核电站用高精度双通道电流/电压转换装置研究设计

石晓伟，梅宗川，邱建文，李久锐，杨晓奇

(1.中科华核电技术研究院 北京分院，北京　100086; 2.中广核核电运营有限公司，广东 深圳　518124)



核电站用高精度双通道电流/电压转换装置研究设计

石晓伟1，梅宗川2，邱建文1，李久锐1，杨晓奇1

(1.中科华核电技术研究院 北京分院，北京100086; 2.中广核核电运营有限公司，广东 深圳518124)

核电站由诸多复杂系统组成，这些系统内部及系统相互之间经常进行信号传递和转换，而电流/电压转换功能模块是小信号转换最常用的功能模块，所研究设计的电流电压转换模块可以实现将两路即双通道输入的0～20 mA或4～20 mA转换为两路0～5 V或1～5 V信号输出，精度可达到0.2%，同时实现输入输出之间信号隔离，所设计模块精度高，延迟小，运行稳定可靠，安装使用方便，并已经在国内核电站成功应用并取得良好口碑。

核电站；电流电压转换；隔离；高精度

0　引言

电流/电压转换功能模块(电流表示符号为I，电压表示符号为V，以下简称电流/电压转换功能模块为I/V模块)的功能是实现将输入的电流信号转换成电压信号输出，并将输入和输出信号隔离，避免相互干扰。输入电流信号范围是0～20 mA，转换成对应输出电压信号范围为0～5 V，这样保证输出输出信号均为工业标准信号，方便整个核电系统中信号传输，避免二次转换[1-2]。该模块包括两部分，分为外部电子模块保护外壳和内部电子电路部分。外部的电子保护壳采用高强度、耐高温且绝缘性好的塑料电子模块外壳。内部电路板从功能上又可以划分为四部分：输入电流信号转换及隔离电路、直流电源转换电路、双电源稳压电路和运放放大器及其偏置电路。I/V模块的整体电路结构框图及信号走向原理如图1所示。

图1　I/V模块功能结构框图

1　I/V模块电路设计

1.1输入电流信号转换及隔离电路

根据实际的使用情况可知，输入的电流信号一般不会发生突变，而信号在传递过程中极有可能引入干扰和噪声信号，因此将输入端信号先进行滤波处理，滤除环境中引入的杂波或噪声等干扰信号。然后电流信号经过防止浪涌和脉冲的TVS保护二极管，防止输入端出现的极端情况如过压冲击等，对后部电路起到保护作用[3]。经过滤波和防浪涌脉冲保护后，平稳的电流信号又经过电阻网络，精密的电阻分压网络将0～20 mA的电流信号先转变成为0～2.2 V的电压信号。0～2.2 V的电压信号又经过隔离运算放大器，所设计的I/V模块的隔离运算放大器选用TI公司所生产的ISO124型隔离放大器件为核心进行设计[4]。该芯片的增益放大倍数为1，隔离电压达到1 500 Vrms，即可以完美实现将输入电压信号进行1倍放大，同时实现放大前后电压信号的隔离。输入输出的隔离电压达到1 500 Vrms，该指示已经完全可以应用于实际的操作使用环境中，实现对该模块前级和后级系统的隔离保护，同时隔离模块ISO124的输入/输出电压范围在±12.5 V，也完全包含了输入的0～2.2 V的电压范围。隔离模块ISO124的最大工作电压为±18 V，该设计所选用的稳压电源为±12 V也可以满足隔离模块的工作电压的要求，电源设计在2.3章节再做详细介绍。

精密电阻分压网络的工作原理很简单，即将输入电流信号通过两个精密电阻，在第二个电阻端得到固定比例分压的电压信号。具体介绍是输入部分采用纯电阻分压设计，0～20 mA电流流经大小分别为250Ω和110Ω的两个精密电阻，然后流至信号地端，这样在第二个电阻110Ω的电阻两端即可得到2.2 V的分压电压信号，该电压信号与输入的0～20 mA电流信号成线性正比例关系，这样在隔离放大器的输入端上也得到最大2.2 V的电压，满足隔离放大器的输入电压范围的要求。输入电流转换及隔离模块的结构功能如图2所示。

图2　输入电流信号转换及隔离电路

在运行过程中，影响整个电路的精度的器件主要是电路板上的有源器件，此电路板上的主要有源器件为隔离模块ISO124和运算放大器AD827,运放的失调电压随温度变化很小，可以忽略，隔离模块的失调电压随温度变化的参数是200 μV/℃，器件的使用环境为0～60 ℃,正常使用温度约为30 ℃,考虑到极限温降和温升30℃的情形，约产生6 mV的偏差，经过运放放大后约为13.8 mV,产生约0.27%偏差，通过调节偏置和失调电压调节电位器可以使该误差降低至低于0.2%的技术要求，满足现场使用的要求。

1.2直流电源转换电路

信号I/V模块的输入电压是+24 V直流电源电压，而电路板上的运放和隔离芯片均要求双电压供电，因此需将输入的+24 V电压转变成双电压。考虑到I/V模块电路板的尺寸体积精确度及成本等因素，最后采用了无稳态多谐振荡电路。双电源稳定的具体实现是输入端施加24 VDC直流电源，该电源先经过一个由两组NPN三极管组成的无稳态多谐振荡电路，该振荡电路根据三极管PN结工艺及导通特性[5]，可将输入直流电压转变得到交变电压信号，该交变电压信号输入至变压器输入端，在变压器输出端得到两路相互隔离独立的交流电源，该交流电源再经过整流稳压即可得到稳定的双电源。

24 V的直流电压经过两个10 K的电阻分别给NPN三极管N1和N2基极施加正向偏置，保证两个三极管导通的正向电压。两个NPN三极管所选择型号一样，由于N1和N2参数不可能完全一致，必然是其中一个先导通，假设上电后N1先导通，N1导通后其集电极电压降低至接近GND电压，其集电极经过一个电容C12连接至三极管N2的基极，由于电容两端电压不可突变，故N1的集电极低电压耦合至N2基极，拉低N2基极电压，使其低于导通电压，阻止其导通；此时三极管N1集电极和三极管N2基极之间电容C12通过限流电阻R33进行正向充电，逐渐增大N2基极电压，直至该电压达到N2导通电压后，N2导通；此时N2集电极电压与发射极电压接近GND电压，三极管N2拉低的集电极电压通过N2集电极与N1基极之间的电容C11耦合至N1基极，使N1基极电压低于导通电压，进而N1关断；N1和N2以此顺序依次导通和关断，在变压器输入端形成近似方波电压信号。二极管D1可以防止电源接反，起到保护作用，电感L1和电容构成LC滤波电路。同时考虑到对电源和电路板的保护，防止24 V电源短路等故障出现，加入了热敏电阻RT1,图3为直流电压逆变转换原理框图。

图3　直流电压振荡转交流电路

1.3双电源稳压电路

电路需要两组双电源，即两组正负电源，一组电源给输入端的隔离放大器供电，另外一组提供给隔离放大器的输出以及后续的放大电路。利用变压器两副边绕组输出两路隔离的交流电压，每组交流输出再经过两个半波整流分别得到半波的正负电源，经过电容滤波后输入到两个线性稳压器，通过线性调整稳压芯片产生两组相互隔离的±12 V电源。具体双电源稳压电路如图4所示。

图4　双电压稳压输出

1.4电压信号放大及其偏置电路

为了使输入0 mA时，信号I/V模块能够输出一个稳定的0 V电压，我们利用TL431和电位器构成一个精密的电压调节电路。即把两个TL431的正端和负端连接起来，然后将正负电源分别通过两个限流电阻接在两个TL431未连接的正端和负端，则在两个TL431两端便可得到-2.5 V到+2.5 V的稳定基准电压值。再将电位器并联在两个TL431的两端，通过调节电位器，使得放大器电路的输入端得到稳定的0 V电压，输出端也同样输出一个稳定的0 V电压,在运算放大器受环境温度等因素影响出现偏移基准点时，也可以通过调节电位器得到运放工作状态下的稳定偏置和失调电压。

将隔离模块ISO124输出的电压信号输入到运算放大器U的正向输入端，调节放大增益电位器P3即可得到对应于输入0～20 mA电流信号的输出电压值，并得到达到良好的线性度。运算放大器选用双运放AD827[6]。隔离放大器ISO124变送来的0～2.2 V电压，进行放大成0～5 V电压，电压增益约为2.26。实际的电路中的运放增益为A=(1+R5/(R6+P1)),选用R5为6.8 K,R6和P1分别为4.99 K和500Ω。前端的偏置电路在进行仿真过程中，工作温度从30℃升高至60℃过程中，电压漂移在0.01 nV内，保证了运放输入端的偏置电压精度。这样调节电位器P1可精确的调节放大增益，提高电路的线性度。运放及偏置如图5所示。

图5　运放放大器及偏置电路

2　I/V模块保护壳

所设计的电子电路板安装在一个电子保护壳中，保护壳选用绝缘高强度的塑料电子模块保护外壳。现场使用情况下，该模块安装在电子保护外壳中，该电子外壳的底端设计为一个卡槽，可以安插在标准的35 mm导轨上，模块的厚度为22.6 mm，长度为92 mm，宽度为99 mm,一共有16位端子，分别排列在两端，方便操作人员快速的安装操作和接线，结构和接线方式满足现场要求。

3　试验环境搭建及试验结果

设计完成的模块要进行试验验证，按照下方所示图6的调试接线图搭建好试验平台，准备好信号源及测试万用表。将信号源正负输出端分别接至通道的正负输入端，调节输入电流信号的大小，用数字多用表测试通道输出端的电压，并做好输出端的电压记录。

图6　I/V模块调试接线图

按照调试接线图对所设计的I/V模块的两个转换通道分别进行测试试验，在多次试验后结果均满足输出精度的要求，表1中记录了I/V模块两个通道的其中一次调试试验结果，从中可以看出所设计的模块精度非常高，在进行完精度试验后，又对模块进行了常温下长期稳定性试验，试验结果均满足要求。

表1　I/V模块两通道电流/电压转换性能测试

4　结论

研究设计的电流/电流转换I/V模块的原理简单易行，且全部由模拟电路搭建成，未使用任何可编程程序控制芯片，不存在进行V&V认证问题[7]。在使用简单模拟电路的基础上，通过选择稳定的电源、相关补偿电路及精密芯片，保证了该模块的输出精度、隔离电压、过流过压保护以及散热等方面的要求。该模块安装接线及操作使用非常简单，完全满足在核电站及其它严酷环境中使用要求[8]，截止目前所设计模块已经在核电站成功应用且运行状况良好。

[1] GB/T 3369.1-2008/IEC 60381-1:1982.[S].

[2] GB/T 3369.2-2008/IEC 60381-2:1978.[S].

[3] 邱建文,孔海志,莫国钧.核电厂电磁兼容挑战及应对策略[J].原子能科学技术，2009,43(s1):360-363.

[4] Burr-Brown Corporation. Precision Lowest Cost Isolation Amplifier ISO124 [DB/OL].1997,http://www.burr-brown.com/.

[5] 康华光,陈大钦,等.电子技术基础模拟部分第四版[M].北京：高等教育出版社，1998：67-81.

[6] Analog Devices. High Speed,Low Power Dual Op Amp AD827 [DB/OL]. [2006],http://www.analog. com/.

[7] 刘真,江国进,孙永滨.核电安全级仪控系统软件V&V活动及其方法研究[J].核科学与工程，2011,31(s2):45-50.

[8] 张益林,王源,王旻,等. 大亚湾核电站失水事故监视系统改造设计与验证[J]. 计算机测量与控制,2012,20(8).

Research and Design of a High Precision Double Channel Current/Voltage Conversion Equipment for Nuclear Power Plant

Shi Xiaowei1,Mei Zongchuan2,Qiu Jianwen1,Li Jiurui1,Yang Xiaoqi1

(1.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division,Beijing100086,China; 2.China Nuclear Operation Company,Shenzhen518124,China)

A nuclear power plant consists of many complex systems,signal transmission and conversion inside and between these systems is often performed,the current/voltage conversion module is the most common small signal conversion function module,the new designed current/voltage can be used to convert two channel of 0-20 mA or 4-20 mA current signal to two channel corresponding 0-5 V or 1-5 V voltage signal,and the conversion accuracy can reach to 0.2%,meanwhile the conversion is isolated between the input and output signal. The new designed current/voltage conversion module is much more accurate,less delay time,more stabilization reliable operation,easier to install and use,the device has been successfully used in the nuclear power plant and achieved good reputation.

nuclear plant; current/voltage conversion; isolation;accurate

1671-4598(2016)04-0118-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.035

TL363

A

2015-10-15；

2015-11-26。

石晓伟(1985-)，男，河南平顶山人，硕士研究生，主要从事核电站仪控电气方向的研究。