CN111103823A - 核电站气动隔膜阀隔膜实验装置 - Google Patents

核电站气动隔膜阀隔膜实验装置 Download PDF

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王进
王灿灿
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Abstract

本发明公开了一种核电站气动隔膜阀隔膜实验装置，涉及一种核电站中的隔膜试验装置。它包括用于作为隔膜动作的骨架和实际执行器的电气控制单元，和用于控制气动隔膜阀的工作状态的电路控制单元；电气控制单元包括三通阀、实验用气动头(1)、快速释放阀(2)和电磁阀(3)，所述三通阀上的第一个端口通过减压阀过滤器与气源(5)的输出端连接，三通阀的第二个端口通过电磁阀(3)与实验用气动头(1)的出气端连接，所述三通阀的第三个端口通过流量放大器(4)与实验用气动头(1)的进气端连接。本发明不仅能全自动的对核电站的气动隔膜阀进行现场实验，而且能更进一步的建设反馈回路，应用范围更广，实验精度高，误差较小。

Description

核电站气动隔膜阀隔膜实验装置
技术领域
本发明涉及一种核电站中的隔膜试验装置，尤其涉及一种核电站气动隔膜阀隔膜实验装置。
背景技术
目前同类型的核电站隔膜试验装置最初仅为手动供气、放气的形式。其组成为气动头、减压阀以及电磁阀(带有手动泄压按钮)。而后仪控部将其仪控附件增加到阀门本体，使得阀门可以自动控制，上述现有技术方案存在附件多、控制复杂等缺陷。
目前可以用于此类核电站隔膜试验的产品为阀门原装定位器及供气调节管线或利用FRTOL、FLOW SCANNER等专业化测试仪。阀门原装定位器需要另外建立阀门反馈回路，而专业化装置仅用于特定试验，如用于此类试验则需要人工手动操作每一次试验，因此，有必要提供一种能现场进行隔膜实验的装置。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提出了一种核电站气动隔膜阀隔膜实验装置。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种核电站气动隔膜阀隔膜实验装置，包括用于作为隔膜动作的骨架和实际执行器的电气控制单元，和用于控制气动隔膜阀的工作状态的电路控制单元；
所述电气控制单元包括实验用气动头、快速释放阀和三通电磁阀，所述三通电磁阀上的第一个端口依次与减压阀、过滤器和气源连接，三通电磁阀的第二个端口与排气口连接，所述三通电磁阀的第三个端口与快速释放阀的第一个端口连接，快速释放阀的第二个端口通过流量放大器与实验用气动头的进气端连接，快速释放阀的第三个端口通过消音器与排放口连接；
所述电路控制单元包括采用51单片机进行电路控制的核心控制单元、采用LCD显示器进行电路显示的UI交互单元，以及传感器探测单元，所述传感器探测单元采用超声波探测器。
在上述技术方案中，所述电磁阀和实验用气动头之间的管路上还并联有快速释放阀。
在上述技术方案中，所述实验用气动头的气动杆上安装有反馈板，所述超声波探测器的发生器与反馈板之间呈相互垂直布置。
实际工作时，UI交互单元主要负责将实验者的个性化需求通过键盘输入至核心控制单元，并将核心控制状态实时输出至屏幕以便使用者可以看到试验进度。传感器单元包括超声波测距系统，负责将测得的阀位距离值送入核心控制单元参与逻辑运算。执行单元就是电气控制单元中的两位三通电磁阀(快速释放阀为现有技术，属于三通电磁阀中的一种类型)，核心控制单元将逻辑运算的结果通过电信号输送给电磁阀，由电磁阀控制试验执行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过使用快速释放阀(快速排气阀)在供气、排气管线实现试验加速，从而极大的提高了隔膜实验时的排气、放气效率。
2)本发明通过使用继电器控制阀门电磁阀开关动作，使用51单片机(STC12C5A60S2芯片)对阀门实现控制，通过16*16键盘及LCD1602实现用户交互功能，使用超声波距离测定模块在距离测定模式下实时反馈开度信息，从而使本发明不仅能全自动的对核电站的气动隔膜阀进行现场实验，而且能更进一步的建设反馈回路，应用范围更广，实验精度高，误差较小。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明所述实验用气动头的结构示意图；
图2为反馈板的主视图；
图3为反馈板的B-B剖视图；
图4为流量放大器的结构示意图；
图5为实验用气动头、流量放大器和电磁阀的连接结构示意图。
图6为核心控制单元的电路图。
图7为键输入部分电路的结构示意图。
图8为超声波接收器的电路图。
图9为超声波放大器的电路图。
图10为本发明所述超声波发生器的电路图。
图11为实验用气动头1、快速释放阀2和电磁阀3的连接结构示意图。
图12为电气控制单元的电路原理图。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题为：现有的同类型的核电站隔膜试验装置最初仅为手动供气、放气的形式，上述现有技术方案存在附件多、控制复杂等缺陷。同时，目前可以用于此类核电站隔膜试验的产品为阀门原装定位器及供气调节管线或利用FRTOL、FLOWSCANNER等专业化测试仪，但阀门原装定位器需要另外建立阀门反馈回路，而专业化装置仅用于特定试验，如用于此类试验则需要人工手动操作每一次试验。
针对上述技术问题，本发明的技术方案为：本发明提供一种全新的核电站隔膜实验装置(工具)，它不仅能全自动的对核电站的气动隔膜阀进行现场实验，而且能更进一步的建设反馈回路，应用范围更广，实验精度高，误差较小。
为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明的核电站气动隔膜阀隔膜实验装置包括用于作为隔膜动作的骨架和实际执行器的电气控制单元，和用于控制气动隔膜阀的工作状态的电路控制单元。
电气控制单元也可称为机械部分，主要作为试验中隔膜动作的骨架和实际执行器，该处应使用尽量贴合现场实际工况的装置对隔膜进行试验。因此，本发明可以直接使用现场替换实验用气动头(现有技术)作为试验执行器，其结构如图1所示。
实际工作时，所取试验部分须为完整隔膜盒、隔膜压板、上下弹簧座、弹簧及其他密封构建等。根据现场B.S值要求设置合理弹簧预紧力，使得试验工况尽量与现场保持一致。
同时，为了使超声波反馈行程功能响应正确，需要在气动杆某处增加一水平度可调的反馈板。因为ARE调节阀在全开时几乎气动杆光杆部分全部会进入气动头内部，故利用联轴器上的定位器安装孔安装反馈板。反馈板的结构如图 2和图3所示。
隔膜阀的阀门在现场实际使用时使用铜管为普通φ10仪表管，排气又分为正常排气以及快排(通过流量放大器进行)。全行程开启过程约为27s，不适用快速排气阀全行程关闭约需要19s，而使用快速排气阀则其全行程关闭时间将缩短至3s。使用流量放大器将大大节省试验时间，并且还可以模拟现场最恶劣工况条件(阀门快速关闭)，其中，流量放大器(现有技术)结构图如图4所示。
实验中需要首先使用十字激光器调整超声波发生器与反射板之间的夹角，使得其横竖激光线长度相等，此时超声波发生器与反射板之间为垂直关系，即可以开始下一步试验。
故本发明的供气回路需要添加流量放大器，具体的，电气控制单元的结构包括包括实验用气动头1、快速释放阀2和三通电磁阀3，所述三通电磁阀3 上的第一个端口依次与减压阀7、过滤器4和气源8连接，三通电磁阀3的第二个端口与排气口9连接，所述三通电磁阀3的第三个端口与快速释放阀2 的第一个端口连接，快速释放阀2的第二个端口通过流量放大器与实验用气动头1的进气端连接，快速释放阀2的第三个端口通过消音器5与排放口6连接；
实际工作时，本发明的电路控制单元包括采用51单片机进行电路控制的核心控制单元、采用LCD显示器进行电路显示的UI交互单元，以及传感器探测单元，所述传感器探测单元采用超声波探测器。
核心控制单元可采用STC12C5A60S2最小系统电路，具体电路图如图6所示，对于单片机控制电路，其设计核心是处理芯片。对于本次设计任务来说需要芯片具备两路定时器，具备内部AD转换的能力，具备多路IO口，最好具有硬件SPI总线(方便连接LCD)。综合市面上同类芯片，选定使用STC公司生产的STC12C5A60S2。该芯片具备多种优点：
Figure RE-GDA0002355596140000051
增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
Figure RE-GDA0002355596140000052
工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V(3V单片机)；
Figure RE-GDA0002355596140000053
工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；
Figure RE-GDA0002355596140000054
用户应用程序空间60K字节；
Figure RE-GDA0002355596140000055
片上集成1280字节RAM；
Figure RE-GDA0002355596140000056
有SPI接口
Figure RE-GDA0002355596140000057
有EEPROM
Figure RE-GDA0002355596140000058
有1K内部扩展RAM
Figure RE-GDA0002355596140000059
通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统 I/O口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；
Figure RE-GDA00023555961400000510
ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
Figure RE-GDA00023555961400000511
有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；
Figure RE-GDA00023555961400000512
内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接 1K电阻到地)；
Figure RE-GDA0002355596140000061
外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为 1.32V，误差为±5％,3.3V单片机为1.30V，误差为±3％；
Figure RE-GDA0002355596140000062
时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为±5％到±10％以内)1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～ 15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
Figure RE-GDA0002355596140000063
共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；
Figure RE-GDA0002355596140000064
2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；
Figure RE-GDA0002355596140000065
外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；
Figure RE-GDA0002355596140000066
PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)：
——也可用来当2路D/A使用
——也可用来再实现2个定时器
——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；
Figure RE-GDA0002355596140000071
A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)，通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；
Figure RE-GDA0002355596140000072
STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口， RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到 P4.3)；
Figure RE-GDA0002355596140000073
工作温度范围：-40-+85℃(工业级)/0-75℃(商业级)21.封装： PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
实际工作时，STC12C5A60S2单片机支持串口程序烧写。显而易见，此类单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。根据芯片需求搭建最小系统电路，最小系统电路包括：1、晶振电路；2、复位电路；3、供电电路。此设计包含电源开关，单未包含USB转TTL电路，故仍需要串口转换电路(含 PL232)实现下载功能。
实际工作时，本发明还包括按键输入部分电路按键原则为简单耐用，对于厂房内复杂环境来说，机械按键式键盘是最为稳定的选择，其中，键盘设计图如图7下。此键盘本质上是开关矩阵，通过扫描引出端口的导通情况可以准确的确定按键动作的位置。
LCD显示是UI交互的重要组成部分，由于此次设计中仅需要将一行反馈信息，另一行实时显示数字值即可，故选用LCD1602集成显示模块作为显示部分。
1602是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。最多可以显示两行标准字符，每行最多可以显示16个字符。
1602可以显示内部常用字符(包括阿拉伯数字，英文字母大小写，常用符号和日文假名等)，也可以显示自定义字符(单或多个字符组成的简单汉字，符号，图案等，最多可以产生8个自定义字符)。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，字符表限于篇幅，不再赘述。首先确认显示的位置，即在第几行，第几个字符开始显示。也就是要显示的地址，如图8所示的显示地址。
第一行的显示地址是0x80－0x8F，第二行的显示地址是0xC0－0xCF。例如想要在第2行，第3个位置显示一个字符，那么地址码就是0xC2。在编程过程中，通常编写一个函数确定在某行某个位置显示数据。函数需要行参数 (y)，和列参数(x)来确定显示位置。
硬件电路管脚排布如下：
管脚1、VSS电源地；
管脚2、VCC接5V电源正极；
管脚3：V0为液晶屏显示器对比度调整端，电源正为对比度最弱，电源负为对比度最强，使用时连接一只10K的可变电位器来调整到最佳显示效果。
管脚4：RS寄存器选择，高电平时选择写入数据寄存器、低电平是选择指令寄存器。
管脚5：RW读写信号线，高电平时进行进行读取操作，低电平时进行写入操作。
管脚6：E使能端，高电平时读取信息，负跳变时为LCD忙状态。
管脚7～14：D0-D7为8为双向数据端。
管脚15、16：背光灯电源。可接10K电位器，以便随时调节屏幕亮度。
5V工作电压，功耗低、体积小、显示内容丰富，使用简单驱动程序即可完成显示任务。
超声波发送及接受模块是反馈阀位的重要传感装置，其测量精度直接关系到位移模式下阀门控制的精确程度。
超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路9所示。
工作时，由单片机产生40kHz的脉冲从P0.1口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。
超声波接收电路设计思路是超声波发送过程的逆过程，需要将超声波的机械能转化为电信号。由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。
CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图8所示。
将超声波发射及接收过程整合，并且加入波形比较的STC芯片，可以将超声波装置制作为一个独立的模块，电路图9如下：
此模块自带晶振，可以内部产生特殊识别超声波频率，并且设置相应程序。
现有比较成熟的超声波模块SRF-05即可实现这一系列功能。HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路， 74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。
HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流是小于2mA的，工作时候可以比较稳定。而且，它的感应的角度不大于15°，可以减少了很大部分可能存在的角度干扰问题。此模块的测距范围为2cm～5 m，能基本满足测距要求，而且其精度可以达到0.3cm，盲区仅仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，而且测距也比较稳定。HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，给至少10us的高电平信号。另外，此模块可以自动发送8个40kHz的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回则通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，则所测量的距离＝(高电平时间×声速)/2。
一个控制口发出一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。这样不断的循环周期测，就可以在不停地移动的过程中测量距离值了。但是，为防止发射信号对回收信号的影响，本超声波集成模块的测量周期最好定在60ms以上，所以本设计将测量周期定在80ms。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种核电站气动隔膜阀隔膜实验装置，其特征在于：包括用于作为隔膜动作的骨架和实际执行器的电气控制单元，和用于控制气动隔膜阀的工作状态的电路控制单元；
所述电气控制单元包括实验用气动头(1)、快速释放阀(2)和三通电磁阀(3)，所述三通电磁阀(3)上的第一个端口依次与减压阀(7)、过滤器(4)和气源(8)连接，三通电磁阀(3)的第二个端口与排气口(9)连接，所述三通电磁阀(3)的第三个端口与快速释放阀(2)的第一个端口连接，快速释放阀(2)的第二个端口通过流量放大器与实验用气动头(1)的进气端连接，快速释放阀(2)的第三个端口通过消音器(5)与排放口(6)连接；
所述电路控制单元包括采用51单片机进行电路控制的核心控制单元、采用LCD显示器进行电路显示的UI交互单元，以及传感器探测单元，所述传感器探测单元采用超声波探测器。
2.根据权利要求1所述核电站气动隔膜阀隔膜实验装置，其特征在于：所述电磁阀和实验用气动头之间的管路上还并联有快速释放阀。
3.根据权利要求2所述核电站气动隔膜阀隔膜实验装置，其特征在于：所述实验用气动头的气动杆上安装有反馈板，所述超声波探测器的发生器与反馈板之间呈相互垂直布置。
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