核测量设备调试及故障处理研究

孙 琦 张 芸 张洧川 李 昱 黄 轲

（核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 前言

中国工程试验堆是根据我国核动力技术发展及工程应用需要建设的高性能、 多用途、 高安全性的高通量工程试验堆[1]。 核测量系统是仪控系统的重要组成部分， 能够通过测量中子注量率得到反应堆核功率及其变化[2]。 中子注量率变化范围高达13 个数量级，需要3 个量程的仪表才能完全覆盖， 每个量程的仪表测量原理不同， 因此系统组成复杂， 调试需要根据不同的量程制定不同的方案。 核测量设备的调试是核测量设备设计的重要内容， 通过调试能够发现并纠正设计过程中的缺陷，使测量设备达到预期的技术指标。

1 核测量设备组成

工程试验堆核测量设备包含源量程、中间量程、功率量程三个区段， 每个区段均由一次仪表、 电缆及二次仪表组成， 文章主要针对二次仪表的调试。 二次仪表由高压单元、 放大单元、 处理单元、 模拟量输入单元、开关量输入单元、模拟量输出单元、开关量输出单元、通讯单元、低压单元组成，其结构如图1 所示。 低压单元为机箱供电， 高压单元为一次仪表提供高压，放大单元将一次仪表的电信号进行放大由模拟量输入单元采集后传输至处理单元， 开关量输入单元采集设备开关量状态变化， 如工作模式切换、 高压的开闭等传输至处理单元， 处理单元将电信号转换为计数率、功率电流等传输至输出单元， 由通讯单元传递至本机显示单元及保护、功调等系统。

图1 核测量设备结构示意图

2 设备调试准备

2.1 调试文件准备

在进行设备调试前，需要做好相应的准备工作。 针对调试的每一个插件、 机箱需要准备相应的调试文件， 首先要根据设备设计的技术指标设计调试大纲，需要对所有相关技术要求进行检验。 同时， 调试大纲中应规定设备调试环境， 如温度湿度等， 对设备的调试步骤进行明确， 应设计相应的记录表格对环境条件、测试数据进行记录。 需要准备电装工艺文件，方便调试过程中查找元器件规格型号及接线检查工作。 针对插件调试， 需要准备相应的电路原理图， 方便调试过程中进行故障检测等。

2.2 调试场地准备

由于核测量设备测量的信号非常微弱， 因此设备对干扰比较敏感， 在调试过程中部分项目需要打开屏蔽盒进行测量， 因此核测量设备调试的场地需要有较好的电磁环境。 应检查调试场地的电源， 排除漏电风险， 保持调试场地的干净整洁， 附近无电气焊等影响较大的作业。

2.3 调试设备准备

调试人员应提前准备好需要进行调试的设备，以及配试的接线、元器件等，搭建好调试环境。 在进行高压单元的调试时， 需准备电位器调试工具、 带鳄鱼夹的接线等。 进行放大单元的调试时， 需要准备焊接拨码开关以便进行量程切换。 调试人员应准备供电用背板，并焊接好相应连线。

2.4 调试仪表准备

设备调试时需借助相应的仪表才能对绝缘及技术指标进行测试，因此，在进行调试工作前，调试人员应准备好需要使用的仪表。 仪表主要包含： 绝缘测试仪表，如万用表、兆欧表等；供电用仪表，如直流电源表；信号发生用仪表，包括脉冲信号发生器、微电流源，技术指标测试用仪表， 万用表用于测试输出电压， 真空毫伏表和模拟示波器用于测试纹波， 数字示波器用于测量电路响应时间。

3 调试方法与步骤

完成文件及设备的准备工作后， 需要进行具体的调试。 一般的调试步骤都需要先进行目视检查， 再进行绝缘检查， 接下来进行通电检查， 最后进行技术指标测试[3]。 按设备结构分类，应先进行模块调试，再进行单元调试，组后组装机箱进行整机调试。

3.1 高压单元调试

在进行具体调试前，先进行目视检查，主要检查有无多焊、漏焊元器件，基本走线有无错误，可以对照电装工艺文件及电路原理图进行检查。 完成目视检查后，需要进行绝缘测试，使用万用表测量+15V 对地的电阻、-15V 对地的电阻， 使用兆欧表测量信号地与插件地间的电阻，要求+15V 对地的电阻、-15V 对地的电阻大于100Ω，信号地与插件地间的电阻大于10MΩ。完成绝缘测试后进行通电检查， 观察有无异常现象出现，如是否存在冒烟、冒火花等情况，是否有异味，使用直流电源DP831A 可以查看电路功耗是否正常，如存在功耗过高的情况需要进行逐级分析， 用手触碰元器件是否发烫。 如果有异常现象出现， 应该立即切断电源，排查故障，待问题解决后方可重新通电观察。 使用万用表测量输出端的电压值， 真空毫伏表测量电路的纹波有效值，模拟示波器测量纹波峰-峰值。 输出端接电阻测试电路带负载能力， 电阻的选取需要考虑功耗，利用欧姆定律计算其功率，避免超限。

3.2 源量程放大单元调试

参照高压单元调试进行目视检查。 使用万用表测量低压电源处对地电阻， 完成绝缘测试后进行通电检查，通电检查半小时。 通电检查无故障情况下，关闭电源开关， 接如脉冲信号发生器， 利用模拟示波器观察各级放大波形，调节电位器使信噪比达到最佳状态。用脉冲信号发生器产生1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz 的脉冲信号，读取显示屏上的计数率并记录，利用脉冲信号发生器产生不同幅度的正弦波信号， 观察显示屏上的计数率并记录。 利用数字示波器测量电路响应时间。

3.3 中间量程、功率量程放大单元调试

首先进行目视检查， 然后进行绝缘检查， 绝缘检查完毕后通电半小时。 通电检查无故障情况下， 使用微电流源产生电流信号， 逐级测量电路的输出电压并记录。 利用数字示波器测量电路响应时间。

4 故障处理

在核测量设备调试过程中， 遇到的故障一般为元器件失效、焊接失误、设计差错、及干扰问题。 元器件失效通常会使电源短路， 比较容易发现； 焊接失误可能导致电路部分烧毁， 需要详细检查； 设计差错一般只能通过技术指标检测发现； 干扰问题排查起来比较复杂，一般通过良好接地、盖屏蔽盒、调节甄别阈等方式解决。 遇见故障时，可进行器件摘除、替代，或焊接调试线等方式解决。

4.1 元器件失效

在进行源量程放大插件通电检查过程中， 发现电路出现异响， 切断电源后进行排查。 首先检查电路绝缘性能，发现+3.3V 与地短路，由于+3.3V 向数字部分供电， 因此判断数字部分出现故障。 目视检查电容未出现击穿现象， 使用排除法逐一摘除集成芯片， 摘除集成芯片应遵循先易后难的原则， 先摘除容易焊接的芯片，当摘除芯片RM48L952DZWT 后，电源对地绝缘恢复正常， 检查发现芯片已失效， 更换新的芯片后，+3.3V 对地电阻为12.736kΩ。

4.2 焊接失误

对功率量程放大插件进行调试时， 出现电路功能无法满足要求的情况， 经调试人员分析后需要更换电阻规格，其中一个电阻更换为22Ω，另一个电阻更换为51kΩ。 修改焊接完成，经过绝缘检查后通电，被修改部分冒烟， 检查后发现焊接人员误将两个电阻焊反，导致二极管被烧毁。 因此，在电路修改焊接后，不能直接通电，需要检查元器件焊接是否正确，包括焊接位置、器件规格型号、有无虚焊现象等。

4.3 设计变更

在高压单元调试过程中， 采样电压期望值为8.3V，实际测量时发现采样电压不足1V。 首先测量高压输出500V，结果正常；然后对照电路图逐段测量分压电路， 发现分压电路与后面运放输入端接地电阻存在并联情况，摘除该电阻后，电路恢复正常。 在调试过程中， 遇到问题应对照电路图在有故障的线路逐级排查、计算。

功率放大单元放大电路的反馈电阻由3 个大小不同的电阻组成，分别是2MΩ、750kΩ、300kΩ，输入电流进行测量时， 发现仅有750kΩ 档位测量值准确，2MΩ档位测量值偏小，300kΩ 档位测量值偏大。 判断是电阻设计阻值有误，经过与电路图对比分析，发现2MΩ 和300kΩ 的 阻 值 在 设 计 时 存 在 偏 差，2MΩ 处 应 焊 接300kΩ 电 阻，300kΩ 处 应 焊 接2MΩ 电 阻。

功率放大电路设置有功率补偿， 用于对功率的校准， 调试时要求测量补偿电路的电压范围， 实际测试中发现电压为0。 测量发现，原本应接电源的位置电压即为0，说明电路未接电源，进行修改后，电路输出电压范围正常。 在调试过程中，遇见输出为0 的情况，应该从电源处开始检查。

4.4 干扰问题

源量程电路需要输入按一定周期变化的信号进行周期测试，在连接周期信号仪后，电路出现较大干扰。在加盖屏蔽盒、机箱接地后，干扰仍无法消除。 去除周期信号仪，干扰消失，由此判断干扰由周期信号仪引入，经检查发现为周期信号的供电的电源线地线缺失，更换电源线后，干扰消除。在核测量电路的调试过程中，要特别注意电磁干扰的影响，与核测量设备连接的供电设备或信号源均应良好接地， 必要时可适当调节甄别阈，当出现较大干扰时， 应按照从机箱到连接设备的顺序，逐级排查，确定干扰源，以便进行相应的防护。

5 结束语

随着对核测量设备的测试精度要求越来越高，设备的调试的作用也愈发明显， 在升级换代的过程中，调试能反映出设计过程中存在的问题， 有利于设备的改良。 在调试过程中，需要严格按照调试步骤进行，调试人员需要掌握一定理论知识， 熟悉电路原理， 提前了解一些常见问题及解决方法。 在故障电路周围逐级排查，对于干扰问题需要由点及面，进行系统排查。 针对高通量工程试验堆的调试过程， 总结了核测量设备的一般调试方法， 对出现的故障进行了分析， 列出了故障解决措施，为核测量设备的调试提供一定参考。