反應(yīng)釜試劑中差壓變送器轉(zhuǎn)速測量方法的研究

　 　   當(dāng)反應(yīng)釜試劑差壓變送器是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的非常好能動設(shè)備，在一回路中具有重要的作用。既是一回路壓力邊界，同時也承擔(dān)著反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)等核安全和非核安全的雙重作用。因此，對反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的運行參數(shù)的檢測也十分重要。其中，轉(zhuǎn)速是反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器一個重要的運行參數(shù)，表征著差壓變送器的主要功能是否正常。因此，對反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測量十分重要。本文介紹了一種反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測量裝置，對主差壓變送器輸出的脈沖信號進(jìn)行測量。該裝置具有精度高，響應(yīng)時間短，可靠性高等優(yōu)點，可以用于核電廠反應(yīng)堆以及船用反應(yīng)堆的冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速測量。

0 引言

反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器作為一回路的壓力邊界設(shè)備，是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中非常好的能動設(shè)備[1] ，其作用是推動反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的熱能，通過蒸汽發(fā)生器將能量傳遞到二回路系統(tǒng)中[2] 。在反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的運行過程中，需要對振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等物理量進(jìn)行監(jiān)測，其中轉(zhuǎn)速信號是反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速的監(jiān)測對于反應(yīng)堆的安全運行具有重要意義。因此，要求轉(zhuǎn)速的測量設(shè)備具有高精度、高穩(wěn)定性的特點。

1 差壓變送器的基本類型

冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速測量差壓變送器采用的是非接觸式差壓變送器，根據(jù)工作原理的不同主要分為渦流式和磁阻式兩種[3] 。渦流式差壓變送器是一種有源非接觸式電磁差壓變送器，利用高頻的交流電壓通過線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時，線圈產(chǎn)生的磁鏈穿過金屬導(dǎo)體，在表面感應(yīng)形成一個渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場通過線圈，形成了互感效應(yīng)。根據(jù)互感原理，互感效應(yīng)的強(qiáng)弱，取決于金屬的材料和金屬導(dǎo)體之間的距離。當(dāng)金屬材料固定時，感應(yīng)電壓僅取決于金屬導(dǎo)體時間的距離。在轉(zhuǎn)軸一頭安裝帶有齒形缺口的金屬圓盤，渦流探頭平行于軸的旋轉(zhuǎn)方向放置。渦流探頭的位置固定，當(dāng)金屬圓盤轉(zhuǎn)動時，齒頂和齒底分別經(jīng)過渦流探頭，由于齒頂和齒底與渦流探頭的距離不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的大小也不同。因此，在齒頂和齒底交替通過渦流探頭時會產(chǎn)生脈沖信號，通過脈沖的計數(shù)值可以換算出冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速。

磁阻式差壓變送器是一種無源非接觸式電磁差壓變送器。通過齒輪盤的旋轉(zhuǎn)，在差壓變送器探頭的鐵芯上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢的大小和磁通量的變化率、鐵芯材料、鐵芯與齒輪盤的距離有關(guān)[4] 。當(dāng)探頭材料固定時，感應(yīng)電動勢的大小取決于鐵芯與齒輪盤的距離，以及齒輪盤的轉(zhuǎn)動速率（即磁通的變化率）。當(dāng)齒輪盤的齒頂靠近差壓變送器探頭時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大；當(dāng)齒底靠近差壓變送器探頭時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢小。因此，在齒頂和齒底交替接近差壓變送器探頭時，會產(chǎn)生一個脈沖信號，并且當(dāng)齒輪盤轉(zhuǎn)速高的時候，脈沖信號的幅值高，齒輪盤轉(zhuǎn)速低的時候脈沖信號的幅值低。

無論是渦流式差壓變送器，還是磁阻式差壓變送器輸出的信號都是模擬的脈沖信號，必須對信號進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為方波信號后進(jìn)行數(shù)字化處理。目前常用的方法是將脈沖信號進(jìn)行 F/V 變換，再經(jīng)過 V/I 變換輸出 4mA ～ 20mA 電流信號，通過對電流信號的采集換算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

2 測量方法的總體設(shè)計

本文討論的反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測量裝置包括：通道調(diào)理電路、控制電路、通信電路、診斷電路。調(diào)理電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行信號調(diào)理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為方波信號，方波信號由控制電路進(jìn)行測頻和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時通過診斷電路進(jìn)行對比診斷，將診斷后的有效數(shù)據(jù)通過通信電路上傳至保護(hù)系統(tǒng)主控模塊?？傮w設(shè)計和接口如圖 1 所示。

3 調(diào)理電路的設(shè)計

根據(jù)脈沖信號的產(chǎn)生原理可知，差壓變送器探頭產(chǎn)生的信號為類似于正弦的脈沖信號，需要對信號進(jìn)行調(diào)理后轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號進(jìn)行計數(shù)或者計頻。信號調(diào)理電路包括限幅電路、無源濾波電路、差分放大電路、有源濾波電路、積分電路、比較電路、觸發(fā)電路、隔離電路等部分組成，如圖 2 所示。

◇ 輸入接口電路

由于差壓變送器輸出的信號在傳輸?shù)倪^程中可能耦合直流信號，為了避免在后級處理中直流電壓偏置影響測量，在輸入端放置隔直電容，對直流信號進(jìn)行隔離。隔離后的交流信號進(jìn)行無源濾波，電路原理如圖 3 所示。通過電容后的脈沖信號經(jīng)過 π 濾波電路，將高頻信號濾除，根據(jù)實際差壓變送器的轉(zhuǎn)速和對于齒輪盤的結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的脈沖信號的頻率也有所差異。一般情況下頻率的值不會超過 1kHz。由于前端的濾波器是由無源器件構(gòu)成，如果將濾波頻率設(shè)計過低，會對響應(yīng)時間造成影響。因此，前端的濾波器的截止頻率設(shè)計為 500kHz，濾除一部分高頻干擾，部分低頻的干擾在后級采用有源濾波的方式進(jìn)行濾波，可以達(dá)到較高的響應(yīng)時間。

在濾波電容的兩端并聯(lián)正反兩個二極管，用來限制脈沖信號的幅度，采用一般的硅信號二極管，正向的壓降為0.7V 左右，反向擊穿電壓可達(dá) 100V。可以將輸入的脈沖信號的幅值進(jìn)行鉗位，避免對后級器件造成損壞。

◇ 差分放大及有源濾波電路

現(xiàn)場差壓變送器輸出的脈沖信號是一對差分信號（浮地），需要將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，由于輸入接口進(jìn)行了鉗位，在差分信號轉(zhuǎn)單端信號的同時對信號進(jìn)行放大，便于后級電路的處理。為了得到高的共模抑制比，選用儀表放大器對差分信號進(jìn)行放大，放大后的信號經(jīng)過有源濾波器進(jìn)行濾波，電路原理如圖 4 所示。

儀表放大器采用 ±15 供電，保證可以正負(fù)信號輸出。儀表放大器可以通過外部電阻對放大倍數(shù)進(jìn)行設(shè)置，放大倍數(shù)設(shè)置在 3 ～ 5 倍。設(shè)置值過大，儀表放大器無法正常輸出脈沖波形，可能導(dǎo)致脈沖波形失真，同時倍數(shù)過大會導(dǎo)致偏置電壓、增益誤差等指標(biāo)變差。有源濾波采用正反饋型低通濾波，為 2 階濾波電路通過對電阻電容的選擇，控制濾波器的截止頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。根據(jù)實際的需要將截止頻率設(shè)置在 1.1kHz，增益設(shè)置為 2 倍，在選擇運算放大器時，選擇偏置電壓小、電源抑制比高、開關(guān)增益大、輸入阻抗大的型號，保證濾波器的工作效果。

為了保證通道和系統(tǒng)之間的電氣隔離，選擇隔離開關(guān)電源為儀表放大器和運算放大器進(jìn)行供電，同時在靠近芯片的供電管腳增加 π 濾波器，減小開關(guān)電源的噪聲和紋波對芯片的影響。

◇ 積分電路

在使用磁阻式差壓變送器的過程中，隨時間的推移，感應(yīng)線圈或者永磁體的性能可能發(fā)生變化，另外由于軸在旋轉(zhuǎn)的過程中存在振動，導(dǎo)致差壓變送器輸出存在干擾波形或者畸變波形，對測量的準(zhǔn)確性造成影響[3] 。

為了消除或者降低這種影響，電路中設(shè)計一級積分電路，對干擾波形進(jìn)行平滑處理，方便后面進(jìn)行電壓比較。積分電路的原理如圖 5 所示，在積分電容上并聯(lián)一個二極管，只處理正半周的波形，防止積分是負(fù)半周的同時積分，降低信號的幅值。由于積分電路輸出的為反向信號，需要一個反相器對信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)為正向脈沖信號。

◇ 比較電路和隔離電路

經(jīng)過積分和反相器輸出的脈沖信號通過比較器的閾值比較，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為方波信號，方波信號再經(jīng)過光耦進(jìn)行信號的電氣隔離，將通道信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信號，F(xiàn)PGA對方波信號進(jìn)行測頻，根據(jù)齒輪盤的齒數(shù)，可以計算出冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速。電路原理如圖 6 所示。比較器的參考電壓信號由 DAC 芯片提供，DAC 輸出值由 FPGA 通過通信總線進(jìn)行控制，DAC 輸出的電壓經(jīng)過電阻分壓至比較器的負(fù)端。為了避免差壓變送器探頭長時間使用后波形畸變，導(dǎo)致門限電平需要進(jìn)行相應(yīng)的改變，預(yù)留了調(diào)試接口，可以通過外部的串口經(jīng)過接口芯片對門限電平進(jìn)行從新設(shè)置，增加了電路的壽命和適應(yīng)性。

4 采集系統(tǒng)設(shè)計

目前常見的冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測量方法是通過前置器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 4mA ～ 20mA 模擬量信號輸出至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)[4] 。反應(yīng)堆保護(hù)的模擬量采集裝置再對4mA ～ 20mA 量信號進(jìn)行采集，得到冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速值。如果前置器沒有電氣隔離的情況下，一般還要通過模擬量隔離后再進(jìn)行模擬量采集。因此，在轉(zhuǎn)換和采集的過程中都存在誤差，經(jīng)過幾級的誤差累積，導(dǎo)致非常后采集轉(zhuǎn)速的精度降低，同時模擬量的輸出和采集還會受到溫度的影響，導(dǎo)致不同溫度下測量值的漂移。

為了避免信號的多級傳遞中的累計誤差，在調(diào)理電路中直接通過光耦進(jìn)行電氣隔離，不用將頻率信號轉(zhuǎn)換為電流信號輸出，直接對頻率信號進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)速的脈沖信號屬于低頻信號，因此采用測頻法對轉(zhuǎn)速脈沖的頻率進(jìn)行測量[5] ，通過齒輪盤的齒數(shù)，將頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速，將測量的轉(zhuǎn)速值通過通信接口直接上傳至保護(hù)系統(tǒng)的主控模塊。在保證充分隔離的條件下，既簡化了鏈路，又提高了精度。

5 冗余及診斷設(shè)計

為了提高裝置的可用性，在裝置中增加了冗余設(shè)計，包括供電冗余和通道冗余。采用兩路 24V 進(jìn)行供電，當(dāng)一路供電出現(xiàn)故障時，裝置的工作不受影響。

設(shè)置兩路輸入通道，同時對脈沖信號進(jìn)行對比診斷。當(dāng)兩路冗余通道的采集值相差超過精度時，兩路通道的數(shù)據(jù)均無效；當(dāng)兩路通道采集的數(shù)據(jù)差值在誤差范圍內(nèi)，選取其中一路采集值作為有效值。同時在信號輸入接口處預(yù)留了定期試驗的輸入接口，通過開關(guān)進(jìn)行切換，由工作狀態(tài)切換至定期試驗狀態(tài)。通過定期試驗對板卡的精度進(jìn)行檢測，確保板卡的可靠性。

6 結(jié)束語