CN113295911A - 基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置 - Google Patents

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CN113295911A CN202110570671.1A CN202110570671A CN113295911A CN 113295911 A CN113295911 A CN 113295911A CN 202110570671 A CN202110570671 A CN 202110570671A CN 113295911 A CN113295911 A CN 113295911A
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李昆
吴志强
杨戴博
何正熙
曾少立
万波
王银丽
高志宇
包超
刘艳阳
张虎
尹秋升
翁小惠
韩钰
王海波
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    • G01R23/20—Measurement of non-linear distortion

Abstract

本发明公开了基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置，包括以下步骤：M 1、将中子探测器输出的感应微电流Iin经过电流积分处理得到积分信号UA；M 2、将积分信号UA进行比较处理，待积分信号UA大于阈值则输出产生输出跳变脉冲UB；M 3、使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc，一路稳态脉冲Uc触发驱动输出形成1个频点信号，一路稳态脉冲Uc触发脉冲时长与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的、恒流的复位电源脉冲，M 4、使用复位电源脉冲触发电流积分归零；M 5、重复上述M 1至M 4，随着时间的递增由驱动输出形成多个频点信号视为频率信号。

Description

基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置
技术领域
本发明涉及核仪表系统领域，具体为基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置。
背景技术
在反应堆核仪表系统(堆外核仪表系统RNI)技术领域中，自给能中子探测器、裂变室、电离室等电流型的中子探测器输出的电流信号具有：幅度小(低至皮安量级)、量程范围宽(跨度可达10个数量级)等特点，因此中子探测器输出的电流信号称为“微电流”，这些特点使得在实际应用中非常容易受到噪声和干扰的影响。
因此，如何准确的调理放大电流型探测器输出的“微电流”是反应堆核仪表系统(堆外核仪表系统RNI)首先需要解决的问题。
目前反应堆核仪表系统(堆外核仪表系统RNI)中广泛使用线性多量程档放大测量技术和对数电流放大测量技术，其中线性多量程档放大测量技术需要复杂的控制电路来切换量程档位，测量响应时间较慢，对噪声和干扰非常敏感；而对数电流放大测量技术对元器件的要求较高，电路调试复杂且测量精度较低。
发明内容
本发明目的提供基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置。本发明采用基于电流转频率的“微电流”放大技术，可以将中子探测器输出的感应微电流直接转换为与之成正比的频率信号输出。该方法能显著提高核仪表系统中感应微电流的测量精度和抗干扰能力。
本发明通过下述技术方案实现：
电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，包括以下步骤：
M1、将中子探测器输出的感应微电流Iin经过电流积分处理得到积分信号UA；
M2、将积分信号UA进行比较处理，待积分信号UA大于阈值则输出产生输出跳变脉冲UB；
M3、使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc，一路稳态脉冲Uc触发驱动输出形成1个频点信号，一路稳态脉冲Uc触发脉冲时长与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的、恒流的复位电源脉冲，
M4、使用复位电源脉冲触发电流积分归零；
M5、重复上述M1至M4，随着时间的递增由驱动输出形成多个频点信号视为频率信号。
电流积分处理采用电流积分处理电路进行处理，
电流积分处理电路包括：运算放大器A1、积分电容Cint，
中子探测器输出的感应微电流Iin引入运算放大器A1的反相输入端，运算放大器A1的正相输入端接地，运算放大器A1的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint连接在运算放大器A1的反相输入端和输出端之间；
复位电源脉冲引接到运算放大器A1的反相输入端。
将积分信号UA进行比较处理采用电压比较器进行处理；
电压比较器包括运算放大器A2和参考电压源UREF，运算放大器A2的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2的输出端输出跳变脉冲UB。
使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc采用单稳态触发器和定时电容Cos进行处理，定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器的触发端引接跳变脉冲UB；单稳态触发器的输出端输出稳态脉冲Uc；稳态脉冲Uc的脉冲时长由定时电容Cos设置。
复位电源脉冲采用脉冲恒流源产生；脉冲恒流源的触发端引接稳态脉冲Uc；脉冲恒流源的复位电源脉冲输出端引接运算放大器A1的反相输入端。
电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，包括：
电流积分处理电路、电压比较器、单稳态触发器、定时电容Cos、驱动输出、脉冲恒流源；
电流积分处理电路包括：运算放大器A1、积分电容Cint，
运算放大器A1的正相输入端接地，积分电容Cint连接在运算放大器A1的反相输入端和输出端之间，
运算放大器A1用于在其反相输入端引入中子探测器输出的感应微电流Iin；
运算放大器A1用于与积分电容Cint组成积分回路、在运算放大器A1的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint用于在引接复位电源脉冲到运算放大器A1的反相输入端后，触发积分电容Cint反向充电；
电压比较器包括运算放大器A2和参考电压源UREF，运算放大器A2的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2用于积分信号UA达到电压比较器的参考电压源UREF的参考电压UREF时从输出端输出跳变脉冲UB；
定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器的触发端引接跳变脉冲UB；
单稳态触发器用于在跳变脉冲UB来到时，从输出端输出稳态脉冲Uc；
定时电容Cos用于设置稳态脉冲Uc的脉冲时长；
脉冲恒流源用于形成在内与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的复位电源脉冲。
运算放大器A1的反相输入端连接导流中子探测器输出感应微电流Iin的泄放信号电缆，运算放大器A1的反相输入端泄放信号电缆之间设置有TVS二极管D和电阻R，其中TVS二极管D用于泄放信号电缆上产生的静电，电阻R用于提供匹配阻抗。
运算放大器A1为低噪声集成运算放大器，低噪声集成运算放大器采用输入电压噪声小于或等于
Figure BDA0003082477290000041
输入电流噪声小于或等于
Figure BDA0003082477290000042
输入偏置电流小于或等于10nA的运算放大器。
定时电容Cos采用聚苯乙烯薄膜电容。
本发明提出了一种电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，该方法包括电流积分处理、电压比较处理、单稳态触发、驱动输出等过程，对应的处理单元包括电流积分电路、电压比较器电路、单稳态触发器电路、脉冲恒流源电路和驱动输出电路。其中，第一级电流积分电路包括运算放大器A1、积分电容Cint；运算放大器的反相输入端通过输入电阻R连接信号电缆，同相输入端直接接地或通过串连一个电阻后接地；积分电容Cint连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间。第二级电压比较器包括运算放大器和参考电压源UREF。第三级单稳态触发器电路包括单稳态触发器集成芯片和定时电容Cos。
当输入电流Iin时，积分器的输出电压UA随时间不断增长。当UA达到电压比较器的参考电压UREF时，电压比较器产生输出跳变脉冲UB，单稳态电路被触发并输出脉冲UC。在脉冲UC的作用期间，脉冲恒流源Ie对积分电容进行反向充电，从而使电压比较器恢复到初始状态。此时，在输入电流Iin的作用下UA继续增长，如此不断循环，就将输入感应微电流转换为了频率信号。输入电流Iin越大，UA上升的就越快，输出的脉冲频率f也就越高。
电流转频率测量技术在第一级运放的反馈回路中接入了高稳定性的电容，对输入感应微电流进行了积分处理，因此电流转频率测量技术相比于其他的微电流测量技术具有更强的噪声抑制能力。此外，核仪表测量系统探测器输出的感应微电流在经过电流转频率测量后，直接将感应微电流转换为了数字化的频率信号输出，更有利于输出信号的传输和处理。
作为本发明的进一步改进，所述运算放大器反相输入端与信号电缆之间还连接有TVS二极管D和电阻R，其中TVS二极管D用于泄放信号电缆上产生的静电。
进一步，所述运算放大器为低噪声集成运算放大器，其输入电压噪声不超过
Figure BDA0003082477290000051
输入电流噪声不超过
Figure BDA0003082477290000052
输入偏置电流不超过10nA。由于核仪表系统测量的感应微电流十分微弱，传输过程中的各环节噪声对信号影响很大，运放的早生指标过高会导致信号不能测量；因此在本技术方案中，运算放大器采用前述参数的低噪声集成运算放大器。
进一步，所述TVS二极管应具有极低的漏电流，以保证微感应微电流的准确测量。
进一步，所述电压比较器的参考电压采用高精度、高稳定基准参考电压源。
进一步，所述单稳态触发器电路的定时电容采用高稳定性的聚苯乙烯薄膜电容，保证反向充电时间的稳定性和输出频率的准确性。
综上所述，本发明的优点及有益的技术效果为：
第一：本发明基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法能够对长电缆输出后的感应微电流进行放大，并直接将感应微电流转换为与之成正比的频率信号，输出频率信号稳定，可应用于核仪表系统以及其他需要长电缆传输的微电流测量系统中；
第二：本发明适用于核仪表探测器输出的(0～500)μA范围的感应微电流，具有较强的噪声抑制能力和抗干扰能力，支持的电缆长度不少于150m。
进一步的，上述技术的基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置与适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量方法和处理装置组合形成核仪表系统。其中，适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量方法和处理装置由另一发明提起保护。
适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量方法，包括以下步骤：
S1、获得由中子探测器的感应电流信号经过转换处理的频率信号(基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置获得频率信号)；
S2、将频率信号转为处理为电压信号；
S3、将电压信号分为两路，第一路电压信号经过交流成分提取处理获得交流中子噪声信号，第二路电压信号经过直流成分提取处理获得直流中子噪声信号。
本发明为了实现提升抗干扰能力，其采用了电流转频率、再由频率转电压的处理方式来实现对中子噪声信号的测量，由于中子噪声信号属于微电流范畴，因此，这种方式将感应到的微小脉冲视为微电流后，获得其微电流的频率，再由频率获得电压信号。由于频率信号具备很高的抗干扰能力，因此，本发明所获得电压信号比由电流信号转为电压的信号的质量更好。其具备更佳的抗干扰特性。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理包括以下过程：
将第一路电压信号经过电压跟随处理、再经过高通滤波处理、再经过低通滤波处理、再经过隔离放大处理获得交流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理中：高通滤波处理的次数为1或2次，低通滤波处理的次数为1或2次。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理中：高通滤波处理采用二阶高通滤波处理，低通滤波处理采用二阶低通滤波处理。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理包括以下过程：
将第二路电压信号经过电压跟随处理、再经过低通滤波处理、再经过隔离放大处理获得直流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理中：低通滤波处理的次数为1或2次。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理中：低通滤波处理采用二阶低通滤波处理。
采用核仪表系统的电流/频率转换电路将中子探测器的感应微电流经过转换处理为频率信号。然后采用适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量装置，对频率信号进行处理，得到表征中子噪声的直流和交流中子噪声信号。
需要说明的是：
传统的核仪表系统是由I/V转换电路和后续电路获得直流和交流中子噪声信号；在本发明中，其提供了一种新的核仪表系统，该核仪表系统由电流/频率转换电路和适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量装置组成，而适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量装置又由频率/电压转换电路、交流成分提取处理电路、直流成分提取处理电路组成。
本发明可以形成具有频率/电压转换电路、频率/电压转换电路的核仪表系统。以此达到抗干扰的目的。
本发明上述部分提出了一种对频率/电压转换电路、交流成分提取处理电路、直流成分提取处理电路组成的中子噪声测量装置。
适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量装置，包括：
将频率信号转为处理为电压信号的频率/电压转换电路；
将第一路电压信号经过交流成分提取处理获得交流中子噪声信号的交流成分提取处理电路；
将第二路电压信号经过直流成分提取处理获得直流中子噪声信号的直流成分提取处理电路。
优选进一步的的技术方案：所述频率/电压转换电路为集成频率/电压转换芯片。
优选进一步的的技术方案：频率/电压转换电路用于执行高通滤波、整流、积分、平滑滤波处理，将输入频率信号转换为与之成正比的电压信号；频率/电压转换电路配置有调节电位器Radj，调节电位器Radj用于电压信号的连续可调。
优选进一步的的技术方案：调节电位器Radj为精密多圈电位器。
优选进一步的的技术方案：交流成分提取处理电路包括：第一电压跟随器、第一高通滤波器组、第一低通滤波器组、第一隔离放大器，
优选进一步的的技术方案：频率/电压转换电路输出的电压信号依次经过第一电压跟随器、第一高通滤波器组、第一低通滤波器组、第一隔离放大器的处理获得交流中子噪声信号；
优选进一步的的技术方案：直流成分提取处理电路包括：第二电压跟随器、第二低通滤波器组、第二隔离放大器；
频率/电压转换电路输出的电压信号依次经过第二电压跟随器、第二低通滤波器组、第二隔离放大器的处理获得直流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：第一高通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶高通滤波器，第一低通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶低通滤波器；
第二低通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶低通滤波器。
优选进一步的的技术方案：压控电压源二阶低通滤波器包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、运算放大器A11，电阻R1的A端引入信号，电阻R1的B端与电阻R2的A端连接，电阻R2的B端与运算放大器A11的正相A端连接，电容C1的A端与电阻R1的B端连接，电容C1的B端与运算放大器A11的反相A端和运算放大器A11的B端连接，电容C2的A端与电阻R1的B端连接，电容C2的B端接地。
压控电压源二阶高通滤波器包括电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、运算放大器A12，电容C3的A端引入信号，电容C3的B端与电容C4的A端连接，电容C4的B端与运算放大器A12的正相A端连接，电阻R3的A端与电容C3的B端连接，电阻R3的B端与运算放大器A12的反相A端和运算放大器A12的B端连接，电阻R4的A端与电容C3的B端连接，电阻R4的B端接地；
运算放大器A11、运算放大器A12为增益为1的轨至轨双通道输出运算放大器。
优选进一步的的技术方案：第一隔离放大器为：隔离放大电路A6，第二隔离放大器为隔离放大电路A10，第一隔离放大器、第二隔离放大器均采用变压器耦合型集成隔离放大器。
优选进一步的的技术方案：第一隔离放大器、第二隔离放大器均采用干簧管继电器切换不同的反馈电阻来调节其增益放大倍数。
优选进一步的的技术方案：第一电压跟随器、第二电压跟随器采用轨至轨双通道输出运算放大器，所述轨至轨双通道输出运算放大器的输入电压噪声密度≤
Figure BDA0003082477290000091
输入失调电压≤0.4mV。
在核仪表系统中，电流/频率转换电路为第一级处理单元，电流/频率转换电路后输出的是频率信号，不能直接从频率信号中获得中子噪声信号。因此必须首先将频率信号转换为电压信号，然后再进行后续的处理，以此中子噪声测量装置转为第二级处理单元。中子噪声测量装置：频率/电压转换电路通过高通滤波、整流、积分、平滑滤波等处理过程将输入频率信号转换为与之成正比的电压信号，频率/电压转换电路还可以通过调节电位器Radj可以实现输出电压的连续可调。
2个电压跟随器为第二级处理单元，用于将频率/电压转换后的输出电压信号分为两路，分别进行直流中子噪声信号处理和交流中子噪声信号处理。
交流中子噪声信号处理电路和直流中子噪声信号处理电路为第三级处理单元；交流中子噪声信号处理电路由1个或两个二阶高通滤波电路、1个或两个二阶低通滤波电路和一个隔离放大电路组成，通过调节高通滤波电路和低通滤波电路的截止频率，可以实现交流中子噪声信号的频带范围调节。此外，交流中子噪声信号输出端隔离放大电路的放大倍数多档可调，以满足后续中子噪声信号分析系统的不同信号输入需求。直流中子噪声信号处理电路由1个或两个二阶低通滤波电路和一个隔离放大电路组成，用于对频率/电压转换后的输出电压信号进行滤波和隔离输出。
直流中子噪声信号表示中子噪声信号的幅度特性，而交流中子噪声信号可以表征中子噪声信号的波动特性。
进一步，所述频率/电压转换电路使用集成频率/电压转换芯片来实现，所述电位器Radj采用精密多圈电位器，以实现输出电压的连续可调。
进一步，所述电压跟随器采用低噪声、高精度、轨至轨双通道输出运算放大器，所述电压跟随器所采用的运算放大器输入电压噪声密度不超过
Figure BDA0003082477290000101
输入失调电压不超过0.4mV。
进一步，所述二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路的增益为1，采用低噪声、高精度、轨至轨双通道输出运算放大器。
进一步，所述隔离放大电路采用变压器耦合型隔离放大器，放大倍数通过干簧管继电器切换不同的反馈电阻来实现。
综上所述，本发明的优点及有益的技术效果为：
第一：本发明基于电流转频率的核仪表系统中子噪声信号测量方法能够对核仪表系统输出的频率信号进行处理，并从中获得直流中子噪声信号和交流中子噪声信号，可应用于核仪表系统以及其他需要监测中子噪声信号的测量系统；
第二：本发明其具备良好的抗干扰能力，本发明输出的直流中子噪声信号0V～10V连续可调，输出的直流中子噪声信号误差不大于±0.08V，输出的交流中子噪声信号-5V～+5V可调，输出的交流中子噪声信号频带范围0.5Hz～1000Hz连续可调。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明所述核仪表系统的原理框图。
图2为本发明所述的压控电压源二阶低通滤波器电路。
图3为本发明所述的压控电压源二阶高通滤波器电路。
图4为本发明的输出直流中子噪声信号随输入微电流的关系曲线。
图5为本发明的输出交流中子噪声信号幅频特性曲线。
图6为本发明的电流转频率的核仪表系统微电流处理装置(对应于附图1中的I/F模块)。
图7为本发明电流转频率微电流测量的输出频率与输入电流的线性曲线。
图8为本发明电流转频率微电流测量的微电流测量精度。
在附图1-图5中：的附图标记分别表示为：1、电位器Radj；2、电容Cint；3、频率/电压转换电路；4、电压跟随器A1；5、电压跟随器A7；6、二阶高通滤波电路A2；7、二阶高通滤波电路A3；8、二阶低通滤波电路A8；9、二阶低通滤波电路A4；10、二阶低通滤波电路A5；11、二阶低通滤波电路A9；12、隔离放大电路A6；13、隔离放大电路A10；14、电阻R1；15、电阻R2；16、电容C1；17、电容C2；18、运算放大器A18；19、电容C3；20、电容C4；21、电阻R3；22、电阻R4；23、运算放大器A12；24、电流转频率电路。
在附图6中：的附图标记分别表示为：
241、感应微电流Iin；242、TVS二极管D；243、电阻R；244、运算放大器A1；245、积分电容Cint；246、运算放大器A2；247、单稳态触发器；248、定时电容Cos；249、驱动输出；2410、脉冲恒流源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图6所示，基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，包括以下步骤：
M1、将中子探测器输出的感应微电流Iin经过电流积分处理得到积分信号UA；
M2、将积分信号UA进行比较处理，待积分信号UA大于阈值则输出产生输出跳变脉冲UB；
M3、使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc，一路稳态脉冲Uc触发驱动输出形成1个频点信号，一路稳态脉冲Uc触发脉冲时长与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的、恒流的复位电源脉冲，
M4、使用复位电源脉冲触发电流积分归零；
M5、重复上述M1至M4，随着时间的递增由驱动输出形成多个频点信号视为频率信号。
电流积分处理采用电流积分处理电路进行处理，
电流积分处理电路包括：运算放大器A1244、积分电容Cint245，
中子探测器输出的感应微电流Iin引入运算放大器A1244的反相输入端，运算放大器A1244的正相输入端接地，运算放大器A1244的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint245连接在运算放大器A1244的反相输入端和输出端之间；
复位电源脉冲引接到运算放大器A1244的反相输入端。
将积分信号UA进行比较处理采用电压比较器进行处理；
电压比较器包括运算放大器A2246和参考电压源UREF，运算放大器A2246的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2246的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2246的输出端输出跳变脉冲UB。
使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc采用单稳态触发器247和定时电容Cos248进行处理，定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器247的触发端引接跳变脉冲UB；单稳态触发器247的输出端输出稳态脉冲Uc；稳态脉冲Uc的脉冲时长由定时电容Cos设置。
复位电源脉冲采用脉冲恒流源2410产生；脉冲恒流源2410的触发端引接稳态脉冲Uc；脉冲恒流源2410的复位电源脉冲输出端引接运算放大器A1244的反相输入端。
实施例2
如图6所示，基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，包括：
电流积分处理电路、电压比较器、单稳态触发器247、定时电容Cos248、驱动输出249、脉冲恒流源2410；
电流积分处理电路包括：运算放大器A1244、积分电容Cint245，
运算放大器A1244的正相输入端接地，积分电容Cint245连接在运算放大器A1244的反相输入端和输出端之间，
运算放大器A1244用于在其反相输入端引入中子探测器输出的感应微电流Iin；
运算放大器A1244用于与积分电容Cint245组成积分回路、在运算放大器A1244的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint245用于在引接复位电源脉冲到运算放大器A1244的反相输入端后，触发积分电容Cint245反向充电；
电压比较器包括运算放大器A2246和参考电压源UREF，运算放大器A2246的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2246的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2246用于积分信号UA达到电压比较器的参考电压源UREF的参考电压UREF时从输出端输出跳变脉冲UB；
定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器247的触发端引接跳变脉冲UB；
单稳态触发器247用于在跳变脉冲UB来到时，从输出端输出稳态脉冲Uc；
定时电容Cos用于设置稳态脉冲Uc的脉冲时长；
脉冲恒流源2410用于形成在内与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的复位电源脉冲。
运算放大器A1244的反相输入端连接导流中子探测器输出感应微电流Iin的泄放信号电缆，运算放大器A1244的反相输入端泄放信号电缆之间设置有TVS二极管D242和电阻R243，其中TVS二极管D242用于泄放信号电缆上产生的静电，电阻R243用于提供匹配阻抗。
运算放大器A1244为低噪声集成运算放大器，低噪声集成运算放大器采用输入电压噪声小于或等于
Figure BDA0003082477290000151
输入电流噪声小于或等于
Figure BDA0003082477290000152
输入偏置电流小于或等于10nA的运算放大器。
定时电容Cos采用聚苯乙烯薄膜电容。
本发明提出了一种电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，该方法包括电流积分处理、电压比较处理、单稳态触发、驱动输出等过程，对应的处理单元包括电流积分电路、电压比较器电路、单稳态触发器电路、脉冲恒流源电路和驱动输出电路。其中，第一级电流积分电路包括运算放大器A1、积分电容Cint；运算放大器的反相输入端通过输入电阻R连接信号电缆，同相输入端直接接地或通过串连一个电阻后接地；积分电容Cint连接在运算放大器244的反相输入端和输出端之间。第二级电压比较器包括运算放大器246和参考电压源UREF。第三级单稳态触发器电路包括单稳态触发器集成芯片和定时电容Cos。
当输入电流Iin时，积分器的输出电压UA随时间不断增长。当UA达到电压比较器的参考电压UREF时，电压比较器产生输出跳变脉冲UB，单稳态电路被触发并输出脉冲UC。在脉冲UC的作用期间，脉冲恒流源Ie对积分电容进行反向充电，从而使电压比较器恢复到初始状态。此时，在输入电流Iin的作用下UA继续增长，如此不断循环，就将输入感应微电流转换为了频率信号。输入电流Iin越大，UA上升的就越快，输出的脉冲频率f也就越高。
电流转频率测量技术在第一级运放的反馈回路中接入了高稳定性的电容，对输入感应微电流进行了积分处理，因此电流转频率测量技术相比于其他的微电流测量技术具有更强的噪声抑制能力。此外，核仪表测量系统探测器输出的微感应微电流在经过电流转频率测量后，直接将微感应微电流转换为了数字化的频率信号输出，更有利于输出信号的传输和处理。
作为本发明的进一步改进，所述运算放大器244反相输入端与信号电缆之间还连接有TVS二极管D和电阻R，其中TVS二极管D用于泄放信号电缆上产生的静电。
进一步，所述运算放大器244为低噪声集成运算放大器，其输入电压噪声不超过
Figure BDA0003082477290000161
输入电流噪声不超过
Figure BDA0003082477290000162
输入偏置电流不超过10nA。由于核仪表系统测量的感应微电流十分微弱，传输过程中的各环节噪声对信号影响很大，运放的早生指标过高会导致信号不能测量；因此在本技术方案中，运算放大器244采用前述参数的低噪声集成运算放大器。
进一步，所述TVS二极管应具有极低的漏电流，以保证微感应微电流的准确测量。
进一步，所述电压比较器的参考电压采用高精度、高稳定基准参考电压源。
进一步，所述单稳态触发器电路的定时电容采用高稳定性的聚苯乙烯薄膜电容，保证反向充电时间的稳定性和输出频率的准确性。
综上所述，本发明提出的堆外核仪表系统功率量程测量装置所具有的优点及有益的技术效果为：
第一：本发明基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法能够对长电缆输出后的感应微电流进行放大，并直接将感应微电流转换为与之成正比的频率信号，输出频率信号稳定，可应用于核仪表系统以及其他需要长电缆传输的微电流测量系统中；
第二：本发明适用于核仪表探测器输出的(0～500)μA范围的感应微电流，具有较强的噪声抑制能力和抗干扰能力，支持的电缆长度不少于150m。
如图7、图8所示，本实施例中，使用吉时利keithley 6430微电流源表产生(0～500)μA的感应微电流来代替核探测器产生的感应微电流，使用频率计来测量电流转频率后的频率值。使用6430微电流源表模拟探测器输出的感应微电流，依次输入(0～500)μA的感应微电流，然后使用频率计记录对应的频率输出值。图7为输出频率与输入电流的对应关系曲线，在(0～500)μA范围内，输出频率f(kHz)与输入电流I(uA)成正比，线性拟合优度达到1.0。如图8所示表为本实施例所述电流转频率微电流测量系统的微电流测量精度，各量程范围的满量程测量精度均优于0.1％，温漂小于100ppm/℃。
实施例3
如图6所示，如图1-图5所示：
本实施例提供了一种适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声测量方法和处理装置。适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声处理装置与基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置组成了核仪表系统。
其中，电流频率转换的中子噪声测量方法，包括以下步骤：
S1、获得由中子探测器输出感应微电流经过转换处理的频率信号；
S2、将频率信号转为处理为电压信号；
S3、将电压信号分为两路，第一路电压信号经过交流成分提取处理获得交流中子噪声信号，第二路电压信号经过直流成分提取处理获得直流中子噪声信号。
本发明为了实现提升抗干扰能力，其采用了电流转频率、再由频率转电压的处理方式来实现对中子噪声信号的测量，由于中子噪声信号属于微电流范畴，因此，这种方式将感应到的微小脉冲视为微电流后，获得其微电流的频率，再由频率获得电压信号。由于频率信号具备很高的抗干扰能力，因此，本发明所获得电压信号比由感应微电流转为电压的信号的质量更好。其具备更佳的抗干扰特性。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理包括以下过程：
将第一路电压信号经过电压跟随处理、再经过高通滤波处理、再经过低通滤波处理、再经过隔离放大处理获得交流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理中：高通滤波处理的次数为1或2次，低通滤波处理的次数为1或2次。
优选进一步的的技术方案：所述交流成分提取处理中：高通滤波处理采用二阶高通滤波处理，低通滤波处理采用二阶低通滤波处理。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理包括以下过程：
将第二路电压信号经过电压跟随处理、再经过低通滤波处理、再经过隔离放大处理获得直流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理中：低通滤波处理的次数为1或2次。
优选进一步的的技术方案：所述直流成分提取处理中：低通滤波处理采用二阶低通滤波处理。
如图1-图5所示：
中子探测器输出的感应微电流经过转换处理为频率信号(电流转频率电路24)(对应参见实施例2和实施例1，实施例2是该电流转频率电路24的执行装置)；
适用于频率输出的核仪表系统的中子噪声处理装置，包括：
将频率信号转为处理为电压信号的频率/电压转换电路3；
将第一路电压信号经过交流成分提取处理获得交流中子噪声信号的交流成分提取处理电路；
将第二路电压信号经过直流成分提取处理获得直流中子噪声信号的直流成分提取处理电路。
优选进一步的的技术方案：所述频率/电压转换电路3为集成频率/电压转换芯片。
优选进一步的的技术方案：频率/电压转换电路3用于执行高通滤波、整流、积分、平滑滤波处理，将输入频率信号转换为与之成正比的电压信号；频率/电压转换电路3配置有调节电位器Radj 1，调节电位器Radj用于电压信号的连续可调。
优选进一步的的技术方案：调节电位器Radj 1为精密多圈电位器。
优选进一步的的技术方案：交流成分提取处理电路包括：第一电压跟随器、第一高通滤波器组、第一低通滤波器组、第一隔离放大器，
优选进一步的的技术方案：频率/电压转换电路3输出的电压信号依次经过第一电压跟随器、第一高通滤波器组、第一低通滤波器组、第一隔离放大器的处理获得交流中子噪声信号；
优选进一步的的技术方案：直流成分提取处理电路包括：第二电压跟随器、第二低通滤波器组、第二隔离放大器；
频率/电压转换电路3输出的电压信号依次经过第二电压跟随器、第二低通滤波器组、第二隔离放大器的处理获得直流中子噪声信号。
优选进一步的的技术方案：第一高通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶高通滤波器，第一低通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶低通滤波器；
第二低通滤波器组包括：1个或2个级联的压控电压源二阶低通滤波器。
优选进一步的的技术方案：压控电压源二阶低通滤波器包括电容C1 14、电容C215、电阻R1 16、电阻R2 17、运算放大器A11 18，电阻R1 16的A端引入信号，电阻R1 16的B端与电阻R2 17的A端连接，电阻R2 17的B端与运算放大器A11 18的正相A端连接，电容C1 14的A端与电阻R1 16的B端连接，电容C1 14的B端与运算放大器A11 18的反相A端和运算放大器A11 18的输出端连接，电容C2 15的A端与电阻R1 16的B端连接，电容C2 15的B端接地。
压控电压源二阶高通滤波器包括电容C3 19、电容C4 20、电阻R3 21、电阻R4 22、运算放大器A12 23，电容C3 19的A端引入信号，电容C3 19的B端与电容C4 20的A端连接，电容C4 20的B端与运算放大器A12 23的正相A端连接，电阻R3 21的A端与电容C3 19的B端连接，电阻R3 21的B端与运算放大器A12 23的反相A端和运算放大器A12 23的输出端连接，电阻R422的A端与电容C3 19的B端连接，电阻R4 22的B端接地；
运算放大器A11 18、运算放大器A12 23为增益为1的轨至轨双通道输出运算放大器。
优选进一步的的技术方案：第一隔离放大器为：隔离放大电路A6 12，第二隔离放大器为隔离放大电路A10 13，第一隔离放大器、第二隔离放大器均采用变压器耦合型集成隔离放大器。
优选进一步的的技术方案：第一隔离放大器、第二隔离放大器均采用干簧管继电器切换不同的反馈电阻来调节其增益放大倍数。
优选进一步的的技术方案：第一电压跟随器、第二电压跟随器采用轨至轨双通道输出运算放大器，所述轨至轨双通道输出运算放大器的输入电压噪声密度≤
Figure BDA0003082477290000211
输入失调电压≤0.4mV。
所示的中子噪声信号测量装置，其结构和原理如图1、图2和图3所示，包括频率/电压转换电路、电压跟随器、二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路和隔离放大电路这些器件组成。其中，频率/电压转换电路使用集成频率/电压转换芯片实现，电压跟随器采用低噪声、高精度、轨至轨的双通道运算放大器，二阶高通和低通滤波器均采用低噪声、高精度、轨至轨的双通道运算放大器实现，隔离放大电路使用变压器耦合型集成隔离放大器。频率/电压转换电路的输出电压幅度可通过多圈精密电位器连续可调，高通和低通滤波电路的截止频率灵活可调，隔离放大电路的增益放大倍数可以通过干簧管继电器切换不同的反馈电阻来调节。
当输入频率信号时，频率/电压转换电路首先将频率信号转换为与之成正比的电压信号，输出的电压信号经过电压跟随器后分为两路，分别进行直流中子噪声信号处理和交流中子噪声信号处理。直流中子噪声信号通过两个二阶低通滤波电路获得电压信号里的直流成分，并通过隔离放大器电路隔离输出。交流中子噪声信号通过两个二阶高通滤波电路和两个二阶低通滤波电路获得电压信号里特定频带范围的交流成分，并通过隔离放大器隔离放大输出。
本实施例中，使用吉时利keithley 6430微电流源表产生(0～500)μA的微应微电流来代替核探测器产生的感应微电流，通过电流转频率微电流测量电路后转换为(0～1)MHz的频率信号。将上述频率信号输入本发明所述的中子噪声信号测量系统，使用万用表测量直流中子噪声信号输出。图4为输出直流中子噪声信号随输入微电流的变化关系曲线，在(0～500)μA范围内，输出电压U(V)与输入电流I(μA)成正比，该图可以反映出本发明的线性拟合优度达到0.999999。
为了验证交流中子噪声信号的测量结果，使用精密信号发生器产生幅度为10mV，偏置为1V的正弦波信号，并通过串联17.4kΩ的电阻后代替上述吉时利keithley 6430微电流源表的微感应微电流。在(1～300)Hz范围内改变输入正弦波信号的频率，可得如图5所示的幅频特性曲线。
如图1和5所示，其图5对应于图1中所示的2个级联的压控电压源二阶高通滤波器和2个级联的压控电压源二阶低通滤波器所形成的交流成分提取处理电路。其图5中，所示的下降变化较为陡峭，若采用1个压控电压源二阶高通滤波器和1个级联的压控电压源二阶低通滤波器所形成的交流成分提取处理电路，则所示的下降变化较为平缓，因此优选2个级联的方式进行。
如图1所示，2个级联的压控电压源二阶高通滤波器为二阶高通滤波电路A2 6、二阶高通滤波电路A3 7串联组成一个第一高通滤波器组；2个级联的压控电压源二阶低通滤波器为二阶低通滤波电路A4 9、二阶低通滤波电路A5 10串联组成一个第一低通滤波器组；2个级联的压控电压源二阶低通滤波器为二阶低通滤波电路A8 8、二阶低通滤波电路A9 11串联组成一个第二低通滤波器组。
第一电压跟随器为电压跟随器A1 4，第二电压跟随器为电压跟随器A7 5，电压跟随器A1与后级的第一高通滤波器组连接，电压跟随器A7 5与后级的第二低通滤波器组连接。
电流转频率电路24将中子探测器输出的感应微电流直接转换为与之成正比的频率信号
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
M1、将中子探测器输出的感应微电流Iin经过电流积分处理得到积分信号UA；
M2、将积分信号UA进行比较处理，待积分信号UA大于阈值则输出产生输出跳变脉冲UB；
M3、使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc，一路稳态脉冲Uc触发驱动输出形成1个频点信号，一路稳态脉冲Uc触发脉冲时长与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的、恒流的复位电源脉冲，
M4、使用复位电源脉冲触发电流积分归零；
M5、重复上述M1至M4，随着时间的递增由驱动输出形成多个频点信号视为频率信号。
2.根据权利要求1上述的基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，其特征在于，
电流积分处理采用电流积分处理电路进行处理，
电流积分处理电路包括：运算放大器A1(244)、积分电容Cint(245)，
中子探测器输出的感应微电流Iin引入运算放大器A1(244)的反相输入端，运算放大器A1(244)的正相输入端接地，运算放大器A1(244)的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint(245)连接在运算放大器A1(244)的反相输入端和输出端之间；
复位电源脉冲引接到运算放大器A1(244)的反相输入端。
3.根据权利要求1上述的基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，其特征在于，
将积分信号UA进行比较处理采用电压比较器进行处理；
电压比较器包括运算放大器A2(246)和参考电压源UREF，运算放大器A2(246)的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2(246)的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2(246)的输出端输出跳变脉冲UB。
4.根据权利要求1上述的基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，其特征在于，
使用跳变脉冲UB触发稳态脉冲Uc采用单稳态触发器(247)和定时电容Cos(248)进行处理，定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器(247)的触发端引接跳变脉冲UB；单稳态触发器(247)的输出端输出稳态脉冲Uc；稳态脉冲Uc的脉冲时长由定时电容Cos设置。
5.根据权利要求2上述的基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法，其特征在于，
复位电源脉冲采用脉冲恒流源(2410)产生；脉冲恒流源(2410)的触发端引接稳态脉冲Uc；脉冲恒流源(2410)的复位电源脉冲输出端引接运算放大器A1(244)的反相输入端。
6.基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，其特征在于，包括：
电流积分处理电路、电压比较器、单稳态触发器(247)、定时电容Cos(248)、驱动输出(249)、脉冲恒流源(2410)；
电流积分处理电路包括：运算放大器A1(244)、积分电容Cint(245)，
运算放大器A1(244)的正相输入端接地，积分电容Cint(245)连接在运算放大器A1(244)的反相输入端和输出端之间，
运算放大器A1(244)用于在其反相输入端引入中子探测器输出的感应微电流Iin；
运算放大器A1(244)用于与积分电容Cint(245)组成积分回路、在运算放大器A1(244)的输出端形成积分信号UA；
积分电容Cint(245)用于在引接复位电源脉冲到运算放大器A1(244)的反相输入端后，触发积分电容Cint(245)反向充电；
电压比较器包括运算放大器A2(246)和参考电压源UREF，运算放大器A2(246)的反相输入端接积分信号UA，运算放大器A2(246)的正相输入端接参考电压源UREF；运算放大器A2(246)用于积分信号UA达到电压比较器的参考电压源UREF的参考电压UREF时从输出端输出跳变脉冲UB；
定时电容Cos连接在单稳态触发器的定时端上；单稳态触发器(247)的触发端引接跳变脉冲UB；
单稳态触发器(247)用于在跳变脉冲UB来到时，从输出端输出稳态脉冲Uc；
定时电容Cos用于设置稳态脉冲Uc的脉冲时长；
脉冲恒流源(2410)用于形成在内与稳态脉冲Uc的脉冲时长相等的复位电源脉冲。
7.根据权利要求6所述的基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，其特征在于，
运算放大器A1(244)的反相输入端连接导流中子探测器输出感应微电流Iin的泄放信号电缆，运算放大器A1(244)的反相输入端泄放信号电缆之间设置有TVS二极管D(242)和电阻R(243)，其中TVS二极管D(242)用于泄放信号电缆上产生的静电，电阻R(243)用于提供匹配阻抗。
8.根据权利要求6所述的基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，其特征在于，
运算放大器A1(244)为低噪声集成运算放大器，低噪声集成运算放大器采用输入电压噪声小于或等于
Figure FDA0003082477280000041
输入电流噪声小于或等于
Figure FDA0003082477280000042
输入偏置电流小于或等于10nA的运算放大器。
9.根据权利要求6所述的基于电流转频率的核仪表系统微电流处理装置，其特征在于，
定时电容Cos采用聚苯乙烯薄膜电容。
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