核測(cè)量設(shè)備調(diào)試及故障處理研究

孫 琦 張 蕓 張洧川 李 昱 黃 軻

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 前言

中國(guó)工程試驗(yàn)堆是根據(jù)我國(guó)核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展及工程應(yīng)用需要建設(shè)的高性能、 多用途、 高安全性的高通量工程試驗(yàn)堆[1]。 核測(cè)量系統(tǒng)是儀控系統(tǒng)的重要組成部分， 能夠通過(guò)測(cè)量中子注量率得到反應(yīng)堆核功率及其變化[2]。 中子注量率變化范圍高達(dá)13 個(gè)數(shù)量級(jí)，需要3 個(gè)量程的儀表才能完全覆蓋， 每個(gè)量程的儀表測(cè)量原理不同， 因此系統(tǒng)組成復(fù)雜， 調(diào)試需要根據(jù)不同的量程制定不同的方案。 核測(cè)量設(shè)備的調(diào)試是核測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容， 通過(guò)調(diào)試能夠發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷，使測(cè)量設(shè)備達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。

1 核測(cè)量設(shè)備組成

工程試驗(yàn)堆核測(cè)量設(shè)備包含源量程、中間量程、功率量程三個(gè)區(qū)段， 每個(gè)區(qū)段均由一次儀表、 電纜及二次儀表組成， 文章主要針對(duì)二次儀表的調(diào)試。 二次儀表由高壓?jiǎn)卧?放大單元、 處理單元、 模擬量輸入單元、開關(guān)量輸入單元、模擬量輸出單元、開關(guān)量輸出單元、通訊單元、低壓?jiǎn)卧M成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 低壓?jiǎn)卧獮闄C(jī)箱供電， 高壓?jiǎn)卧獮橐淮蝺x表提供高壓，放大單元將一次儀表的電信號(hào)進(jìn)行放大由模擬量輸入單元采集后傳輸至處理單元， 開關(guān)量輸入單元采集設(shè)備開關(guān)量狀態(tài)變化， 如工作模式切換、 高壓的開閉等傳輸至處理單元， 處理單元將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)率、功率電流等傳輸至輸出單元， 由通訊單元傳遞至本機(jī)顯示單元及保護(hù)、功調(diào)等系統(tǒng)。

圖1 核測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)備調(diào)試準(zhǔn)備

2.1 調(diào)試文件準(zhǔn)備

在進(jìn)行設(shè)備調(diào)試前，需要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。 針對(duì)調(diào)試的每一個(gè)插件、 機(jī)箱需要準(zhǔn)備相應(yīng)的調(diào)試文件， 首先要根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)調(diào)試大綱，需要對(duì)所有相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。 同時(shí)， 調(diào)試大綱中應(yīng)規(guī)定設(shè)備調(diào)試環(huán)境， 如溫度濕度等， 對(duì)設(shè)備的調(diào)試步驟進(jìn)行明確， 應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的記錄表格對(duì)環(huán)境條件、測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。 需要準(zhǔn)備電裝工藝文件，方便調(diào)試過(guò)程中查找元器件規(guī)格型號(hào)及接線檢查工作。 針對(duì)插件調(diào)試， 需要準(zhǔn)備相應(yīng)的電路原理圖， 方便調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行故障檢測(cè)等。

2.2 調(diào)試場(chǎng)地準(zhǔn)備

由于核測(cè)量設(shè)備測(cè)量的信號(hào)非常微弱， 因此設(shè)備對(duì)干擾比較敏感， 在調(diào)試過(guò)程中部分項(xiàng)目需要打開屏蔽盒進(jìn)行測(cè)量， 因此核測(cè)量設(shè)備調(diào)試的場(chǎng)地需要有較好的電磁環(huán)境。 應(yīng)檢查調(diào)試場(chǎng)地的電源， 排除漏電風(fēng)險(xiǎn)， 保持調(diào)試場(chǎng)地的干凈整潔， 附近無(wú)電氣焊等影響較大的作業(yè)。

2.3 調(diào)試設(shè)備準(zhǔn)備

調(diào)試人員應(yīng)提前準(zhǔn)備好需要進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備，以及配試的接線、元器件等，搭建好調(diào)試環(huán)境。 在進(jìn)行高壓?jiǎn)卧恼{(diào)試時(shí)， 需準(zhǔn)備電位器調(diào)試工具、 帶鱷魚夾的接線等。 進(jìn)行放大單元的調(diào)試時(shí)， 需要準(zhǔn)備焊接撥碼開關(guān)以便進(jìn)行量程切換。 調(diào)試人員應(yīng)準(zhǔn)備供電用背板，并焊接好相應(yīng)連線。

2.4 調(diào)試儀表準(zhǔn)備

設(shè)備調(diào)試時(shí)需借助相應(yīng)的儀表才能對(duì)絕緣及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，因此，在進(jìn)行調(diào)試工作前，調(diào)試人員應(yīng)準(zhǔn)備好需要使用的儀表。 儀表主要包含： 絕緣測(cè)試儀表，如萬(wàn)用表、兆歐表等；供電用儀表，如直流電源表；信號(hào)發(fā)生用儀表，包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、微電流源，技術(shù)指標(biāo)測(cè)試用儀表， 萬(wàn)用表用于測(cè)試輸出電壓， 真空毫伏表和模擬示波器用于測(cè)試紋波， 數(shù)字示波器用于測(cè)量電路響應(yīng)時(shí)間。

3 調(diào)試方法與步驟

完成文件及設(shè)備的準(zhǔn)備工作后， 需要進(jìn)行具體的調(diào)試。 一般的調(diào)試步驟都需要先進(jìn)行目視檢查， 再進(jìn)行絕緣檢查， 接下來(lái)進(jìn)行通電檢查， 最后進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試[3]。 按設(shè)備結(jié)構(gòu)分類，應(yīng)先進(jìn)行模塊調(diào)試，再進(jìn)行單元調(diào)試，組后組裝機(jī)箱進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。

3.1 高壓?jiǎn)卧{(diào)試

在進(jìn)行具體調(diào)試前，先進(jìn)行目視檢查，主要檢查有無(wú)多焊、漏焊元器件，基本走線有無(wú)錯(cuò)誤，可以對(duì)照電裝工藝文件及電路原理圖進(jìn)行檢查。 完成目視檢查后，需要進(jìn)行絕緣測(cè)試，使用萬(wàn)用表測(cè)量+15V 對(duì)地的電阻、-15V 對(duì)地的電阻， 使用兆歐表測(cè)量信號(hào)地與插件地間的電阻，要求+15V 對(duì)地的電阻、-15V 對(duì)地的電阻大于100Ω，信號(hào)地與插件地間的電阻大于10MΩ。完成絕緣測(cè)試后進(jìn)行通電檢查， 觀察有無(wú)異常現(xiàn)象出現(xiàn)，如是否存在冒煙、冒火花等情況，是否有異味，使用直流電源DP831A 可以查看電路功耗是否正常，如存在功耗過(guò)高的情況需要進(jìn)行逐級(jí)分析， 用手觸碰元器件是否發(fā)燙。 如果有異常現(xiàn)象出現(xiàn)， 應(yīng)該立即切斷電源，排查故障，待問題解決后方可重新通電觀察。 使用萬(wàn)用表測(cè)量輸出端的電壓值， 真空毫伏表測(cè)量電路的紋波有效值，模擬示波器測(cè)量紋波峰-峰值。 輸出端接電阻測(cè)試電路帶負(fù)載能力， 電阻的選取需要考慮功耗，利用歐姆定律計(jì)算其功率，避免超限。

3.2 源量程放大單元調(diào)試

參照高壓?jiǎn)卧{(diào)試進(jìn)行目視檢查。 使用萬(wàn)用表測(cè)量低壓電源處對(duì)地電阻， 完成絕緣測(cè)試后進(jìn)行通電檢查，通電檢查半小時(shí)。 通電檢查無(wú)故障情況下，關(guān)閉電源開關(guān)， 接如脈沖信號(hào)發(fā)生器， 利用模擬示波器觀察各級(jí)放大波形，調(diào)節(jié)電位器使信噪比達(dá)到最佳狀態(tài)。用脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz 的脈沖信號(hào)，讀取顯示屏上的計(jì)數(shù)率并記錄，利用脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同幅度的正弦波信號(hào)， 觀察顯示屏上的計(jì)數(shù)率并記錄。 利用數(shù)字示波器測(cè)量電路響應(yīng)時(shí)間。

3.3 中間量程、功率量程放大單元調(diào)試

首先進(jìn)行目視檢查， 然后進(jìn)行絕緣檢查， 絕緣檢查完畢后通電半小時(shí)。 通電檢查無(wú)故障情況下， 使用微電流源產(chǎn)生電流信號(hào)， 逐級(jí)測(cè)量電路的輸出電壓并記錄。 利用數(shù)字示波器測(cè)量電路響應(yīng)時(shí)間。

4 故障處理

在核測(cè)量設(shè)備調(diào)試過(guò)程中， 遇到的故障一般為元器件失效、焊接失誤、設(shè)計(jì)差錯(cuò)、及干擾問題。 元器件失效通常會(huì)使電源短路， 比較容易發(fā)現(xiàn)； 焊接失誤可能導(dǎo)致電路部分燒毀， 需要詳細(xì)檢查； 設(shè)計(jì)差錯(cuò)一般只能通過(guò)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)； 干擾問題排查起來(lái)比較復(fù)雜，一般通過(guò)良好接地、蓋屏蔽盒、調(diào)節(jié)甄別閾等方式解決。 遇見故障時(shí)，可進(jìn)行器件摘除、替代，或焊接調(diào)試線等方式解決。

4.1 元器件失效

在進(jìn)行源量程放大插件通電檢查過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)異響， 切斷電源后進(jìn)行排查。 首先檢查電路絕緣性能，發(fā)現(xiàn)+3.3V 與地短路，由于+3.3V 向數(shù)字部分供電， 因此判斷數(shù)字部分出現(xiàn)故障。 目視檢查電容未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象， 使用排除法逐一摘除集成芯片， 摘除集成芯片應(yīng)遵循先易后難的原則， 先摘除容易焊接的芯片，當(dāng)摘除芯片RM48L952DZWT 后，電源對(duì)地絕緣恢復(fù)正常， 檢查發(fā)現(xiàn)芯片已失效， 更換新的芯片后，+3.3V 對(duì)地電阻為12.736kΩ。

4.2 焊接失誤

對(duì)功率量程放大插件進(jìn)行調(diào)試時(shí)， 出現(xiàn)電路功能無(wú)法滿足要求的情況， 經(jīng)調(diào)試人員分析后需要更換電阻規(guī)格，其中一個(gè)電阻更換為22Ω，另一個(gè)電阻更換為51kΩ。 修改焊接完成，經(jīng)過(guò)絕緣檢查后通電，被修改部分冒煙， 檢查后發(fā)現(xiàn)焊接人員誤將兩個(gè)電阻焊反，導(dǎo)致二極管被燒毀。 因此，在電路修改焊接后，不能直接通電，需要檢查元器件焊接是否正確，包括焊接位置、器件規(guī)格型號(hào)、有無(wú)虛焊現(xiàn)象等。

4.3 設(shè)計(jì)變更

在高壓?jiǎn)卧{(diào)試過(guò)程中， 采樣電壓期望值為8.3V，實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)采樣電壓不足1V。 首先測(cè)量高壓輸出500V，結(jié)果正常；然后對(duì)照電路圖逐段測(cè)量分壓電路， 發(fā)現(xiàn)分壓電路與后面運(yùn)放輸入端接地電阻存在并聯(lián)情況，摘除該電阻后，電路恢復(fù)正常。 在調(diào)試過(guò)程中， 遇到問題應(yīng)對(duì)照電路圖在有故障的線路逐級(jí)排查、計(jì)算。

功率放大單元放大電路的反饋電阻由3 個(gè)大小不同的電阻組成，分別是2MΩ、750kΩ、300kΩ，輸入電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 發(fā)現(xiàn)僅有750kΩ 檔位測(cè)量值準(zhǔn)確，2MΩ檔位測(cè)量值偏小，300kΩ 檔位測(cè)量值偏大。 判斷是電阻設(shè)計(jì)阻值有誤，經(jīng)過(guò)與電路圖對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2MΩ 和300kΩ 的 阻 值 在 設(shè) 計(jì) 時(shí) 存 在 偏 差，2MΩ 處 應(yīng) 焊 接300kΩ 電 阻，300kΩ 處 應(yīng) 焊 接2MΩ 電 阻。

功率放大電路設(shè)置有功率補(bǔ)償， 用于對(duì)功率的校準(zhǔn)， 調(diào)試時(shí)要求測(cè)量補(bǔ)償電路的電壓范圍， 實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電壓為0。 測(cè)量發(fā)現(xiàn)，原本應(yīng)接電源的位置電壓即為0，說(shuō)明電路未接電源，進(jìn)行修改后，電路輸出電壓范圍正常。 在調(diào)試過(guò)程中，遇見輸出為0 的情況，應(yīng)該從電源處開始檢查。

4.4 干擾問題

源量程電路需要輸入按一定周期變化的信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)試，在連接周期信號(hào)儀后，電路出現(xiàn)較大干擾。在加蓋屏蔽盒、機(jī)箱接地后，干擾仍無(wú)法消除。 去除周期信號(hào)儀，干擾消失，由此判斷干擾由周期信號(hào)儀引入，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)為周期信號(hào)的供電的電源線地線缺失，更換電源線后，干擾消除。在核測(cè)量電路的調(diào)試過(guò)程中，要特別注意電磁干擾的影響，與核測(cè)量設(shè)備連接的供電設(shè)備或信號(hào)源均應(yīng)良好接地， 必要時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)甄別閾，當(dāng)出現(xiàn)較大干擾時(shí)， 應(yīng)按照從機(jī)箱到連接設(shè)備的順序，逐級(jí)排查，確定干擾源，以便進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)核測(cè)量設(shè)備的測(cè)試精度要求越來(lái)越高，設(shè)備的調(diào)試的作用也愈發(fā)明顯， 在升級(jí)換代的過(guò)程中，調(diào)試能反映出設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問題， 有利于設(shè)備的改良。 在調(diào)試過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照調(diào)試步驟進(jìn)行，調(diào)試人員需要掌握一定理論知識(shí)， 熟悉電路原理， 提前了解一些常見問題及解決方法。 在故障電路周圍逐級(jí)排查，對(duì)于干擾問題需要由點(diǎn)及面，進(jìn)行系統(tǒng)排查。 針對(duì)高通量工程試驗(yàn)堆的調(diào)試過(guò)程， 總結(jié)了核測(cè)量設(shè)備的一般調(diào)試方法， 對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析， 列出了故障解決措施，為核測(cè)量設(shè)備的調(diào)試提供一定參考。