一种反应堆冷却剂差压变送器转速测量方法的研究

摘 要 ：反应堆冷却剂差压变送器是反应堆冷却系统的非常好能动设备，在一回路中具有重要的作用。既是一回路压力边界，同时也承担着反应堆冷却剂循环等核安全和非核安全的双重作用。因此，对反应堆冷却剂差压变送器的运行参数的检测也十分重要。其中，转速是反应堆冷却剂差压变送器一个重要的运行参数，表征着差压变送器的主要功能是否正常。因此，对反应堆冷却剂差压变送器转速的测量十分重要。本文介绍了一种反应堆冷却剂差压变送器转速的测量装置，对主差压变送器输出的脉冲信号进行测量。该装置具有精度高，响应时间短，可靠性高等优点，可以用于核电厂反应堆以及船用反应堆的冷却剂差压变送器的转速测量。

0 引言

反应堆冷却剂差压变送器作为一回路的压力边界设备，是反应堆冷却系统中非常好的能动设备[1] ，其作用是推动反应堆冷却剂循环，将反应堆内产生的热能，通过蒸汽发生器将能量传递到二回路系统中[2] 。在反应堆冷却剂差压变送器的运行过程中，需要对振动、位移、转速、温度等物理量进行监测，其中转速信号是反应堆冷却剂差压变送器的重要参数。转速的监测对于反应堆的安全运行具有重要意义。因此，要求转速的测量设备具有高精度、高稳定性的特点。

1 差压变送器的基本类型

冷却剂差压变送器的转速测量差压变送器采用的是非接触式差压变送器，根据工作原理的不同主要分为涡流式和磁阻式两种[3] 。涡流式差压变送器是一种有源非接触式电磁差压变送器，利用高频的交流电压通过线圈产生磁场，当线圈靠近金属导体时，线圈产生的磁链穿过金属导体，在表面感应形成一个涡流，感应涡流产生的磁场通过线圈，形成了互感效应。根据互感原理，互感效应的强弱，取决于金属的材料和金属导体之间的距离。当金属材料固定时，感应电压仅取决于金属导体时间的距离。在转轴一头安装带有齿形缺口的金属圆盘，涡流探头平行于轴的旋转方向放置。涡流探头的位置固定，当金属圆盘转动时，齿顶和齿底分别经过涡流探头，由于齿顶和齿底与涡流探头的距离不同，产生的感应电压的大小也不同。因此，在齿顶和齿底交替通过涡流探头时会产生脉冲信号，通过脉冲的计数值可以换算出冷却剂差压变送器的转速。

磁阻式差压变送器是一种无源非接触式电磁差压变送器。通过齿轮盘的旋转，在差压变送器探头的铁芯上产生感应电动势。根据电磁感应定律可知，感应电动势的大小和磁通量的变化率、铁芯材料、铁芯与齿轮盘的距离有关[4] 。当探头材料固定时，感应电动势的大小取决于铁芯与齿轮盘的距离，以及齿轮盘的转动速率（即磁通的变化率）。当齿轮盘的齿顶靠近差压变送器探头时，产生的感应电动势大；当齿底靠近差压变送器探头时，产生的感应电动势小。因此，在齿顶和齿底交替接近差压变送器探头时，会产生一个脉冲信号，并且当齿轮盘转速高的时候，脉冲信号的幅值高，齿轮盘转速低的时候脉冲信号的幅值低。

无论是涡流式差压变送器，还是磁阻式差压变送器输出的信号都是模拟的脉冲信号，必须对信号进行调理，转换为方波信号后进行数字化处理。目前常用的方法是将脉冲信号进行 F/V 变换，再经过 V/I 变换输出 4mA ～ 20mA 电流信号，通过对电流信号的采集换算出对应的转速。

2 测量方法的总体设计

本文讨论的反应堆冷却剂差压变送器转速测量装置包括：通道调理电路、控制电路、通信电路、诊断电路。调理电路对输入的脉冲信号进行信号调理，将脉冲信号转换为方波信号，方波信号由控制电路进行测频和数据转换，同时通过诊断电路进行对比诊断，将诊断后的有效数据通过通信电路上传至保护系统主控模块。总体设计和接口所示。

3 调理电路的设计

根据脉冲信号的产生原理可知，差压变送器探头产生的信号为类似于正弦的脉冲信号，需要对信号进行调理后转换为方波脉冲信号进行计数或者计频。信号调理电路包括限幅电路、无源滤波电路、差分放大电路、有源滤波电路、积分电路、比较电路、触发电路、隔离电路等部分组成，如图 2 所示。

输入接口电路

由于差压变送器输出的信号在传输的过程中可能耦合直流信号，为了避免在后级处理中直流电压偏置影响测量，在输入端放置隔直电容，对直流信号进行隔离。隔离后的交流信号进行无源滤波，电路原理如图 3 所示。通过电容后的脉冲信号经过 π 滤波电路，将高频信号滤除，根据实际差压变送器的转速和对于齿轮盘的结构不同，产生的脉冲信号的频率也有所差异。一般情况下频率的值不会超过 1kHz。由于前端的滤波器是由无源器件构成，如果将滤波频率设计过低，会对响应时间造成影响。因此，前端的滤波器的截止频率设计为 500kHz，滤除一部分高频干扰，部分低频的干扰在后级采用有源滤波的方式进行滤波，可以达到较高的响应时间。

在滤波电容的两端并联正反两个二极管，用来限制脉冲信号的幅度，采用一般的硅信号二极管，正向的压降为0.7V 左右，反向击穿电压可达 100V。可以将输入的脉冲信号的幅值进行钳位，避免对后级器件造成损坏。

差分放大及有源滤波电路

现场差压变送器输出的脉冲信号是一对差分信号（浮地），需要将差分信号转换为单端信号，由于输入接口进行了钳位，在差分信号转单端信号的同时对信号进行放大，便于后级电路的处理。为了得到高的共模抑制比，选用仪表放大器对差分信号进行放大，放大后的信号经过有源滤波器进行滤波示。

仪表放大器采用 ±15 供电，保证可以正负信号输出。仪表放大器可以通过外部电阻对放大倍数进行设置，放大倍数设置在 3 ～ 5 倍。设置值过大，仪表放大器无法正常输出脉冲波形，可能导致脉冲波形失真，同时倍数过大会导致偏置电压、增益误差等指标变差。有源滤波采用正反馈型低通滤波，为 2 阶滤波电路通过对电阻电容的选择，控制滤波器的截止频率、增益、品质因数等参数。根据实际的需要将截止频率设置在 1.1kHz，增益设置为 2 倍，在选择运算放大器时，选择偏置电压小、电源抑制比高、开关增益大、输入阻抗大的型号，保证滤波器的工作效果。

为了保证通道和系统之间的电气隔离，选择隔离开关电源为仪表放大器和运算放大器进行供电，同时在靠近芯片的供电管脚增加 π 滤波器，减小开关电源的噪声和纹波对芯片的影响。

积分电路

在使用磁阻式差压变送器的过程中，随时间的推移，感应线圈或者永磁体的性能可能发生变化，另外由于轴在旋转的过程中存在振动，导致差压变送器输出存在干扰波形或者畸变波形，对测量的准确性造成影响[3] 。

为了消除或者降低这种影响，电路中设计一级积分电路，对干扰波形进行平滑处理，方便后面进行电压比较。积分电路的原理如图 5 所示，在积分电容上并联一个二极管，只处理正半周的波形，防止积分是负半周的同时积分，降低信号的幅值。由于积分电路输出的为反向信号，需要一个反相器对信号进行翻转为正向脉冲信号。

比较电路和隔离电路

经过积分和反相器输出的脉冲信号通过比较器的阈值比较，将脉冲信号转换为方波信号，方波信号再经过光耦进行信号的电气隔离，将通道信号转换为系统信号，对方波信号进行测频，根据齿轮盘的齿数，可以计算出冷却剂差压变送器的转速。电路原理如图 6 所示。比较器的参考电压信号由 DAC 芯片提供，DAC 输出值由 FPGA 通过通信总线进行控制，DAC 输出的电压经过电阻分压至比较器的负端。为了避免差压变送器探头长时间使用后波形畸变，导致门限电平需要进行相应的改变，预留了调试接口，可以通过外部的串口经过接口芯片对门限电平进行从新设置，增加了电路的寿命和适应性。

4 采集系统设计

目前常见的冷却剂差压变送器转速的测量方法是通过前置器将转速信号转换为对应的 4mA ～ 20mA 模拟量信号输出至反应堆保护系统 。反应堆保护的模拟量采集装置再对4mA ～ 20mA 量信号进行采集，得到冷却剂差压变送器的转速值。如果前置器没有电气隔离的情况下，一般还要通过模拟量隔离后再进行模拟量采集。因此，在转换和采集的过程中都存在误差，经过几级的误差累积，导致非常后采集转速的精度降低，同时模拟量的输出和采集还会受到温度的影响，导致不同温度下测量值的漂移。

为了避免信号的多级传递中的累计误差，在调理电路中直接通过光耦进行电气隔离，不用将频率信号转换为电流信号输出，直接对频率信号进行测量。转速的脉冲信号属于低频信号，因此采用测频法对转速脉冲的频率进行测量[ ，通过齿轮盘的齿数，将频率转换为转速，将测量的转速值通过通信接口直接上传至保护系统的主控模块。在保证充分隔离的条件下，既简化了链路，又提高了精度。

5 冗余及诊断设计

为了提高装置的可用性，在装置中增加了冗余设计，包括供电冗余和通道冗余。采用两路 24V 进行供电，当一路供电出现故障时，装置的工作不受影响。

设置两路输入通道，同时对脉冲信号进行对比诊断。当两路冗余通道的采集值相差超过精度时，两路通道的数据均无效；当两路通道采集的数据差值在误差范围内，选取其中一路采集值作为有效值。同时在信号输入接口处预留了定期试验的输入接口，通过开关进行切换，由工作状态切换至定期试验状态。通过定期试验对板卡的精度进行检测，确保板卡的可靠性。

6 结束语

本文设计的反应堆冷却剂差压变送器转速测量装置，针对目前常用的磁阻式差压变送器和涡流式差压变送器采集的主差压变送器脉冲信号进行测量。对现有的测量方式进行了改进，缩短了信号传输的链路，提高了采集精度，经过实际测量，在 0℃～ 55℃的温度范围内，装置测量的精度优于 ±0.05%。