一种用于核电站冷却剂泄漏监测的温湿度传感器

技术领域

本发明属于核电站辅助监测技术领域，特别是用于核电站冷却剂泄漏监测的温湿度传感器。

背景技术

一直以来，核能作为一种高效、清洁能源在应对能源挑战中有能力发挥无可替代的重要作用，与此同时，如何保证核电的安全也是人们关注的热点之一。在核电厂的运行中，有许多辅助监测设备，用于及时发现异常情况并做及时处理，保证核电厂运行安全。在核反应堆装置一回路处于正常运行模式、运行故障模式和“小”补偿冷却剂泄漏模式下，当操作动力单元在不同功率级别下，及时检测出一回路冷却剂的泄漏情况是非常有必要的。

用于化工厂、加工厂等领域的管道气液体的泄漏检测，通常使用数字式温湿度传感器，这些传感器是集成芯片，直接输出与环境变化相关的电压或数字信号，然后将输出信号通过长线连接到监控室的处理模块中做进一步的处理。直接使用集成芯片式温湿度传感器，安装、调试简单可靠，适用于大多数工业场合，但缺点是集成芯片式温湿度传感器是有源器件，做到抗核辐射很困难，在有核辐射的环境中无法正常使用。当核反应堆冷却剂发生泄漏时，可能存在核辐射发生，所以直接使用集成芯片式温湿度传感器是不可行的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种用于核电站冷却剂泄漏监测的温湿度传感器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于核电站冷却剂泄漏监测的温湿度传感器，包括远程探头、传输电缆和信号处理模块，所述远程探头置于冷却剂可能泄漏的回路中即待监测的回路中，并通过传输电缆连接到几十至几百米外的控制室内的信号处理模块，信号处理模块对远程探头进行信号转换、滤波、放大处理，输出与温度和湿度相关的电压信号。

进一步地，所述远程探头包括壳体以及设置于壳体内的湿敏电容、热敏电阻、内部电路板和线缆，其中内部电路板包括参考电阻、参考电容和微型继电器，用于实现自检功能的切换；当温湿度传感器处于自检状态时，信号处理模块给微型继电器供电，微型继电器闭合，将热敏电阻和湿敏电容切换到电路板上标称的参考电阻和参考电容，通过读取参考电阻和参考电容的值来判断温湿度传感器的器件、接线以及信号处理电路是否异常。

进一步地，所述信号处理模块包括热敏电阻信号处理电路和湿敏电容信号处理电路；

所述热敏电阻信号处理电路，具体为：将热敏电阻信号转换为直流电压信号，再进行一级电压放大，之后将电压信号与一级放大电路隔离，再对隔离后的电压进行滤波，之后再进行二级电压放大，输出最终的与温度相关的电压信号；

所述湿敏电容信号处理电路，具体为：对湿敏电容信号进行一级放大得到放大后的交流谐波，该交流谐波的幅值与湿敏电容的容值成正比；然后对交流谐波进行隔离，并转换为直流信号，之后进行滤波；最后对电压进行二级放大，输出最终的与湿度相关的电压信号。

进一步地，所述热敏电阻信号处理电路包括恒流源、第一一级放大电路、第一信号电流隔离电路、二阶滤波与偏置电路，以及二级放大电路；

所述恒流源包括恒流源芯片，所述第一一级放大电路包括仪表放大器、第一电阻，所述第一信号电流隔离电路包括信号电流隔离芯片，所述二阶滤波与偏置电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一滑动变阻器、第一电容、第二电容；所述二级放大电路包括第一运算放大器、第七电阻、第八电阻、第二滑动变阻器、第三电容；

热敏电阻的一端接地，另一端连接恒流源芯片的管脚7和管脚8，以及仪表放大器的管脚2，同时通过电容接地，恒流源芯片的管脚3和管脚6分别连接-12V、+12V电压；仪表放大器的管脚1通过第一电阻连接其管脚8，仪表放大器的管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压，管脚5接地，管脚6连接信号电流隔离芯片的管脚15，信号电流隔离芯片的管脚1、管脚9连接+12V电压，管脚2、管脚10连接-12V电压，管脚8和管脚16接地，管脚7通过串联的第五电阻、第六电阻连接第一运算放大器的管脚3，第五电阻和第六电阻的公共端通过第一电容接地，第六电阻和第一运算放大器的管脚3的公共端通过第二电容接地，同时通过第四电阻连接第一滑动变阻器的滑动端，第一滑动变阻器的一个固定端通过第二电阻连接+12V电压，另一个固定端通过第三电阻连接-12V电压；第一运算放大器的管脚2通过第八电阻接地，同时通过第三电容连接第一运算放大器的管脚6，第一运算放大器的管脚2和管脚6之间同时设置与第三电容并联的相串联的第七电阻和第二滑动变阻器，第二滑动变阻器的滑动端与第一运算放大器的管脚6相连，第一运算放大器的管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压。

进一步地，所述湿敏电容信号处理电路包括交流谐波电路、第二一级放大电路、第二信号电流隔离电路、检波电路，以及二阶滤波与二级放大电路；

所述交流谐波电路包括交流谐波隔离变压器、湿敏电容；所述第二一级放大电路包括第二运算放大器、第四电容、第九电阻；所述第二信号电流隔离电路包括信号隔离变压器、第五电容；所述检波电路包括第三运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第一二极管、第二二极管；所述二阶滤波与二级放大电路包括第四运算放大器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第三滑动变阻器、第四滑动变阻器、第六电容、第七电容和第八电容；

所述交流谐波隔离变压器的原边连接交流电源，副边的一端接地，另一端通过湿敏电容连接第二运算放大器的管脚2，该管脚2通过并联的第四电容和第九电阻连接第二运算放大器的管脚6，第二运算放大器的管脚3接地，管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压；第二运算放大器的管脚6通过电解电容连接信号隔离变压器原边的一端，原边的另一端接地，信号隔离变压器的副边两端通过第五电容连接并接地，且其中一端通过第十六电阻连接第三运算放大器的管脚2，该管脚2通过串联的第十电阻、第一二极管连接第三运算放大器的管脚6，同时通过串联的第十一电阻、第二二极管连接第三运算放大器的管脚6，其中第一二极管的负极、第二二极管的正极连接第三运算放大器的管脚6；第三运算放大器的管脚3接地，管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压；第十电阻和第一二极管的公共端通过串联的第十二电阻、第十三电阻连接第四运算放大器的管脚3，该管脚3同时通过第七电容接地，第十二电阻和第十三电阻的公共端通过第六电容接地；第四运算放大器的管脚2通过第十四电阻接地，并通过串联的第十五电阻、第三滑动变阻器连接第四运算放大器的管脚6，同时通过第八电容连接第四运算放大器的管脚6，其中第三滑动变阻器的滑动端连接该管脚6；第四运算放大器的管脚1通过第四滑动变阻器连接其管脚8，第四滑动变阻器的滑动端、第四运算放大器的管脚7连接+12V电压，第四运算放大器的管脚4连接-12V电压。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)本发明使用的温湿度传感器是热敏电阻和湿敏电容，它们均为无源器件，不受核辐射照射影响，在核反应堆冷却剂泄漏时可能存在的核辐射环境中，可以正常工作，稳定可靠。

2)本发明中的热敏电阻使用的是恒流源供电，采用恒流源供电能够避免线上电压损耗，并防止电磁干扰。湿敏电容使用高频交流载波信号传输，信号传输距离远、失真度小。

3)在湿敏电容远距离信号传输过程中，可能会受到电磁干扰，本发明中用于湿敏电容远距离信号传输的电缆使用的是同轴屏蔽线缆，能够防止外界干扰进入，实现了湿敏电容信号无特性失真的长距离传输。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为温湿度传感器的组成框图。

图2为远程探头的组成框图。

图3为远程探头内部电路板电路图。

图4为热敏电阻信号处理电路图。

图5为湿敏电容信号处理电路图。

图6为远程探头的整体剖视图。

图7为金属帽内部湿敏电阻和热敏电容的局部剖视图。

图8为远程探头的竖直安装形式示意图

图9为远程探头的水平安装形式示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种用于核电站冷却剂泄漏监测的温湿度传感器，包括远程探头、传输电缆和信号处理模块，所述远程探头置于冷却剂可能泄漏的回路中即待监测的回路中，并通过传输电缆连接到几十至几百米外的控制室内的信号处理模块，信号处理模块对远程探头进行信号转换、滤波、放大处理，输出与温度和湿度相关的电压信号。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述远程探头包括壳体以及设置于壳体内的湿敏电容、热敏电阻、内部电路板和线缆，其中内部电路板包括参考电阻、参考电容和微型继电器，用于实现自检功能的切换。内部电路板原理图如图3所示，U1为微型继电器，R1为参考电阻，C3为参考电容，R2为热敏电阻，C4为湿敏电容。当温湿度传感器处于自检状态时，信号处理模块给微型继电器线圈供电，微型继电器闭合，将热敏电阻和湿敏电容切换到电路板上的参考电阻和参考电容，以读取参考电阻和参考电容的值来判断温湿度传感器的器件、接线以及信号处理电路是否异常。

图1中，1、2为热敏电阻接线，3、4为微型继电器接线，5、7为湿敏电容同轴屏蔽层，6、8为湿敏电容接线。优选地，湿敏电容的两根线使用同轴屏蔽线缆，防止干扰信号进入，实现了湿敏电容信号无特性失真的长距离传输。

进一步地，在其中一个实施例中，所述信号处理模块包括热敏电阻信号处理电路和湿敏电容信号处理电路；

(1)热敏电阻信号处理电路如图4所示，热敏电阻通过一个500uA的恒流源供电转变为直流电压信号，再通过一级放大器将电压放大，之后电压再通过电压隔离芯片将电压信号与一级电路隔离。隔离后的电压经过二阶滤波电路滤波后，经二级放大电路将信号电压放大到合适的数值，最终输出的电压与热敏电阻的环境温度线性相关。

具体地，所述热敏电阻信号处理电路包括恒流源、第一一级放大电路、第一信号电流隔离电路、二阶滤波与偏置电路，以及二级放大电路；

所述恒流源包括恒流源芯片U1，所述第一一级放大电路包括仪表放大器U2、第一电阻R101，所述第一信号电流隔离电路包括信号电流隔离芯片U3，所述二阶滤波与偏置电路包括第二电阻R201、第三电阻R202、第四电阻R1、第五电阻R301、第六电阻R302、第一滑动变阻器RP1、第一电容C33、第二电容C34；所述二级放大电路包括第一运算放大器U4、第七电阻R401、第八电阻R501、第二滑动变阻器RP3、第三电容C35；

热敏电阻的一端接地，另一端连接恒流源芯片的管脚7和管脚8，以及仪表放大器U2的管脚2，同时通过电容C201接地，恒流源芯片的管脚3和管脚6分别连接-12V、+12V电压；仪表放大器U2的管脚1通过第一电阻R101连接其管脚8，仪表放大器U2的管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压，管脚5接地，管脚6连接信号电流隔离芯片U3的管脚15，信号电流隔离芯片U3的管脚1、管脚9连接+12V电压，管脚2、管脚10连接-12V电压，管脚8和管脚16接地，管脚7通过串联的第五电阻R301、第六电阻R302连接第一运算放大器U4的管脚3，第五电阻R301和第六电阻R302的公共端通过第一电容C33接地，第六电阻R302和第一运算放大器U4的管脚3的公共端通过第二电容C34接地，同时通过第四电阻R1连接第一滑动变阻器RP1的滑动端，第一滑动变阻器RP1的一个固定端通过第二电阻R201连接+12V电压，另一个固定端通过第三电阻R202连接-12V电压；第一运算放大器U4的管脚2通过第八电阻R501接地，同时通过第三电容C35连接第一运算放大器U4的管脚6，第一运算放大器U4的管脚2和管脚6之间同时设置与第三电容C35并联的相串联的第七电阻R401和第二滑动变阻器RP3，第二滑动变阻器RP3的滑动端与第一运算放大器U4的管脚6相连，第一运算放大器U4的管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压。

(2)湿敏电容信号处理电路如图5所示，湿敏电容由一个频率为20KHz、幅值为0.5V的交流谐波供电，湿敏电容信号经过一级放大器得到放大后的交流谐波，该交流谐波的幅值与湿敏电容的容值成正比。然后交流谐波经过信号隔离变压器隔离后，通过一个高精度检波电路整流成直流信号，之后经过二阶滤波电路滤除杂波。最后通过二级放大器进行偏置调整与进一步电压放大，得到最终输出电压，最终输出的电压与湿敏电容的环境湿度线性相关。

具体地，所述湿敏电容信号处理电路包括交流谐波电路、第二一级放大电路、第二信号电流隔离电路、检波电路，以及二阶滤波与二级放大电路；

所述交流谐波电路包括交流谐波隔离变压器T1、湿敏电容；所述第二一级放大电路包括第二运算放大器U5、第四电容C301、第九电阻R2；所述第二信号电流隔离电路包括信号隔离变压器T2、第五电容C401；所述检波电路包括第三运算放大器U6、第十电阻R601、第十一电阻R801、第一二极管D1、第二二极管D2；所述二阶滤波与二级放大电路包括第四运算放大器U7、第十二电阻R901、第十三电阻R502、第十四电阻R701、第十五电阻R204、第三滑动变阻器RP4、第四滑动变阻器RP7、第六电容C36、第七电容C37和第八电容C38；

所述交流谐波隔离变压器T1的原边连接交流电源，副边的一端接地，另一端通过湿敏电容连接第二运算放大器U5的管脚2，该管脚2通过并联的第四电容C301和第九电阻R2连接第二运算放大器U5的管脚6，第二运算放大器U5的管脚3接地，管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压；第二运算放大器U5的管脚6通过电解电容C103连接信号隔离变压器T2原边的一端，原边的另一端接地，信号隔离变压器T2的副边两端通过第五电容C401连接并接地，且其中一端通过第十六电阻R203连接第三运算放大器U6的管脚2，该管脚2通过串联的第十电阻R601、第一二极管D1连接第三运算放大器U6的管脚6，同时通过串联的第十一电阻R801、第二二极管D2连接第三运算放大器U6的管脚6，其中第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极连接第三运算放大器U6的管脚6；第三运算放大器U6的管脚3接地，管脚7和管脚4分别连接+12V、-12V电压；第十电阻R601和第一二极管D1的公共端通过串联的第十二电阻R901、第十三电阻R502连接第四运算放大器U7的管脚3，该管脚3同时通过第七电容C37接地，第十二电阻R901和第十三电阻R502的公共端通过第六电容C36接地；第四运算放大器U7的管脚2通过第十四电阻R701接地，并通过串联的第十五电阻R204、第三滑动变阻器RP4连接第四运算放大器U7的管脚6，同时通过第八电容C38连接第四运算放大器U7的管脚6，其中第三滑动变阻器RP4的滑动端连接该管脚6；第四运算放大器U7的管脚1通过第四滑动变阻器RP7连接其管脚8，第四滑动变阻器RP7的滑动端、第四运算放大器U7的管脚7连接+12V电压，第四运算放大器U7的管脚4连接-12V电压。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6，远程探头安装在被检测管道上的探头基座上，位于被检测位置，包括金属保护帽1、热敏电阻2、湿敏电容15、插针组件、走线管4、探头电路板8、探头壳体7、上盖9和出线管；所述插针组件的一端外部套有金属保护帽，该金属保护帽内部设置热敏电阻和湿敏电容，另一端设有线缆且插入走线管内，并与走线管的一端固连；走线管的另一端与探头壳体下端固连，探头壳体的上端开口处设置上盖，走线管、探头壳体、上盖构成探头内腔，探头壳体的腔体内设有探头电路板，该探头电路板用于判断热敏电阻和湿敏电容的器件、接线以及信号处理电路是否异常，同时将探测到的温湿度信号传输给外部信号处理模块；所述探头壳体的侧壁上设有出线管，用于放置探头与其外部信号处理模块之间的传输线缆；探头工作时，金属保护帽及内部的热敏电阻、湿敏电容完全置于监测环境中。所述走线管4、探头壳体7、上盖9构成的探头内腔，使用所述密封结构胶14进行灌封防护。

进一步地，在其中一个实施例中，远程探头通过套于走线管外部的探头安装螺母6安装在被检测管道上的探头基座上。

进一步地，在其中一个实施例中，远程探头还包括套于走线管外部的螺母限位环5，用于对探头安装螺母6进行限位。

所述走线管4、探头壳体7、上盖9构成的探头内腔，使用所述密封结构胶14进行灌封防护。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6和图7，所述插针组件3包括镀金插针104、玻璃珠102和插针壳体103，玻璃珠102采用高温烧结方式将镀金插针104与插针壳体103制作成为一个整体，且插针与壳体绝缘。插针壳体103的一端设有外螺纹用于安装金属保护帽1，另一端插入走线管4内，采用硬钎焊与走线管4固定。镀金插针104一侧分别与热敏电阻2和湿敏电容15进行锡焊，另一侧与连接电路板的线束105采用锡焊焊接。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6和图7，所述金属保护帽1设有内螺纹与插针组件壳体103实现组装，热敏电阻2和湿敏电容15设置在金属保护帽1的内腔，金属保护帽1的壳体侧面和头部留有多个开窗101，通过这些预留的开窗101保证热敏电阻2和湿敏电容15所处环境与被监测环境保持一致。

这里优选地，所述金属保护帽为圆柱形，其壳体侧面开窗沿圆柱面均匀分布。

进一步地，在其中一个实施例中，所述走线管4的一端与探头壳体7固定，另一端与插针壳体103固定，所述螺母限位环5固定在走线管4的外径，固定方式均采用硬钎焊。所述探头安装螺母6套在走线管外部，探头安装螺母6通过外螺纹与被检测管道上的探头基座进行安装；探头内部线束105穿过走线管4与电路板8连接，线束105与电路板8采用锡焊方式固定。

进一步地，在其中一个实施例中，所述探头壳体7与上盖9通过内外螺纹方式安装，所述探头电路板8使用螺钉固定在探头壳体7的腔体内，探头电路板8包括参考电阻、参考电容和微型继电器，用于实现自检功能的切换。当温湿度传感器处于自检状态时，信号处理模块给微型继电器供电，微型继电器闭合，将热敏电阻和湿敏电容切换到电路板上标称的参考电阻和参考电容，以读取参考电阻和参考电容的值来判断温湿度传感器的器件、接线以及信号处理电路是否异常。

进一步地，在其中一个实施例中，所述传输线缆11采用带屏蔽线缆，防止信号干扰；所述线缆保护管12对远程传输线缆起保护作用，线缆保护管内部为金属波纹管，外部为一层热缩套管；所述线缆保护管稳定块10与线缆保护管12的金属波纹管通过硬钎焊方式固定，所述线缆保护管锁紧螺母13与探头壳体7采用螺纹方式安装固定，螺纹旋紧后将线缆稳定块10限制在探头壳体7的出线管中，从而实现传输线缆保护管12的固定。

本发明使用时，结合图8和图9，将所述安装螺母6旋入监测点上安装基座的支柱上，安装基座上，安装支柱通过隔板、衬板、安装法兰等与被监测管道固定，从而使整个探头固定在被检测位置。金属保护帽1及内部的热敏电阻2和湿敏电容15置于监测环境中，保证热敏电阻2和湿敏电容15能实时感知监测环境的变化，使用湿敏电容2作为敏感元件测量相对湿度，使用热敏电阻15测量相对温度。探头电路板8内设置标准电阻和标准电容，主要用于通道定期自检和测试。当冷却剂发生泄露时，被监测主管道外表面和保温层内表面之间空气温度和湿度发生变化，探头输出的电阻值和电容值也随之发生相应变化，再经过信号处理模块对远程探头进行信号转换、滤波、放大处理，最终输出相关的电压信号来计算并检测冷却剂泄露。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。