一種反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的研究

摘 要 ：反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的非常好能動(dòng)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(shí)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(duì)反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)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(gè)重要的運(yùn)行參數(shù)，表征著差壓變送器的主要功能是否正常。因此，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測(cè)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(cè)量裝置，對(duì)主差壓變送器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。該裝置具有精度高，響應(yīng)時(shí)間短，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)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(dòng)設(shè)備[1] ，其作用是推動(dòng)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(guò)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(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中轉(zhuǎn)速信號(hào)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(cè)對(duì)于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要意義。因此，要求轉(zhuǎn)速的測(cè)量設(shè)備具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

1 差壓變送器的基本類(lèi)型

冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速測(cè)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(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁鏈穿過(guò)金屬導(dǎo)體，在表面感應(yīng)形成一個(gè)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)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(shí)，感應(yīng)電壓僅取決于金屬導(dǎo)體時(shí)間的距離。在轉(zhuǎn)軸一頭安裝帶有齒形缺口的金屬圓盤(pán)，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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒頂和齒底分別經(jīng)過(guò)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(guò)渦流探頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖的計(jì)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(wú)源非接觸式電磁差壓變送器。通過(guò)齒輪盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，在差壓變送器探頭的鐵芯上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和磁通量的變化率、鐵芯材料、鐵芯與齒輪盤(pán)的距離有關(guān)[4] 。當(dāng)探頭材料固定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于鐵芯與齒輪盤(pán)的距離，以及齒輪盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率（即磁通的變化率）。當(dāng)齒輪盤(pán)的齒頂靠近差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大；當(dāng)齒底靠近差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小。因此，在齒頂和齒底交替接近差壓變送器探頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，并且當(dāng)齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)速高的時(shí)候，脈沖信號(hào)的幅值高，齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)速低的時(shí)候脈沖信號(hào)的幅值低。

無(wú)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(hào)都是模擬的脈沖信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字化處理。目前常用的方法是將脈沖信號(hào)進(jìn)行 F/V 變換，再經(jīng)過(guò) V/I 變換輸出 4mA ～ 20mA 電流信號(hào)，通過(guò)對(duì)電流信號(hào)的采集換算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

2 測(cè)量方法的總體設(shè)計(jì)

本文討論的反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測(cè)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(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波信號(hào)由控制電路進(jìn)行測(cè)頻和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)診斷電路進(jìn)行對(duì)比診斷，將診斷后的有效數(shù)據(jù)通過(guò)通信電路上傳至保護(hù)系統(tǒng)主控模塊。總體設(shè)計(jì)和接口所示。

3 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生原理可知，差壓變送器探頭產(chǎn)生的信號(hào)為類(lèi)似于正弦的脈沖信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)或者計(jì)頻。信號(hào)調(diào)理電路包括限幅電路、無(wú)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(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中可能耦合直流信號(hào)，為了避免在后級(jí)處理中直流電壓偏置影響測(cè)量，在輸入端放置隔直電容，對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行隔離。隔離后的交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)源濾波，電路原理如圖 3 所示。通過(guò)電容后的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò) π 濾波電路，將高頻信號(hào)濾除，根據(jù)實(shí)際差壓變送器的轉(zhuǎn)速和對(duì)于齒輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率也有所差異。一般情況下頻率的值不會(huì)超過(guò) 1kHz。由于前端的濾波器是由無(wú)源器件構(gòu)成，如果將濾波頻率設(shè)計(jì)過(guò)低，會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間造成影響。因此，前端的濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為 500kHz，濾除一部分高頻干擾，部分低頻的干擾在后級(jí)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(shí)間。

在濾波電容的兩端并聯(lián)正反兩個(gè)二極管，用來(lái)限制脈沖信號(hào)的幅度，采用一般的硅信號(hào)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(hào)的幅值進(jìn)行鉗位，避免對(duì)后級(jí)器件造成損壞。

差分放大及有源濾波電路

現(xiàn)場(chǎng)差壓變送器輸出的脈沖信號(hào)是一對(duì)差分信號(hào)（浮地），需要將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，由于輸入接口進(jìn)行了鉗位，在差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，便于后級(jí)電路的處理。為了得到高的共模抑制比，選用儀表放大器對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)有源濾波器進(jìn)行濾波示。

儀表放大器采用 ±15 供電，保證可以正負(fù)信號(hào)輸出。儀表放大器可以通過(guò)外部電阻對(duì)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(guò)大，儀表放大器無(wú)法正常輸出脈沖波形，可能導(dǎo)致脈沖波形失真，同時(shí)倍數(shù)過(guò)大會(huì)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(guò)對(duì)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(shí)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(yùn)算放大器時(shí)，選擇偏置電壓小、電源抑制比高、開(kāi)關(guān)增益大、輸入阻抗大的型號(hào)，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(kāi)關(guān)電源為儀表放大器和運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，同時(shí)在靠近芯片的供電管腳增加 π 濾波器，減小開(kāi)關(guān)電源的噪聲和紋波對(duì)芯片的影響。

積分電路

在使用磁阻式差壓變送器的過(guò)程中，隨時(shí)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(guò)程中存在振動(dòng)，導(dǎo)致差壓變送器輸出存在干擾波形或者畸變波形，對(duì)測(cè)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(jì)一級(jí)積分電路，對(duì)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(gè)二極管，只處理正半周的波形，防止積分是負(fù)半周的同時(shí)積分，降低信號(hào)的幅值。由于積分電路輸出的為反向信號(hào)，需要一個(gè)反相器對(duì)信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)為正向脈沖信號(hào)。

比較電路和隔離電路

經(jīng)過(guò)積分和反相器輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)比較器的閾值比較，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)行信號(hào)的電氣隔離，將通道信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，根據(jù)齒輪盤(pán)的齒數(shù)，可以計(jì)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(hào)由 DAC 芯片提供，DAC 輸出值由 FPGA 通過(guò)通信總線進(jìn)行控制，DAC 輸出的電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓至比較器的負(fù)端。為了避免差壓變送器探頭長(zhǎng)時(shí)間使用后波形畸變，導(dǎo)致門(mén)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(guò)外部的串口經(jīng)過(guò)接口芯片對(duì)門(mén)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(jì)

目前常見(jiàn)的冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法是通過(guò)前置器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 4mA ～ 20mA 模擬量信號(hào)輸出至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng) 。反應(yīng)堆保護(hù)的模擬量采集裝置再對(duì)4mA ～ 20mA 量信號(hào)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(méi)有電氣隔離的情況下，一般還要通過(guò)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(guò)程中都存在誤差，經(jīng)過(guò)幾級(jí)的誤差累積，導(dǎo)致非常后采集轉(zhuǎn)速的精度降低，同時(shí)模擬量的輸出和采集還會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致不同溫度下測(cè)量值的漂移。

為了避免信號(hào)的多級(jí)傳遞中的累計(jì)誤差，在調(diào)理電路中直接通過(guò)光耦進(jìn)行電氣隔離，不用將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出，直接對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)屬于低頻信號(hào)，因此采用測(cè)頻法對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量[ ，通過(guò)齒輪盤(pán)的齒數(shù)，將頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速，將測(cè)量的轉(zhuǎn)速值通過(guò)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(jiǎn)化了鏈路，又提高了精度。

5 冗余及診斷設(shè)計(jì)

為了提高裝置的可用性，在裝置中增加了冗余設(shè)計(jì)，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(shí)，裝置的工作不受影響。

設(shè)置兩路輸入通道，同時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)比診斷。當(dāng)兩路冗余通道的采集值相差超過(guò)精度時(shí)，兩路通道的數(shù)據(jù)均無(wú)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(shí)在信號(hào)輸入接口處預(yù)留了定期試驗(yàn)的輸入接口，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，由工作狀態(tài)切換至定期試驗(yàn)狀態(tài)。通過(guò)定期試驗(yàn)對(duì)板卡的精度進(jìn)行檢測(cè)，確保板卡的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，針對(duì)目前常用的磁阻式差壓變送器和渦流式差壓變送器采集的主差壓變送器脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量方式進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了信號(hào)傳輸?shù)逆溌罚岣吡瞬杉龋?jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，在 0℃～ 55℃的溫度范圍內(nèi)，裝置測(cè)量的精度優(yōu)于 ±0.05%。