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�？梢詫⑤斎氲拿}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#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)，將頻聅hou晃�，将诧喛的转速值通过通袧a涌謚苯由洗簾；は低車鬧骺嗇？欏Ｔ詒Ｖこ浞指衾氳奶跫攏燃蚧肆綽罰痔岣吡司取?/div>
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
本文設(shè)計的反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測量裝置，針對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進(jìn)行測量。對現(xiàn)有的測量方式進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了信號傳輸?shù)逆溌罚岣吡瞬杉�，�?jīng)過實際測量，在 0℃～ 55℃的溫度范圍內(nèi)，裝置測量的精度優(yōu)于 ±0.05%。
注明，三暢儀表文章均為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請標(biāo)明本文地址
