核级主泵转速传感器国产化研发

赵宴楼，蒋义权，侯宇驰，刘 俊，刘桂兴，吴科科，杨 芹

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.江苏利核仪控技术有限公司，江苏 江阴 214432）

0 引言

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内转过的圈数，是衡量旋转机械装置性能的重要参数。核电机组中主泵的转速传感器用于指示、报警主泵泵轴转速，是保证主泵安全运行的关键仪表。任意一台主泵的转速通道经过四取二逻辑选择后，如果产生反应堆冷却剂泵转速低信号，将触发反应堆停堆。因此，监测主泵转速对保障反应堆安全运行和主泵设备安全具有重大意义。

转速测量方法主要有测频法、测周法和频率周期法[1]。从传感器的原理上看，转速测量方法又有光纤干涉法、视频技术测量法、磁电感应法等。光纤干涉法分辨率高，但价格昂贵[2,3]；视频技术测量法抗电磁干扰能力强，但测量范围有限，精度也不够高[4,5]。

磁电感应法测量范围大、精度高，价格较便宜，并已经在工业上广泛应用，虽然易受到电磁干扰，但是可以采取相应的抗电磁干扰措施保证测量系统工作在安全环境。

基于目前国内某核电机组主泵的设计，很难直接从国外采购到现成的、能与主泵完全匹配的核级转速传感器，即使能够采购，其设备的采购成本以及后续运行维护费用将会十分昂贵，而且将长期受制于国外供应商，带来诸多不便。因此十分有必要进行该设备的国产化设计研究，支撑国内核电机组的自主化建造和供货。针对这一现实难题，本文对核级转速测量技术展开研究，设计了转速传感器和前置放大器，解决了此类仪表设备的国产化问题。

1 EM3305N/EM3306N核级转速传感器设计

转速传感器是整个主泵转速测量系统中转速信号的直接来源，其性能直接影响了测量系统的精度。本文根据实际情况设计了两种传感器——EM3305N和EM3306N核级转速传感器。这两种转速传感器的原理相同，但是由于测量方式的不同（EM3305N测量方式为径向，EM3306N测量方式为轴向），它们的结构设计有所区别。工作环境中存在辐射、电磁骚扰、振动等不利因素，在设计传感器时应充分考虑这些因素。

1.1 传感器原理设计

EM3305N/EM3306N核级转速传感器均采用无源变磁通磁电感应原理进行设计，传感器由铁芯、线圈和磁钢组成，其测量原理如图1所示。发讯盘转动时穿过线圈的磁通量发生变化，传感器输出频率与转速成比例的脉冲电压信号。

图1 转速传感器原理图Fig.1 Schematic diagram of speed sensor

1.2 传感器结构设计

1.2.1 EM3305N结构设计

EM3305N核级转速传感器感应部分主要由绕组、铁芯及磁钢组成。

1）绕组设计

绕组主要由骨架体和漆包线组成，漆包线按照一定的规则绕制在骨架体上，漆包线采用耐高温、耐辐射的漆包线，采用特殊的线圈绕制工艺，有效屏蔽外部引入的电磁干扰，提高输出信号质量，防止伪转速信号；同时，在不超出设计边界的情况下，尽可能多地增加线圈匝数，有效地增强信号输出，外形示意图如图2所示。

图2 绕组外形示意图Fig.2 Outline of winding structure

2）铁芯设计

铁芯安装于绕组内，能增大通过绕组内部的磁通量，铁芯示意图如图3所示。

图3 铁芯外形示意图Fig.3 Outline of iron core

3）磁钢设计

磁钢是电磁式传感器的关键器件，合理的尺寸结构可以降低外部干扰。本传感器采用圆柱体磁钢，目的是在满足传感器输出条件前提下降低磁场强度，以提高传感器抗干扰性能。磁钢示意图如图4所示。

图4 磁钢外形示意图Fig.4 Outline of magnetic steel

1.2.2 EM3306N结构设计

EM3306N的感应部分同样主要由绕组、铁芯及磁钢组成。

1）绕组设计

EM3306N绕组使用的材料与EM3305N的材料相同。绕组示意图如图5所示。

图5 绕组外形示意图Fig.5 Outline of winding structure

2）铁芯设计

EM3306N绕组使用的材料与EM3305N的材料相同。铁芯示意图如图6所示。

图6 铁芯外形示意图Fig.6 Outline of iron core

3）磁钢设计

EM3306N同样采用圆柱形磁钢。磁钢示意图如图7所示。

图7 磁钢外形示意图Fig.7 Outline of magnetic steel

2 TM1151N核级前置放大器设计

前置放大器用于转速传感器的信号处理，并将处理后的信号传输给反应堆保护系统及核电站控制系统。前置放大器安装区域存在较大的电磁干扰，而前置放大器模块内部模拟电路很容易受到电磁干扰等的影响引起电路中电压信号突变，造成触发器电路误动作。此外，电源网络中雷击、电网波动、人体接触放电等，都会对前置放大器内部电路造成损坏。因此，在设计前置放大器时不仅要满足处理传感器的信号的要求，还需充分考虑这些因素，在电路设计中采取相应的保护措施。

2.1 前置放大器电路设计

根据前置放大器要实现的功能，将前置放大器模块划分为信号调理电路和电源电路两部分。

2.1.1 信号调理电路

信号调理电路通过EMC防护、分压限幅、滤波、整形后转换成稳定的方波信号，并按照要求，实现一路信号输入转换成两路信号独立输出。通过上述电路保证了电路工作在安全环境下，能够抵抗电磁干扰以及瞬间大电压的影响，其原理如图8所示。

图8 信号处理电路原理图Fig.8 Schematic diagram of signal processing circuit

1）电磁兼容性能设计

前置放大器安装区域电磁环境较复杂，而前置放大器模块内部模拟电路很容易受到电磁干扰等的影响，容易引起电路中电压信号突变，造成触发器电路误动作，并且电源网络中雷击、电网波动、人体接触放电等，甚至会对前置放大器内部电路造成严重损坏。因此，在TM1151N核级前置放大器电路中增加了以下保护措施，确保前置放大器正常工作。

a）接口抗干扰防护，原理如图9所示。

图9 接口抗干扰防护原理图Fig.9 Schematic diagram of interface anti-interference protection

压敏电阻、电感和瞬态吸收管组成输入信号保护电路，防止雷击、浪涌、静电等瞬间高电压进入信号处理电路中。电容和共模电感组成干扰信号吸收电路，防止传感器电缆感应的噪声进入信号处理电路。肖特基二极管起到限幅作用，有效保证输入信号幅值不超过后级运放工作电压。

b）交流电源输入接口保护电路，原理如图10所示。

过流保护电路主要由自恢复保险丝和热敏电阻构成。自恢复保险丝起过流保护，当负载短路时，自产生的热量使自身形成高阻状态，使工作电流迅速减小，从而对电路进行保护；短路解除后，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护，且无须人工更换可重复保护。热敏电阻起过流保护作用，当电源启动瞬间，往往有较大的瞬间浪涌电流，串接热敏电阻可以有效地抑制电源启动瞬间的浪涌电流，并且在完成抑制浪涌充电电流作用后，由于通过其电流的持续作用，热敏电阻的电阻值将降低到很小，消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。

图10 交流电源输入接口保护电路原理图Fig.10 Schematic diagram of ac power input interface protection circuit

钳位电路利用压敏电阻的非线性特性，可以在过电压出现在压敏电阻两端时，将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而保护后级电路。

电源抗干扰网络主要由大电阻及电源滤波器构成，可以有效地抑制电源网络总的电磁噪声，减小对产品的影响，提高产品的抗扰度；同时降低产品对电网的干扰。

2）低通滤波器设计

低通过滤波器的原理如图11所示。跟随器电路可以保证一分为二的两路信号相互之间无影响，二阶低通滤波电路可以有效滤除高频干扰。

图11 低通滤波器原理图Fig.11 Schematic diagram of low pass filter

3）可调阈值电路设计

磁阻传感器的输出信号幅值与转速成正比。当转速较低时，输出信号幅值也较低。转速升高后，噪声幅值基本不变，而转速信号大于或远大于噪声。因此只要触发器电路的触发阈值大于噪音信号，噪声就无法触发触发器电路使其输出电平翻转，也就不会有脉冲输出。但是如果设置过高的触发阈值，会导致低转速时的转速信号也无法触发。因此，本文将前置放大器的触发器电路设计成阈值可调电路，可以根据现场要求最低转速和噪声，灵活调整触发阈值。TM1151N核级前置放大器设计的阈值可调触发电路如图12所示。

图12 可调阈值电路原理图Fig.12 Schematic diagram of adjustable threshold circuit

触发器电路采用双阈值触发，双阈值触发组成回差电路，可有效消除单一触发阈值情况下，噪声在触发阈值周围来回波动时引起信号电平反复翻转的问题，提高了输出信号稳定性。Vth为高触发阈值，Vtl为低触发阈值，均为正触发阈值。调整时Vth必须大于Vtl，Vth与Vtl差值越大，回差越大，信号稳定性越好，但Vth与Vtl的取值过大会导致最低转速升高。因此，Vth与Vtl的取值需根据最低转速时的信号幅值和噪声幅值调整。

4）信号调理部分设计

信号调理电路原理图如图13所示。通过调整外围器件的参数，可调整振荡器输出的脉宽。隔离器用于实现输入、输出端信号隔离。三极管及其外围器件实现TTL电平输出。

图13 信号调理电路原理图Fig.13 Schematic diagram of signal conditioning circuit

2.1.2 电源电路

电源供电采用AC/DC，DC/DC隔离开关电源方案，使各隔离电路相互间影响尽量小，原理如图14所示。电源接口及信号接口增加防雷和EMC等防护，防止雷击、浪涌等高电压进入前置放大器内部；增加多种滤除共模、差模噪音器件；采用限幅、有源滤波和触发器对输入信号进行调理整形，可与不同灵敏度磁阻式传感器配套组成转速监测系统。

图14 电源电路原理图Fig.14 Schematic diagram of power supply circuit

2.2 前置放大器结构设计

TM1151N前置放大器主要由放大器模块及外壳组成。

1）放大器模块

放大器模块壳体选用304不锈钢板。壳体分为上壳体和底座两部分，壳体整体形成完整的金属屏蔽，可以有效地减小电磁干扰对产品的影响，同时也可以减小产品对外的电磁发射。

2）放大器外壳

放大器外壳采用304不锈钢板，外壳顶部按要求共有4个开孔，并配有可固定的格兰头。将放大器固定在外壳内，进一步保证了内部电路工作在安全环境中。整个前置放大器的组装图如图15所示。

图15 前置放大器组装图Fig.15 Diagram of preamplifier assembly

3 试验验证

转速传感器和前置放大器经过设计制作完成后，进行了相关的鉴定试验并在试验泵上进行了配机试验，从而保证了其满足设计要求。

3.1 鉴定试验

EM3305N/EM3306N核级转速传感器的鉴定试验项目及结果见表1。

表1 传感器鉴定试验项目Table 1 Qualification test item of sensor

TM1151N核级前置放大器的鉴定试验项目及结果见表2。

表2 前置放大器鉴定试验项目Table 2 Qualification test item of preamplifier

3.2 配机试验

为更好地验证传感器的性能，选用了EM3306N核级转速传感器、TM1151N核级前置放大器和就地转速表接入主泵试验回路，利用主泵的循环试验来验证转速传感器及前置放大器的性能。试验数据见表3。

试验表明，就地转速显示与主控室转速显示在设计要求误差范围内（误差由电流远传误差引入，各测试点误差均小于系统要求误差）。试验过程中对传感器和前置放大器输出信号波形、峰值等技术参数进行了测量，各项技术参数均满足设计要求。

4 总结

表3 试验数据Table 3 Test data

EM3306N核级转速传感器和TM1151N核级前置放大器在本次配机试运行过程中，运行稳定可靠，测量数据准确可信。其中，EM3306N核级转速传感器输出信号具有较高的信噪比，可实现较低转速下的可靠测量；TM1151N核级前置放大器具有良好的负载性能，适用于远传。

本文就国内某核电机组主泵的转速测量技术展开研究，设计了核级转速传感器及核级前置放大器，其通过了相关鉴定试验，打破了国外的垄断，有利于设备的采购和维护，降低了主泵关键设备在整个核电站生命周期中的成本，取得了直接的社会效益。