CN108152526A - 核电站主泵转速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种核电站主泵转速测量装置，包括依次连接的：信号隔离模块，用于将采集到的核电站主泵转速信号进行隔离滤波处理；信号甄别模块，与所述信号隔离模块连接，用于对隔离滤波后的转速信号进行识别，确定出有效的转速信号；模数转换模块，与所述信号甄别模块连接；主控模块，与所述模数转换模块连接，监测所述模数处理后的有效转速信号。通过信号甄别模块对隔离滤波处理后的转速信号进行甄别，以确定有效的转速信号，进而基于该有效的转速信号进行核电站主泵转速的测量以及后续监测，从而提高测量以及监测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及核电数据检测技术领域，特别是一种核电站主泵转速测量装置。
背景技术
发表于《核电子学与探测技术》中的一篇题为《基于FPGA的主泵转速监测系统的研发》的文章介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的转速监测系统的设计与研发。该监测系统用于核电站主泵运行状态的监测，在FPGA单元设计中，采用周期测量法，并通过Verilog HDL描述语言的非阻塞赋值方法产生一个待测脉冲标志信号。但上述技术仅描述了转速监测系统的功能和转速计算的实现方法，未对如何甄别有效信号进行论述。即无法真正意义上提高监测的精度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种核电站主泵转速测量装置，通过信号甄别模块对隔离滤波处理后的转速信号进行甄别，以确定有效的转速信号，进而基于该有效的转速信号进行核电站主泵转速的测量以及后续监测，从而提高测量以及监测的精度。
为实现上述发明目的，核电站主泵转速测量装置包括依次连接的：
信号隔离模块，用于将采集到的核电站主泵转速信号进行隔离滤波处理；
信号甄别模块，与所述信号隔离模块连接，用于对隔离滤波后的转速信号进行识别，确定出有效的转速信号；
模数转换模块，与所述信号甄别模块连接；
主控模块，与所述模数转换模块连接，监测所述模数处理后的有效转速信号。
可选的，所述信号隔离模块包括一隔离变压器，其初级线圈连接用于传输所述转速信号的同轴电缆，次级线圈连接一放大器。
由上，隔离变压器滤除存在于转速信号上的共模干扰，而利用放大器可对转速信号起到放大和滤波的作用，从而实现对转速信号的初级处理。
可选的，在所述初级线圈的两端还并联有双向瞬态抑制二极管。
由上，通过双向瞬态抑制二极管消除过压。
可选的，所述信号甄别模块包括第一比较器和第二比较器；
隔离滤波后的转速信号分别输入至第一比较器和第二比较器的反相输入端，两比较器的同相输入端分别连接一门限电压电路；
所述第二比较器的门限电压大于第一比较器的门限电压，且两比较器的所述门限电压均大于0。
由上，通过两比较器的门限电压不同，导致二者输出特殊波形图，基于此可以甄别出只有符合上述特殊波形图的信号才是有效信号。
可选的，所述有效的转速信号包括：
预设在转速信号的上升沿时段的两个时刻t0、t1，以及在转速信号的下降沿时段的两个时刻t2、t3；
当满足在t0时刻第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平；
t1时刻第一、二比较器同为输出低电平；
t2时刻第二比较器输出高电平，第一比较器输出低电平；
t3时刻第一、二比较器同为输出高电平。
由上，只有在t0～t3四个时间点时，两比较器输出特殊的波形，才甄别为有效转速。
可选的，所述主控模块在识别所述模数处理后的有效转速信号之前，还包括对所述有效转速信号进行滤波的步骤，包括：
采用公式式中f(x)表示滤波处理后的转速，xk1，xk2，…，xkn分别表示连续采集的n个转速，n表示转速的个数，xki表示第i个转速；min(xk1，xk2,…,xkn)表示转速的最小值；max(xk1,xk2,…,xkn)表示转速的最大值。
由上，把连续采集的n个转速数据相互比较，去掉其中的最大值和最小值，剩余的n-2个转速数据取算术平均值进行加权平均处理，采用上述公式进行处理，将转速数据进行加权平均处理，从而有利于提高采样的真实性，以保证输出的转速信号的平滑。
可选的，还包括分别与所述主控模块连接的阈值设定模块和报警模块，所述阈值设定模块用于设定主控模块所监测的转速信号的转速阈值；所述报警模块基于所接收的所述转速阈值对主控模块所接收的转速信号进行预警。
由上，通过阈值设定模块设定转速阈值，从而可以实现对于转速安全的判断，当低于所述转速阈值时，即可进行报警。
附图说明
图1为核电站主泵转速测量装置的原理示意图；
图2(A)为转速信号的波形图；
图2(B)为图2(A)的局部放大图；
图3为信号隔离模块的电路原理图；
图4为信号甄别模块的电路原理图；
图5为经信号甄别模块甄别后的有效转速信号示意图；
图6为报警模块的电路原理图；
图7为方波频率自检模块的电路原理图；
图8为显示模块的原理示意图；
图9为测量结果输出模块的电路原理图；
图10为拟合波形输出模块的电路原理图。
具体实施方式
下面参见图1～图10对本发明所述的核电站主泵转速测量装置进行详细说明。
如图1所示，核电站主泵转速测量装置包括以下组成部件：
信号隔离模块100，用于接收安装在核电站主泵支架上的转速传感器通过同轴电缆传输的转速信号，并对所述转速信号进行隔离滤波处理。
图2(A)所示为转速信号的波形图，转速信号在传输路径上会受到辐照等复杂电磁环境的影响，干扰噪声会通过耦合等方式进入到传输转速信号的同轴电缆中，使其存在不确定的干扰噪声。另外，转速信号自身也存在一系列有规律的干扰信号，随着核电站主泵转速的增加，转速信号的强度也会由弱变强(即图2(A)中从左至右转速信号幅值逐渐增强)，那么其自身的干扰信号也会相应的增强。
为了更清晰的表示出上述干扰信号，取图2(A)中的一部分进行放大。如图2(B)所示为图2(A)中的局部放大图，可见在两个转速信号的波形之间还存在12个连续的干扰波形。
由此，在对转速信号进行测量之前，还需对上述干扰波形进行隔离滤波处理处理。
如图3所示为信号隔离模块100的电路原理图，用于传输转速信号的同轴电缆连接于一隔离变压器T1的初级线圈。在所述初级线圈的两端还并联有双向瞬态抑制二极管D29，用于消除过压。所述同轴电缆串联一电容C53后接地，以便将电路中的干扰静电和杂波信号吸收落地。在所述隔离变压器T1的次级线圈，采用中间抽头的方式将转速信号引入到后文所述的放大器MA6中，所述中间抽头的方式是在次级线圈的某一匝数抽一个头出来，从而可以多一个输出电压接地。这种方式主要用来滤除存在于转速信号上的共模干扰。
放大器MA6，其同相输入端和反相输入端分别与所述隔离变压器T1连接的两端，利用放大器MA6的带宽以及摆率限制这两个特性，可对转速信号起到放大和滤波的作用。在所述放大器MA6的端口1和端口8之间连接有电阻R9，通过改变所述电阻R9的阻值可以实现对于放大器MA6放大倍数的调整。另外，在放大器MA6的输出端还连接有由电阻R73和电容C41串联组成的低通滤波电路，从而进一步对转速信号进行滤波处理。
信号甄别模块200，与所述信号隔离模块100连接，用于对隔离滤波处理后的转速信号进行甄别，以确定有效的转速信号。
图4所示为信号甄别模块200的电路原理图，包括第一比较器U6和第二比较器U7。去除干扰信号的转速信号分别输入至第一比较器U6和第二比较器U7的反相输入端，两比较器的同相输入端分别连接一门限电压电路。
其中第一比较器U6的门限电压设定为V1，第二比较器U7的门限电压设定为V2，其中V2>V1>0。例如，可将V2设定为10V，V1设定为1V。
设定t0、t1、t2和t3四个时刻，其中t0、t1时刻分布在转速信号的上升沿时段，t2、t3时刻分布在转速信号的下降沿时段。
由于两比较器的门限电压存在差别，故通过两路比较器的转速信号在其上升沿和下降沿阶段便会呈现出不同的波形。具体来说，如图5所示，无转速信时，两路比较器输出为高电平；上升沿过程中，在t0时刻，转速对应电压首先达到V1，触发第一比较器U6，使其输出电压由高变低，而第二比较器U7输出高电平不变；到达t1时刻，转速对应电压继续升高达到V2，触发第二比较器U7，使其输出电压由高变低。而在下降沿过程中，t2时刻，转速对应电压首先下降至V2，触发第二比较器U7，使其输出电压由低变高，而第一比较器U6输出电压保持低电平；t3时刻，转速电压继续下降到达V1，触发第一比较器U6，使其输出电压由低变高。
经过上述变化过程，使得只有符合转速信号对应变化规律的信号才会被留下，即只有符合图5所述图形的转速信号才会被留下。由此可以甄别出有效的转速信号而滤除其他干扰信号。
模数转换模块300与所述信号甄别模块200连接，用于将甄别后的转速信号转换成数字信号。
主控模块400，以及分别与其连接的阈值设定模块401、报警模块402、方波频率自检模块403和显示模块404。上述五个模块构成转速测量单元的核心部件。
其中，主控模块400与所述模数转换模块300连接，识别所述模数处理后的有效转速，并基于此对核电站主泵进行监测。所述主控模块400可采用现有FPGA芯片实现，本实施例中，对于所采集数据的识别以及对于核电站主泵的监测与现有技术相同，在此不再赘述。
额外说明的是，所述主控模块400在识别所述转速数据之前，还包括对所述模数处理后的有效转速进行滤波的步骤。详细来说，主控模块400在接收到模数转换后的转速，把连续采集的n个转速相互比较，去掉其中的最大值和最小值，剩余的n-2个转速取算术平均值进行加权平均处理，再输出。
其所采用的公式为：
式中f(x)表示滤波处理后的转速，xk1,xk2,…,xkn分别表示连续采集的n个转速，n表示转速的个数，xki表示第i个转速；min(xk1,xk2,…,xkn)表示转速的最小值；max(xk1,xk2,…,xkn)表示转速的最大值。
采用上述公式进行处理，将转速进行加权平均处理，从而有利于提高采样的真实性，以保证输出的转速信号的平滑。
阈值设定模块401，与所述主控模块400连接，用于设定主控模块400所监测的转速信号的转速阈值。阈值设定使用拨码开关实现。可以设定至少两个阈值。所述主控模块400将所设定的转速阈值转发给后文所述的报警模块402。
报警模块402，与所述主控模块400连接，基于所接收的所述转速阈值对主控模块400所接收的转速信号进行预警，即当主控模块400检测到转速信号对应的转速低于所述转速阈值时，控制报警模块402进行报警。图6所示为报警模块402的电路原理图，包括常开触点串联在一起的第一继电器K1，以及第二继电器K2。正常情况下，第一继电器K1和第二继电器K2的常开触点闭合。两继电器分别采用一三极管(Q24、Q25)驱动。当所述主控模块400检测到转速信号对应的转速低于所述转速阈值时，输出控制指令，所述两继电器常开触点断开，报警通路断开，从而输出报警。
方波频率自检模块403，与所述主控模块400连接，用于对主控模块400进行方波频率自检。如图7所示为方波频率自检模块403的电路原理图，通过三路跳线(图7中对应REF_FRE_1、REF_FRE_2、REF_FRE_3)选择不同频率，分别为E1：640RPM；E2：1371.4RPM；E3：1920RPM。同一时间只可以输出一种频率的方波，即对应图7中的REF_FRE_OUT。该频率的方波通过P5端口输出，通过一基准频率输入电路输入至主控模块400。所述基准频率输入电路包括比较器以及与其输出端串联的一驱动芯片组成。该电路的P1端口与前述P5端口连接，将所述方波传输至FPGA芯片，并由FPGA芯片识别后最终传输至后文所述显示模块404显示。
显示模块404，与所述主控模块400连接，用于以数字形式显示所述转速信号。图8所示为显示模块404的原理示意图，包括本地显示以及远程显示。具体的，所述显示模块404包括一驱动电路4041，与所述主控模块400中FPGA芯片的I/O接口连接以获取数据，将其进行适应性TTL电平驱动后输出至与其连接的LED数码管4042中显示。另外，还包括一光耦隔离电路4043，与所述驱动电路4041连接，用于对驱动电路4041输出的信号进行光耦隔离，随即送入驱动电路4044进行编码，以最终通过远程显示端4045进行显示。
测量结果输出模块500，与所述主控模块400连接，用于输出所述转速信号。具体的，如图9所示，本实施例中所述测量结果输出模块500包括依次连接的数字隔离器和模数转换器。所述数字隔离器满足输入输出的绝缘电阻达到1012Ω，绝缘电压2500Vrms(持续1分钟)，寿命最小达到50年，从而可以替代光耦器件。且所述数字隔离器为12位串行输入的4-20mA电流源，以提供2.7～5.5V的数字电源，从而简化电路设计。
由于在数字信号与模拟信号之间需要进行隔离，传统方法采用光耦器件，但光耦器件容易老化，而导致电流输出出现故障。本实施例中采用数字隔离器件实现数字信号与模拟信号之间的电气隔离，从而解决上述问题。
从图9可以看到，该模数转换器芯片使用4个I/O接口(端口序号为5～8)就可以实现数字信号到模拟信号(4～20mA的电流信号)的转换。输出负载电阻最大1KΩ，输出使用外部功率管，减少该模数转换器芯片的功耗，增加电路的可靠性。
拟合波形输出模块600，与所述主控模块400连接，用于输出所述转速信号的拟合波形。
如图10所示，所述拟合波形输出模块600包括一光耦隔离芯片以及两三极管(Q2和Q29)组成的驱动电路组成。所述光耦隔离芯片将主控模块400所输出的3.3V的转速信号转换为5V，再经过两三极管组成的驱动电路后即可输出与转速频率一致的方波信号。幅值为5V，高电平脉宽时间为0.1ms。上述电路的组成与现有技术相同，不再赘述。
上述电气部分采用220V外接交流电源供电，在内部转成+5V、±15V直流电，具体电路原理与现有技术相同，不再赘述。并且上述电气部分各器件焊接于PCB板上，PCB板采用4层板设计，中间两层为电源和地，上、下两层为信号层。变压器的放置要避免出现相互间的串扰。而例如脉冲信号，时钟信号等使用地线进行包裹，并远离功率信号走线。共地的不同电源系统的地相互分开，但最终采用一点接地。
核电站主泵转速测量装置整体为钣金结构形式，连接处均为焊接或螺钉连接，整体牢固可靠，从而增加抗震性能。
主体箱体为1.5mm厚不锈钢板扼弯后一体焊接成型，开口处均有折边，使箱体刚性增强，同时增加箱体的抗震能力。
上盖板采用1.5mm厚不锈钢板扼弯成型，三边采用折边结构形式，提高了零件本身的刚性。
上盖板与主体箱采用螺钉连接，固定螺钉间距82.5mm，比普通箱体螺钉间隔密集近一倍，使上盖板与主体箱连接更牢固紧密，降低每个螺钉在振动、地震时的剪切应力，增强组装后箱体的抗震性能。
前面板为3mm厚钢板，与主体箱通过6个M4螺钉连接，连接螺钉穿过前面板与主体箱固定，使前面板与主体箱紧密连接为一个整体，增强组装后箱体的抗震能力。
组装后箱体内所有固定螺母均采取压铆后焊接的固定方式，极大增加了螺母的牢固程度，保证振动、地震过程中不会出现螺母脱落情况，所有螺钉连接位置包括内部元器件固定螺钉位置，均增加了平弹垫圈或齿形垫圈，使螺钉能更好的固定，防松防转，保证振动、地震过程中螺钉不会有松动脱落情况。
组装后箱体需固定于机柜上，固定时前面板通过4个M6螺钉与柜体左右两侧连接，以进行前后约束。组装后箱体左右侧面通过螺钉与机柜连接，将机箱固定，以进行左右约束，所有螺钉同时对组装后箱体上下进行约束，提高机箱在柜体内的抗震、抗冲击能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
Claims (7)
1.一种核电站主泵转速测量装置，其特征在于，包括依次连接的：
信号隔离模块(100)，用于将采集到的核电站主泵转速信号进行隔离滤波处理；
信号甄别模块(200)，与所述信号隔离模块(100)连接，用于对隔离滤波后的转速信号进行识别，确定出有效的转速信号；
模数转换模块(300)，与所述信号甄别模块(200)连接；
主控模块(400)，与所述模数转换模块(300)连接，监测所述模数处理后的有效转速信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号隔离模块(100)包括一隔离变压器，其初级线圈连接用于传输所述转速信号的同轴电缆，次级线圈连接一放大器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述初级线圈的两端还并联有双向瞬态抑制二极管。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号甄别模块(200)包括第一比较器和第二比较器；
隔离滤波后的转速信号分别输入至第一比较器和第二比较器的反相输入端，两比较器的同相输入端分别连接一门限电压电路；
所述第二比较器的门限电压大于第一比较器的门限电压，且两比较器的所述门限电压均大于0。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述有效的转速信号包括：
预设在转速信号的上升沿时段的两个时刻t0、t1，以及在转速信号的下降沿时段的两个时刻t2、t3；
当满足在t0时刻第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平；
t1时刻第一、二比较器同为输出低电平；
t2时刻第二比较器输出高电平，第一比较器输出低电平；
t3时刻第一、二比较器同为输出高电平。
由上，只有在t0～t3四个时间点时，两比较器输出特殊的波形，才甄别为有效转速。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控模块(400)在识别所述模数处理后的有效转速信号之前，还包括对所述有效转速信号进行滤波的步骤，包括：
采用公式式中f(x)表示滤波处理后的转速，xk1,xk2,…,xkn分别表示连续采集的n个转速，n表示转速的个数，xki表示第i个转速；min(xk1,xk2,…,xkn)表示转速的最小值；max(xk1,xk2,…,xkn)表示转速的最大值。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括分别与所述主控模块(400)连接的阈值设定模块(401)和报警模块(402)，所述阈值设定模块(401)用于设定主控模块(400)所监测的转速信号的转速阈值；所述报警模块(402)基于所接收的所述转速阈值对主控模块(400)所接收的转速信号进行预警。
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