CN107003422A

CN107003422A - 地震传感器单元及相应的核电站紧急停机系统

Info

Publication number: CN107003422A
Application number: CN201580062965.6A
Authority: CN
Inventors: 约翰内斯·韦伯; 克劳斯·尹滋曼
Original assignee: Framatome ANP SAS
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN107003422B; WO2016079297A1; EP3023814A1

Abstract

本发明涉及一种用于核电站的紧急停机系统(2)的地震传感器单元(4)，包括：‑用于至少一个轴的至少一个加速度计(6)，‑触发器模块(8)，其处理从所述加速度计(6)的测量信号得到的信号，以及产生从其得到跳闸信号的输出信号。本发明的目的是提供一种可靠、鲁棒和不复杂的这种类型的地震传感器单元(4)。根据本发明所提出的解决方案其特征在于，所述触发器模块(8)包括处理输入信号(X)以及产生具有以下特性的输出信号(Y)的模拟峰值保持电路(18)：‑如果输入信号(X)上升并且输出信号(Y)的电平低于输入信号(X)的电平，则输出信号(Y)随输入信号(X)几乎瞬间增加，‑如果输入信号(X)的电平低于输出信号(Y)的电平，则输出信号(Y)实质保持当前电平，除非达到复位条件。

Description

地震传感器单元及相应的核电站紧急停机系统

■技术领域

本发明涉及一种用于核电站紧急停机系统的地震传感器单元。它还涉及一种相应的紧急停机系统。

具体地，本发明涉及一种用于核电站的紧急停机系统的地震传感器单元，其包括：

·用于至少一个轴的至少一个加速度计，

·触发器模块，其处理从所述加速度计的测量输出信号得到的输入信号，以及产生从其得到跳闸信号的输出信号。

■背景技术

核电站通常包括反应堆保护系统，该反应堆保护系统具有在发生异常运行条件和/或危险环境条件的情况下用于核反应堆的紧急停机系统(也被称为自动跳闸系统或SCRAM开关)。在可能的跳闸原因之中，与地震有关的或在地震之前的增加的地震活动是特别令人关注的。为此，地震传感器安装在该站的现场，并且被集成到紧急停机系统的信号链中。

然而，市售的现成的地震传感器目前不太适用于集成到用于自动跳闸系统的反应堆保护系统中。这是由于可购买的地震传感器通常会大量使用复杂的电子元件(CPU、FPGA)和软件的事实，这使得核资格认证困难。

例如，在CN 101777241A中公开了具有权利要求1的前序部分的特征的地震触发的反应堆保护系统。在该系统中，模数转换正好发生在信号链的开始处(即，直接在加速度计之后)，以及后续触发功能以数字方式实现。

■发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于核电站的地震停机系统中具有足够灵敏度的、可靠的、鲁棒的和不复杂的地震传感器单元。另一个目的是允许将地震传感器单元容易地集成到现有的反应堆保护系统中。此外，还会提供一种特别适合使用这种传感器单元的核电站的紧急停机系统。

关于地震传感器单元，通过权利要求1的特征部分来解决上述目的。

因此，在根据本发明的传感器单元中，触发器模块包括通过分立(优选模拟)电子组件实现的峰值保持电路，该峰值保持电路处理输入信号并且产生具有以下特性的输出信号：

·如果输入信号上升并且输出信号的电平低于输入信号的电平，则输出信号随输入信号几乎瞬间增加，

·如果输入信号的电平低于输出信号的电平，则除非达到复位条件，否则输出信号实质保持当前电平。

复位条件被优选地定义使得输入信号在特定时间量(其属于秒的数量级)内保持在给定阈值以下。选择阈值使得其远低于被认为对于该站的操作至关重要的地震活动电平。当达到复位条件时，输出信号优选地被复位到输入信号的电平(或者被复位到零)。

实际上，由于具有分立电子元件的基本实施方式，因此“输出信号实质(或几乎)保持当前电平”的措词可能意味着：在这些时段期间，输出信号(非常)缓慢地减小，即具有至少秒的数量级(优选更大)的时间常数。

本发明基于以下一般概念：与核电站中的地震传感器信号相关的信号处理可以被分成具有不复杂的电子元件的安全相关部件(其包括实际的感测和触发功能)和非安全相关的监控部分(其包括借助于复杂的电子元件和相关软件的全面监控功能)。

因此，根据本发明的传感器单元仅使用基本电子组件来实现，以便容易进行资格认证并且确保较低的FIT(failures-in-time)率。除了加速度计本身(如果适用)之外，在系统的这部分中没有复杂的电子元件和软件。尽管如此，加速度计前端可以根据给定的需要(简单性、灵敏度、动态范围)来轻松适应特定的加速度计。以与其它跳闸原因(例如，温度、压力)相似的方式被顺利地集成到反应堆紧急停机信号链中是可能的。

更具体地说，上述特定的峰值保持电路可以毫不费力地用模拟装置实现，而无需复杂的集成电路，并且简化了时间窗触发的实施方式。

该功能通常被定义使得n个地震传感器中的至少m个需要违反设定阈值以触发反应堆停机。由于反应堆保护系统应尽可能简单的设计，因此期望实现与其它跳闸源(例如，其与若干温度传感器连接)相同的这种时间窗。然后停机逻辑简单地执行在任何给定时间至少m个传感器是否违反某个阈值的决定。这对于诸如温度或压力的稳定信号是容易实现的。由于整个系统的惯性，因此这些参数仅随着时间而逐渐变化。然而，地震引发的加速度信号迅速振荡，因此不能确保：像针对其它物理单元(诸如温度或压力)一样的简单评估尽可能早地实际触发地震响应。因此，上述特定的峰值保持功能在根据本发明的触发器模块中实现。

如果在电站中并行使用若干个这样的模拟触发器，则反应堆保护系统中的简单表决逻辑可以执行以下功能：例如，如果三个地震触发器在一秒内产生触发信号，则仅产生反应堆停机信号(即跳闸信号)。借助于在每个地震触发器之内的上述特定的峰值保持电路，这个功能可以通过简单地组合/增加所有进入地震触发信号的电流并且使用针对和信号的阈值比较器来实现。

换言之，本发明还提供具有如上所述的多个地震传感器单元的核电站紧急停机系统，其被配置成使得如果各个输出信号的总和超过预定阈值，则产生跳闸信号。

理想地，峰值保持功能应确保以下内容：在第一峰值之后，信号在指定时间(例如，一秒)内被保持在峰值电平。如果同时检测到比第一峰值低的另一峰值(以及因此电流输出信号电平)，则在第一峰值的时间间隔已经过了之后直到在第二峰值之后的一秒为止输出这个电平。这意味着根据仍然属于第一峰值的保持时间的第二峰值之后经过的时间，第二峰值的电平可以仅输出几分之一秒。在峰值保持时间之后，电容器将迅速被放电。

不幸地，由于它需要某种形式的储存，因此这种功能几乎不能用纯粹的模拟方式实现。由于在初始峰值之后下面的峰值可能非常低，因此模拟峰值检测逻辑也不会起作用。

此时，上述基本功能存在有利的改进从而更好地接近于理想情况。这种改进的特征是，根据输出信号幅度，触发器模块的输出信号的减小通过至少两个不同的时间常数来控制。换言之，优选地存在具有不同时间常数和因此不同放电速度的两个或多个不同的基本电路元件(电容器或晶体管)。如果输出信号的总体幅度高于特定阈值，则使用缓慢的放电速度，而对于较低的幅度，则使用快速的放电速度。由于信号可能临时下降，因此这会导致地震事件中的不同放电速度，但这不被认为是主要问题。这种改进的功能可以再次实现，而无需复杂的数字电子元件。

在优选实施例中，地震传感器单元包括用于至少两个独立水平轴的若干个加速度计，其被配置为使得水平加速度的矢量和的大小被至少近似地得到并且随后在触发器模块内被处理。

针对这个特征的背景如下：水平轴具有一个特性-对于结构健康评估，分别知道x分量和y分量并且为每个分量定义跳闸信号的阈值通常并不重要，重要的是使用所得到的这些分量矢量和。这导致了对于x轴和y轴的两个单独的阈值是不期望的，因为这可能导致对地震的低估的问题。例如，如果存在其x分量和y分量相等的水平加速度矢量，则所得到的矢量的长度比单独分量中的每个大了约41.4％。在这种情况下，跳闸信号可能不会通过这些单独分量中的每一个的阈值来自动产生，而只能基于矢量和来产生。

通常，这个数字(分量的平方和的平方根)可以轻易通过地震传感器盒实时地进行计算，所述地震传感器盒具有某种形式的计算能力(诸如处理器或FPGA)。如在根据本发明的系统中，系统(即反应堆保护系统)的传感器单元和“中心部分”都不应该执行数字计算或具有处理器和/或FPGA，这个问题需要在地震触发电路内以模拟方式来解决。

这里提出的解决方案使用计算矢量的近似大小的电路，所述矢量由其彼此垂直的x分量和y分量来定义。上述提及的建议的最大误差是沿着45度的角平分线。其基本思想是添加其上投影了矢量的额外的辅助轴，以减少这个最大误差。例如，在具有垂直x轴和y轴的笛卡尔坐标系中，引入了45度的辅助轴。在估计期间，选择最大的投影作为结果。不准确度取决于缺失角度，即，在矢量和最佳拟合辅助轴之间的角度。

在数学术语中，计算优选地被实现为x分量和y分量的加权和。因此，用于近似评估矢量大小的所需的数学运算仅仅是加法和乘法。这对于其中权重因数(乘数)之间的比率限定辅助轴相对于其它轴的角度的一般情况也是真实的。

为了优化此电路，可以应用一些改进：

·可以增加辅助轴的数量，以减少最大误差。若干个三个辅助轴可以将最大误差减小到约2％。

·代替垂直的x轴和y轴，可以仅使用相等旋转的辅助轴来减少在给定最大误差时的轴数。所得到的加权和可以用三角考虑来推断。

·对于给定的应用程序，可能期望以决不低估的方式来设计系统，而只是高估所得到的矢量。

总之，根据本发明的系统是基于以下关键特征：

·具有很少组件的不复杂的地震传感器，其用于核反应堆中的地震停机系统。

·采用基本电子组件实现的核心组件。与依靠计算技术(处理器、FPGA)的其它可用传感器相比，分立电路技术在核环境中更容易进行资格认证。

·实现适合的峰值保持电路，其允许通过简单地组合若干个传感器的输出(通过“增加”若干个电流通道或电压通道来表决)来实现时间窗触发功能。

·优选两个输出通道，一个用于垂直分量，另一个用于组合的水平分量。

·以与其它跳闸原因(例如温度、压力)相似的方式被顺利集成到反应堆紧急停机信号链中。

■附图说明

在以示意性和高度简化的方式描绘的附图中图示本发明的示例性实施例：

图1概述核电站的地震触发的紧急停机系统的中心部分，

图2是作为在根据图1的系统中使用的峰值保持电路的时间函数的输入信号和相应的输出信号，

图3是实现如图2中的峰值保持功能的峰值保持电路的基本实施方式，以及

图4是用于根据图1的系统中使用的传感器盒。

■具体实施方式

在整个附图中，相同的部分采用相同的附图标记来示出。

图1示出了核电站的紧急停机系统2的摘录。其包括功能上并行布置的两个地震传感器单元4。第一个地震传感器单元被设计用于测量地震振动或位移的垂直分量，而第二个地震传感器单元用于测量其水平分量。

现在更详细地转到第一传感器单元4：在本实施例中，第一传感器单元4包括用于垂直轴的加速度计6(“垂直传感器”)。例如，可以使用专用于垂直方向的1轴加速度计。可选地，可以使用相应对准的3轴加速度计的垂直输出信号。加速度计可以处在传感器单元4(例如，作为芯片型MEMS传感器或压电式传感器)内，或者在与电缆连接的同时保留在外部。

加速度计6将可以表示电压、电流或电荷信号的输入信号提供至信号链中随后(即，下游)布置的触发器模块8。整个触发器模块8仅包括分立的电子组件。在加速度计6之后，具有缓冲放大器10的输入级立即使传感器信号标准化例如至+/-2.5V。因此，该输入级是传感器相关的，并且如果使用不同的传感器，则需要相应地进行调整。下一部分是带通滤波器12，其确保对地震触发器仅使用相关的频率分量(例如1-10Hz)。它优选地被实现为使用运算放大器的有源滤波电路。下一级包括绝对值转换器14，其将+/-2.5V转换为例如，0-2.5V。在转换为通常在相应继电器触点中被处理的4-20mA信号之后，这个信号可以已经被用作继电器输出信号。转换发生在辅助输出级16(输出信号O1)中。

然而，在图1所示的优选实施例中，离开输入级的信号被进一步调整以易于实现时间窗触发。因此，预调节的输入信号被馈送到具有以下特性的模拟峰值保持电路18：

·如果输入信号X上升并且输出信号Y低于输入信号X，则输出信号Y的电平随输入信号X(几乎)瞬间增加。

·如果输入信号X低于输出信号Y，则只要输入信号X未达到复位条件，则输出信号Y(几乎)就保持在当前值。

复位条件被定义使得输入信号X在特定(给定)时间量Δt(其属于秒的数量级)内保持在给定阈值m_t以下。阈值m_t优选地高于传感器噪声，并且明显低于停机核电站所设定的阈值。

在图2中示意性地示出了如此定义特征的峰值保持功能。

可以看出，实际上，输出信号Y在理想地具有恒定值的时间间隔内实际减少，但是只是非常缓慢(比由输入信号X表示的地震振荡慢得多，并且与复位时间Δt相比也慢)。

在随后的输出级20内，所得到的信号被转换为4-20mA信号，并且(作为输出信号O2)被提供到反应堆保护系统(此处未描绘)。例如，如果地震传感器的电源中断或如果电缆被损坏，则这种类型的信号可以由反应堆保护系统来检查。这种自检能力不可以用继电器接口实现。

如果上述若干个模拟触发器在电站中并行使用，则反应堆保护系统内的简单表决逻辑可以执行以下功能：例如，如果两个或三个地震触发器在一秒内产生触发信号，则仅产生反应堆停机信号。借助于每个地震触发器内的上述类型的峰值保持电路，这个功能可以通过简单地组合/增加所有进入地震触发信号的电流(这里：输出信号O2和O4，见下文)以及使用针对和信号的电流阈值比较器来实现。

在对上述基本功能的改进中，根据输出信号幅度，峰值保持电路18的输出信号的(缓慢)减小由两个不同的时间常数来控制。如果总体幅度高于特定阈值(例如，0.05g)，则使用缓慢的放电速度，而对于较低的幅度，则使用快速的放电速度。

这种功能的实现可以基于图3所示的非常基本的电路或者基于其更复杂的变型。

第二传感器单元4与第一传感器单元的不同之处在于，水平地震振动或位移的矢量大小被评估(“水平传感器”)。因此，使用针对两个(或更多个)独立水平轴的两个加速度计6(或者两个相应对准轴的2轴或3轴加速度计)。每个加速度计都连接到其自己的输入级，每个加速度计包括如上所述的缓冲放大器10、带通滤波器12以及绝对值转换器14。此外在信号链的下游，在矢量大小单元22中，相对于矢量大小来分析与水平轴相对应的预调节信号。

该评估优选地被实现为属于不同水平轴的各个信号分量的加权和，因此避免了绘制平方根的需要。可以通过具有标准模拟组件(诸如运算放大器、二极管、电阻等)的电路来执行近似计算。如果需要，可以通过额外(辅助)的水平传感器轴来提高评估的精度。

然后将近似表示水平振动或位移的矢量大小的结果信号馈送到关于第一传感器单元的上述类型的峰值保持电路18中。

再次，在输出级20中峰值保持电路18的输出信号最终被转换成4-20mA信号，并且被提供到反应堆保护系统(输出信号O4)。单独的x分量和y分量仍可以用于独立于安全分类触发部分的数字记录和分析系统。为此，提供用于两个分量的辅助输出级16(输出信号O3和O5)。

也可以经由图1的下部所示的合适的接口来提供报警继电器输出。在该子系统中，在各个通道(垂直通道和组合的水平通道)的接口连接器A和B处提供的预处理信号通过以下过程来处理：由相应的阈值比较器40将它们单独地与阈值进行比较以及然后经由逻辑OR运算来组合其输出。然后将OR门42的输出馈送到反应堆保护系统的继电器保持电路44中。

优选地，传感器单元以及相应的数字化和记录单元可以处在钢铁的一个壳体内，因为在反应堆的容器内通常不允许使用铝。在图4中示意性地示出这种传感器盒24。用于一个或更多个轴的MEMS(微机电)型传感器/加速度计6被固定到传感器盒24的壁上。此外，包含用于上述操作所需的电子元件的印刷电路板26是借助于减震座而布置在传感器箱24的内部。可选地或另外地，(辅助)MEMS型传感器27可以固定到印刷电路板26上。合适的电缆通向具有例如BNC(尼尔-康塞曼卡口或Baby N连接器)型的外部连接器的连接器面板28。连接器面板28还可以包含电源连接器、用于指示各种操作状态的LED等。可选地，调平板30可以放置在传感器盒24的底部下方。

如前所述，传感器单元用于在核电站中监视应用和停机应用。然而，由于关于动态范围和灵敏度的要求可能会大不相同，因此这样的组合应用可以使用不同的传感器单元和/或不同的加速度计。

当然，也可以将根据本发明的传感器单元应用于其它技术领域，即，核环境之外的地震报警或停机系统中。

在图1所示实施方式的改进中，紧急停机系统2可以包括以下方面中的一个或若干个：

·多种传感器连接和/或冗余传感器连接和/或传感器(诸如，例如基于压电的传感器和MEMS传感器)的配置。

·在信号链中的切换板(switchboard)，其允许交换轴配置和/或加速度计配置，例如，用于区分地板和墙壁安装。

·开关或控制元件，其允许旁路滤波器级适应定期自检，优选使用通过测量链馈送的标准化(例如DC)测试信号。

·开关或控制元件，例如，由于局部不同的监管限制，其允许借助于例如线桥(wire bridge)来设置灵敏度以相对于最大信号输出电平来调节期望的电站停机电平。

·具有一些自我监测能力(例如电源、盖子打开)的地震传感器，其断开4-20mA输出，

然后通过存在0mA输出来指示错误，而无需额外的线路。

·系统的某些部分可以针对4个轴来实现-这可以在定期测试的环境中使用。这里的想法是：传感器单元可以以未定义的方式移动，并且该移动由例如3个轴(压电式加速度计)加上1个轴(MEMS加速度计)来记录。如果外部(或集成的)比较器电路比较这些信号，并且如果它们非常相似，则由于压电式传感器类型和MEMS传感器类型之间的故障模式不同，因此可以安全地假设至少冗余轴的加速度计性能(例如灵敏度)仍然很好。

附图标记的列表

2 紧急停机系统

4 地震传感器单元

6 加速度计(传感器)

8 触发器模块

10 缓冲放大器

12 带通滤波器

14 绝对值转换器

16 辅助输出级

18 峰值保持电路

20 输出级

22 矢量大小单元

24 传感器盒

26 印刷电路板

27 传感器

28 连接器面板

30 调平板

40 阈值比较器

42 OR门

44 继电器保持电路

X 输入信号

Y 输出信号

Claims

1.一种用于核电站的紧急停机系统(2)的地震传感器单元(4)，包括：

·用于至少一个轴的至少一个加速度计(6)，

·触发器模块(8)，其处理从所述加速度计(6)的测量信号得到的信号，以及产生从其得到跳闸信号的输出信号，

其特征在于：

所述触发器模块(8)包括通过分立电子组件实现的峰值保持电路(18)，所述峰值保持电路(18)处理输入信号(X)以及产生具有以下特性的输出信号(Y)：

·如果输入信号(X)上升并且输出信号(Y)的电平低于输入信号(X)的电平，则输出信号(Y)随输入信号(Y)几乎瞬间增加，

·如果输入信号(X)的电平低于输出信号(Y)的电平，则输出信号(Y)实质保持当前电平，除非达到复位条件。

2.根据权利要求1所述的地震传感器单元(4)，其中，复位条件被定义使得输入信号(X)在特定时间量Δt内保持在给定阈值m_t以下，所述特定时间量Δt属于秒的数量级。

3.根据权利要求1或2所述的地震传感器单元(4)，其中，当达到复位条件时，输出信号(Y)被设置为输入信号(X)的电平。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的地震传感器单元(4)，具有用于至少两个独立水平轴的若干个加速度计(6)，所述若干个加速度计(6)被配置使得水平加速度的矢量和的大小被至少近似地得到并且随后在触发器模块(8)内被处理。

5.一种具有根据权利要求1至4中任一项所述的多个地震传感器单元(4)的核电站的紧急停机系统(2)，其被配置使得如果各个输出信号(O2、O4)的总和超过预定阈值，则产生跳闸信号。