堆芯儀表微電流信號采集系統設計

張健鵬 匡紅波 薛泓元 謝晶晶

摘 要：根據堆芯儀表系統信號采集的特殊需求，提出了系統設計方案。針對采集系統最為關鍵的放大電路設計問題，通過比較不同電路的優缺點，選取了T型電阻網絡來實現微電流的放大。此外，對信號采集系統上位機軟件的功能進行了簡要介紹。

關鍵詞：堆芯儀表;信號采集;運算放大器;微電流信號

0 引言

堆芯儀表系統通過自給能探測器監測堆芯數據，自給能探測器（SPD）在反應堆堆芯呈軸向和徑向分布，連續測量每個探測器周圍直接正比于反應堆功率密度的中子注量率信號，測得的中子注量率信號經過處理，生成連續的三維反應堆堆芯功率分布圖。

如圖1所示，自給能探測器由發射體、絕緣體、信號芯線和收集極/外殼、端部密封塞組成[1]。自給能探測器的發射體一般由釩、銠等材料制成，位于探測器中心，其中子活化截面較高。發射體受到一定中子能譜的中子激發后釋放電子，電子經過絕緣體到達收集極/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器的電流信息，可以建立反應堆堆芯的功率分布圖。本文將根據堆芯儀表的特殊需求，開展微電流信號采集系統的方案設計。

1 信號采集系統需求

為減少貫穿件數量，CAP1400機組在安全殼內布置2個信號采集機柜，連續采集反應堆內布置的336個自給能中子探測器產生的微電流信號，轉換成數字格式后以通信方式送往安全殼外的應用服務器，生成堆芯功率分布圖。

自給能探測器的信號輸出范圍為-200～4 800 nA，為確保連續生成精準的堆芯功率分布圖，在正常運行環境下（25 ℃），測量精度應≤±0.625 nA，信號采集頻率不小于1 s。同時，考慮到電纜產生的泄漏電流，還需要進行泄漏電阻檢測，對采集的電流進行修正。

布置于安全殼內的堆芯儀表信號采集設備，需要連續穩定地運行不少于1個換料周期，同時還需考慮高溫、高濕、輻照等環境因素的影響，因此該信號采集設備必須具備較高的可靠性。

2 信號采集系統方案設計

2.1 ? ?放大器板卡設計

堆芯儀表系統信號采集機柜設置3個機箱，機箱由放大器板卡、通信鏈路板卡、機箱背板總線等部件組成。每個放大器板卡組件設置8路互相獨立的信號采集通道，將微電流信號通過同軸電纜，送往板卡組件上的BNC接口。微電流信號經過放大后，經A/D轉換生成數字格式，通過光電隔離模塊送往CPU，進行打包后，再通過2路相互冗余的通信接口向外輸出。

如圖2所示，放大器板卡同時集成了過壓保護、泄漏電阻測試電路、調零測試等功能，可通過測試接口注入測試信號，對各采集通道進行檢查和測試。

2.2 ? ?放大電路設計

為確保微電流信號的采集精度，放大電路設計是關鍵，可通過不同電路對微電流信號進行放大，并對比不同放大電路的優缺點，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電流信號進行信號放大[2]。自給能傳感器信號電流通過跨阻電路，將微弱的電流信號放大，并轉換為電壓信號，作為A/D轉換電路的輸入信號。

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

電路輸出電壓與被測電流的關系：

Vout=-[Iin（t）-IiB]·Rf （1）

式中：Vout為輸出電壓，當滿足IiB

為了提高微弱電流測量靈敏度，應增大跨接電阻Rf，但跨接電阻太大時，偏置電流對放大器輸出信號Vout影響明顯，影響測量精度。同時，電阻較大時，信號穩定性較差、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，可通過電容積分放大電路轉換為電壓信號，經過濾波、A/D轉換后，通過信號處理設備進行信號采集。

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

電路輸出電壓與被測電流的關系：

根據公式（3），為了提高微弱電流測量靈敏度，應減小積分電容，或者增加積分時間。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，只能通過延長積分時間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律，當積分時間無窮大時，噪聲的平均值趨向于0。因此，增大積分時間T，對線路中的噪聲具有抑制作用。然而，積分時間T的延長，降低了測量系統的實時性，無法對信號進行快速測量。同時，由于電容積分量的增加，電容需要更長的時間進行放電，因此電容充-放電的切換過程中會丟失部分電荷信息，降低測量精度。

2.2.3 ? ?T型電阻放大電路

采用高阻值電阻時，信號熱噪聲較大，溫漂性能較差，影響放大電路的線性度。可考慮采用T型電阻網絡，通過較小阻值電阻，獲得較大的放大倍數，同時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組成的電阻網絡實現。

通過推導，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型反饋網絡，獲得了高達1 MΩ的反饋電阻，同時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和放大精度之間的矛盾。T型電阻網絡實現簡單，采用的元器件比較廉價，因此可以替代性能較好、價格較高的高阻值電阻，用于微弱電流信號的放大[7]。綜上所述，堆芯儀表系統可采用T型電阻網絡實現微電流信號的放大。

2.3 ? ?信號采集軟件設計

為了實現信號采集的人機交互，本設計開發了數據采集上位機軟件，以實現數據采集、顯示和存儲，以及采集系統通道檢查、A/D轉換器零位檢查、泄漏電阻檢查等人機交互功能。數據采集上位機軟件主界面如圖6所示。

上位機軟件通過基于TCP/IP的Modbus協議與信號采集系統進行通信。在進行Modbus通信時，信號機箱作為服務器，上位機軟件作為客戶端，客戶端可對服務器進行讀寫操作?？蛻舳丝梢圆捎貌煌闹芷趯Ψ掌髦械膫鞲衅鞑杉瘮祿?、設備及通道狀態數據進行連續讀取并定時保存，該讀取周期可在客戶端進行設置?？蛻舳丝蓪Ω魍ǖ肋M行泄漏電阻檢測，并對檢測結果進行記錄，記錄結果應包含時間信息。客戶端可對信號采集機箱發起通道校準及標定等操作，還可下載保存于IIS機箱內的所有通道數據并進行數據存檔。

3 結語

本文針對堆芯儀表微電流信號采集需求，提出了信號采集系統設計方案，通過對不同放大電路的優缺點比較，確定采用T型電阻網絡實現微電流信號放大的方案。針對信號采集需求，開發了微電流信號采集上位機軟件，通過與采集系統的Modbus通信，實現數據采集人機交互。本系統經過測試與驗證，達到了預期性能，本系統應用于堆芯儀表堆上試驗的數據采集，為核電關鍵設備的國產化貢獻了力量。

[參考文獻]

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[5] 劉鵬民，莫德舉，洪峰.T型反饋電阻網絡在微弱信號放大電路中的應用[J].電測與儀表，1999（12）：31-32.

[6] 嚴剛峰.運算放大器的穩態誤差分析[J].成都大學學報（自然科學版），2015，34（3）：277-279.

[7] 張健鵬.自給能探測器微電流放大電路設計[J].數字技術與應用，2018，36（12）：126-127.

收稿日期：2020-11-19

作者簡介：張健鵬（1985—），男，浙江義烏人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：核電電氣儀控系統設計。