用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及核电厂堆芯测量技术领域，具体涉及一种用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟装置和方法。

背景技术

为了对核电厂进行监测，使用堆芯测量系统的堆芯冷却监测系统采集和处理来自堆芯温度和堆芯水位探测器的信号，为水位探测器提供直流电源，并将处理后的信息通过硬接线或网络的方式送到控制室显示。

确认堆芯冷却监测系统设备的功能、性能，确保其能够实现堆芯冷却监测功能，需对堆芯冷却监测系统进行测试。其中，为堆芯冷却监测系统设备提供Pt100热电阻模拟信号，要求热电阻模拟信号具有高精度、高可靠性的特点。

四线制热电阻的接线方式是在热电阻的根部两端各连接两根导线，其中两根引线为热电阻提供恒定电流，把电阻信号转换成电压信号，再通过另两根导线测得电压值。这种引线方式可以完全消除引线的电阻影响。

目前提供热电阻模拟信号时一般使用电阻或者仪表接线临时搭建测试环境进行测试，使用电阻或仪表模拟热电阻信号时，首先需要通过查表进行换算，将测试所需温度值换算为电阻值，再更换电阻或修改仪表输出电阻值。然而堆芯冷却监测系统具有24个热电阻通道，完成一次测试需要多次修改接线，设定电阻值，为测试带来不便，并且难以保证精度和可靠性。因此，需要一种热电阻信号模拟装置和方法，解决现有测试步骤繁琐、精度低的问题。

发明内容

为了解决现有热电阻模拟技术导致测试繁琐、精度较低的问题，本发明提供了一种用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟装置和方法。本发明利用数字化处理和控制技术，能够输出高精度电阻信号并同时提供多路模拟信号，使堆芯测量系统的热电阻测量功能测试更加便捷、准确。

本发明通过下述技术方案实现：

用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟装置，包括控制器、可编程逻辑器件、数模转换单元、运算放大器和模拟开关；

其中，所述控制器根据待测温度值，自动查表得到相应的热电阻值，通过采集到的四线制热电偶测量通道的电流值和热电阻值，计算得到输出的理论电压值；

所述可编程逻辑器件根据理论电压值输出信号控制数模转换单元产生电压信号，并通过下游的n路运算放大器产生n路输出电压，以模拟四线制热电阻信号；

n路输出电压信号端分别连接一路模拟开关；n路模拟开关均由所述可编程逻辑器件控制开闭，从而控制将输出电压信号输入到堆芯测量系统作为热电阻模拟信号进行测试。

作为优选实施方式，本发明的装置还包括电流测量单元和模数转换单元；

所述电流测量单元用于采集四线制热电偶测量通道的电流值，采集的电流值通过所述模数转换单元转换后送入所述控制器。

作为优选实施方式，本发明的装置还包括人机交互界面；

所述人机交互界面和所述热电阻信号模拟装置一体化设计；

或者，所述人机交互界面可独立于所述热电阻信号模拟装置设计。

作为优选实施方式，本发明的人机交互界面提供人机交互，用于设置待测温度值；

所述人机交互界面也可以用于进行数据显示和故障报警。

作为优选实施方式，本发明的人机交互界面独立于所述热电阻信号模拟装置设计时，所述人机交互界面可采用工控机；

所述工控机和所述控制器采用RS232通讯连接，所述工控机和所述堆芯测量系统采用RS485通讯连接。

作为优选实施方式，本发明的工控机能够获得堆芯测量系统四线制热电阻的实际测量值，并与设置的待测温度值进行误差计算，并将理论值、测量值和误差进行显示。

作为优选实施方式，本发明的人机交互界面可对接口断线或者恒流源输出误差超范围进行显示和报警。

作为优选实施方式，本发明的可编程逻辑器件采用FPGA。

作为优选实施方式，本发明的n的取值为小于等于24。

另一方面，本发明提出了一种用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟方法，该方法包括：

根据待测温度值，自动查表得到相应的热电阻值，通过采集到的四线制热电偶测量通道的电流值和热电阻值，计算得到输出的理论电压值；

通过可编程逻辑器件控制数模转换单元产生电压信号，并由下游的n路运算放大器跟随产生n路输出电压，以模拟四线制热电阻信号；

n路输出电压信号端分别连接一路模拟开关，通过可编程逻辑器件控制n路模拟开关，实现将对应输出电压信号输入至堆芯测量系统作为热电阻模拟信号进行测试。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的热电阻信号模拟装置通过采集待测四线制热电阻测量通道的电流值，监测电流值是否误差超范围或出现断线，将测得的电流值和报警信号发送至人机交互界面显示。可在人机交互界面设定需要模拟的温度或热电阻值，当设定值为温度值时，控制器自动查表得到相应的热电阻值，并根据设定温度值进行查表得到相应电阻值，通过电流值和理论电阻值计算得到输出电压值。控制器输出信号经DAC转换为电压值，输出至四线制热电阻采集通道，模拟热电阻信号。

本发明能够实现24路并行热电阻模拟信号输出，经过运放后输出20mV～38mV，输出电压精度优于0.1％。

本发明特别适用于堆芯冷却监测系统，为堆芯冷却监测系统提供热电阻模拟信号，并且已经为福建福清核电厂5、6号机组、巴基斯坦卡拉奇核电厂2、3号机组和福建漳州核电厂1、2号机组供货，即将为海南昌江核电站3、4号机组供货。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的装置原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

现有为堆芯冷却监测系统提供Pt100热电阻模拟信号的方式完成一次测试需要多次修改接线，不便于测试，同时难以保证精度和可靠性。基于此，本实施例提供了一种用于核电厂堆芯测量系统的热电阻信号模拟装置。

具体如图1所示，本发明实施例的热电阻信号模拟装置包括控制器、可编程逻辑器件、数模转换单元、运算放大器、模拟开关、电流测量单元和模数转换单元。

其中，控制器的输出端与可编程逻辑器件的输入端通信连接，可编程逻辑器件的输出端与数模转换单元的输入端连接，数模转换单元的输出端和n路运算放大器的输入端通信连接，n路运算放大器的输出端分别通过一个模拟开关和堆芯冷却监测系统连接，以模拟n路四线制热电阻产生的电压值。本发明实施例中，可同时实现堆芯冷却监测系统测试24路四线制热电阻通道，即n＝24；也可以根据实际需求，输出多路模拟信号实现多路四线制热电阻通道测试，即n小于24。

控制器的输入端与模数转换单元的输出端连接，模数转换单元的输入端和电流测量单元的输出端连接，电流测量单元的输入端连接四线制热电阻的测量通道，采集待测四线制热电阻测量通道的电阻值。

控制器中内置有温度范围以及对应的理论热电阻值映射表，控制器根据待测温度，自动查表得到对应的理论热电阻值。本发明实施例中，堆芯冷却监测系统可测试24路四线制热电偶通道，其额定电流值为200μA的情况下，输出模拟热电阻范围为100Ω～175.86Ω，对应模拟温度范围为0～200℃。因此，可据此预先在控制器中设置温度范围以及对应热电阻值映射表。

控制器基于查询得到的理论热电阻值和采集得到的四线制热电阻测量通道的电流值，计算得到理论电压值并输出给可编程逻辑器件。

可编程逻辑器件可采用但不限于FPGA，可编程逻辑器件根据理论电压值输出信号控制数模转换单元产生0～2.5V电压信号，精度优于0.1％，通过使用3个DAC可以同时输出24路电压信号，采用跟随运放使输出电压范围在20mV～38mV，输出至四线制热电阻测量通道，以模拟四线制热电阻信号。每个输出电压信号端接高精度单路模拟开关，由可编程逻辑器件控制开闭，当手动停止测试或断线时，停止输出电压信号。

电流测量单元采集待测四线制热电阻测量通道电流值，并通过模数转换装置转换后反馈给控制器，用于计算理论电压值用。本发明实施例中，电流测量单元可通过RS485和控制器通讯连接。

本发明实施例提出的热电阻信号模拟装置工作原理为：

采集待测四线制热电阻测量通道的电流值，设定需要模拟的温度或热电阻值，当设定值为温度值时，控制器自动查表得到相应的热电阻值，通过电流值和理论电阻值计算得到输出电压值。控制器控制可编程逻辑器件输出信号经DAC转换为电压值，采用运放跟随产生高输出阻抗至四线制热电阻测试通道，模拟热电阻信号；同时通过电流采集单元采集四线制热电阻测试通道的电流值，并对测试结果进行误差计算和监测。

本发明实施例的模拟装置采用数字化技术，通过计算得到理论电压值，然后采用FPGA等可编程器件对DAC进行控制，使其输出所需电压值，结合运放跟随可产生多路并行热电阻模拟信号，便于测试，且精度高，可控性强。

本发明实施例的模拟装置能够实现24路并行热电阻模拟信号输出，经过运放后输出20mV～38mV，输出电压精度优于0.1％。

本发明实施例提出的热电阻信号模拟装置工作过程为：

根据待测温度值，自动查表得到相应的热电阻值，通过采集到的四线制热电偶测量通道的电流值和热电阻值，计算得到输出的理论电压值；

通过可编程逻辑器件控制数模转换单元产生电压信号，并由下游的n路运算放大器跟随产生n路输出电压，以模拟四线制热电阻信号；

n路输出电压信号端分别连接n路模拟开关，通过可编程逻辑器件控制n路模拟开关，实现将对应输出电压信号输入至堆芯测量系统作为热电阻模拟信号进行测试。

本发明实施例的信号模拟装置还包括人机交互界面，人机交互界面可以是与信号模拟装置一体设计的设备，也可以是独立于信号模拟装置的设备，例如工控机设备，工控机可通过但不限于RS232和控制器通讯连接，工控机可通过但不限于RS485和堆芯冷却监测系统通讯连接，能够获得堆芯冷却监测系统四线制热电阻的实际测试结果，并与设定温度值进行误差计算，将理论值、测量值和误差在工控机人机交互界面显示。

本发明实施例可通过人机交互界面设置需要模拟的温度值或热电阻值，当设定值为温度值时，控制器根据设定温度值自动查表得到相应的理论热电阻值，根据采集的电流值和理论热电阻值计算得到输出的理论电压值。

电流测量单元采集到堆芯冷却监测系统输出的电流值，经模数转换单元转换成数字信号并发送给控制器，在人机交互界面进行显示，实现电流值监测功能。若出现接口断线，或者恒流源输出误差超范围，将在人机交互界面进行显示和报警，包括电流值、误差和报警信息等。

实施例2

本实施例以一示例对上述实施例提出的热电阻信号模拟装置进行说明。

堆芯测量系统的堆芯冷却监测系统有24个四线制热电阻测量通道，且额定电流值为200μA。

热电阻模拟装置读取到堆芯冷却监测系统输出的电流值，经AD转换成数字量信号发送至控制器，在人机交互界面进行显示，实现电流值监测功能。若出现接口断线，或者恒流源输出误差超范围，将在人机交互界面发出报警。

通过人机交互界面设定待测温度为200℃，控制器自动查表得到理论热电阻值，再与监测得到的电流值200μA计算，得到对应的电压值为38mV。由FPGA输出信号至DAC，产生0～2.5V信号，经过跟随运放输出24路38mV电压值至堆芯测量系统堆芯冷却监测系统，精度优于0.1％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，本发明所揭露的技术方案，可通过其它的方式实现。例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，模块之间的通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电信号或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

其中，集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。