張健鵬 匡紅波 薛泓元 謝晶晶

摘 要：根據(jù)堆芯儀表系統(tǒng)信號采集的特殊需求，提出了系統(tǒng)設計方案。針對采集系統(tǒng)最為關(guān)鍵的放大電路設計問題，通過比較不同電路的優(yōu)缺點，選取了T型電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)微電流的放大。此外，對信號采集系統(tǒng)上位機軟件的功能進行了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：堆芯儀表;信號采集;運算放大器;微電流信號

0 引言

堆芯儀表系統(tǒng)通過自給能探測器監(jiān)測堆芯數(shù)據(jù)，自給能探測器（SPD）在反應堆堆芯呈軸向和徑向分布，連續(xù)測量每個探測器周圍直接正比于反應堆功率密度的中子注量率信號，測得的中子注量率信號經(jīng)過處理，生成連續(xù)的三維反應堆堆芯功率分布圖。

如圖1所示，自給能探測器由發(fā)射體、絕緣體、信號芯線和收集極/外殼、端部密封塞組成[1]。自給能探測器的發(fā)射體一般由釩、銠等材料制成，位于探測器中心，其中子活化截面較高。發(fā)射體受到一定中子能譜的中子激發(fā)后釋放電子，電子經(jīng)過絕緣體到達收集極/外殼，形成與中子通量成正比的電流。因此，通過采集自給能探測器的電流信息，可以建立反應堆堆芯的功率分布圖。本文將根據(jù)堆芯儀表的特殊需求，開展微電流信號采集系統(tǒng)的方案設計。

1 信號采集系統(tǒng)需求

為減少貫穿件數(shù)量，CAP1400機組在安全殼內(nèi)布置2個信號采集機柜，連續(xù)采集反應堆內(nèi)布置的336個自給能中子探測器產(chǎn)生的微電流信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式后以通信方式送往安全殼外的應用服務器，生成堆芯功率分布圖。

自給能探測器的信號輸出范圍為-200～4 800 nA，為確保連續(xù)生成精準的堆芯功率分布圖，在正常運行環(huán)境下（25 ℃），測量精度應≤±0.625 nA，信號采集頻率不小于1 s。同時，考慮到電纜產(chǎn)生的泄漏電流，還需要進行泄漏電阻檢測，對采集的電流進行修正。

布置于安全殼內(nèi)的堆芯儀表信號采集設備，需要連續(xù)穩(wěn)定地運行不少于1個換料周期，同時還需考慮高溫、高濕、輻照等環(huán)境因素的影響，因此該信號采集設備必須具備較高的可靠性。

2 信號采集系統(tǒng)方案設計

2.1 ? ?放大器板卡設計

堆芯儀表系統(tǒng)信號采集機柜設置3個機箱，機箱由放大器板卡、通信鏈路板卡、機箱背板總線等部件組成。每個放大器板卡組件設置8路互相獨立的信號采集通道，將微電流信號通過同軸電纜，送往板卡組件上的BNC接口。微電流信號經(jīng)過放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字格式，通過光電隔離模塊送往CPU，進行打包后，再通過2路相互冗余的通信接口向外輸出。

如圖2所示，放大器板卡同時集成了過壓保護、泄漏電阻測試電路、調(diào)零測試等功能，可通過測試接口注入測試信號，對各采集通道進行檢查和測試。

2.2 ? ?放大電路設計

為確保微電流信號的采集精度，放大電路設計是關(guān)鍵，可通過不同電路對微電流信號進行放大，并對比不同放大電路的優(yōu)缺點，確定合適的放大電路。

2.2.1 ? ?跨阻放大電路

一般采用跨阻電路對電流信號進行信號放大[2]。自給能傳感器信號電流通過跨阻電路，將微弱的電流信號放大，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入信號。

跨阻放大電路原理如圖3所示，Iin（t）為被測電流，IiB為放大器輸入偏置電流，Rf為跨接反饋電阻，A為運算放大器。

電路輸出電壓與被測電流的關(guān)系：

Vout=-[Iin（t）-IiB]·Rf （1）

式中：Vout為輸出電壓，當滿足IiB

為了提高微弱電流測量靈敏度，應增大跨接電阻Rf，但跨接電阻太大時，偏置電流對放大器輸出信號Vout影響明顯，影響測量精度。同時，電阻較大時，信號穩(wěn)定性較差、熱噪聲較大、溫漂性能明顯，影響放大電路的線性度[3-4]。

2.2.2 ? ?電容積分放大電路

自給能傳感器輸出的微弱電流信號，可通過電容積分放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，通過信號處理設備進行信號采集。

電容積分放大電路原理如圖4所示，Iin（t）為被測電流，IiB為放大器輸入偏置電流，C為積分電容，A為運算放大器，開關(guān)K1控制積分回路的通斷，K2控制電容進行放電復位。

電路輸出電壓與被測電流的關(guān)系：

根據(jù)公式（3），為了提高微弱電流測量靈敏度，應減小積分電容，或者增加積分時間。然而由于布線造成的分布電容的影響，電容不可能無限減小，只能通過延長積分時間T來提高放大電路的靈敏性。

線路中的熱噪聲及放大器有源噪聲符合高斯分布規(guī)律，當積分時間無窮大時，噪聲的平均值趨向于0。因此，增大積分時間T，對線路中的噪聲具有抑制作用。然而，積分時間T的延長，降低了測量系統(tǒng)的實時性，無法對信號進行快速測量。同時，由于電容積分量的增加，電容需要更長的時間進行放電，因此電容充-放電的切換過程中會丟失部分電荷信息，降低測量精度。

2.2.3 ? ?T型電阻放大電路

采用高阻值電阻時，信號熱噪聲較大，溫漂性能較差，影響放大電路的線性度?？煽紤]采用T型電阻網(wǎng)絡，通過較小阻值電阻，獲得較大的放大倍數(shù)，同時避免因采用高阻值電阻引入的誤差和線性度的降低[5-6]。

T型電阻放大電路原理如圖5所示，放大電路的反饋部分通過由R1、R2、R3組成的電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)。

通過推導，獲得輸出電壓為：

如式（5）所示，通過選用較小阻值的電阻R1、R2、R3組成的T型反饋網(wǎng)絡，獲得了高達1 MΩ的反饋電阻，同時降低了由于采用高阻值電阻溫度漂移、高噪聲等特性引起的誤差，較好地解決了放大倍數(shù)和放大精度之間的矛盾。T型電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)簡單，采用的元器件比較廉價，因此可以替代性能較好、價格較高的高阻值電阻，用于微弱電流信號的放大[7]。綜上所述，堆芯儀表系統(tǒng)可采用T型電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)微電流信號的放大。

2.3 ? ?信號采集軟件設計

為了實現(xiàn)信號采集的人機交互，本設計開發(fā)了數(shù)據(jù)采集上位機軟件，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲，以及采集系統(tǒng)通道檢查、A/D轉(zhuǎn)換器零位檢查、泄漏電阻檢查等人機交互功能。數(shù)據(jù)采集上位機軟件主界面如圖6所示。

上位機軟件通過基于TCP/IP的Modbus協(xié)議與信號采集系統(tǒng)進行通信。在進行Modbus通信時，信號機箱作為服務器，上位機軟件作為客戶端，客戶端可對服務器進行讀寫操作。客戶端可以采用不同的周期對服務器中的傳感器采集數(shù)據(jù)、設備及通道狀態(tài)數(shù)據(jù)進行連續(xù)讀取并定時保存，該讀取周期可在客戶端進行設置?？蛻舳丝蓪Ω魍ǖ肋M行泄漏電阻檢測，并對檢測結(jié)果進行記錄，記錄結(jié)果應包含時間信息?？蛻舳丝蓪π盘柌杉瘷C箱發(fā)起通道校準及標定等操作，還可下載保存于IIS機箱內(nèi)的所有通道數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)存檔。

3 結(jié)語

本文針對堆芯儀表微電流信號采集需求，提出了信號采集系統(tǒng)設計方案，通過對不同放大電路的優(yōu)缺點比較，確定采用T型電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)微電流信號放大的方案。針對信號采集需求，開發(fā)了微電流信號采集上位機軟件，通過與采集系統(tǒng)的Modbus通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集人機交互。本系統(tǒng)經(jīng)過測試與驗證，達到了預期性能，本系統(tǒng)應用于堆芯儀表堆上試驗的數(shù)據(jù)采集，為核電關(guān)鍵設備的國產(chǎn)化貢獻了力量。

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[6] 嚴剛峰.運算放大器的穩(wěn)態(tài)誤差分析[J].成都大學學報（自然科學版），2015，34（3）：277-279.

[7] 張健鵬.自給能探測器微電流放大電路設計[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2018，36（12）：126-127.

收稿日期：2020-11-19

作者簡介：張健鵬（1985—），男，浙江義烏人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：核電電氣儀控系統(tǒng)設計。