堆芯仪表微电流信号采集系统设计

张健鹏 匡红波 薛泓元 谢晶晶

摘 要：根据堆芯仪表系统信号采集的特殊需求，提出了系统设计方案。针对采集系统最为关键的放大电路设计问题，通过比较不同电路的优缺点，选取了T型电阻网络来实现微电流的放大。此外，对信号采集系统上位机软件的功能进行了简要介绍。

关键词：堆芯仪表;信号采集;运算放大器;微电流信号

0 引言

堆芯仪表系统通过自给能探测器监测堆芯数据，自给能探测器（SPD）在反应堆堆芯呈轴向和径向分布，连续测量每个探测器周围直接正比于反应堆功率密度的中子注量率信号，测得的中子注量率信号经过处理，生成连续的三维反应堆堆芯功率分布图。

如图1所示，自给能探测器由发射体、绝缘体、信号芯线和收集极/外壳、端部密封塞组成[1]。自给能探测器的发射体一般由钒、铑等材料制成，位于探测器中心，其中子活化截面较高。发射体受到一定中子能谱的中子激发后释放电子，电子经过绝缘体到达收集极/外壳，形成与中子通量成正比的电流。因此，通过采集自给能探测器的电流信息，可以建立反应堆堆芯的功率分布图。本文将根据堆芯仪表的特殊需求，开展微电流信号采集系统的方案设计。

1 信号采集系统需求

为减少贯穿件数量，CAP1400机组在安全壳内布置2个信号采集机柜，连续采集反应堆内布置的336个自给能中子探测器产生的微电流信号，转换成数字格式后以通信方式送往安全壳外的应用服务器，生成堆芯功率分布图。

自给能探测器的信号输出范围为-200～4 800 nA，为确保连续生成精准的堆芯功率分布图，在正常运行环境下（25 ℃），测量精度应≤±0.625 nA，信号采集频率不小于1 s。同时，考虑到电缆产生的泄漏电流，还需要进行泄漏电阻检测，对采集的电流进行修正。

布置于安全壳内的堆芯仪表信号采集设备，需要连续稳定地运行不少于1个换料周期，同时还需考虑高温、高湿、辐照等环境因素的影响，因此该信号采集设备必须具备较高的可靠性。

2 信号采集系统方案设计

2.1    放大器板卡设计

堆芯仪表系统信号采集机柜设置3个机箱，机箱由放大器板卡、通信链路板卡、机箱背板总线等部件组成。每个放大器板卡组件设置8路互相独立的信号采集通道，将微电流信号通过同轴电缆，送往板卡组件上的BNC接口。微电流信号经过放大后，经A/D转换生成数字格式，通过光电隔离模块送往CPU，进行打包后，再通过2路相互冗余的通信接口向外输出。

如图2所示，放大器板卡同时集成了过压保护、泄漏电阻测试电路、调零测试等功能，可通过测试接口注入测试信号，对各采集通道进行检查和测试。

2.2    放大电路设计

为确保微电流信号的采集精度，放大电路设计是关键，可通过不同电路对微电流信号进行放大，并对比不同放大电路的优缺点，确定合适的放大电路。

2.2.1    跨阻放大电路

一般采用跨阻电路对电流信号进行信号放大[2]。自给能传感器信号电流通过跨阻电路，将微弱的电流信号放大，并转换为电压信号，作为A/D转换电路的输入信号。

跨阻放大电路原理如图3所示，Iin（t）为被测电流，IiB为放大器输入偏置电流，Rf为跨接反馈电阻，A为运算放大器。

电路输出电压与被测电流的关系：

Vout=-[Iin（t）-IiB]·Rf （1）

式中：Vout为输出电压，当满足IiB

为了提高微弱电流测量灵敏度，应增大跨接电阻Rf，但跨接电阻太大时，偏置电流对放大器输出信号Vout影响明显，影响测量精度。同时，电阻较大时，信号稳定性较差、热噪声较大、温漂性能明显，影响放大电路的线性度[3-4]。

2.2.2    电容积分放大电路

自给能传感器输出的微弱电流信号，可通过电容积分放大电路转换为电压信号，经过滤波、A/D转换后，通过信号处理设备进行信号采集。

电容积分放大电路原理如图4所示，Iin（t）为被测电流，IiB为放大器输入偏置电流，C为积分电容，A为运算放大器，开关K1控制积分回路的通断，K2控制电容进行放电复位。

电路输出电压与被测电流的关系：

根据公式（3），为了提高微弱电流测量灵敏度，应减小积分电容，或者增加积分时间。然而由于布线造成的分布电容的影响，电容不可能无限减小，只能通过延长积分时间T来提高放大电路的灵敏性。

线路中的热噪声及放大器有源噪声符合高斯分布规律，当积分时间无穷大时，噪声的平均值趋向于0。因此，增大积分时间T，对线路中的噪声具有抑制作用。然而，积分时间T的延长，降低了测量系统的实时性，无法对信号进行快速测量。同时，由于电容積分量的增加，电容需要更长的时间进行放电，因此电容充-放电的切换过程中会丢失部分电荷信息，降低测量精度。

2.2.3    T型电阻放大电路

采用高阻值电阻时，信号热噪声较大，温漂性能较差，影响放大电路的线性度。可考虑采用T型电阻网络，通过较小阻值电阻，获得较大的放大倍数，同时避免因采用高阻值电阻引入的误差和线性度的降低[5-6]。

T型电阻放大电路原理如图5所示，放大电路的反馈部分通过由R1、R2、R3组成的电阻网络实现。

通过推导，获得输出电压为：

如式（5）所示，通过选用较小阻值的电阻R1、R2、R3组成的T型反馈网络，获得了高达1 MΩ的反馈电阻，同时降低了由于采用高阻值电阻温度漂移、高噪声等特性引起的误差，较好地解决了放大倍数和放大精度之间的矛盾。T型电阻网络实现简单，采用的元器件比较廉价，因此可以替代性能较好、价格较高的高阻值电阻，用于微弱电流信号的放大[7]。综上所述，堆芯仪表系统可采用T型电阻网络实现微电流信号的放大。

2.3    信号采集软件设计

为了实现信号采集的人机交互，本设计开发了数据采集上位机软件，以实现数据采集、显示和存储，以及采集系统通道检查、A/D转换器零位检查、泄漏电阻检查等人机交互功能。数据采集上位机软件主界面如图6所示。

上位机软件通过基于TCP/IP的Modbus协议与信号采集系统进行通信。在进行Modbus通信时，信号机箱作为服务器，上位机软件作为客户端，客户端可对服务器进行读写操作。客户端可以采用不同的周期对服务器中的传感器采集数据、设备及通道状态数据进行连续读取并定时保存，该读取周期可在客户端进行设置。客户端可对各通道进行泄漏电阻检测，并对检测结果进行记录，记录结果应包含时间信息。客户端可对信号采集机箱发起通道校准及标定等操作，还可下载保存于IIS机箱内的所有通道数据并进行数据存档。

3 结语

本文针对堆芯仪表微电流信号采集需求，提出了信号采集系统设计方案，通过对不同放大电路的优缺点比较，确定采用T型电阻网络实现微电流信号放大的方案。针对信号采集需求，开发了微电流信号采集上位机软件，通过与采集系统的Modbus通信，实现数据采集人机交互。本系统经过测试与验证，达到了预期性能，本系统应用于堆芯仪表堆上试验的数据采集，为核电关键设备的国产化贡献了力量。

[参考文献]

[1] 祝诗平.传感器与检测技术[M].北京：北京大学出版社，2006.

[2] 远坂俊昭.测量电子电路设计——模拟篇：从OP放大器实践电路到微弱信号的处理[M].彭军，译.北京：科学出版社，2006.

[3] 汲长松.核辐射探测器及其实验技术手册[M].北京：原子能出版社，1990.

[4] 王卫勋.微电流检测方法的研究[D].西安：西安理工大学，2007.

[5] 刘鹏民，莫德举，洪峰.T型反馈电阻网络在微弱信号放大电路中的应用[J].电测与仪表，1999（12）：31-32.

[6] 严刚峰.运算放大器的稳态误差分析[J].成都大学学报（自然科学版），2015，34（3）：277-279.

[7] 张健鹏.自给能探测器微电流放大电路设计[J].数字技术与应用，2018，36（12）：126-127.

收稿日期：2020-11-19

作者简介：张健鹏（1985—），男，浙江义乌人，硕士研究生，高级工程師，研究方向：核电电气仪控系统设计。