輻照環(huán)境下轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

王 健,邱建文,李久銳

(中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速是流程控制的重要參數(shù)，動力機(jī)械設(shè)備的控制往往與轉(zhuǎn)速相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的方式多種多樣，典型的有離心式、感應(yīng)式、光電式及閃光頻率等[1]。

安裝在核動力反應(yīng)堆廠房等有電離輻射環(huán)境中的轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速也需要進(jìn)行測量。此時，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)需要考慮到嚴(yán)苛環(huán)境下溫度、壓力和輻照等參數(shù)對轉(zhuǎn)速測量的影響。本文闡述了一種輻照環(huán)境下轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計，用于輻照環(huán)境下的轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)速測量。

1 環(huán)境要求

設(shè)備環(huán)境分為存儲和安裝期間環(huán)境、正常運(yùn)行環(huán)境、設(shè)計基準(zhǔn)事故環(huán)境，某些情況下還有定期試驗期間環(huán)境。環(huán)境條件具體參數(shù)有溫度、相對濕度、壓力、鹽度、電離輻射、機(jī)械振動和地震等。

存儲環(huán)境中根據(jù)地域不同，最低溫度可到零下幾十度；運(yùn)行環(huán)境中由于有通風(fēng)調(diào)溫系統(tǒng)，溫度可保持在15～55 ℃之間。相對濕度主要考慮是否有凝露。壓力一般為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在沿海地域需要考慮鹽度。機(jī)械振動則分為運(yùn)輸過程中的振動和運(yùn)行環(huán)境中轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備帶來的振動。

電離輻射主要考慮X射線和γ射線、電子射線、質(zhì)子射線、中子射線。一般來說，輻射類型不同，輻射效應(yīng)也會不同。在類似試驗條件、相同吸收劑量和相同線性能量傳遞情況下，材料性能變化與輻射類型之間關(guān)系并不密切[2]?；诖耍岢隼鄯e劑量的要求，并以核電站安全殼為例進(jìn)行分析。其中，安裝的電氣設(shè)備輻射老化試驗的累積劑量為250 kGy，溫度為70 ℃。地震工況為典型的設(shè)計基準(zhǔn)事故，陸基且執(zhí)行安全功能的設(shè)備均需要考慮。在設(shè)計時，往往會考慮采用通用譜和特定場址譜兩者的包絡(luò)譜。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)耐輻照是關(guān)鍵指標(biāo)，采用抗輻照設(shè)計和輻射加固再配以合理的設(shè)計理念，可以保障轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)在一定輻照環(huán)境下維持良好運(yùn)行。

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計原理框圖Fig.1 Design principle diagram of speed measurement system

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、信號前置處理模塊和控制系統(tǒng)三部分組成。轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，并輸出與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電信號。由于傳感器的信號并非標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號，需要設(shè)計信號前置處理模塊，將非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號。將表征轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，經(jīng)運(yùn)算后參與控制。

2.1 分體設(shè)計

若電子設(shè)備在壽期內(nèi)環(huán)境累積劑量小于10 Gy，通常認(rèn)為輻射的影響并不顯著，可不進(jìn)行輻照老化試驗[4]。輻照環(huán)境下設(shè)備壽期內(nèi)劑量遠(yuǎn)高于10 Gy。根據(jù)研究，光學(xué)器件、MOS工藝器件、雙極晶體管、光電二極管、現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片、大規(guī)模集成電路等對輻照敏感，累積達(dá)到一定劑量后會出現(xiàn)功能失效。對某型號SRAM FPGA進(jìn)行輻照試驗，在累積劑量達(dá)到870 Gy時，樣品出現(xiàn)功能失效[5]。

轉(zhuǎn)速傳感器可以選擇無源器件，本身具有良好的耐輻照性能，但信號前置模塊不可避免需要使用到隔離器件、阻容器件和集成電路等電子元器件。這些器件不具備抗輻照能力。常規(guī)采用輻照屏蔽，則需要設(shè)計較厚的屏蔽層，不便于安裝使用。為減少系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度和難度，采用分體設(shè)計的理論。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備旁邊，工作環(huán)境中有較強(qiáng)電離輻射，稱之為嚴(yán)苛環(huán)境。信號前置處理模塊和控制系統(tǒng)則安裝在具有良好輻射屏蔽的電氣廠房，稱之為和緩環(huán)境。轉(zhuǎn)速傳感器與信號前置處理模塊間采用具有良好電磁屏蔽和低衰減性能的同軸電纜進(jìn)行連接。

2.2 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是提升系統(tǒng)可靠性的有效方法。輻照環(huán)境下，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)在分體設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用兩個層面的冗余設(shè)計。

圖2給出了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)冗余設(shè)計框圖。嚴(yán)苛環(huán)境下配置有三臺轉(zhuǎn)速傳感器，三個轉(zhuǎn)速信號輸入給信號前置處理模塊。前置處理模塊設(shè)計有多選邏輯。在可靠性工程領(lǐng)域中，這樣的系統(tǒng)稱之為2/3表決系統(tǒng)。表決系統(tǒng)的部件都是相同的。其單個部件可靠度為R(t)，系統(tǒng)的可靠度為R2/3(t)=3R2(t)-2R3(t)，可靠度得到明顯提高。

圖2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)冗余設(shè)計框圖Fig.2 Redundancy design of speed measurement system

信號前置處理模塊基于FPGA設(shè)計，在芯片綜合布線時，用芯片不同的功能塊來實現(xiàn)冗余設(shè)計，以解決單粒子翻轉(zhuǎn)問題。

3 轉(zhuǎn)速傳感器

理想的選擇是無源磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的優(yōu)點，可在嚴(yán)苛環(huán)境[6]工作。傳感器的絕緣部件選擇耐輻照材料，可使傳感器本身具備耐輻照的性能。

工程應(yīng)用中，常用測試齒輪式和測試靶針式。測試傳感器基于磁電感應(yīng)原理，齒輪或靶針隨轉(zhuǎn)動軸而旋轉(zhuǎn)，測試傳感器與旋轉(zhuǎn)部分間隙周期性改變，使傳感器磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

以靶針式傳感器為例。其外形為U形中空結(jié)構(gòu),磁路由永久磁鐵和線圈組成。安裝在轉(zhuǎn)機(jī)聯(lián)軸器的靶針隨軸轉(zhuǎn)動，靶針劃過一次U形傳感器時，產(chǎn)生一次脈沖。測試齒輪式和測試靶針式傳感器如圖3所示。傳感器外觀及靶針行程如圖4所示。

圖3 測試齒輪式和測試靶針式傳感器Fig.3 Gear type and target type sensor

圖4 傳感器外觀及靶針行程Fig.4 Sensor appearance and target travel

靶針隨著軸轉(zhuǎn)動的周期為T：

(1)

靶針有效行程周期為T1：

(2)

靶針有效行程內(nèi)輸出為類似正弦信號，頻率信號間隔周期T表示轉(zhuǎn)速，感應(yīng)電動勢幅值與轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越快A越大。系統(tǒng)設(shè)計時，選擇的傳感器在額度轉(zhuǎn)速下輸出的A在伏特級。由轉(zhuǎn)速傳感器的特征可知，信號處理電路需要具備如下功能。

①檢測轉(zhuǎn)速傳感器的非標(biāo)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。

②低轉(zhuǎn)速時能有效檢測到傳感器脈沖信號。此時，信號的A低至十幾毫伏，同時應(yīng)能過濾掉干擾信號。低轉(zhuǎn)速主要出現(xiàn)在轉(zhuǎn)機(jī)啟動和停止過程，為暫態(tài)。

③額度轉(zhuǎn)速時應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，不易受到外界信號干擾。額定轉(zhuǎn)速為常態(tài)。轉(zhuǎn)速傳感器信號波形如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器信號波形圖Fig.5 Speed sensor signal waveform

4 前置信號處理模塊

4.1 硬件電路設(shè)計

前置信號處理模塊主要功能是檢測轉(zhuǎn)速傳感器的原始信號，通過計算獲得測量轉(zhuǎn)算，并輸出與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號。轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電動勢幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速高則幅值大，轉(zhuǎn)速低則幅值小。在低轉(zhuǎn)速時，由于電動勢幅值低，干擾往往會淹沒正常信號，導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速無法測量。

前置信號處理模塊電路原理如圖6所示。

圖6 前置信號處理模塊電路原理框圖Fig.6 Circuit principle diagram of pre signal processing module

傳感器的感應(yīng)電壓通過同軸電纜輸入給前置信號處模塊。低通濾波器用于過濾信號高于測量頻率的干擾信號。運(yùn)算放大器用于對輻值進(jìn)行調(diào)整。閾值判斷電路則將信號轉(zhuǎn)換成電平信號。處理器運(yùn)行轉(zhuǎn)速測量算法，經(jīng)軟件濾波和周期計數(shù)獲得測量轉(zhuǎn)算。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字量值轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出給控制系統(tǒng)。

閾值根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。事實上，由于轉(zhuǎn)機(jī)上金屬部件的干擾，在正常轉(zhuǎn)速信號的基礎(chǔ)上會疊加一個有規(guī)律的小幅值信號，經(jīng)運(yùn)算放大器電路放大后會高于閾值判斷電路，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速計算有誤。圖7給出了運(yùn)算放大電路放大干擾信號示意圖。圖7中：H2為高值;H1為低值。

圖7 運(yùn)算放大電路放大干擾信號示意圖Fig.7 Schematic diagram of operation amplification circuit amplifying interference signal

為提升轉(zhuǎn)速測量的準(zhǔn)確度，對不同轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一定值時，默認(rèn)轉(zhuǎn)速輸出為0，以防止干擾信號帶有錯誤值。穩(wěn)定運(yùn)行工況時，此時傳感器幅值信號穩(wěn)定，此時采用圖5中1∶1運(yùn)算放大電路信號進(jìn)行運(yùn)算，從源頭上避免了放大后干擾信號的誤計算。

4.2 軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)速測量算法采用周期法[7]，以保持較好響應(yīng)速度。記錄兩個下降沿之間的時間間隔為T。信號周期檢測算法如圖8所示。

圖8 信號周期檢測算法Fig.8 Signal period detection algorithm

A(n)=I(n)

(3)

B(n+1)=A(n)

(4)

(5)

T=N×TCLK

(6)

周期計算的核心為檢查信號處理電路輸出的方波信號下降沿?；诨镜臅r序電路，CLK為時鐘，保持足夠高的分辨率，其脈沖寬度為TCLK。

周期檢測算法基于FPGA或CPU實現(xiàn)。由于處理芯片的使用，在算法中可以加入必要濾波算法[8]。

5 結(jié)論

本文從環(huán)境要求、系統(tǒng)設(shè)計、傳感器選擇和前置信號處理模塊四方面入手，闡述了輻照環(huán)境下轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計。選擇耐輻照的轉(zhuǎn)換傳感器以應(yīng)對電離輻射的影響，對電離輻照敏感的電子處理部件則安裝在和緩環(huán)境。前置信號處理模塊的關(guān)鍵在于針對低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行區(qū)分設(shè)計，并基于大規(guī)模處理芯片進(jìn)行實現(xiàn)。本文闡述的輻照環(huán)境下轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計已在核電廠反應(yīng)堆廠房的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)得到應(yīng)用。