CN203366764U - 用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置 - Google Patents

用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置 Download PDF

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熊国华
李腾龙
周强
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Abstract

本实用新型提供了一种用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，包括线性放大电路，所述线性放大电路与反应堆堆外核测量系统中间量程的补偿电离室探测器相连，并将所述补偿电离室探测器检测到的微电流信号转换为输出电压，所述线性放大电路为反相闭环放大电路，所述反相闭环放大电路之运算放大器的输入阻抗为1014Ω以上，偏置电流为1pA以下，使得本所述运算放大器具有极高的输入阻抗和极低的偏置电流，可用于处理反应堆堆外核测量系统中间量程的补偿电离室探测器检测到的微电流信号(10－3～101－11A跨越9个量级)。另，本实用新型使用线性放大电路处理反应堆堆外核测量系统中间量程的微电流信号，不但工艺简单，且线性度好、精度高。

Description

用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置
技术领域
本实用新型涉及反应堆堆外核测量，尤其涉及反应堆堆外核测量系统中间量程的微电流处理。
背景技术
堆外核测仪表系统（RPN）是利用分布于反应堆压力容器外的一系列中子探测器连续监测反应堆功率、功率变化率和功率的轴向分布，是直接关系到反应堆安全的重要系统之一。反应堆从启动到满功率运行，其核功率的动态变化范围达到11数量级，具体说从额定功率10－9%～200%，使用一种探测器和电路是满足不了要求的。因此，常规的核仪表系统采用三种不同的量程的8个独立测量通道来测量反应堆功率：即2个源量程通道、2个中间量程通道和4个功率量程通道。它们各自配备性能各异和测量范围不同的探测器。其中，中间量程的灵敏度也较高，其测量档位跨越9个数量级，对应的微电流信号为10－3～101－11A，对此，现有技术中，正在运行的压水堆核电站堆外核测量系统中，中间量程微电流放大器都是采用对数放大器实现，这种放大电路设计工艺复杂，对数放大器通常都是利用晶体二极管的PN结电压（固态电子器件）是结电流的对数函数，用它作为放大电路的负载或反馈元件可以使放大器具有对数幅度特性。使用这种方法电路虽然原理简单，但通常只能达到小于50分贝的输入动态范围，而且放大器的频带受PN结电容的限制，不能太宽，同时利用这种晶体二极管对数特性的工艺线路调理工艺比较复杂，在实现过程中的成功率相对较低。
综上，急需一种可解决上述问题的反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种应堆堆外核测量系统微电流处理装置，利用线性放大器原理实现应堆堆外核测量系统微电流信号的放大，工艺简单、线性度好、精度高。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，包括线性放大电路，所述线性放大电路与反应堆堆外核测量系统中间量程的补偿电离室探测器相连，并将所述补偿电离室探测器检测到的微电流信号转换为输出电压，所述线性放大电路为反相闭环放大电路，所述反相闭环放大电路之运算放大器的输入阻抗为1014Ω以上，偏置电流为1pA以下。
由于反应堆堆外核测量系统检测的微电流很小，其中补偿电离室探测器提供的微电流最低达到10－11A（相当于信号源输出阻抗达到100GΩ），故现有的线性放大器很难检测到如此小的电流，本实用新型所述线性放大电路之运算放大器的输入阻抗为1014Ω以上，偏置电流为1pA以下，使得本实用新型所述线性放大电路的主放大器具有极高的输入阻抗和极低的偏置电流，可用于检测反应堆堆外核测量系统输出的微电流信号(10－3～101－11A跨越9个量级)。故，与现有技术相比，本实用新型使用线性放大电路处理反应堆堆外核测量系统输出的微电流信号，不但工艺简单，且线性度好、精度高。
较佳地，所述线性放大电路的反馈回路上并联有调整电路，所述调整电路包括变阻器和模拟开关，所述模拟开关与所述变阻器相连并依据所述微电流信号的电流档位调节所述变阻器的阻值，且所述模拟开关的漏电电流为1pA以下。该方案中，所述模拟开关依据反应堆堆外核测量系统输出的微电流信号的不同档位匹配不同的变阻器阻值，量程切换简单，响应时间快。
具体地，所述变阻器为高性能瓷釉高阻。
具体地，所述变阻器上并联有可变电容器，所述模拟开关依据反应堆堆外核测量系统的响应时间调节所述可变电容器的电容值。所述可变电容器有效提高了整个电路的抗干扰能力。更具体地，所述可变电容器为聚四氟乙烯电容，使得所述可变电容器的绝缘电阻高。
具体地，所述线性放大电路还包括电位转移电路，所述电位转移电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串接于所述反馈回路上并位于所述反馈回路之反馈电阻的输入端和运算放大器的输出端之间，所述第二电阻连接于所述反馈电阻的输入端和地之间。所述电位转移电路通过电位转移，有效降低了在最低档时变阻器所需的阻值。
更具体地，所述变阻器的最高阻值为10GΩ，所述反馈回路之反馈电阻的阻值为1GΩ，所述第一电阻为9KΩ，所述第二电阻为1KΩ。该方案使得最低档时，该档位等效反馈电阻扩大了十倍。
具体地，所述模拟开关为高速模拟开关MAX338。
较佳地，所述线性放大电路的反馈回路上并联有反馈电容。
较佳地，所述线性放大电路还包括第一JFET管和第二JFET管，所述第一JFET管的输入端接所述运算放大器之同相输入端，输出端接所述运算放大器之反相输入端，所述第二JFET管的输入端接所述运算放大器之反相输入端，输出端接所述运算放大器之同相输入端，且所述第一JFET管和第二JFET管的漏电电流为1pA以下，该方案有效抑制了整个线性放大电路的漏电流，防止系统运行时，所述运算放大器收到外部干扰造成损坏。
较佳地，所述运算放大器为静电型集成运算放大器OPA128。当然，所述运算放大器也可以是其他高输入阻抗，低偏置电流的运算放大器。
较佳地，所述运算放大器之反相输入端和/或同相输入端通过绝缘端子安装于所述线性放大电路的电路板上。由于覆铜电路板的绝缘电阻一般在10M欧姆/mm，所以普通电路板无法使得所述运算放大器同相输入端和反相输入端之间的绝缘电阻足够大，例如保持在1015Ω以上，故，本实用新型将所述运算放大器的输入端悬空安装，也就是将所述运算放大器的输入端安装于绝缘端子上，再将绝缘端子安装于电路板上。
较佳地，所述用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置还包括高碳钢材料制成的屏蔽盒，所述线性放大电路密封地安装于所述屏蔽盒内，不但屏蔽效果好，可有效地屏蔽各类干扰，而且可保证屏蔽盒内的干燥性。具体地，所述屏蔽盒外层设有镀铜层、里层设有镀银层，实现多层屏蔽，屏蔽效果好。
较佳地，所述线性放大电路之电路板采用多点分布式接地方式进行布线，使得所述线性放大电路在工作过程中尽可能有效地释放干扰。
附图说明
图1是用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置的结构框图。
图2是本实用新型所述线性放大电路的电路原理图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
参考图1，本实用新型提供了一种用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，包括线性放大电路10，所述线性放大电路10与反应堆堆外核测量系统之补偿电离室探测器20相连，并将所述补偿电离室探测器20检测到的微电流信号Iin转换为输出电压Vout。
参考图2，所述线性放大电路10为反相闭环放大电路，包括运算放大器A1，且所述运算放大器A1的输入阻抗为1014Ω以上，偏置电流为1pA以下，使得本实用新型所述运算放大器A1具有极高的输入阻抗和极低的偏置电流，防止偏置电流接近输入信号以至于输入信号被淹没。具体地，所述运算放大器A1的输出端（6脚）和反相输入端（2脚）之间连接有反馈电阻R，以构成所述线性放大电路10的反馈回路，工作时，所述补偿电离室探测器20检测到的微电流信号Iin由电阻R1输送至反相输入端（2脚），经运算放大器A1放大处理后转换为输出电压Vout并从输出端（6脚）输出。其中，所述运算放大器A1的同相输入端（3脚）通过电阻R2接地，所述线性放大电路10的输入端与地之间还接有滤波电容C1。所述运算放大器A1的4脚接动力电源VE，7脚接动力电源VS，上述动力电源均选用高稳定性、低纹波线性电源。其中，所述运算放大器为静电型集成运算放大器OPA128。当然，所述运算放大器也可以是其他高输入阻抗，低偏置电流的运算放大器。
较佳者，所述反馈回路上还并联有反馈电容C，所述反馈电容C为1pF。
较佳地，所述线性放大电路10的反馈回路上并联有调整电路30，所述调整电路30包括变阻器RX和模拟开关KX，所述模拟开关KX与所述变阻器RX相连并依据所述微电流信号Iin的电流档位调节所述变阻器RX的阻值，且所述模拟开关KX的漏电电流为1pA以下。其中，模拟开关KX控制码、微电流信号Iin的电流档位与变阻器RX的对照关系如下表1所示：
Iin(A) RX(Ω) 控制码（A/B/C）
10-3 100 000
10-4 1K 001
10-5 10K 010
10-6 100K 011
10-7 1M 100
10-8 10M 101
10-9 100M 110
10-10 1G 111
10-11 1G ---
表1
综上，所述模拟开关KX依据补偿电离室探测器20输出的微电流信号Iin的不同档位匹配不同的变阻器RX阻值，量程切换简单，响应时间快。当微电流信号Iin从线性放大电路10的输入端输入后，经放大转换为Vout，Vout＝Iin×RX。其中，所述变阻器RX为高性能瓷釉高阻，所述变阻器RX的最高阻值为1GΩ以上，所述反馈回路之反馈电阻R的阻值为1GΩ，电阻R1和电阻R2均为阻值远小于变阻器RX的电阻。其中，所述模拟开关KX为高速模拟开关MAX338。
具体地，参考图2，所述调整电路30还包括并联于变阻器RX上的可变电容器CX，所述模拟开关KX依据补偿电离室探测器的响应时间调节所述可变电容器CX的电容值。所述可变电容器CX有效提高了整个线性放大电路10的抗干扰能力，使得所述可变电容器CX的大小与所述补偿电离室探测器的响应时间相匹配，尽可能的调高电容值。更具体地，所述可变电容器CX为聚四氟乙烯电容，使得所述可变电容器CX的绝缘电阻高。
具体地，所述线性放大电路10还包括电位转移电路40，所述电位转移电路40包括第一电阻R3和第二电阻R4，所述第一电阻R3串接于所述反馈回路上并位于所述反馈回路之反馈电阻R的输入端和运算放大器A1的输出端之间，所述第二电阻R4连接于所述反馈电阻R的输入端和地之间。所述电位转移电路40通过电位转移，有效降低了在最低档时变阻器RX所需的阻值，使得所述输出电压Vout＝Iin×RX×（R3+R4）/R4。更具体地，所述第一电阻为9KΩ，所述第二电阻为1KΩ，故该实施例依据电位转移电路扩大了十倍，有效降低了最低档时变阻器RX所需的阻值，提高了线性放大电路10中I-V的放大精度与线性度，简化设计工艺。
较佳地，所述线性放大电路10还包括第一JFET管D1和第二JFET管D2，所述第一JFET管D1的输入端接所述运算放大器A1之同相输入端（3脚），输出端接所述运算放大器A1之反相输入端（2脚），所述第二JFET管D2的输入端接所述运算放大器A1之反相输入端（2脚），输出端接所述运算放大器A1之同相输入端（3脚），且所述第一JFET管D1和第二JFET管D2的漏电电流为1pA以下，该方案有效抑制了整个线性放大电路10的漏电流，防止系统运行时，所述运算放大器A1收到外部干扰造成损坏。
较佳地，所述运算放大器A1之反相输入端（2脚）和/或同相输入端（3脚）通过绝缘端子安装于所述线性放大电路10的电路板上，即将所述运算放大器A1的输入端悬空安装，使得所述运算放大器A1同相输入端（3脚）和反相输入端（2脚）之间的绝缘电阻足够大，例如保持在1015Ω以上。
其中，所述用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置还包括高碳钢材料制成的屏蔽盒，所述线性放大电路10密封地安装于所述屏蔽盒内，不但屏蔽效果好，可有效地屏蔽各类干扰，而且可保证屏蔽盒内的干燥性。具体地，所述屏蔽盒外层设有镀铜层、里层设有镀银层，实现多层屏蔽，屏蔽效果好。所述线性放大电路10之电路板采用多点分布式接地方式进行布线，使得所述线性放大电路10在工作过程中尽可能有效地释放干扰。
以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (15)

1.一种用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：包括线性放大电路，所述线性放大电路与反应堆堆外核测量系统中间量程的补偿电离室探测器相连，并将所述补偿电离室探测器检测到的微电流信号转换为输出电压，所述线性放大电路为反相闭环放大电路，所述反相闭环放大电路之运算放大器的输入阻抗为1014Ω以上，偏置电流为1pA以下。
2.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述线性放大电路的反馈回路上并联有调整电路，所述调整电路包括变阻器和模拟开关，所述模拟开关与所述变阻器相连并依据所述微电流信号的电流档位调节所述变阻器的阻值，且所述模拟开关的漏电电流为1pA以下。
3.如权利要求2所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述变阻器为高性能瓷釉高阻。
4.如权利要求2所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述变阻器上并联有可变电容器，所述模拟开关依据反应堆堆外核测量系统的响应时间调节所述可变电容器的电容值。
5.如权利要求4所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述可变电容器为聚四氟乙烯电容。
6.如权利要求2所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述线性放大电路还包括电位转移电路，所述电位转移电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串接于所述反馈回路上并位于所述反馈回路之反馈电阻的输入端和运算放大器的输出端之间，所述第二电阻连接于所述反馈电阻的输入端和地之间。
7.如权利要求6所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述变阻器的最高阻值为1GΩ以上，所述反馈回路之反馈电阻的阻值为1GΩ，所述第一电阻为9KΩ，所述第二电阻为1KΩ。
8.如权利要求2所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述模拟开关为高速模拟开关MAX338。
9.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述线性放大电路的反馈回路上并联有反馈电容。
10.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述线性放大电路还包括第一JFET管和第二JFET管，所述第一JFET管的输入端接所述运算放大器之同相输入端，输出端接所述运算放大器之反相输入端，所述第二JFET管的输入端接所述运算放大器之反相输入端，输出端接所述运算放大器之同相输入端，且所述第一JFET管和第二JFET管的漏电电流为1pA以下。
11.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述运算放大器为静电型集成运算放大器OPA128。
12.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述运算放大器之反相输入端和/或同相输入端通过绝缘端子安装于所述线性放大电路的电路板上。
13.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：还包括高碳钢材料制成的屏蔽盒，所述线性放大电路密封地安装于所述屏蔽盒内。
14.如权利要求13所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述屏蔽盒外层设有镀铜层、里层设有镀银层。
15.如权利要求1所述的用于反应堆堆外核测量系统的微电流处理装置，其特征在于：所述线性放大电路之电路板采用多点分布式接地方式进行布线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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