V的電壓，滿足隔離放大器的輸入電壓范圍的要求。輸入電流轉(zhuǎn)換及隔離模塊的結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。

圖2　輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路

在運(yùn)行過程中，影響整個(gè)電路的精度的器件主要是電路板上的有源器件，此電路板上的主要有源器件為隔離模塊ISO124和運(yùn)算放大器AD827,運(yùn)放的失調(diào)電壓隨溫度變化很小，可以忽略，隔離模塊的失調(diào)電壓隨溫度變化的參數(shù)是200 μV/℃，器件的使用環(huán)境為0～60 ℃,正常使用溫度約為30 ℃,考慮到極限溫降和溫升30℃的情形，約產(chǎn)生6 mV的偏差，經(jīng)過運(yùn)放放大后約為13.8 mV,產(chǎn)生約0.27%偏差，通過調(diào)節(jié)偏置和失調(diào)電壓調(diào)節(jié)電位器可以使該誤差降低至低于0.2%的技術(shù)要求，滿足現(xiàn)場使用的要求。

1.2直流電源轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)I/V模塊的輸入電壓是+24 V直流電源電壓，而電路板上的運(yùn)放和隔離芯片均要求雙電壓供電，因此需將輸入的+24 V電壓轉(zhuǎn)變成雙電壓?？紤]到I/V模塊電路板的尺寸體積精確度及成本等因素，最后采用了無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。雙電源穩(wěn)定的具體實(shí)現(xiàn)是輸入端施加24 VDC直流電源，該電源先經(jīng)過一個(gè)由兩組NPN三極管組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，該振蕩電路根據(jù)三極管PN結(jié)工藝及導(dǎo)通特性[5]，可將輸入直流電壓轉(zhuǎn)變得到交變電壓信號(hào)，該交變電壓信號(hào)輸入至變壓器輸入端，在變壓器輸出端得到兩路相互隔離獨(dú)立的交流電源，該交流電源再經(jīng)過整流穩(wěn)壓即可得到穩(wěn)定的雙電源。

24 V的直流電壓經(jīng)過兩個(gè)10 K的電阻分別給NPN三極管N1和N2基極施加正向偏置，保證兩個(gè)三極管導(dǎo)通的正向電壓。兩個(gè)NPN三極管所選擇型號(hào)一樣，由于N1和N2參數(shù)不可能完全一致，必然是其中一個(gè)先導(dǎo)通，假設(shè)上電后N1先導(dǎo)通，N1導(dǎo)通后其集電極電壓降低至接近GND電壓，其集電極經(jīng)過一個(gè)電容C12連接至三極管N2的基極，由于電容兩端電壓不可突變，故N1的集電極低電壓耦合至N2基極，拉低N2基極電壓，使其低于導(dǎo)通電壓，阻止其導(dǎo)通；此時(shí)三極管N1集電極和三極管N2基極之間電容C12通過限流電阻R33進(jìn)行正向充電，逐漸增大N2基極電壓，直至該電壓達(dá)到N2導(dǎo)通電壓后，N2導(dǎo)通；此時(shí)N2集電極電壓與發(fā)射極電壓接近GND電壓，三極管N2拉低的集電極電壓通過N2集電極與N1基極之間的電容C11耦合至N1基極，使N1基極電壓低于導(dǎo)通電壓，進(jìn)而N1關(guān)斷；N1和N2以此順序依次導(dǎo)通和關(guān)斷，在變壓器輸入端形成近似方波電壓信號(hào)。二極管D1可以防止電源接反，起到保護(hù)作用，電感L1和電容構(gòu)成LC濾波電路。同時(shí)考慮到對電源和電路板的保護(hù)，防止24 V電源短路等故障出現(xiàn)，加入了熱敏電阻RT1,圖3為直流電壓逆變轉(zhuǎn)換原理框圖。

圖3　直流電壓振蕩轉(zhuǎn)交流電路

1.3雙電源穩(wěn)壓電路

電路需要兩組雙電源，即兩組正負(fù)電源，一組電源給輸入端的隔離放大器供電，另外一組提供給隔離放大器的輸出以及后續(xù)的放大電路。利用變壓器兩副邊繞組輸出兩路隔離的交流電壓，每組交流輸出再經(jīng)過兩個(gè)半波整流分別得到半波的正負(fù)電源，經(jīng)過電容濾波后輸入到兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，通過線性調(diào)整穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生兩組相互隔離的±12 V電源。具體雙電源穩(wěn)壓電路如圖4所示。

圖4　雙電壓穩(wěn)壓輸出

1.4電壓信號(hào)放大及其偏置電路

為了使輸入0 mA時(shí)，信號(hào)I/V模塊能夠輸出一個(gè)穩(wěn)定的0 V電壓，我們利用TL431和電位器構(gòu)成一個(gè)精密的電壓調(diào)節(jié)電路。即把兩個(gè)TL431的正端和負(fù)端連接起來，然后將正負(fù)電源分別通過兩個(gè)限流電阻接在兩個(gè)TL431未連接的正端和負(fù)端，則在兩個(gè)TL431兩端便可得到-2.5 V到+2.5 V的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓值。再將電位器并聯(lián)在兩個(gè)TL431的兩端，通過調(diào)節(jié)電位器，使得放大器電路的輸入端得到穩(wěn)定的0 V電壓，輸出端也同樣輸出一個(gè)穩(wěn)定的0 V電壓,在運(yùn)算放大器受環(huán)境溫度等因素影響出現(xiàn)偏移基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，也可以通過調(diào)節(jié)電位器得到運(yùn)放工作狀態(tài)下的穩(wěn)定偏置和失調(diào)電壓。

將隔離模塊ISO124輸出的電壓信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器U的正向輸入端，調(diào)節(jié)放大增益電位器P3即可得到對應(yīng)于輸入0～20 mA電流信號(hào)的輸出電壓值，并得到達(dá)到良好的線性度。運(yùn)算放大器選用雙運(yùn)放AD827[6]。隔離放大器ISO124變送來的0～2.2 V電壓，進(jìn)行放大成0～5 V電壓，電壓增益約為2.26。實(shí)際的電路中的運(yùn)放增益為A=(1+R5/(R6+P1)),選用R5為6.8 K,R6和P1分別為4.99 K和500Ω。前端的偏置電路在進(jìn)行仿真過程中，工作溫度從30℃升高至60℃過程中，電壓漂移在0.01 nV內(nèi)，保證了運(yùn)放輸入端的偏置電壓精度。這樣調(diào)節(jié)電位器P1可精確的調(diào)節(jié)放大增益，提高電路的線性度。運(yùn)放及偏置如圖5所示。

圖5　運(yùn)放放大器及偏置電路

2　I/V模塊保護(hù)殼

所設(shè)計(jì)的電子電路板安裝在一個(gè)電子保護(hù)殼中，保護(hù)殼選用絕緣高強(qiáng)度的塑料電子模塊保護(hù)外殼?，F(xiàn)場使用情況下，該模塊安裝在電子保護(hù)外殼中，該電子外殼的底端設(shè)計(jì)為一個(gè)卡槽，可以安插在標(biāo)準(zhǔn)的35 mm導(dǎo)軌上，模塊的厚度為22.6 mm，長度為92 mm，寬度為99 mm,一共有16位端子，分別排列在兩端，方便操作人員快速的安裝操作和接線，結(jié)構(gòu)和接線方式滿足現(xiàn)場要求。

3　試驗(yàn)環(huán)境搭建及試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成的模塊要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，按照下方所示圖6的調(diào)試接線圖搭建好試驗(yàn)平臺(tái)，準(zhǔn)備好信號(hào)源及測試萬用表。將信號(hào)源正負(fù)輸出端分別接至通道的正負(fù)輸入端，調(diào)節(jié)輸入電流信號(hào)的大小，用數(shù)字多用表測試通道輸出端的電壓，并做好輸出端的電壓記錄。

圖6　I/V模塊調(diào)試接線圖

按照調(diào)試接線圖對所設(shè)計(jì)的I/V模塊的兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道分別進(jìn)行測試試驗(yàn)，在多次試驗(yàn)后結(jié)果均滿足輸出精度的要求，表1中記錄了I/V模塊兩個(gè)通道的其中一次調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果，從中可以看出所設(shè)計(jì)的模塊精度非常高，在進(jìn)行完精度試驗(yàn)后，又對模塊進(jìn)行了常溫下長期穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

表1　I/V模塊兩通道電流/電壓轉(zhuǎn)換性能測試

4　結(jié)論

研究設(shè)計(jì)的電流/電流轉(zhuǎn)換I/V模塊的原理簡單易行，且全部由模擬電路搭建成，未使用任何可編程程序控制芯片，不存在進(jìn)行V&V認(rèn)證問題[7]。在使用簡單模擬電路的基礎(chǔ)上，通過選擇穩(wěn)定的電源、相關(guān)補(bǔ)償電路及精密芯片，保證了該模塊的輸出精度、隔離電壓、過流過壓保護(hù)以及散熱等方面的要求。該模塊安裝接線及操作使用非常簡單，完全滿足在核電站及其它嚴(yán)酷環(huán)境中使用要求[8]，截止目前所設(shè)計(jì)模塊已經(jīng)在核電站成功應(yīng)用且運(yùn)行狀況良好。

[1] GB/T 3369.1-2008/IEC 60381-1:1982.[S].

[2] GB/T 3369.2-2008/IEC 60381-2:1978.[S].

[3] 邱建文,孔海志,莫國鈞.核電廠電磁兼容挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2009,43(s1):360-363.

[4] Burr-Brown Corporation. Precision Lowest Cost Isolation Amplifier ISO124 [DB/OL].1997,http://www.burr-brown.com/.

[5] 康華光,陳大欽,等.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分第四版[M].北京：高等教育出版社，1998：67-81.

[6] Analog Devices. High Speed,Low Power Dual Op Amp AD827 [DB/OL]. [2006],http://www.analog. com/.

[7] 劉真,江國進(jìn),孫永濱.核電安全級(jí)儀控系統(tǒng)軟件V&V活動(dòng)及其方法研究[J].核科學(xué)與工程，2011,31(s2):45-50.

[8] 張益林,王源,王旻,等. 大亞灣核電站失水事故監(jiān)視系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2012,20(8).

Research and Design of a High Precision Double Channel Current/Voltage Conversion Equipment for Nuclear Power Plant

Shi Xiaowei1,Mei Zongchuan2,Qiu Jianwen1,Li Jiurui1,Yang Xiaoqi1

(1.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division,Beijing100086,China; 2.China Nuclear Operation Company,Shenzhen518124,China)

A nuclear power plant consists of many complex systems,signal transmission and conversion inside and between these systems is often performed,the current/voltage conversion module is the most common small signal conversion function module,the new designed current/voltage can be used to convert two channel of 0-20 mA or 4-20 mA current signal to two channel corresponding 0-5 V or 1-5 V voltage signal,and the conversion accuracy can reach to 0.2%,meanwhile the conversion is isolated between the input and output signal. The new designed current/voltage conversion module is much more accurate,less delay time,more stabilization reliable operation,easier to install and use,the device has been successfully used in the nuclear power plant and achieved good reputation.

nuclear plant; current/voltage conversion; isolation;accurate

1671-4598(2016)04-0118-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.035

TL363

A

2015-10-15；

2015-11-26。

石曉偉(1985-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要從事核電站儀控電氣方向的研究。