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        堆芯儀表微電流信號采集系統(tǒng)設計

        2021-01-25 15:53:53張健鵬匡紅波薛泓元謝晶晶
        機電信息 2021年2期

        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。可考慮采用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??蛻舳丝梢圆捎貌煌闹芷趯Ψ掌髦械膫鞲衅鞑杉瘮?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,并對檢測結果進行記錄,記錄結果應包含時間信息??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,為核電關鍵設備的國產(chǎn)化貢獻了力量。

        [參考文獻]

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        [2] 遠坂俊昭.測量電子電路設計——模擬篇:從OP放大器實踐電路到微弱信號的處理[M].彭軍,譯.北京:科學出版社,2006.

        [3] 汲長松.核輻射探測器及其實驗技術手冊[M].北京:原子能出版社,1990.

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        [5] 劉鵬民,莫德舉,洪峰.T型反饋電阻網(wǎng)絡在微弱信號放大電路中的應用[J].電測與儀表,1999(12):31-32.

        [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。

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