一种棒位检测仪的设计

袁强，张雄林，祝本明

（中国兵器工业第58研究所　四川绵阳621000）



一种棒位检测仪的设计

袁强，张雄林，祝本明

（中国兵器工业第58研究所四川绵阳621000）

摘要：针对反应堆的运行状态和工作环境，设计了一种棒位检测仪。检测仪采用NIM插卡机箱设计，由棒位检测单元和通讯单元组成，棒位检测单元和通讯单元均采用冗余设计。检测单元、通讯单元通过CAN总线实现信息交换和控制，系统中每个插件拥有唯一ID编号，通过气ID编号，实现插件与槽位的识别和控制。检测仪为棒位探测器提供激励信号，采集并处理棒位探测器产生的测量信号，获得控制棒位置信息，并传输给控制计算机。应用表明，本装置检测精度提高了20%，实现了对棒位高精度检测。

关键词：控制棒；棒位检测仪；通信冗余；检测冗余

控制棒是反应堆的核心部件，棒位位置直接影响反应堆的启动、功率调节、稳态运行和正常停堆等［1］。核反应堆工作时需要通过调节控制棒插入的深度来对链式反应的速率进行控制，通过调节控制棒位置来控制反应堆的启动和停闭；在紧急状态下，快速调整棒位来实现紧急停堆［2］。棒位检测仪的检测精度决定了反应堆控制的实时性和准确性，关系到反应堆的正常运行和安全［3-4］。

1　总体设计

检测仪是控制棒棒位测量系统中的棒位信号处理设备，由棒位检测单元和通讯单元组成，为棒位探测器提供测试所需激励信号，采集并处理棒位探测器产生的测量信号，从而获得控制棒所在的位置信息，并将棒位信息传输给控制计算机。如图1所示。

图1　总体结构图

检测仪采用NIM插卡机箱设计，棒位检测单元和通讯单元均采用冗余设计。检测仪由10块测量插件和一块背板组成，分别为9个棒位检测传感器提供激励信号，并采集、处理其输出信号。检测单元、通讯单元通过CAN总线实现信息交换和控制，系统中每个插件拥有唯一ID编号，通过气ID编号，实现插件与槽位的识别和控制。通讯单元接收测量单元信息，并通过RS422与上位机交换信息。系统结构图如图2所示。

2　通讯单元

图2　系统结构图

通讯系统由CPU控制单元、通讯电路单元、状态监控单元、状态指示单元等模块组成。系统均采用双冗余设计，完成测量板卡的通讯控制以及测量数据的上传，并具有电压检测、温度监控等功能。两套系统通过串口和GPIO口互连，实现系统之间数据交互，心跳状态互连。通信系统框图如图3所示。

图3　通信系统框图

CPU控制单元是整个通讯系统的核心，核心芯片选用NXP公司的LPC2378。CPU控制单元主要完成通信系统的控制，数据读取及处理、与上位机通信及状态监控等功能。通过RS422与上位机交换数据，实时监控并显示系统工作状态；通过CAN总线与测量模块实现互联通信。

通讯电路单元由RS422和CAN两部分组成。CAN通讯电路负责测量插件之间的数据交换，RS422总线负责与外部进行通讯，实现数据的上传和指令的下发。通讯系统相互发送心跳信号，如检测到本系统出现故障，则停止心跳信号。另一系统未检测到对方系统心跳信号，通过串口查询故障原因，如通讯无反应则按死机处理；若查明故障原因，则报告上位机。

状态监控主要对电源转换单元输出电源和电源转换模块温度进行监控，并将检测到的电压、电源温度等信息上传给上位机。

3　检测单元

测量单元由CPU处理控制单元、棒位信号调制及采集单元、棒位传感器激励单元等组成，能独立完成棒位传感器的激励以及输出信号的放大、调理、采集以及处理，并将处理结果通过冗余设计的通讯串口上传给通讯单元。

CPU处理器完成传感器激励信号调谐控制，棒位信号的采集控制、信号处理计算、温度电压等状态监控以及信号显示上传等功能。

棒位传感器输出的信号进入系统后，先通过差分放大器进行信号放大，再经带通滤波器进行滤波，最后输入到A/D采样电路转换为输出信号到CPU控制器。

差分放大器选用AD公司型号为AD620的差分运放，该运放采用双电源供电，通过外接数字可调电阻，可实现1～1 000倍信号放大。滤波器选用二阶巴特沃夫带通滤波器，中心频率为1.2 kHz如图4所示。

图4　信号调理电路

调理后的信号通过有效值转换芯片AD637BR，该芯片是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的均方根值。有效值转换电路如图5所示。

棒位传感器的激励信号由棒位传感器激励单元给出，激励信号为正弦交流恒流信号，电流值为100（±5）mA，频率为1 200（±10）Hz。

激励信号产生电路由信号发生电路、滤波电路、恒流源电路以及采样反馈电路组成。采用直接数字频率合成电路（DDS）作为信号发生器，DDS波形发生器由CPU控制器根据设置的输出频率、输出电流以及采样反馈的信号共同控制，输出端采用二阶巴特沃夫滤除谐波分量。

交流恒流源电路由OP07运放作为输入端跟随级电路，提高了电路的输入阻抗，降低了信号输出阻抗，减小了输入信号失真。并使用OP07运放在功放电路的反馈端作跟随电路，保证了输出电流几乎全部集中到了负载，使电路的恒流效果更好，电路各项参数更稳定。

图5　有效值转换电路

采样反馈电路，由采样电阻，信号放大电路和AD采样电路组成，采样电阻串联在激励信号输出端，通过检测加载在电阻两端的电压值和电阻的阻值获得当前通过电阻的电流，为恒流源输出反馈控制提供依据。

状态监控单元主要对电源转换单元输出电源和电源转换模块温度进行监控，采用ADT7411为温度、电压监控芯片，该芯片提供一路10位温度传感器，8路电压检测通道，通过I2C总线与CPU控制器通讯，该芯片放在电源转换附近，并与电源模块的散热器接触，通过检测散热器的温度从而判断电源转换模块温度是否超标。

落棒时间测量主要检测落棒启动信号到棒位完全落下的时间，落棒启动信号进入测量插件后经信号隔离器件后分别与CPU控制器一个INT管脚和GPIO管脚相连，当落棒启动信号触发，测量插件进入中断程序，启动计数器。同时开始启动棒位检测程序，直到检测到棒完全落下，停止计数器，根据计数器读数计算落棒时间。

4　结束语

棒位系统是核电站的核心系统之一，棒位的检测关乎到核电站的启动、功率转换、停堆过程。棒位检测的精度和准确性直接影响到棒位控制系统的安全性和可靠性。用户现场应用结果表明，本设计检测精度提高了20%，实现了对棒位高精度检测。

参考文献：

［1］郑晓，蔡晨，孙宇，等.基于SOPC的反应堆棒位信息监测技术研究［J］.核动力工程，2013（34）：184-187.

［2］Westjnghouse. AP1000 Desjgn Contro1 Document［Z］.Revjsjon 16，May 2007.

［3］彭小强，郑养波.AP1000控制棒棒位的数字化测量技术分析［J］.核电子学与探测技术，2012（5）：627-630.

［4］李涛，徐育周，王春生，等.棒控棒位系统数字化设计［J］.核科学与工程，2014（1）：73-79.

［5］陈梅.控制棒棒位指示系统的数字化［J］.核电子学与探测技术，2008（3）：543-547.

［6］蒋跃元，孙忠智.多编码棒磁敏式控制棒位置探测器［J］.核电子学与探测技术，2006（3）：284-287.

Deslgn of a rod Posltlon detector

YUAN Qjang，ZHANG Xjong-1jn，ZHU Ben-mjng
（NO.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

Abstract:Accordjng to the runnjng state and workjng envjronment of the reactor，a rod posjtjon detector js desjgned. The detector cabjnet js desjgned by MIN car，whjch js composed of rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt.rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt adopts redundancy desjgn，whjch rea1jze jnformatjon exchange and contro1 by CAN bus；each connector has a on1y ID number jn system，whjch rea1jzes the connector and s1ot jdentjfjcatjon and contro1. The detector provjdes excjtatjon sjgna1 to rod posjtjon detector，co11ectjng and processjng the measurjng sjgna1s of the rod posjtjon detector sjgna1s，gettjng the rod posjtjon jnformatjon，and sendjng to contro1 PC. App1jcatjon resu1ts show that the devjce detectjon precjsjon js jmproved by 20%，and achjeved to hjgh-precjsjon detectjon.

Key words:contro1 rod；rod posjtjon detector；communjcatjon redundancy；detectjon redundancy

中图分类号：TN97

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0109-03

收稿日期：2015-08-25稿件编号：201508132

基金项目：国家自然科学基金项目（61133016）

作者简介：袁强（1976—），男，四川绵阳人，高级工程师。研究方向：计算机应用技术。