堆芯儀表微電流信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張健鵬 匡紅波 薛泓元 謝晶晶

摘 要：根據(jù)堆芯儀表系統(tǒng)信號(hào)采集的特殊需求，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)采集系統(tǒng)最為關(guān)鍵的放大電路設(shè)計(jì)問題，通過比較不同電路的優(yōu)缺點(diǎn)，選取了T型電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)微電流的放大。此外，對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件的功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：堆芯儀表;信號(hào)采集;運(yùn)算放大器;微電流信號(hào)

0 引言

堆芯儀表系統(tǒng)通過自給能探測(cè)器監(jiān)測(cè)堆芯數(shù)據(jù)，自給能探測(cè)器（SPD）在反應(yīng)堆堆芯呈軸向和徑向分布，連續(xù)測(cè)量每個(gè)探測(cè)器周圍直接正比于反應(yīng)堆功率密度的中子注量率信號(hào)，測(cè)得的中子注量率信號(hào)經(jīng)過處理，生成連續(xù)的三維反應(yīng)堆堆芯功率分布圖。

如圖1所示，自給能探測(cè)器由發(fā)射體、絕緣體、信號(hào)芯線和收集極/外殼、端部密封塞組成[1]。自給能探測(cè)器的發(fā)射體一般由釩、銠等材料制成，位于探測(cè)器中心，其中子活化截面較高。發(fā)射體受到一定中子能譜的中子激發(fā)后釋放電子，電子經(jīng)過絕緣體到達(dá)收集極/外殼，形成與中子通量成正比的電流。因此，通過采集自給能探測(cè)器的電流信息，可以建立反應(yīng)堆堆芯的功率分布圖。本文將根據(jù)堆芯儀表的特殊需求，開展微電流信號(hào)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

1 信號(hào)采集系統(tǒng)需求

為減少貫穿件數(shù)量，CAP1400機(jī)組在安全殼內(nèi)布置2個(gè)信號(hào)采集機(jī)柜，連續(xù)采集反應(yīng)堆內(nèi)布置的336個(gè)自給能中子探測(cè)器產(chǎn)生的微電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式后以通信方式送往安全殼外的應(yīng)用服務(wù)器，生成堆芯功率分布圖。

自給能探測(cè)器的信號(hào)輸出范圍為-200～4 800 nA，為確保連續(xù)生成精準(zhǔn)的堆芯功率分布圖，在正常運(yùn)行環(huán)境下（25 ℃），測(cè)量精度應(yīng)≤±0.625 nA，信號(hào)采集頻率不小于1 s。同時(shí)，考慮到電纜產(chǎn)生的泄漏電流，還需要進(jìn)行泄漏電阻檢測(cè)，對(duì)采集的電流進(jìn)行修正。

布置于安全殼內(nèi)的堆芯儀表信號(hào)采集設(shè)備，需要連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行不少于1個(gè)換料周期，同時(shí)還需考慮高溫、高濕、輻照等環(huán)境因素的影響，因此該信號(hào)采集設(shè)備必須具備較高的可靠性。

2 信號(hào)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 ? ?放大器板卡設(shè)計(jì)

堆芯儀表系統(tǒng)信號(hào)采集機(jī)柜設(shè)置3個(gè)機(jī)箱，機(jī)箱由放大器板卡、通信鏈路板卡、機(jī)箱背板總線等部件組成。每個(gè)放大器板卡組件設(shè)置8路互相獨(dú)立的信號(hào)采集通道，將微電流信號(hào)通過同軸電纜，送往板卡組件上的BNC接口。微電流信號(hào)經(jīng)過放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字格式，通過光電隔離模塊送往CPU，進(jìn)行打包后，再通過2路相互冗余的通信接口向外輸出。

如圖2所示，放大器板卡同時(shí)集成了過壓保護(hù)、泄漏電阻測(cè)試電路、調(diào)零測(cè)試等功能，可通過測(cè)試接口注入測(cè)試信號(hào)，對(duì)各采集通道進(jìn)行檢查和測(cè)試。

2.2 ? ?放大電路設(shè)計(jì)

為確保微電流信號(hào)的采集精度，放大電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，可通過不同電路對(duì)微電流信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)比不同放大電路的優(yōu)缺點(diǎn)，確定合適的放大電路。

2.2.1 ? ?跨阻放大電路

一般采用跨阻電路對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大[2]。自給能傳感器信號(hào)電流通過跨阻電路，將微弱的電流信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)。

跨阻放大電路原理如圖3所示，Iin（t）為被測(cè)電流，IiB為放大器輸入偏置電流，Rf為跨接反饋電阻，A為運(yùn)算放大器。

電路輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系：

Vout=-[Iin（t）-IiB]·Rf （1）

式中：Vout為輸出電壓，當(dāng)滿足IiB

為了提高微弱電流測(cè)量靈敏度，應(yīng)增大跨接電阻Rf，但跨接電阻太大時(shí)，偏置電流對(duì)放大器輸出信號(hào)Vout影響明顯，影響測(cè)量精度。同時(shí)，電阻較大時(shí)，信號(hào)穩(wěn)定性較差、熱噪聲較大、溫漂性能明顯，影響放大電路的線性度[3-4]。

2.2.2 ? ?電容積分放大電路

自給能傳感器輸出的微弱電流信號(hào)，可通過電容積分放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，通過信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集。

電容積分放大電路原理如圖4所示，Iin（t）為被測(cè)電流，IiB為放大器輸入偏置電流，C為積分電容，A為運(yùn)算放大器，開關(guān)K1控制積分回路的通斷，K2控制電容進(jìn)行放電復(fù)位。

電路輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系：

根據(jù)公式（3），為了提高微弱電流測(cè)量靈敏度，應(yīng)減小積分電容，或者增加積分時(shí)間。然而由于布線造成的分布電容的影響，電容不可能無限減小，只能通過延長(zhǎng)積分時(shí)間T來提高放大電路的靈敏性。

線路中的熱噪聲及放大器有源噪聲符合高斯分布規(guī)律，當(dāng)積分時(shí)間無窮大時(shí)，噪聲的平均值趨向于0。因此，增大積分時(shí)間T，對(duì)線路中的噪聲具有抑制作用。然而，積分時(shí)間T的延長(zhǎng)，降低了測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速測(cè)量。同時(shí)，由于電容積分量的增加，電容需要更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行放電，因此電容充-放電的切換過程中會(huì)丟失部分電荷信息，降低測(cè)量精度。

2.2.3 ? ?T型電阻放大電路

采用高阻值電阻時(shí)，信號(hào)熱噪聲較大，溫漂性能較差，影響放大電路的線性度。可考慮采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)，通過較小阻值電阻，獲得較大的放大倍數(shù)，同時(shí)避免因采用高阻值電阻引入的誤差和線性度的降低[5-6]。

T型電阻放大電路原理如圖5所示，放大電路的反饋部分通過由R1、R2、R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

通過推導(dǎo)，獲得輸出電壓為：

如式（5）所示，通過選用較小阻值的電阻R1、R2、R3組成的T型反饋網(wǎng)絡(luò)，獲得了高達(dá)1 MΩ的反饋電阻，同時(shí)降低了由于采用高阻值電阻溫度漂移、高噪聲等特性引起的誤差，較好地解決了放大倍數(shù)和放大精度之間的矛盾。T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，采用的元器件比較廉價(jià)，因此可以替代性能較好、價(jià)格較高的高阻值電阻，用于微弱電流信號(hào)的放大[7]。綜上所述，堆芯儀表系統(tǒng)可采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微電流信號(hào)的放大。

2.3 ? ?信號(hào)采集軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的人機(jī)交互，本設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)，以及采集系統(tǒng)通道檢查、A/D轉(zhuǎn)換器零位檢查、泄漏電阻檢查等人機(jī)交互功能。數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件主界面如圖6所示。

上位機(jī)軟件通過基于TCP/IP的Modbus協(xié)議與信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信。在進(jìn)行Modbus通信時(shí)，信號(hào)機(jī)箱作為服務(wù)器，上位機(jī)軟件作為客戶端，客戶端可對(duì)服務(wù)器進(jìn)行讀寫操作?？蛻舳丝梢圆捎貌煌闹芷趯?duì)服務(wù)器中的傳感器采集數(shù)據(jù)、設(shè)備及通道狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)讀取并定時(shí)保存，該讀取周期可在客戶端進(jìn)行設(shè)置?？蛻舳丝蓪?duì)各通道進(jìn)行泄漏電阻檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄，記錄結(jié)果應(yīng)包含時(shí)間信息。客戶端可對(duì)信號(hào)采集機(jī)箱發(fā)起通道校準(zhǔn)及標(biāo)定等操作，還可下載保存于IIS機(jī)箱內(nèi)的所有通道數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)堆芯儀表微電流信號(hào)采集需求，提出了信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)不同放大電路的優(yōu)缺點(diǎn)比較，確定采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微電流信號(hào)放大的方案。針對(duì)信號(hào)采集需求，開發(fā)了微電流信號(hào)采集上位機(jī)軟件，通過與采集系統(tǒng)的Modbus通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集人機(jī)交互。本系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試與驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期性能，本系統(tǒng)應(yīng)用于堆芯儀表堆上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，為核電關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化貢獻(xiàn)了力量。

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收稿日期：2020-11-19

作者簡(jiǎn)介：張健鵬（1985—），男，浙江義烏人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：核電電氣儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。