核級(jí)主泵轉(zhuǎn)速傳感器國(guó)產(chǎn)化研發(fā)

趙宴樓，蔣義權(quán)，侯宇馳，劉 俊，劉桂興，吳科科，楊 芹

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.江蘇利核儀控技術(shù)有限公司，江蘇 江陰 214432）

0 引言

轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，是衡量旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置性能的重要參數(shù)。核電機(jī)組中主泵的轉(zhuǎn)速傳感器用于指示、報(bào)警主泵泵軸轉(zhuǎn)速，是保證主泵安全運(yùn)行的關(guān)鍵儀表。任意一臺(tái)主泵的轉(zhuǎn)速通道經(jīng)過(guò)四取二邏輯選擇后，如果產(chǎn)生反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速低信號(hào)，將觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。因此，監(jiān)測(cè)主泵轉(zhuǎn)速對(duì)保障反應(yīng)堆安全運(yùn)行和主泵設(shè)備安全具有重大意義。

轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有測(cè)頻法、測(cè)周法和頻率周期法[1]。從傳感器的原理上看，轉(zhuǎn)速測(cè)量方法又有光纖干涉法、視頻技術(shù)測(cè)量法、磁電感應(yīng)法等。光纖干涉法分辨率高，但價(jià)格昂貴[2,3]；視頻技術(shù)測(cè)量法抗電磁干擾能力強(qiáng)，但測(cè)量范圍有限，精度也不夠高[4,5]。

磁電感應(yīng)法測(cè)量范圍大、精度高，價(jià)格較便宜，并已經(jīng)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，雖然易受到電磁干擾，但是可以采取相應(yīng)的抗電磁干擾措施保證測(cè)量系統(tǒng)工作在安全環(huán)境。

基于目前國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組主泵的設(shè)計(jì)，很難直接從國(guó)外采購(gòu)到現(xiàn)成的、能與主泵完全匹配的核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器，即使能夠采購(gòu)，其設(shè)備的采購(gòu)成本以及后續(xù)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用將會(huì)十分昂貴，而且將長(zhǎng)期受制于國(guó)外供應(yīng)商，帶來(lái)諸多不便。因此十分有必要進(jìn)行該設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研究，支撐國(guó)內(nèi)核電機(jī)組的自主化建造和供貨。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)難題，本文對(duì)核級(jí)轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速傳感器和前置放大器，解決了此類儀表設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。

1 EM3305N/EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速傳感器是整個(gè)主泵轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速信號(hào)的直接來(lái)源，其性能直接影響了測(cè)量系統(tǒng)的精度。本文根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了兩種傳感器——EM3305N和EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器。這兩種轉(zhuǎn)速傳感器的原理相同，但是由于測(cè)量方式的不同（EM3305N測(cè)量方式為徑向，EM3306N測(cè)量方式為軸向），它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所區(qū)別。工作環(huán)境中存在輻射、電磁騷擾、振動(dòng)等不利因素，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。

1.1 傳感器原理設(shè)計(jì)

EM3305N/EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器均采用無(wú)源變磁通磁電感應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器由鐵芯、線圈和磁鋼組成，其測(cè)量原理如圖1所示。發(fā)訊盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖電壓信號(hào)。

圖1 轉(zhuǎn)速傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of speed sensor

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 EM3305N結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EM3305N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)部分主要由繞組、鐵芯及磁鋼組成。

1）繞組設(shè)計(jì)

繞組主要由骨架體和漆包線組成，漆包線按照一定的規(guī)則繞制在骨架體上，漆包線采用耐高溫、耐輻射的漆包線，采用特殊的線圈繞制工藝，有效屏蔽外部引入的電磁干擾，提高輸出信號(hào)質(zhì)量，防止偽轉(zhuǎn)速信號(hào)；同時(shí)，在不超出設(shè)計(jì)邊界的情況下，盡可能多地增加線圈匝數(shù)，有效地增強(qiáng)信號(hào)輸出，外形示意圖如圖2所示。

圖2 繞組外形示意圖Fig.2 Outline of winding structure

2）鐵芯設(shè)計(jì)

鐵芯安裝于繞組內(nèi)，能增大通過(guò)繞組內(nèi)部的磁通量，鐵芯示意圖如圖3所示。

圖3 鐵芯外形示意圖Fig.3 Outline of iron core

3）磁鋼設(shè)計(jì)

磁鋼是電磁式傳感器的關(guān)鍵器件，合理的尺寸結(jié)構(gòu)可以降低外部干擾。本傳感器采用圓柱體磁鋼，目的是在滿足傳感器輸出條件前提下降低磁場(chǎng)強(qiáng)度，以提高傳感器抗干擾性能。磁鋼示意圖如圖4所示。

圖4 磁鋼外形示意圖Fig.4 Outline of magnetic steel

1.2.2 EM3306N結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EM3306N的感應(yīng)部分同樣主要由繞組、鐵芯及磁鋼組成。

1）繞組設(shè)計(jì)

EM3306N繞組使用的材料與EM3305N的材料相同。繞組示意圖如圖5所示。

圖5 繞組外形示意圖Fig.5 Outline of winding structure

2）鐵芯設(shè)計(jì)

EM3306N繞組使用的材料與EM3305N的材料相同。鐵芯示意圖如圖6所示。

圖6 鐵芯外形示意圖Fig.6 Outline of iron core

3）磁鋼設(shè)計(jì)

EM3306N同樣采用圓柱形磁鋼。磁鋼示意圖如圖7所示。

圖7 磁鋼外形示意圖Fig.7 Outline of magnetic steel

2 TM1151N核級(jí)前置放大器設(shè)計(jì)

前置放大器用于轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)處理，并將處理后的信號(hào)傳輸給反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)及核電站控制系統(tǒng)。前置放大器安裝區(qū)域存在較大的電磁干擾，而前置放大器模塊內(nèi)部模擬電路很容易受到電磁干擾等的影響引起電路中電壓信號(hào)突變，造成觸發(fā)器電路誤動(dòng)作。此外，電源網(wǎng)絡(luò)中雷擊、電網(wǎng)波動(dòng)、人體接觸放電等，都會(huì)對(duì)前置放大器內(nèi)部電路造成損壞。因此，在設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)不僅要滿足處理傳感器的信號(hào)的要求，還需充分考慮這些因素，在電路設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.1 前置放大器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)前置放大器要實(shí)現(xiàn)的功能，將前置放大器模塊劃分為信號(hào)調(diào)理電路和電源電路兩部分。

2.1.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)EMC防護(hù)、分壓限幅、濾波、整形后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的方波信號(hào)，并按照要求，實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào)獨(dú)立輸出。通過(guò)上述電路保證了電路工作在安全環(huán)境下，能夠抵抗電磁干擾以及瞬間大電壓的影響，其原理如圖8所示。

圖8 信號(hào)處理電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of signal processing circuit

1）電磁兼容性能設(shè)計(jì)

前置放大器安裝區(qū)域電磁環(huán)境較復(fù)雜，而前置放大器模塊內(nèi)部模擬電路很容易受到電磁干擾等的影響，容易引起電路中電壓信號(hào)突變，造成觸發(fā)器電路誤動(dòng)作，并且電源網(wǎng)絡(luò)中雷擊、電網(wǎng)波動(dòng)、人體接觸放電等，甚至?xí)?duì)前置放大器內(nèi)部電路造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，在TM1151N核級(jí)前置放大器電路中增加了以下保護(hù)措施，確保前置放大器正常工作。

a）接口抗干擾防護(hù)，原理如圖9所示。

圖9 接口抗干擾防護(hù)原理圖Fig.9 Schematic diagram of interface anti-interference protection

壓敏電阻、電感和瞬態(tài)吸收管組成輸入信號(hào)保護(hù)電路，防止雷擊、浪涌、靜電等瞬間高電壓進(jìn)入信號(hào)處理電路中。電容和共模電感組成干擾信號(hào)吸收電路，防止傳感器電纜感應(yīng)的噪聲進(jìn)入信號(hào)處理電路。肖特基二極管起到限幅作用，有效保證輸入信號(hào)幅值不超過(guò)后級(jí)運(yùn)放工作電壓。

b）交流電源輸入接口保護(hù)電路，原理如圖10所示。

過(guò)流保護(hù)電路主要由自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和熱敏電阻構(gòu)成。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲起過(guò)流保護(hù)，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，自產(chǎn)生的熱量使自身形成高阻狀態(tài)，使工作電流迅速減小，從而對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)；短路解除后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對(duì)電路的保護(hù)，且無(wú)須人工更換可重復(fù)保護(hù)。熱敏電阻起過(guò)流保護(hù)作用，當(dāng)電源啟動(dòng)瞬間，往往有較大的瞬間浪涌電流，串接熱敏電阻可以有效地抑制電源啟動(dòng)瞬間的浪涌電流，并且在完成抑制浪涌充電電流作用后，由于通過(guò)其電流的持續(xù)作用，熱敏電阻的電阻值將降低到很小，消耗的功率可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)正常的工作電流造成影響。

圖10 交流電源輸入接口保護(hù)電路原理圖Fig.10 Schematic diagram of ac power input interface protection circuit

鉗位電路利用壓敏電阻的非線性特性，可以在過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而保護(hù)后級(jí)電路。

電源抗干擾網(wǎng)絡(luò)主要由大電阻及電源濾波器構(gòu)成，可以有效地抑制電源網(wǎng)絡(luò)總的電磁噪聲，減小對(duì)產(chǎn)品的影響，提高產(chǎn)品的抗擾度；同時(shí)降低產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的干擾。

2）低通濾波器設(shè)計(jì)

低通過(guò)濾波器的原理如圖11所示。跟隨器電路可以保證一分為二的兩路信號(hào)相互之間無(wú)影響，二階低通濾波電路可以有效濾除高頻干擾。

圖11 低通濾波器原理圖Fig.11 Schematic diagram of low pass filter

3）可調(diào)閾值電路設(shè)計(jì)

磁阻傳感器的輸出信號(hào)幅值與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，輸出信號(hào)幅值也較低。轉(zhuǎn)速升高后，噪聲幅值基本不變，而轉(zhuǎn)速信號(hào)大于或遠(yuǎn)大于噪聲。因此只要觸發(fā)器電路的觸發(fā)閾值大于噪音信號(hào)，噪聲就無(wú)法觸發(fā)觸發(fā)器電路使其輸出電平翻轉(zhuǎn)，也就不會(huì)有脈沖輸出。但是如果設(shè)置過(guò)高的觸發(fā)閾值，會(huì)導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)也無(wú)法觸發(fā)。因此，本文將前置放大器的觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)成閾值可調(diào)電路，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求最低轉(zhuǎn)速和噪聲，靈活調(diào)整觸發(fā)閾值。TM1151N核級(jí)前置放大器設(shè)計(jì)的閾值可調(diào)觸發(fā)電路如圖12所示。

圖12 可調(diào)閾值電路原理圖Fig.12 Schematic diagram of adjustable threshold circuit

觸發(fā)器電路采用雙閾值觸發(fā)，雙閾值觸發(fā)組成回差電路，可有效消除單一觸發(fā)閾值情況下，噪聲在觸發(fā)閾值周圍來(lái)回波動(dòng)時(shí)引起信號(hào)電平反復(fù)翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提高了輸出信號(hào)穩(wěn)定性。Vth為高觸發(fā)閾值，Vtl為低觸發(fā)閾值，均為正觸發(fā)閾值。調(diào)整時(shí)Vth必須大于Vtl，Vth與Vtl差值越大，回差越大，信號(hào)穩(wěn)定性越好，但Vth與Vtl的取值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致最低轉(zhuǎn)速升高。因此，Vth與Vtl的取值需根據(jù)最低轉(zhuǎn)速時(shí)的信號(hào)幅值和噪聲幅值調(diào)整。

4）信號(hào)調(diào)理部分設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖13所示。通過(guò)調(diào)整外圍器件的參數(shù)，可調(diào)整振蕩器輸出的脈寬。隔離器用于實(shí)現(xiàn)輸入、輸出端信號(hào)隔離。三極管及其外圍器件實(shí)現(xiàn)TTL電平輸出。

圖13 信號(hào)調(diào)理電路原理圖Fig.13 Schematic diagram of signal conditioning circuit

2.1.2 電源電路

電源供電采用AC/DC，DC/DC隔離開(kāi)關(guān)電源方案，使各隔離電路相互間影響盡量小，原理如圖14所示。電源接口及信號(hào)接口增加防雷和EMC等防護(hù)，防止雷擊、浪涌等高電壓進(jìn)入前置放大器內(nèi)部；增加多種濾除共模、差模噪音器件；采用限幅、有源濾波和觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理整形，可與不同靈敏度磁阻式傳感器配套組成轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖14 電源電路原理圖Fig.14 Schematic diagram of power supply circuit

2.2 前置放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TM1151N前置放大器主要由放大器模塊及外殼組成。

1）放大器模塊

放大器模塊殼體選用304不銹鋼板。殼體分為上殼體和底座兩部分，殼體整體形成完整的金屬屏蔽，可以有效地減小電磁干擾對(duì)產(chǎn)品的影響，同時(shí)也可以減小產(chǎn)品對(duì)外的電磁發(fā)射。

2）放大器外殼

放大器外殼采用304不銹鋼板，外殼頂部按要求共有4個(gè)開(kāi)孔，并配有可固定的格蘭頭。將放大器固定在外殼內(nèi)，進(jìn)一步保證了內(nèi)部電路工作在安全環(huán)境中。整個(gè)前置放大器的組裝圖如圖15所示。

圖15 前置放大器組裝圖Fig.15 Diagram of preamplifier assembly

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)速傳感器和前置放大器經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制作完成后，進(jìn)行了相關(guān)的鑒定試驗(yàn)并在試驗(yàn)泵上進(jìn)行了配機(jī)試驗(yàn)，從而保證了其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 鑒定試驗(yàn)

EM3305N/EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳感器鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Qualification test item of sensor

TM1151N核級(jí)前置放大器的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 前置放大器鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Qualification test item of preamplifier

3.2 配機(jī)試驗(yàn)

為更好地驗(yàn)證傳感器的性能，選用了EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器、TM1151N核級(jí)前置放大器和就地轉(zhuǎn)速表接入主泵試驗(yàn)回路，利用主泵的循環(huán)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證轉(zhuǎn)速傳感器及前置放大器的性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

試驗(yàn)表明，就地轉(zhuǎn)速顯示與主控室轉(zhuǎn)速顯示在設(shè)計(jì)要求誤差范圍內(nèi)（誤差由電流遠(yuǎn)傳誤差引入，各測(cè)試點(diǎn)誤差均小于系統(tǒng)要求誤差）。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)傳感器和前置放大器輸出信號(hào)波形、峰值等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data

EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器和TM1151N核級(jí)前置放大器在本次配機(jī)試運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。其中，EM3306N核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)具有較高的信噪比，可實(shí)現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速下的可靠測(cè)量；TM1151N核級(jí)前置放大器具有良好的負(fù)載性能，適用于遠(yuǎn)傳。

本文就國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組主泵的轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了核級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器及核級(jí)前置放大器，其通過(guò)了相關(guān)鑒定試驗(yàn)，打破了國(guó)外的壟斷，有利于設(shè)備的采購(gòu)和維護(hù)，降低了主泵關(guān)鍵設(shè)備在整個(gè)核電站生命周期中的成本，取得了直接的社會(huì)效益。