摘 要 ：反应堆冷却剂贝斯特bst3344是反应堆冷却系统的非常好能动设备，在一回路中具有重要的作用。既是一回路压力边界，同时也承担着反应堆冷却剂循环等核安全和非核安全的双重作用。因此，对反应堆冷却剂贝斯特bst3344的运行参数的检测也十分重要。其中，转速是反应堆冷却剂贝斯特bst3344一个重要的运行参数，表征着贝斯特bst3344的主要功能是否正常。因此，对反应堆冷却剂贝斯特bst3344转速的测量十分重要。本文介绍了一种反应堆冷却剂贝斯特bst3344转速的测量装置，对主贝斯特bst3344输出的脉冲信号进行测量。该装置具有精度高，响应时间短，可靠性高等优点，可以用于核电厂反应堆以及船用反应堆的冷却剂贝斯特bst3344的转速测量。

0 引言

反应堆冷却剂贝斯特bst3344作为一回路的压力边界设备，是反应堆冷却系统中非常好的能动设备[1] ，其作用是推动反应堆冷却剂循环，将反应堆内产生的热能，通过蒸汽发生器将能量传递到二回路系统中[2] 。在反应堆冷却剂贝斯特bst3344的运行过程中，需要对振动、位移、转速、温度等物理量进行监测，其中转速信号是反应堆冷却剂贝斯特bst3344的重要参数。转速的监测对于反应堆的安全运行具有重要意义。因此，要求转速的测量设备具有高精度、高稳定性的特点。

1 贝斯特bst3344的基本类型

冷却剂贝斯特bst3344的转速测量贝斯特bst3344采用的是非接触式贝斯特bst3344，根据工作原理的不同主要分为涡流式和磁阻式两种[3] 。涡流式贝斯特bst3344是一种有源非接触式电磁贝斯特bst3344，利用高频的交流电压通过线圈产生磁场，当线圈靠近金属导体时，线圈产生的磁链穿过金属导体，在表面感应形成一个涡流，感应涡流产生的磁场通过线圈，形成了互感效应。根据互感原理，互感效应的强弱，取决于金属的材料和金属导体之间的距离。当金属材料固定时，感应电压仅取决于金属导体时间的距离。在转轴一头安装带有齿形缺口的金属圆盘，涡流探头平行于轴的旋转方向放置。涡流探头的位置固定，当金属圆盘转动时，齿顶和齿底分别经过涡流探头，由于齿顶和齿底与涡流探头的距离不同，产生的感应电压的大小也不同。因此，在齿顶和齿底交替通过涡流探头时会产生脉冲信号，通过脉冲的计数值可以换算出冷却剂贝斯特bst3344的转速。

磁阻式贝斯特bst3344是一种无源非接触式电磁贝斯特bst3344。通过齿轮盘的旋转，在贝斯特bst3344探头的铁芯上产生感应电动势。根据电磁感应定律可知，感应电动势的大小和磁通量的变化率、铁芯材料、铁芯与齿轮盘的距离有关[4] 。当探头材料固定时，感应电动势的大小取决于铁芯与齿轮盘的距离，以及齿轮盘的转动速率（即磁通的变化率）。当齿轮盘的齿顶靠近贝斯特bst3344探头时，产生的感应电动势大；当齿底靠近贝斯特bst3344探头时，产生的感应电动势小。因此，在齿顶和齿底交替接近贝斯特bst3344探头时，会产生一个脉冲信号，并且当齿轮盘转速高的时候，脉冲信号的幅值高，齿轮盘转速低的时候脉冲信号的幅值低。

无论是涡流式贝斯特bst3344，还是磁阻式贝斯特bst3344输出的信号都是模拟的脉冲信号，必须对信号进行调理，转换为方波信号后进行数字化处理。目前常用的方法是将脉冲信号进行 F/V 变换，再经过 V/I 变换输出 4mA ～ 20mA 电流信号，通过对电流信号的采集换算出对应的转速。

2 测量方法的总体设计

本文讨论的反应堆冷却剂贝斯特bst3344转速测量装置包括：通道调理电路、控制电路、通信电路、诊断电路。调理电路对输入的脉冲信号进行信号调理，将脉冲信号转换为方波信号，方波信号由控制电路进行测频和数据转换，同时通过诊断电路进行对比诊断，将诊断后的有效数据通过通信电路上传至保护系统主控模块。总体设计和接口如图 1 所示。

3 调理电路的设计

根据脉冲信号的产生原理可知，贝斯特bst3344探头产生的信号为类似于正弦的脉冲信号，需要对信号进行调理后转换为方波脉冲信号进行计数或者计频。信号调理电路包括限幅电路、无源滤波电路、差分放大电路、有源滤波电路、积分电路、比较电路、触发电路、隔离电路等部分组成，如图 2 所示。

◇ 输入接口电路

由于贝斯特bst3344输出的信号在传输的过程中可能耦合直流信号，为了避免在后级处理中直流电压偏置影响测量，在输入端放置隔直电容，对直流信号进行隔离。隔离后的交流信号进行无源滤波，电路原理如图 3 所示。通过电容后的脉冲信号经过 π 滤波电路，将高频信号滤除，根据实际贝斯特bst3344的转速和对于齿轮盘的结构不同，产生的脉冲信号的频率也有所差异。一般情况下频率的值不会超过 1kHz。由于前端的滤波器是由无源器件构成，如果将滤波频率设计过低，会对响应时间造成影响。因此，前端的滤波器的截止频率设计为 500kHz，滤除一部分高频干扰，部分低频的干扰在后级采用有源滤波的方式进行滤波，可以达到较高的响应时间。

在滤波电容的两端并联正反两个二极管，用来限制脉冲信号的幅度，采用一般的硅信号二极管，正向的压降为0.7V 左右，反向击穿电压可达 100V。可以将输入的脉冲信号的幅值进行钳位，避免对后级器件造成损坏。

◇ 差分放大及有源滤波电路

现场贝斯特bst3344输出的脉冲信号是一对差分信号（浮地），需要将差分信号转换为单端信号，由于输入接口进行了钳位，在差分信号转单端信号的同时对信号进行放大，便于后级电路的处理。为了得到高的共模抑制比，选用仪表放大器对差分信号进行放大，放大后的信号经过有源滤波器进行滤波，电路原理如图 4 所示。

仪表放大器采用 ±15 供电，保证可以正负信号输出。仪表放大器可以通过外部电阻对放大倍数进行设置，放大倍数设置在 3 ～ 5 倍。设置值过大，仪表放大器无法正常输出脉冲波形，可能导致脉冲波形失真，同时倍数过大会导致偏置电压、增益误差等指标变差。有源滤波采用正反馈型低通滤波，为 2 阶滤波电路通过对电阻电容的选择，控制滤波器的截止频率、增益、品质因数等参数。根据实际的需要将截止频率设置在 1.1kHz，增益设置为 2 倍，在选择运算放大器时，选择偏置电压小、电源抑制比高、开关增益大、输入阻抗大的型号，保证滤波器的工作效果。

为了保证通道和系统之间的电气隔离，选择隔离开关电源为仪表放大器和运算放大器进行供电，同时在靠近芯片的供电管脚增加 π 滤波器，减小开关电源的噪声和纹波对芯片的影响。

◇ 积分电路

在使用磁阻式贝斯特bst3344的过程中，随时间的推移，感应线圈或者永磁体的性能可能发生变化，另外由于轴在旋转的过程中存在振动，导致贝斯特bst3344输出存在干扰波形或者畸变波形，对测量的准确性造成影响[3] 。

为了消除或者降低这种影响，电路中设计一级积分电路，对干扰波形进行平滑处理，方便后面进行电压比较。积分电路的原理如图 5 所示，在积分电容上并联一个二极管，只处理正半周的波形，防止积分是负半周的同时积分，降低信号的幅值。由于积分电路输出的为反向信号，需要一个反相器对信号进行翻转为正向脉冲信号。

◇ 比较电路和隔离电路

经过积分和反相器输出的脉冲信号通过比较器的阈值比较，将脉冲信号转换为方波信号，方波信号再经过光耦进行信号的电气隔离，将通道信号转换为系统信号，FPGA对方波信号进行测频，根据齿轮盘的齿数，可以计算出冷却剂贝斯特bst3344的转速。电路原理如图 6 所示。比较器的参考电压信号由 DAC 芯片提供，DAC 输出值由 FPGA 通过通信总线进行控制，DAC 输出的电压经过电阻分压至比较器的负端。为了避免贝斯特bst3344探头长时间使用后波形畸变，导致门限电平需要进行相应的改变，预留了调试接口，可以通过外部的串口经过接口芯片对门限电平进行从新设置，增加了电路的寿命和适应性。

4 采集系统设计

目前常见的冷却剂贝斯特bst3344转速的测量方法是通过前置器将转速信号转换为对应的 4mA ～ 20mA 模拟量信号输出至反应堆保护系统[4] 。反应堆保护的模拟量采集装置再对4mA ～ 20mA 量信号进行采集，得到冷却剂贝斯特bst3344的转速值。如果前置器没有电气隔离的情况下，一般还要通过模拟量隔离后再进行模拟量采集。因此，在转换和采集的过程中都存在误差，经过几级的误差累积，导致#后采集转速的精度降低，同时模拟量的输出和采集还会受到温度的影响，导致不同温度下测量值的漂移。

为了避免信号的多级传递中的累计误差，在调理电路中直接通过光耦进行电气隔离，不用将频率信号转换为电流信号输出，直接对频率信号进行测量。转速的脉冲信号属于低频信号，因此采用测频法对转速脉冲的频率进行测量[5] ，通过齿轮盘的齿数，将频?hou?晃??伲??饬康淖?僦低ü?ㄐ沤涌谥苯由洗?帘；は低车闹骺啬？椤Ｔ诒Ｖこ浞指衾氲奶跫?拢?燃蚧?肆绰罚?痔岣吡司?取?/div> 注明，三畅仪表文章均为原创，转载请标明本文地址