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        一種用于反應(yīng)堆控制棒位置測量的LCR 電橋裝置

        2021-06-22 08:28:50李彥平王文俊
        關(guān)鍵詞:正弦電容電阻

        李彥平, 王文俊

        (中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司特種計(jì)算機(jī)事業(yè)部, 四川 綿陽621000)

        0 引言

        本文設(shè)計(jì)的LCR 電橋裝置是一種專門用于反應(yīng)堆控制棒位置測量的裝置, 是依據(jù)國內(nèi)某型反應(yīng)堆棒控棒測系統(tǒng)的要求而專門設(shè)計(jì), 其主要原理是通過測量控制棒套筒內(nèi)棒位變化帶來的容值變化來精確判斷控制棒的運(yùn)行位置,從而控制反應(yīng)堆運(yùn)行功率。該系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性對反應(yīng)堆安全運(yùn)行有著重要意義。

        1 測量理論

        本項(xiàng)目中的被測物并非標(biāo)準(zhǔn)電容器, 但對其容值的測量可借鑒普通的LCR 表原理[1],被測物阻抗由實(shí)部和虛部構(gòu)成,其關(guān)系如圖1 所示。

        對于理想電容而言:

        圖1 阻抗Z 包括實(shí)部R 和虛部X

        對于真實(shí)的電容器而言,其真實(shí)值可以等效為圖2所示電路中包含的各成分的矢量和。

        對電容通過儀器進(jìn)行測量,如圖3 所示, 可以得到它的測量值(指示值),測量值與真實(shí)值有一定的誤差, 即取決于測量儀器的固有損耗和不精確性,又與測量條件有關(guān),如頻率、測試信號電平、直流偏置、溫度及其他物理和電氣環(huán)境(濕度、電磁場、光、空氣、振動、時(shí)間等)。

        由于寄生參數(shù)的存在, 頻率對電容的測量有很大的影響,測試信號電平對電容的測量也產(chǎn)生影響,圖4 所示為不同介電常數(shù)K 的瓷片電容, 在不同測試信號電平下, 電容變化的曲線。

        圖2 真實(shí)電容的等效電路

        偏置電壓對高介電常數(shù)的陶瓷電容有很大的影響,如圖5 所示。

        溫度和時(shí)間對陶瓷電容的影響也不可忽略[2]。

        圖3 測量電路

        圖4 陶瓷電容隨測試信號電平變化

        圖5 陶瓷電容隨偏置電壓變化

        2 電容測量方法選擇

        對于阻抗的測量應(yīng)根據(jù)測量需求、測量條件,考慮頻率覆蓋范圍、 測量范圍、 測量精度及操作的易用性等因素,選擇合適的方案[3]。

        常見的測量方法主要有六種, 電橋法、 諧振法、I-V法、RF I-V 法、網(wǎng)絡(luò)分析法、自動平衡橋法[4,5]。 考慮可編程測量頻率≤1MHz,步進(jìn)10Hz;測量誤差:≤0.02%@2000pf的指標(biāo)要求,本方案采用自動平衡橋方法(也是目前大部分測量儀器選用的方法), 該方法具有頻率范圍覆蓋廣(5Hz~100MHz),在寬阻抗測量范圍內(nèi)都具有高精度等優(yōu)點(diǎn)。 其基本原理如圖6 所示。 流過被測元件Zx 的電流與流過標(biāo)準(zhǔn)電阻R 的電流相等,通過測量L 端和R 上的電壓, 即可計(jì)算得出Zx 的阻抗。 通常, 該電路在低頻≤100KHz 時(shí),性能指標(biāo)較好,但在高頻時(shí)由于受到放大器性能的限制,其測量精度會惡化。一般在高頻時(shí)應(yīng)采用精密檢波器、 相位檢測器、 積分器和矢量調(diào)制器構(gòu)成的I-V 轉(zhuǎn)換器保證高頻時(shí)的測量精度。

        測量電路從功能上劃分,主要包括信號源、自動平衡橋和矢量比檢測器三部分,如圖7 所示。 信號源部分產(chǎn)生測試信號,采用DDS方法,由FPGA+DAC 實(shí)現(xiàn),其頻率范圍20Hz~1MHz,最大頻率分辨率小于1mHz;電平范圍5mVrms~2.1Vrms,通過調(diào)整衰減器實(shí)現(xiàn)。 自動平衡橋部分在整個(gè)頻率范圍內(nèi)自動平衡Range 電阻電流和DUT 電流以維持低端L 處于零電勢。 矢量比檢測器部分測量Range 電阻和DUT 上的電壓矢量,由于Range 電阻(標(biāo)準(zhǔn)電阻)是已知量,因此,可計(jì)算出DUT 的阻抗。

        圖6 自動平衡橋

        圖7 自動平衡橋阻抗測量框圖

        無論坐標(biāo)軸的方向如何, 一旦選定就在整個(gè)測量周期內(nèi)保持不變,X 軸和Y 軸必須嚴(yán)格垂直,互成90°;參考信號電壓可以不和任何一個(gè)被測電壓的方向相同,但應(yīng)和被測電壓保持固定的相位關(guān)系,即相位差θ 在整個(gè)測量過程中保持不變。 依次測出相量電壓的四個(gè)投影分量,就可以根據(jù)公式計(jì)算出相量比的值。算出相量比值后,可計(jì)算出所需的其他被測參數(shù)。 由于正交坐標(biāo)系精確性和參考軸的相角θ,由FPGA+DAC 軟件軟件來保證,所以簡化了硬件電路設(shè)計(jì),能克服了同相誤差,提高測量精度。

        圖8 自由軸測量原理

        3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖9。 所示,主要包括AC-DC 電源及電源管理系統(tǒng)模塊、信號源模塊、信號檢測模塊、信號處理與控制模塊、通信接口模塊、人機(jī)交互模塊、光柵尺測距模塊等。 AC-DC 電源及電源管理系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)交流220V 到直流的變換(線性電源),DC-DC 變換(各模塊需要的低壓供電,根據(jù)負(fù)載特性,采用數(shù)字和模擬兩種);信號源模塊包括信號源產(chǎn)生電路、 電壓偏置路, 通過ARM 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、時(shí)序的控制通過FPGA 實(shí)現(xiàn);信號檢測模塊包括電壓電流變換/采樣電路、 程控放大電路、相位檢測電路等,時(shí)序的控制通過FPGA 實(shí)現(xiàn);信號處理與控制模塊通過FPGA 實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號的采樣、算法處理、補(bǔ)償?shù)?,通過ARM 實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、通信、光柵尺測距、 人機(jī)交互等功能。 整個(gè)系統(tǒng)涉及數(shù)字電路與模擬電路, 高頻電路與低頻電路, 應(yīng)考慮EMC 設(shè)計(jì)的問題,如PCB 的優(yōu)化設(shè)計(jì)、電源的設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)、電磁屏蔽等。

        圖9 系統(tǒng)的組成框圖

        3.1 信號源設(shè)計(jì)

        常用的正弦信號產(chǎn)生的方法主要有: 鎖相環(huán)(PLL)、直接頻率合成器(DDS)。 由于本課題頻率可調(diào)范圍寬,頻率分辨率要求高,因此,擬采用DDS 實(shí)現(xiàn),具體采用FP GA 芯片+DAC 實(shí)現(xiàn)正弦信號產(chǎn)生,圖10 所示為正弦信號產(chǎn)生邏輯。 正弦信號的產(chǎn)生通過DDS 頻率合成模塊實(shí)現(xiàn),它包含一個(gè)頻率控制寄存器(M),一個(gè)相位累計(jì)器和一個(gè)正弦查找表(Sin-LUT);在參考時(shí)鐘fref下,頻率控制字與相位累加器的值相加, 將相位累加器的值作為正弦查找表的偏移地址以獲得正弦信號的幅度值, 正弦信號的頻率等于相位累計(jì)器的溢出頻率,可以表達(dá)為:

        圖10 正弦信號產(chǎn)生框圖

        若時(shí)鐘頻率Fclk=100MHz,參考頻率fref=4MHz 時(shí),相位累加器選N=32 位,則頻率分辨率為0.93mHz;例如,當(dāng)需要輸出10KHz 正弦信號時(shí),頻率控制字取M= 10737418,則生成的正弦頻率fsine=9.999KHz,頻率誤差非常小。

        為了兼顧輸出頻率范圍和頻率分辨率指標(biāo), 可采用分段實(shí)現(xiàn)的思路,根據(jù)輸出頻率的設(shè)置,選擇參考頻率和控制字的長度。 生成的正弦信號還需要濾波、增益調(diào)整、疊加直流偏置和功率放大等環(huán)節(jié),才能加載到負(fù)載上,其結(jié)構(gòu)框圖如圖11 所示。

        圖11 信號源結(jié)構(gòu)框圖

        3.2 信號檢測

        根據(jù) “自由軸測量原理”, 信號檢測的目的是得到DUT 上的電壓矢量和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓矢量。 采用相敏檢波方法如圖12 所示,基準(zhǔn)正交信號r1(t)和r2(t)由FPAG+DAC 芯片采用DDS 方法實(shí)現(xiàn)。 通過選擇開關(guān)分時(shí)復(fù)用而不是并行采樣DUT 和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓信號, 這樣做可以獲得更高的一致性。 ADC 采用可積分式ADC, 通過控制積分時(shí)間為高頻信號和工頻信號的周期倍數(shù), 可消除工頻及高頻干擾。ADC 也可采用高性能高速ADC,采樣后通過高性能FPGA 做濾波及計(jì)算等處理。

        圖12 相敏檢波原理

        3.3 四端對稱結(jié)構(gòu)

        如圖13 所示,是連接DUT 的四端對稱結(jié)構(gòu),各端的意義和作用如下:

        Hc—高端電流,信號源輸出的測試信號通過該端加到被測件DUT上;Hp—高端電壓, 信號送入輸入電路,用于計(jì)算高端矢量電壓;Lc-低端電流, 流過標(biāo)準(zhǔn)電阻后,送入輸入電路,用于計(jì)算低端矢量電壓;Lp-低端電壓,將檢測到的低端電壓送入反饋環(huán)路作用于平衡電橋, 從而使Lp端的電位始終保持為零,即虛地。

        四端對稱結(jié)構(gòu)用同軸電纜把信號電壓通路與電流通路相隔離,返回電流通過同軸電纜的屏蔽層,這樣便抵消了內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁通。所以,四端對稱結(jié)構(gòu)消除了存在于測量通道中的誤差因素, 如電纜的串聯(lián)殘留阻抗、電纜間的寄生電容、電纜間的互感耦合等。利用四端對稱結(jié)構(gòu)和自動平衡電橋方法,在很寬的范圍內(nèi)精確測量阻抗,在很寬的頻率范圍內(nèi)使電橋自動處于平衡狀態(tài)。

        圖13 四端對稱結(jié)構(gòu)

        3.4 自動平衡方法

        自動平衡電橋方法主要是測量DUT 兩端的矢量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓矢量。 電壓高端Hp和電流高端Hc端互相隔離, 這樣可精確地測量出加到DUT 上的電壓。電流從高端流向低端,如果Lc端有電位, Lc端和地就會產(chǎn)生寄生電容,從而影響測量的準(zhǔn)確性。 所以,低端必須為接近于地的電位水平, 即虛地。 才能準(zhǔn)確地測量出DUT 的阻抗。虛地是由一個(gè)反饋環(huán)路產(chǎn)生的,反饋環(huán)路由輸入放大器、窄帶高增益放大器和輸出放大器組成。 該電路使Lp端為虛地并且使電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻, 通過檢測標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓,可測量出流過DUT 上的電流。 如圖14 所示, 當(dāng)改變測試信號的頻率或改變測試信號的電平時(shí), 電橋就會處于不平衡狀態(tài),Lp端會產(chǎn)生誤差電流,經(jīng)I-V 轉(zhuǎn)換后送入相位檢波電路; 檢波電路將其分為0°和90°矢量分量并輸出給積分器; 積分器輸出與測試信號進(jìn)行調(diào)制以驅(qū)動0°和90°分量信號; 調(diào)制電路輸出的信號合成和放大,通過標(biāo)準(zhǔn)電阻反饋后, 抵消了通過DUT 的電流使電橋又重新處于平衡狀態(tài)。

        圖14 自動平衡橋原理

        3.5 量程設(shè)計(jì)

        阻抗測量應(yīng)根據(jù)阻抗的大小設(shè)置多個(gè)量程, 并實(shí)現(xiàn)量程自動切換。 實(shí)現(xiàn)的方式如圖15 所示,通過改變量程電阻(標(biāo)準(zhǔn)電阻)和后級的放大器增益。 采樣電阻的調(diào)節(jié)策略為:根據(jù)上一次的測量結(jié)果,選擇阻抗值最接近的采樣電阻值。 VDUT和經(jīng)過I-V 轉(zhuǎn)換的VCUR經(jīng)過相同的測量通道, 進(jìn)入最后的ADC 部分, 所以選擇最接近的采樣電阻值, 可以保證信號能夠有盡可能大的信噪比, 從而提高測量的準(zhǔn)確度。同時(shí),考慮到電阻在測量過程中,可能存在一定范圍內(nèi)的波動,所以選擇采樣電阻的時(shí)候,應(yīng)采取一種模擬遲滯比較器的選擇策略。

        圖15 自動量程切換電路

        3.6 測試電平自動控制

        保持測試信號電平在測量過程中維持不變對阻抗測量的精確性有重要的影響。應(yīng)采用反饋控制的方法,如圖16 所示,通過數(shù)字或模擬的方法采集加載到DUT 上的電壓, 并與設(shè)置的值比較, 根據(jù)誤差值調(diào)整信號源輸出幅度,使其維持在設(shè)置的值。

        圖16 測試電平幅度自動控制電路

        3.7 測量時(shí)間

        測量時(shí)間與測量精度、 分辨率及其測量值的穩(wěn)定度成反比,因此,需要實(shí)際測量時(shí)做折中處理。本方案的測量時(shí)間主要由采樣時(shí)間、軟件濾波時(shí)間決定(計(jì)算量很小,可以忽略);采樣時(shí)間的減少通過使用高速ADC 實(shí)現(xiàn),濾波時(shí)間的減少通過優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)和采用高速高性能FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。若采用雙斜率積分ADC,應(yīng)優(yōu)化其采樣的點(diǎn)數(shù)。

        3.8 測量誤差與補(bǔ)償

        測量結(jié)果中總是不可避免的存在誤差, 主要包括測量儀器系統(tǒng)誤差、測量夾具殘差、測量引線殘差和噪聲引起的誤差。

        測量誤差補(bǔ)償主要包括開路/短路補(bǔ)償、 開路/短路/負(fù)載補(bǔ)償、參考信號誤差補(bǔ)償、DC 誤差補(bǔ)償?shù)取TO(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)逐項(xiàng)考慮,在此不展開討論。

        4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

        該設(shè)計(jì)已經(jīng)用于國內(nèi)某型反應(yīng)堆的原理驗(yàn)證樣機(jī),主要負(fù)責(zé)反應(yīng)堆的棒位測量功能。產(chǎn)品的主要性能指標(biāo):①測量量程可達(dá)10fF~1F;②測量誤差為≤0.02%@2000pf;③可編程測量頻率, 可調(diào)范圍為DC~1MHz, 調(diào)整步進(jìn)10Hz。

        本設(shè)計(jì)配合專門的應(yīng)用軟件算法和前端傳感器可以精確的測量反應(yīng)堆控制棒運(yùn)動位置。 筆者將本設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品與國內(nèi)外現(xiàn)有的產(chǎn)品性能進(jìn)行了比較[6],性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平,接近世界先進(jìn)水平,具體見表1。

        表1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品對比

        5 結(jié)束語

        本項(xiàng)目研究成果的成功應(yīng)用,有力支撐了國內(nèi)某型反應(yīng)堆的樣機(jī)研制和驗(yàn)證, 提升了該型反應(yīng)堆的整體性能,提高了我國核工業(yè)的自主可控水平,解決了制約我國某型反應(yīng)堆棒位檢測控制系統(tǒng)的關(guān)鍵共性技術(shù)和瓶頸,項(xiàng)目產(chǎn)品在性能指標(biāo)上已經(jīng)接近國際同類先進(jìn)水平,部分指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,可完全替代國外同類高端進(jìn)口產(chǎn)品。

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