輻照環境下轉速測量系統設計

王 健,邱建文,李久銳

(中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086)

0 引言

現代工業系統中，轉速是流程控制的重要參數，動力機械設備的控制往往與轉速相關。轉速測量的方式多種多樣，典型的有離心式、感應式、光電式及閃光頻率等[1]。

安裝在核動力反應堆廠房等有電離輻射環境中的轉機設備的轉速也需要進行測量。此時，轉速測量系統需要考慮到嚴苛環境下溫度、壓力和輻照等參數對轉速測量的影響。本文闡述了一種輻照環境下轉速測量系統的設計，用于輻照環境下的轉機設備轉速測量。

1 環境要求

設備環境分為存儲和安裝期間環境、正常運行環境、設計基準事故環境，某些情況下還有定期試驗期間環境。環境條件具體參數有溫度、相對濕度、壓力、鹽度、電離輻射、機械振動和地震等。

存儲環境中根據地域不同，最低溫度可到零下幾十度；運行環境中由于有通風調溫系統，溫度可保持在15～55 ℃之間。相對濕度主要考慮是否有凝露。壓力一般為標準大氣壓。在沿海地域需要考慮鹽度。機械振動則分為運輸過程中的振動和運行環境中轉機設備帶來的振動。

電離輻射主要考慮X射線和γ射線、電子射線、質子射線、中子射線。一般來說，輻射類型不同，輻射效應也會不同。在類似試驗條件、相同吸收劑量和相同線性能量傳遞情況下，材料性能變化與輻射類型之間關系并不密切[2]。基于此，提出累積劑量的要求，并以核電站安全殼為例進行分析。其中，安裝的電氣設備輻射老化試驗的累積劑量為250 kGy，溫度為70 ℃。地震工況為典型的設計基準事故，陸基且執行安全功能的設備均需要考慮。在設計時，往往會考慮采用通用譜和特定場址譜兩者的包絡譜。

2 系統設計

系統設計環節耐輻照是關鍵指標，采用抗輻照設計和輻射加固再配以合理的設計理念，可以保障轉速測量系統在一定輻照環境下維持良好運行。

轉速測量系統設計原理如圖1所示。

圖1 轉速測量系統設計原理框圖Fig.1 Design principle diagram of speed measurement system

轉速測量系統由轉速傳感器、信號前置處理模塊和控制系統三部分組成。轉速傳感器用于檢測轉機設備的轉速，并輸出與轉速對應的電信號。由于傳感器的信號并非標準電壓或電流信號，需要設計信號前置處理模塊，將非標準信號轉換成標準電信號。將表征轉速的標準信號發送給控制系統，經運算后參與控制。

2.1 分體設計

若電子設備在壽期內環境累積劑量小于10 Gy，通常認為輻射的影響并不顯著，可不進行輻照老化試驗[4]。輻照環境下設備壽期內劑量遠高于10 Gy。根據研究，光學器件、MOS工藝器件、雙極晶體管、光電二極管、現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片、大規模集成電路等對輻照敏感，累積達到一定劑量后會出現功能失效。對某型號SRAM FPGA進行輻照試驗，在累積劑量達到870 Gy時，樣品出現功能失效[5]。

轉速傳感器可以選擇無源器件，本身具有良好的耐輻照性能，但信號前置模塊不可避免需要使用到隔離器件、阻容器件和集成電路等電子元器件。這些器件不具備抗輻照能力。常規采用輻照屏蔽，則需要設計較厚的屏蔽層，不便于安裝使用。為減少系統設計復雜度和難度，采用分體設計的理論。轉速傳感器安裝在轉機設備旁邊，工作環境中有較強電離輻射，稱之為嚴苛環境。信號前置處理模塊和控制系統則安裝在具有良好輻射屏蔽的電氣廠房，稱之為和緩環境。轉速傳感器與信號前置處理模塊間采用具有良好電磁屏蔽和低衰減性能的同軸電纜進行連接。

2.2 冗余設計

冗余設計是提升系統可靠性的有效方法。輻照環境下，轉速測量系統在分體設計的基礎上，采用兩個層面的冗余設計。

圖2給出了轉速測量系統冗余設計框圖。嚴苛環境下配置有三臺轉速傳感器，三個轉速信號輸入給信號前置處理模塊。前置處理模塊設計有多選邏輯。在可靠性工程領域中，這樣的系統稱之為2/3表決系統。表決系統的部件都是相同的。其單個部件可靠度為R(t)，系統的可靠度為R2/3(t)=3R2(t)-2R3(t)，可靠度得到明顯提高。

圖2 轉速測量系統冗余設計框圖Fig.2 Redundancy design of speed measurement system

信號前置處理模塊基于FPGA設計，在芯片綜合布線時，用芯片不同的功能塊來實現冗余設計，以解決單粒子翻轉問題。

3 轉速傳感器

理想的選擇是無源磁阻式轉速傳感器。這種傳感器具有結構簡單和可靠性高的優點，可在嚴苛環境[6]工作。傳感器的絕緣部件選擇耐輻照材料，可使傳感器本身具備耐輻照的性能。

工程應用中，常用測試齒輪式和測試靶針式。測試傳感器基于磁電感應原理，齒輪或靶針隨轉動軸而旋轉，測試傳感器與旋轉部分間隙周期性改變，使傳感器磁路的磁阻和磁通發生周期性變化，產生感應電動勢。

以靶針式傳感器為例。其外形為U形中空結構,磁路由永久磁鐵和線圈組成。安裝在轉機聯軸器的靶針隨軸轉動，靶針劃過一次U形傳感器時，產生一次脈沖。測試齒輪式和測試靶針式傳感器如圖3所示。傳感器外觀及靶針行程如圖4所示。

圖3 測試齒輪式和測試靶針式傳感器Fig.3 Gear type and target type sensor

圖4 傳感器外觀及靶針行程Fig.4 Sensor appearance and target travel

靶針隨著軸轉動的周期為T：

(1)

靶針有效行程周期為T1：

(2)

靶針有效行程內輸出為類似正弦信號，頻率信號間隔周期T表示轉速，感應電動勢幅值與轉速相關，轉速越快A越大。系統設計時，選擇的傳感器在額度轉速下輸出的A在伏特級。由轉速傳感器的特征可知，信號處理電路需要具備如下功能。

①檢測轉速傳感器的非標信號轉換成標準的電壓或電流信號。

②低轉速時能有效檢測到傳感器脈沖信號。此時，信號的A低至十幾毫伏，同時應能過濾掉干擾信號。低轉速主要出現在轉機啟動和停止過程，為暫態。

③額度轉速時應能穩定運行，不易受到外界信號干擾。額定轉速為常態。轉速傳感器信號波形如圖5所示。

圖5 轉速傳感器信號波形圖Fig.5 Speed sensor signal waveform

4 前置信號處理模塊

4.1 硬件電路設計

前置信號處理模塊主要功能是檢測轉速傳感器的原始信號，通過計算獲得測量轉算，并輸出與轉速相對應的標準電信號。轉速傳感器的感應電動勢幅值與轉速有關，轉速高則幅值大，轉速低則幅值小。在低轉速時，由于電動勢幅值低，干擾往往會淹沒正常信號，導致低轉速無法測量。

前置信號處理模塊電路原理如圖6所示。

圖6 前置信號處理模塊電路原理框圖Fig.6 Circuit principle diagram of pre signal processing module

傳感器的感應電壓通過同軸電纜輸入給前置信號處模塊。低通濾波器用于過濾信號高于測量頻率的干擾信號。運算放大器用于對輻值進行調整。閾值判斷電路則將信號轉換成電平信號。處理器運行轉速測量算法，經軟件濾波和周期計數獲得測量轉算。數模轉換芯片將數字量值轉換成模擬量信號輸出給控制系統。

閾值根據實際情況進行選取。事實上，由于轉機上金屬部件的干擾，在正常轉速信號的基礎上會疊加一個有規律的小幅值信號，經運算放大器電路放大后會高于閾值判斷電路，導致轉速計算有誤。圖7給出了運算放大電路放大干擾信號示意圖。圖7中：H2為高值;H1為低值。

圖7 運算放大電路放大干擾信號示意圖Fig.7 Schematic diagram of operation amplification circuit amplifying interference signal

為提升轉速測量的準確度，對不同轉速工況進行優化設計。當轉速低于一定值時，默認轉速輸出為0，以防止干擾信號帶有錯誤值。穩定運行工況時，此時傳感器幅值信號穩定，此時采用圖5中1∶1運算放大電路信號進行運算，從源頭上避免了放大后干擾信號的誤計算。

4.2 軟件設計

轉速測量算法采用周期法[7]，以保持較好響應速度。記錄兩個下降沿之間的時間間隔為T。信號周期檢測算法如圖8所示。

圖8 信號周期檢測算法Fig.8 Signal period detection algorithm

A(n)=I(n)

(3)

B(n+1)=A(n)

(4)

(5)

T=N×TCLK

(6)

周期計算的核心為檢查信號處理電路輸出的方波信號下降沿。基于基本的時序電路，CLK為時鐘，保持足夠高的分辨率，其脈沖寬度為TCLK。

周期檢測算法基于FPGA或CPU實現。由于處理芯片的使用，在算法中可以加入必要濾波算法[8]。

5 結論

本文從環境要求、系統設計、傳感器選擇和前置信號處理模塊四方面入手，闡述了輻照環境下轉速測量系統的設計。選擇耐輻照的轉換傳感器以應對電離輻射的影響，對電離輻照敏感的電子處理部件則安裝在和緩環境。前置信號處理模塊的關鍵在于針對低轉速和額定轉速工況進行區分設計，并基于大規模處理芯片進行實現。本文闡述的輻照環境下轉速測量系統設計已在核電廠反應堆廠房的轉速測量系統得到應用。