劉威峰，肖金鳳

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

在核臨界實(shí)驗(yàn)中，為了研究理論上的計(jì)算方法以及驗(yàn)證計(jì)算程序正確與否，需要獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，臨界裝置提供了這樣一種途徑[1]。臨界裝置存在發(fā)生臨界事故的可能，其安全性需要得到保證。功率保護(hù)裝置的主要作用是在臨界裝置運(yùn)行功率過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并送出停堆信號(hào)給安全邏輯，控制停堆。

1 功率保護(hù)裝置整體方案

功率保護(hù)裝置與伽馬補(bǔ)償電離室配套使用，作為反應(yīng)堆的運(yùn)行功率保護(hù)，防止反應(yīng)堆功率過高[2]。功率保護(hù)裝置由低壓電源提供低壓，并經(jīng)高壓模塊轉(zhuǎn)換后為伽馬補(bǔ)償電離室提供工作高壓。伽馬補(bǔ)償電離室將代表堆功率的中子注入率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、定值比較后進(jìn)行顯示和保護(hù)操作。觸發(fā)功率保護(hù)動(dòng)作的值可以在全量程范圍內(nèi)任意定值，與放大后的功率信號(hào)值進(jìn)行比較，當(dāng)功率達(dá)到定值的70%時(shí)，給出警告信號(hào)；當(dāng)功率達(dá)到定值的120%時(shí)，給出停堆信號(hào)。功率保護(hù)裝置設(shè)有自檢功能，可以連續(xù)檢查0%～120%整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍和報(bào)警功能。另外，功率保護(hù)裝置還具有自監(jiān)督功能，當(dāng)出現(xiàn)低壓電源故障、高壓電源故障、儀器故障或處于自檢狀態(tài)時(shí)，給出綜合功率保護(hù)儀器故障停堆信號(hào)。功率保護(hù)裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 功率保護(hù)裝置系統(tǒng)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由前置I/V變換放大電路、定值比較電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。由STM32及其最小系統(tǒng)作為整個(gè)功率保護(hù)的主控單元，將采集的電壓信號(hào)、功率信號(hào)、系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)傳送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，并控制FPGA進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的監(jiān)測(cè)與控制。

2.1 前置I/V變換放大電路

前置放大電路的輸入來(lái)自伽馬補(bǔ)償電離室測(cè)得的反應(yīng)堆功率電流，電流從1×10-11A到1×10-6A變化，范圍涵蓋6個(gè)數(shù)量級(jí)。這種微弱信號(hào)極易受到周圍環(huán)境的干擾而淹沒在噪聲中，信號(hào)處理時(shí)不僅要考慮信噪比，還要考慮零點(diǎn)漂移問題[3]。這樣的信號(hào)要求使得放大電路對(duì)輸入級(jí)要求較高，前置放大電路選用具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計(jì)型運(yùn)算放大器AD549，采用電阻直接反饋法的電路形式。為達(dá)到高精度的目的，輸入偏置電壓和輸入偏置電壓漂移均通過激光調(diào)節(jié)。這種極低輸入電流性能由ADI公司專有的topgate工藝技術(shù)完成[4]。同時(shí)選擇具有低溫漂的玻璃釉電阻，組成前置模擬I/V放大器，將代表堆功率的電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)擋位下的0 V～1.2 V附近的電壓,采用高絕緣低泄漏的舌簧繼電器進(jìn)行擋位切換。

功率保護(hù)裝置可由軟件模擬伽馬補(bǔ)償電離室的輸出電流作為自檢電流對(duì)裝置功能進(jìn)行自檢。自檢電流的大小由軟件設(shè)定，范圍從10-11A至10-8A。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.3 定值比較電路

代表堆功率的電流值經(jīng)I/V變換放大電路變換為0 V～1.2 V附近的電壓值，與定值比較電路中由基準(zhǔn)電壓分壓得到的0.7 V和1.2 V電壓進(jìn)行比較。定值比較電路設(shè)計(jì)采用REF195作為5 V基準(zhǔn)電壓，通過電位器調(diào)節(jié)比較閾值，警告閾值為0.7 V,停堆閾值為1.2 V。為防止轉(zhuǎn)換后代表堆功率的電壓在閾值附近時(shí)引起繼電器反復(fù)吸合跳變，采用LM311加入反饋電阻，構(gòu)成滯回比較器[7]。

代表實(shí)時(shí)功率值的電壓信號(hào)接入兩個(gè)LM311電壓比較器的反相輸入端，其正向輸入端分別接入由基準(zhǔn)電壓分壓得來(lái)的0.7 V或1.2 V電壓。當(dāng)功率小于設(shè)定值的70%時(shí)，輸入到比較器的電壓小于0.7 V，兩個(gè)比較器均輸出高電平，分別與代表最大定值70%和120%的數(shù)字信號(hào)經(jīng)邏輯組合后向達(dá)林頓管MC1413D輸入低電平，控制繼電器斷開，不進(jìn)行報(bào)警或停堆。當(dāng)功率大于設(shè)定值70%小于120%時(shí)，輸入到比較器的電壓大于0.7 V且小于1.2 V，控制警告的繼電器吸合，發(fā)出警告報(bào)警信號(hào)。當(dāng)功率大于設(shè)定值的120%時(shí)，輸入到比較器的電壓大于1.2 V，控制警告和停堆的繼電器均吸合，發(fā)出警告報(bào)警信號(hào)與停堆信號(hào)。定值比較電路如圖3所示。

圖3 定值比較電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

主控單元采集電路各信號(hào)信息，送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，并接收上位機(jī)的命令，對(duì)功率保護(hù)裝置進(jìn)行相應(yīng)的操作。主控單元的軟件流程如圖4所示。

圖4 主控單元軟件流程

3.2 軟件功能

功率保護(hù)裝置需要與信息系統(tǒng)進(jìn)行通訊，進(jìn)行正常工作參數(shù)的設(shè)置。通過軟件的參數(shù)設(shè)置菜單可以設(shè)置并保存工作高壓(0 V～800 V)、負(fù)高壓(0 V～-800 V)、功率/電流顯示的選擇、保護(hù)定值設(shè)定等。

每次運(yùn)行選定最大保護(hù)定值后，本次運(yùn)行期間不得改變。定值分擋可粗調(diào)和細(xì)調(diào)，定值粗調(diào)按照1、3進(jìn)制分擋，分別為1×10-11A、3×10-11A、1×10-10A、 3×10-10A、1×10-9A、3×10-9A、1×10-8A、3×10-8A、1×10-7A，3×10-7A、1×10-6A，共11擋；定值細(xì)調(diào)為±3%～±30%連續(xù)可調(diào)。最大定值以下的擋位默認(rèn)參與保護(hù)，均作為中間保護(hù)定值。中間保護(hù)定值達(dá)到時(shí)操作員點(diǎn)擊即可迅速取消，不需要進(jìn)一步確認(rèn)。中間保護(hù)定值和最大定值可在操作員的顯示器界面清晰的顯示，以便操作員隨時(shí)觀察和消除某個(gè)中間保護(hù)擋位。

正常測(cè)量時(shí)，軟件采集功率保護(hù)裝置的當(dāng)前高壓值、當(dāng)前電流值、當(dāng)前高壓狀態(tài)、當(dāng)前工作狀態(tài)(工作/自檢)和當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)等信息。對(duì)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，如存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)并可繪制歷史曲線，形成日志；信息傳送至各級(jí)顯示設(shè)備；打印報(bào)表，報(bào)表包括與功率保護(hù)有關(guān)的所有信息。

4 測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試內(nèi)容

將伽馬補(bǔ)償電離室連接至功率保護(hù)裝置測(cè)試儀表，放置在周圍無(wú)放射源的環(huán)境中，測(cè)量出伽馬補(bǔ)償電離室的電流值，即可測(cè)試出環(huán)境本底對(duì)應(yīng)的電流值。

將校驗(yàn)器與功率保護(hù)裝置連接，選擇不同的電流輸出，并對(duì)功率保護(hù)裝置進(jìn)行不同的操作，可測(cè)試功率保護(hù)裝置的輸入電流范圍、定值誤差、響應(yīng)時(shí)間、儀表測(cè)量誤差、儀表重復(fù)性和功率保護(hù)功能。

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)試功率保護(hù)裝置的輸入電流范圍為1×10-11A～1×10-7A、定值誤差為0.6%～0.7%、儀表響應(yīng)時(shí)間小于3 s、儀表測(cè)量誤差小于3%、重復(fù)性小于1%，均達(dá)到合格要求，保護(hù)功能均能按要求實(shí)現(xiàn)。部分測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示，測(cè)試中未連接網(wǎng)絡(luò)，裝置能檢測(cè)并顯示出網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)前代表堆功率的電流大小為0.182×10-8A。

表1 功率保護(hù)裝置部分測(cè)試結(jié)果

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)