一種反應堆冷卻劑泵轉速測量方法的研究

王 松，劉明星，丁 捷，黃起昌

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

反應堆冷卻劑泵作為一回路的壓力邊界設備，是反應堆冷卻系統中唯一的能動設備[1]，其作用是推動反應堆冷卻劑循環，將反應堆內產生的熱能，通過蒸汽發生器將能量傳遞到二回路系統中[2]。在反應堆冷卻劑泵的運行過程中，需要對振動、位移、轉速、溫度等物理量進行監測，其中轉速信號是反應堆冷卻劑泵的重要參數。轉速的監測對于反應堆的安全運行具有重要意義。因此，要求轉速的測量設備具有高精度、高穩定性的特點。

1 冷卻劑泵傳感器的基本類型

圖1 裝置整體框圖Fig.1 Block diagram of the device

冷卻劑泵的轉速測量傳感器采用的是非接觸式傳感器，根據工作原理的不同主要分為渦流式和磁阻式兩種[3]。

渦流式傳感器是一種有源非接觸式電磁傳感器，利用高頻的交流電壓通過線圈產生磁場，當線圈靠近金屬導體時，線圈產生的磁鏈穿過金屬導體，在表面感應形成一個渦流，感應渦流產生的磁場通過線圈，形成了互感效應。根據互感原理，互感效應的強弱，取決于金屬的材料和金屬導體之間的距離。當金屬材料固定時，感應電壓僅取決于金屬導體時間的距離。在轉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方向放置。渦流探頭的位置固定，當金屬圓盤轉動時，齒頂和齒底分別經過渦流探頭，由于齒頂和齒底與渦流探頭的距離不同，產生的感應電壓的大小也不同。因此，在齒頂和齒底交替通過渦流探頭時會產生脈沖信號，通過脈沖的計數值可以換算出冷卻劑泵的轉速。

磁阻式傳感器是一種無源非接觸式電磁傳感器。通過齒輪盤的旋轉，在傳感器探頭的鐵芯上產生感應電動勢。根據電磁感應定律可知，感應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[4]。當探頭材料固定時，感應電動勢的大小取決于鐵芯與齒輪盤的距離，以及齒輪盤的轉動速率（即磁通的變化率）。當齒輪盤的齒頂靠近傳感器探頭時，產生的感應電動勢大；當齒底靠近傳感器探頭時，產生的感應電動勢小。因此，在齒頂和齒底交替接近傳感器探頭時，會產生一個脈沖信號，并且當齒輪盤轉速高的時候，脈沖信號的幅值高，齒輪盤轉速低的時候脈沖信號的幅值低。

無論是渦流式傳感器，還是磁阻式傳感器輸出的信號都是模擬的脈沖信號，必須對信號進行調理，轉換為方波信號后進行數字化處理。目前常用的方法是將脈沖信號進行F/V 變換，再經過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的轉速。

2 測量方法的總體設計

本文討論的反應堆冷卻劑泵轉速測量裝置包括：通道調理電路、控制電路、通信電路、診斷電路。調理電路對輸入的脈沖信號進行信號調理，將脈沖信號轉換為方波信號，方波信號由控制電路進行測頻和數據轉換，同時通過診斷電路進行對比診斷，將診斷后的有效數據通過通信電路上傳至保護系統主控模塊。總體設計和接口如圖1 所示。

圖2 調理電路整體框圖Fig.2 Block diagram of conditioning circuit

圖3 輸入接口電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of input interface

3 調理電路的設計

根據脈沖信號的產生原理可知，傳感器探頭產生的信號為類似于正弦的脈沖信號，需要對信號進行調理后轉換為方波脈沖信號進行計數或者計頻。信號調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、觸發電路、隔離電路等部分組成，如圖2 所示。

◇ 輸入接口電路

由于傳感器輸出的信號在傳輸的過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，對直流信號進行隔離。隔離后的交流信號進行無源濾波，電路原理如圖3 所示。

通過電容后的脈沖信號經過π 濾波電路，將高頻信號濾除，根據實際泵的轉速和對于齒輪盤的結構不同，產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成，如果將濾波頻率設計過低，會對響應時間造成影響。因此，前端的濾波器的截止頻率設計為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行濾波，可以達到較高的響應時間。

在濾波電容的兩端并聯正反兩個二極管，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100V?？梢詫⑤斎氲拿}沖信號的幅值進行鉗位，避免對后級器件造成損壞。

◇ 差分放大及有源濾波電路

圖4 差分放大及有源濾波電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of differential amplification and active filtering circuits

現場傳感器輸出的脈沖信號是一對差分信號（浮地），需要將差分信號轉換為單端信號，由于輸入接口進行了鉗位，在差分信號轉單端信號的同時對信號進行放大，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行放大，放大后的信號經過有源濾波器進行濾波，電路原理如圖4 所示。

儀表放大器采用±15 供電，保證可以正負信號輸出。儀表放大器可以通過外部電阻對放大倍數進行設置，放大倍數設置在3 ～5 倍。設置值過大，儀表放大器無法正常輸出脈沖波形，可能導致脈沖波形失真，同時倍數過大會導致偏置電壓、增益誤差等指標變差。

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、品質因數等參數。根據實際的需要將截止頻率設置在1.1kHz，增益設置為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之間的電氣隔離，選擇隔離開關電源為儀表放大器和運算放大器進行供電，同時在靠近芯片的供電管腳增加π 濾波器，減小開關電源的噪聲和紋波對芯片的影響。

◇ 積分電路

在使用磁阻式傳感器的過程中，隨時間的推移，感應線圈或者永磁體的性能可能發生變化，另外由于軸在旋轉的過程中存在振動，導致傳感器輸出存在干擾波形或者畸變波形，對測量的準確性造成影響[3]。

為了消除或者降低這種影響，電路中設計一級積分電路，對干擾波形進行平滑處理，方便后面進行電壓比較。積分電路的原理如圖5 所示，在積分電容上并聯一個二極管，只處理正半周的波形，防止積分是負半周的同時積分，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行翻轉為正向脈沖信號。

◇ 比較電路和隔離電路

經過積分和反相器輸出的脈沖信號通過比較器的閾值比較，將脈沖信號轉換為方波信號，方波信號再經過光耦進行信號的電氣隔離，將通道信號轉換為系統信號，FPGA對方波信號進行測頻，根據齒輪盤的齒數，可以計算出冷卻劑泵的轉速。電路原理如圖6 所示。

圖5 積分電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of integrating circuits

圖6 比較電路和隔離電路示意圖Fig.6 Schematic diagram of compare and isolate circuits

比較器的參考電壓信號由DAC 芯片提供，DAC 輸出值由FPGA 通過通信總線進行控制，DAC 輸出的電壓經過電阻分壓至比較器的負端。為了避免傳感器探頭長時間使用后波形畸變，導致門限電平需要進行相應的改變，預留了調試接口，可以通過外部的串口經過接口芯片對門限電平進行從新設置，增加了電路的壽命和適應性。

4 采集系統設計

目前常見的冷卻劑泵轉速的測量方法是通過前置器將轉速信號轉換為對應的4mA ～20mA 模擬量信號輸出至反應堆保護系統[4]。反應堆保護的模擬量采集裝置再對4mA ～20mA 量信號進行采集，得到冷卻劑泵的轉速值。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行模擬量采集。因此，在轉換和采集的過程中都存在誤差，經過幾級的誤差累積，導致最后采集轉速的精度降低，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，在調理電路中直接通過光耦進行電氣隔離，不用將頻率信號轉換為電流信號輸出，直接對頻率信號進行測量。轉速的脈沖信號屬于低頻信號，因此采用測頻法對轉速脈沖的頻率進行測量[5]，通過齒輪盤的齒數，將頻率轉換為轉速，將測量的轉速值通過通信接口直接上傳至保護系統的主控模塊。在保證充分隔離的條件下，既簡化了鏈路，又提高了精度。

5 冗余及診斷設計

為了提高裝置的可用性，在裝置中增加了冗余設計，包括供電冗余和通道冗余。

采用兩路24V 進行供電，當一路供電出現故障時，裝置的工作不受影響。

設置兩路輸入通道，同時對脈沖信號進行對比診斷。當兩路冗余通道的采集值相差超過精度時，兩路通道的數據均無效；當兩路通道采集的數據差值在誤差范圍內，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留了定期試驗的輸入接口，通過開關進行切換，由工作狀態切換至定期試驗狀態。通過定期試驗對板卡的精度進行檢測，確保板卡的可靠性。

6 結束語

本文設計的反應堆冷卻劑泵轉速測量裝置，針對目前常用的磁阻式傳感器和渦流式傳感器采集的主泵脈沖信號進行測量。對現有的測量方式進行了改進，縮短了信號傳輸的鏈路，提高了采集精度，經過實際測量，在0℃～55℃的溫度范圍內，裝置測量的精度優于±0.05%。