成果介紹：1E級智能溫度變送器的抗震試驗研究
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作者：鄭曉敏
隨著我國新核電站項目不斷立項和建設(shè)以及核電設(shè)備的大量國產(chǎn)化，大幅度提高核級設(shè)備國產(chǎn)化程度已經(jīng)成為國家產(chǎn)業(yè)政策的要求。在國產(chǎn)化的進程中，核級設(shè)備鑒定是核心環(huán)節(jié)之一，是新建核電站核級設(shè)備國產(chǎn)化的關(guān)鍵，也是解決在役核電站核級設(shè)備更換問題的基礎(chǔ)，而抗震鑒定試驗是核級設(shè)備鑒定項目中的重要項目之一。
由于我國是一個多地震國家，如果受到強烈地震的影響，核電廠的設(shè)備遭到破壞，可以造成非常嚴重的核污染災(zāi)害。而且，核電站中分布著許多不同種類的設(shè)備，其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，甚至不少設(shè)備都具有非常嚴重的非線性特點，在地震作用下，有些設(shè)備可能會出現(xiàn)其他復(fù)雜的狀況，很難判斷其受力情況。因此，需要對設(shè)備進行抗震鑒定試驗后，才能被核準在實際的工程中應(yīng)用。
1E級設(shè)備是與核安全相關(guān)的電氣類設(shè)備，指安裝在安全殼外，要求在正常工況或事故工況下完成預(yù)定安全功能的設(shè)備。按相關(guān)核安全法規(guī)和保證核電站安全運行的要求，核級設(shè)備必須進行一系列的試驗，其中抗震試驗作為核級儀表評價設(shè)備性能隨時間變化試驗中的一個重要環(huán)節(jié)，具有非常重要的意義。其作用是為了用來驗證溫度儀表在OBE（運行基準地震，
即Sl）和SSE（安全停堆地震，即S2）期間和試驗之后均能夠履行其安全功能。在抗地震試驗期間，被試儀表經(jīng)受的地震運動應(yīng)保守地模擬地震在設(shè)備安裝點感應(yīng)的運動。本文重點介紹抗震試驗中1E級溫度交送器是否能夠滿足抗震I類的要求。
1硬件設(shè)計介紹
1E級溫度變送器主要由A/D采樣模塊、MCU控制模塊和D/A輸出模塊組成，硬件總體設(shè)計如圖l所示。
1.1MCU控制模塊設(shè)計
本文采用了MSP430F16X系列微處理器，它擁有非常豐富的片內(nèi)資源：有16位RISC結(jié)構(gòu)和125 ns的指令周期；內(nèi)置三通道的DMA控制器，不需要處理器的介入可將數(shù)據(jù)在兩個內(nèi)存地址間搬動；12位的A/D帶采樣保持內(nèi)部參考源；內(nèi)部具有看門狗電路，可以在整個MCU出現(xiàn)死循環(huán)或飛車的情況下實現(xiàn)復(fù)位和重啟操作；60 KB +256 Bd的flash存儲器和2 KB的RAM空間；CPU的節(jié)能控制功能使芯片能夠保持較低的功耗。
除此之外，MCU模塊還具有故障處理功能�？梢苑譃橐韵聝煞N情況：
(1) MCU模塊若判斷發(fā)生以下故障時：AD采樣模塊內(nèi)部故障；MCU模塊內(nèi)部工作電壓漂移故障，即工作電壓大于3.5 V或小于3.0 V；DA輸出模塊輸出電流偏差絕對值大于2%；回路電壓欠壓故障，回路工作電壓低于12 V；則控制DA輸出模塊輸出電流小于3.8 mA，且保持在故障狀態(tài)，故障指示燈常亮。
(2) MCU模塊若判斷發(fā)生下列故障時：回路電壓過壓故障，回路工作電壓高于45 V；傳感器斷線故障；傳感器輸入信號超限；則控制DA輸出模塊輸出電流小于3.8 mA，故障指示燈閃爍；若故障消失，則自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)，故障指示燈熄滅。
其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
1.2 A/D采樣模塊設(shè)計
溫度采集模塊的核心部件是A/D采樣控制器。本設(shè)計選擇了24位的AD7794芯片，能夠滿足此次智能溫度變送器的精度要求，達到±0. 2%左右。AD7794芯片是一款低功耗、高性能型的∑- AADC，內(nèi)置一個基準電壓源；具有可編程增益放大器( PGA)、多路復(fù)用器、電流源、時鐘、校準寄存器、串行外圍接口( SPI)等。因此，如果輸入信號為熱電阻或熱電偶時，都能與A/D直接相連。
另外，AD采樣模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)三種故障診斷功能。分別為：
(1)傳感器故障診斷，若溫度傳感器開路或溫度傳感器與變送器接線斷路，AD采樣模塊可以診斷出該故障。
(2)輸入信號過范圍診斷，AD采樣模塊采樣到輸入信號超出正常信號范圍。
(3)對DA模塊的輸出電流回采，若輸出電流嚴重偏離MCU配置輸出的電流值，則可以診斷出DA模塊故障。
1.3D/A輸出模塊設(shè)計
輸出模塊的核心器件是D/A輸出控制器，本設(shè)計中采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5421，可提供完整的環(huán)路供電型電流4~ 20 mA，并且其內(nèi)置一路可用于自身和其他器件供電的穩(wěn)壓輸出，其輸出電壓可以在1.8—12 V之間進行調(diào)節(jié)。另外，該器件內(nèi)置1. 22 V和2.5 V兩個基準電壓源。
由于此芯片內(nèi)部含有ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)路電壓VLOOP的診斷，當回路電壓低于12 V或高于45 V時，可以診斷該故障。
最后，除了上述主要的三個核心器件，本文還選用了X5043芯片作為E2 PROM，用于保存數(shù)據(jù)和傳感器的類型。
2軟件設(shè)計介紹
整個1E級智能溫度變送器的軟件設(shè)計中，MSP430是數(shù)據(jù)處理單元的核心，軟件所涉及的主要模塊分為主程序模塊、AD7794采樣模塊、AD5421轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、配置模塊和診斷模塊。主程序模塊主要分為系統(tǒng)初始化和主循環(huán)兩個部分，用來控制整個程序運行，并且通過調(diào)用子程序，完成儀表的功能，主程序流程圖如圖3所示。
初始化完成對系統(tǒng)的一些配置，為儀表能進入主循環(huán)進行工作做好準備二初始化程序按照其功能可以分為上電初始化和上電診斷兩個部分。上電初始化的任務(wù)就是完成對單片機自身模塊和其他各個外圍芯片工作模式的配置，其中變量初始化則應(yīng)該在上電診斷完成后才能夠執(zhí)行。在完成上電初始化后要進行上電診斷，保證儀表在經(jīng)過上電之后單片機的內(nèi)部并沒有發(fā)生失效情況。如果上電初始化完成則進入主循環(huán)程序，否則進入安全模式。在完成初始化并且通過上電初始化后，可以進入主循環(huán)程序。
AD7794模塊主要設(shè)置USART1的SPI總線以及AD7794的采樣。然后，在進行SPI的初始化、AD7794端口初始化、AD寄存器初始化、AD配置寄存器和I/O寄存器初始化后，進而讀出AD數(shù)據(jù)寄存器的值，從而獲得AD7794的采樣數(shù)值。
AD5421模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊獲得的百分比值，通過計算得出AD5421所對應(yīng)的碼值，將碼值寫入AD5421中，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將當前溫度值以電流的形式輸出，其中AD5421是通過IO口模擬SPI功能進行數(shù)據(jù)的寫入。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊在采樣與輸出之間起到橋梁作用，根據(jù)輸入的信號，選擇相應(yīng)的設(shè)置值后，將采樣值轉(zhuǎn)換為溫度值或者百分比，并且能夠輸出相應(yīng)的4—20 mA的電流值。
配置模塊主要用于1E級智能溫度變送器出廠前的各項參數(shù)設(shè)定，如設(shè)置變送器的類型、量程的上下限范圍、阻尼系數(shù)、標定數(shù)據(jù)、冷端補償數(shù)據(jù)等，通過UARTO完成與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。UARTO的具體配置為波特率1 200 bit、無校驗、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位。
診斷模塊對CPU內(nèi)部及外圍芯片安全相關(guān)部分進行診斷處理，若不通過則進入安全模式。主要進行了RAM診斷、ROM診斷、EEPROM診斷、內(nèi)部AD診斷、堆棧診斷、AD診斷、DA診斷等，其中內(nèi)部AD診斷包括AD7794的參考電壓診斷、電源電壓診斷和環(huán)境溫度的診斷。
3試驗設(shè)備儀器和安裝
3.1地震試驗臺介紹
地震模擬試驗臺為6mx6m．在其性能上．可以滿足1E級智能溫度變送器的抗震鑒定試驗研究=地震模擬試驗臺主要技術(shù)參數(shù)如下：地震臺臺面面最大承載額度為60 t；地震臺水平方向的最大位移為±150 mm.垂直方向為±100 mm:其水平方向上的最大加速度（滿載情況下）為1.0g，垂直方向為0.8g；頻率滿足在0.1~100 Hz范匿之間；自由度分別為沿三軸平動和繞三軸轉(zhuǎn)動，共6個；地震臺可采用的波形有正弦波、隨機波、自然地震波、人造地震波、矩形脈沖等。
3.2被試儀表的安裝
被試儀表的安裝主要從以下兩個方面著手：
(1)被試儀表在其試驗底板上的固定
首先為被試用表的機械振動試驗專門設(shè)計一個試驗底板，然后用力矩將試驗樣品擰緊在底板上。
(2)試驗底板在地震試驗臺上的安裝
第一，試驗底板在地震試驗臺上的安裝方式應(yīng)能模擬被試儀表實際的現(xiàn)場安裝。
第二，應(yīng)將設(shè)置有被試儀表的試驗底板，按照底部結(jié)構(gòu)，在地震試驗臺上緊固安裝，并應(yīng)當考慮到試驗樣品外部連接件的影響情況。
4抗震評估方法
目前，國內(nèi)只有兩種鑒定方法可以用來評價核級設(shè)備的抗震能力，分別為抗震分析和抗震鑒定試驗。抗震分析只可以評估產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)，但不能分析其電氣方面的特性，為了可以準確地評估1E級智能溫度變送器的抗震能力，本次試驗采用抗震鑒定試驗。
在1E級智能溫度變送器的抗震試驗中，需要評估此儀表在OBE（運行基準地震，即Sl）和SSE（安全停堆地震，即S2）期間和試驗之后均保持其完整性和可運行性，實現(xiàn)將溫度傳感器測得的mV或電阻信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA直流電流輸出的要求。
4.1 抗震試驗的條件及方法
此1E級溫度變送器的抗震試驗可以分為以下三個階段，分別為：關(guān)鍵頻率探查試驗、運行基準地震（OBE或Sl）試驗、安全停堆地震（SSE或S2）試驗。
4.1.1關(guān)鍵頻率探查試驗
首先，采用白噪聲隨機波信號或連續(xù)正弦波信號在三個規(guī)定軸線方向的每一個方向?qū)Φ卣鹪囼炁_進行激勵，試驗條件為：掃描頻率范圍為1～50 Hz;掃描速率：1倍頻程／1 min;加速度水平為0.2g;持續(xù)時間120 s。然后，測量出每個軸向放大倍數(shù)大于2的共振頻率以及發(fā)
現(xiàn)被試驗設(shè)備出現(xiàn)其他可以見到或聽到的跡象時（例如錘擊、螺栓和螺母松動、裂縫等）的頻率。在此試驗期間被試設(shè)備（溫度變送器）是不允許通電的。
4.1.2運行基準地震（OBE或Sl）試驗
首先，在雙軸地震試驗臺上在OX-OZ軸上進行5次OBE試驗，在OY-OZ軸上進行5次OBE試驗，或者在三向地震試驗臺上進行5次OBE試驗。
試驗時，要按照如圖4中所給出的OBE反應(yīng)譜作為OBE要求反應(yīng)譜(RRS)，阻尼比取5%，并且按照表1中要求的數(shù)據(jù)進行試驗。在運行基準地震試驗時使用的OBE試驗反應(yīng)譜(TRS)應(yīng)包絡(luò)要求反應(yīng)譜( RRS)，但在反應(yīng)譜的強震部分包絡(luò)不超過30%。加速度時程應(yīng)按1/6倍頻程間距產(chǎn)生，對人工時程曲線的特性要求是：(1)信號總的持續(xù)時間：30 s；(2)強信號區(qū)段的最小持續(xù)時間：10 s。
4.1.3安全停堆地震試驗
首先，在雙軸地震試驗臺上在OX-OZ軸上進行1次SSE試驗，在OY-OZ軸上進行1次SSE試驗，或在三向地震試驗臺上進行1次SSE試驗。
試驗時，要按照圖4中給出的SSE反應(yīng)譜作為SSE要求反應(yīng)譜(RRS)，阻尼比取5010。在安全停堆地震試驗時使用的SSE試驗反應(yīng)譜(TRS)應(yīng)包絡(luò)要求反應(yīng)譜( RRS)，但在反應(yīng)譜的強震部分包絡(luò)不超過30%。對人工時程曲線的要求與4.1.2相同。
4.2試驗結(jié)果
試驗結(jié)果表明，被試設(shè)備經(jīng)過了關(guān)鍵頻率探查試驗、運行基準地震（OBE或Sl）試驗、安全停堆地震（SSE或S2）試驗三大階段的抗震試驗。在第一階段試驗后，其外觀檢查無螺栓和螺母松動、裂縫等情況發(fā)生，結(jié)果正常；其基本誤差試驗結(jié)果應(yīng)小于或等于規(guī)定的最大允許偏差值為±0.5℃。在第二、三階段試驗后，其外觀檢查無螺栓和螺母松動、裂縫等情況發(fā)生，結(jié)果正常；其測量的絕緣電阻試驗結(jié)果滿足在正常大氣條件下，測得的絕緣電阻值應(yīng)大于100 MΩ;進行的基本誤差試驗結(jié)果應(yīng)小于或等于規(guī)定的最大允許偏差值為±0.5℃。
綜上所述，1E級智能溫度變送器在經(jīng)歷了抗震試驗后，結(jié)構(gòu)完好，運行性好，可靠性高，完全符合核安全級抗震I類的設(shè)計要求。在地震中，依然能夠保證可以檢測核電站熱交換器上下流溫度、回路溫度、穩(wěn)壓器流體區(qū)溫度及穩(wěn)壓器波動管路溫度，完成反應(yīng)堆保護功能和運行監(jiān)測功能，確保核電站能夠安全運行。
5結(jié)束語
本文主要介紹1E級智能溫度變送器整體的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計及其故障診斷技術(shù)�？拐饍x表通過了相關(guān)抗震鑒定試驗，依舊能夠履行其安全功能，符合核電站儀表抗震I類的抗震等級要求。說明1E級溫度儀表在其選型、整體設(shè)計、減震措施及安裝方式等方面是合理的，從而也為1E級溫度儀表的抗震試驗提供一定的試驗思路和借鑒作用。本產(chǎn)品首次嘗試將1E級K3類電氣設(shè)備的要求加入到溫度變送器的設(shè)計中，并經(jīng)過實際試驗驗證，能夠保證在核電站的運行中完成反應(yīng)堆保護功能和運行監(jiān)測功能。
6摘要：
首先介紹了1E級溫度變送器整體的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。然后對1E級溫度變送器進行抗震試驗，并具體闡述了抗震試驗的評估方法及試驗步驟。最后，抗震鑒定試驗表明，此溫度變送器在試驗中及試驗后結(jié)構(gòu)完整并運行功能完好，設(shè)計符合核安全級抗震I類的抗震要求。
