EP3081000A1 - Übertragungssystem für ein kernkraftwerk und zugehöriges verfahren - Google Patents

Übertragungssystem für ein kernkraftwerk und zugehöriges verfahren

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EP3081000A1
EP3081000A1 EP14821085.9A EP14821085A EP3081000A1 EP 3081000 A1 EP3081000 A1 EP 3081000A1 EP 14821085 A EP14821085 A EP 14821085A EP 3081000 A1 EP3081000 A1 EP 3081000A1
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EP
European Patent Office
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radiation
signal
modulator
signal transmission
measured value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14821085.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian LANGGUTH
Iryna JANKE
Jürgen DENNERLEIN
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Framatome GmbH
Original Assignee
Areva GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3081000A1 publication Critical patent/EP3081000A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention is in the strict sense, a transmission system for a nuclear facility, especially a nuclear power plant, recorded within a containment also referred to as containment under potentially adverse conditions with relatively high radiation exposure with the help of at least one sensor and a measured value out of the containment guided data transmission line is transmitted to a station located at some distance outside the containment evaluation unit.
  • the circuit may also be used in other industrial sectors (and research facilities) and in areas where reliable high bandwidth signal transmission may be from a first plant area, which may be exposed to high ionizing radiation, to a spatially separated lower radiation area is required.
  • the object of the invention is to allow under the conditions mentioned with the simplest possible means an interference-free and broadband transmission of measurement signals over a longer distance. Furthermore, a corresponding method should be specified.
  • the stated object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 5.
  • an isolating isolating amplifier is provided with galvanic isolation of the sensory input signals from the output signals transmitted via the data transmission line, which is based on the basic principle of pulse width modulation, the required modulator on the input side of the transmission line formed by the data transmission line within of the containment and the demodulator is arranged on the output side of the transmission path outside the containment.
  • the demodulator can also be arranged within the containment - z. B. in a radiation shielded annular space.
  • the main goal is to transmit the signal from a region of high ionizing radiation in a region with little or no ionizing radiation.
  • the measured variable is translated into a signal with two binary states.
  • the value or the amplitude of the measured variable is reflected in the temporal behavior of the resulting binary signal.
  • suitable transmission protocols eg multiplex or modulation methods such as time multiplexing or amplitude and frequency modulation
  • the digital isolation amplifier implemented within the transmission system according to the invention is optimized for increased reliability against ionizing radiation. Radiation curing is based on the following three basic principles, which are preferably used cumulatively:
  • the operating points of the radiation-exposed electronic circuits are optimized or adjusted for increased service life under radiation load. This can be achieved, among other things, by using proven concepts and standards from the reliability analysis or technology. Specific component parameters that allow such influence are, for example, the operating temperature of the circuit, the supply voltage, the input voltage, the output voltage, the output current and the mechanical voltage profile. This type of radiation curing is also referred to in English as "hardening by circuit design”.
  • Radiation hardening can also be achieved by selecting a suitable manufacturing technology.
  • Semiconductors with comparatively wide band gaps such as SiGe, GaAs, InPh, SiC are inherently radiation resistant due to the high activation energies necessary to destroy their atomic lattices. The same applies to semiconductor fabrication processes with feature sizes in the range of 60 to 150 nm. This type of radiation cure is also referred to in English as "hardening by technology”.
  • Modulator and demodulator for the galvanically insulating transmission path are located in a housing. Due to the spatial separation of the modulator and demodulator in the inventive system, it is possible to convert an analog signal in an environment with high electromagnetic interference using analog components and this in the most interference-immune form amplitude digital and analog time-coded (pulse width modulation, short PWM) over long distances, for example, up to several hundred meters in length to transmit.
  • pulse width modulation short PWM
  • the amplitude digital (ie, only two logic states of the amplitude are possible) output on the modulator makes it possible, by precise time measurement (eg counting method) of the pulse duration of the PWM signal in relation to the period of the sawtooth oscillation, the value of the amplitude of the normalized Measured value (K) directly into a digital form to transfer.
  • time measurement eg counting method
  • K normalized Measured value
  • isolation amplifiers it is necessary to re-use the analog output signals Digitize analog / digital converters (ADC). Due to the direct A / D implementation by setting creates an optimized against the action of ionizing radiation transducer.
  • FIG. 1 a transmission system for a nuclear power plant, in which with the aid of a digital isolating amplifier an interference-free and broadband transmission of measuring signals takes place over a large distance
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of the level behavior over time of various signals used in the isolation amplifier of FIG. 1 occur or processed, and
  • FIG. 3 shows a modification of the transmission system according to FIG. 1 .
  • FIG. 1 shows a detail of a nuclear power plant 2, in which a containment shell 4 made of steel and / or concrete surrounds a space region in which, in the event of disruptive events, an intense release of ionizing radiation can occur.
  • a sensor 8 which is storable is installed therein and transmits measurement data to an external evaluation system 10 via an interposed transmission system.
  • the sensor 8 detects a physical quantity (eg pressure, temperature, radiation, etc.), which is provided as an electrical signal in the form of an analog measured value K.
  • a physical quantity eg pressure, temperature, radiation, etc.
  • the sensory detection and processing of the measured values to be transmitted thus takes place within the containment 6 in a measured value recording and transmission module indicated here by a rectangular box, which is at an electrical potential 1.
  • a time-linearly increasing voltage is generated with a capacitor charged via a constant current source, which voltage is suddenly reset to 0 V after a period T.
  • the progression of this sawtooth wave B as a function of time is, among other signal levels, which are described below, in FIG. 2 shown diagrammatically.
  • This periodically extending, sawtooth voltage increasing in sections is compared with a momentary measured variable, which was previously converted to a voltage signal and normalized to the maximum final value of the generated sawtooth voltage after reaching T, analogously with high accuracy by a comparator 16.
  • the normalization of the analog measured value K is realized by means of a normalizing amplifier 18 which also implements a conversion from the output variable of the measuring amplifier 20 (voltage, current, charge, frequency, resistance value, single-ended or differential) necessary for the sensor 8 to that for the comparator 16 makes necessary electrical size.
  • the necessary for the Meßwertnorm ist circuit is preferably designed as (off) changeable and lockable, in particular plug-in module with a fixed size and terminal assignment in order to cover a large flexibility of input signals can.
  • the normalized analog measured value A present at the beginning of the measuring cycle is buffered analogously for the measuring duration T (stored instantaneous value C) in order to minimize errors due to rapidly changing signals.
  • the sample and hold circuit 22 is triggered by a pulse generator 24, which also triggers the sawtooth generator 14.
  • the pulse generator 24 is in turn triggered / synchronized by an external clock generator 40 (see below).
  • the output of the comparator 16 changes the output level from a logical level to the non-equivalent logical level Level.
  • a binary output signal D is generated which is present as a pulse-width-modulated signal (PWM signal).
  • PWM signal pulse-width-modulated signal
  • the responsible for the modulation Components Sample & Hold circuit 22, sawtooth generator 14 and associated pulse generator 24 and the analog comparator 16 are also referred to in their entirety as a modulator 26 and are part of a transmission module of the transmission circuit.
  • the amplitude-binary output signal D at the comparator output is isolated in a highly insulating manner from the potential of the measured variable by means of a galvanic isolation 28 via a suitable coupling (eg optical, capacitive or transformer signal transmitter).
  • the galvanic isolation 28 is preferably rated up to several kV long-term, depending on the specific implementation of the signal separation and the safe separation of the supply voltage designed.
  • This galvanically isolated PWM signal J is applied in a suitable form - e.g. as a differential voltage signal, via a current loop, frequency modulated (FM), amplitude modulated (AM), via phase modulation (PSK) - immunity to interference over a comparatively large transmission distance of up to several hundred meters to one outside of the containment 6 in the region of low ionizing Radiation transmitted in a receiving and evaluation module with the electrical potential 3 arranged decoder logic.
  • the signal transmission line 34 passes suitably through a feedthrough 36 in the containment shell 4. To maximize the signal-to-noise ratio and to minimize electromagnetic interference, transmission in the form of a pair of differential signals is preferred.
  • the PWM signal D can be transmitted after the galvanic isolation as a voltage signal, as a current signal or as an optical signal.
  • the respective signal transmission line 34 can be realized, for example, with the aid of copper cables.
  • optical signals are preferably transmitted by means of polymer fiber cables or fiber optic cables, quartz glass fibers generally having a greater radiation resistance and therefore being preferred in the application presented here.
  • Media converters are devices used in the network area, which interconnect network segments of different media (eg copper, optical fibers) and thus physically convert the transmitted data from one medium to the other. When using a multiplexer 47 (see below), the media converter can also be integrated into it.
  • an optical signal transmission takes place, wherein the media converter required for this purpose is preferably implemented by means of laser diodes on the transmitter side.
  • Laser diodes are to be considered as well-proven and have a comparatively high radiation resistance.
  • suitable fiber-optic transmission cables have also been developed, which are suitable for use in environments with high radiation exposure (gamma and neutron radiation). Due to the pulsed transmission even a high radiation-induced damage level of the laser diodes can be tolerated with a correspondingly reduced luminous efficacy or luminosity, so that significantly increases the effective usable life of the signal transmission system over other technologies.
  • Another advantage of optical signal transmission lies in the high degree of galvanic isolation and the insensitivity to electromagnetic interference (EMI).
  • EMI electromagnetic interference
  • decoder 38 the time-coded and normalized amplitude value is restored, and a back-normalization to an output value proportional to the original physical measured value is carried out for a further evaluation and optionally filtered.
  • the competent gen components are collectively referred to as demodulator 38.
  • the decoding can be carried out analogously and output the reconstructed analog measured value to an evaluation system 10.
  • a digital component eg CPLD, FPGA, DSP, ASIC, digital measurement card, constant period T of the sawtooth wave B is a proportionality to the normalized measured value A and also back-normalized and can be filtered.
  • the sampling frequency necessary for a lossless reconstruction of sinusoidal signals according to the Nyquist-Shannon sampling theorem is more than twice the maximum occurring frequency of the measured variable.
  • the frequency (reciprocal of the period T) of the shege leopardschwingung B should be above four times (preferably in powers of two) of the analog limit frequency of the normalizing amplifier.
  • a temporally synchronous conversion of several different measured values from different measuring points, as is necessary for locating functions according to the triangulation principle, can be performed via an isolated supplied synchronous trigger pulse from a common clock generator 40 for the start of a sawing process. Too vibration to any number (depending on the driver stage and pulse deformation) of conversion circuits can be realized.
  • the distribution of the common clock signal to the individual modules is preferably carried out via a so-called clock distribution network, which is made out in a tree structure (clock tree).
  • FIG. 1 illustrates by way of example the case of two functionally similar measured value recording and transmission modules, one of which is at a first electrical potential with respect to the physical variable to be measured by it and the other at a second electrical potential which is generally different therefrom.
  • Each of the two modules transmits a PWM-coded measuring signal to its own decoder logic assigned to it via a dedicated transmission path (transmission line 34) which is galvanically isolated from the measuring input and from the supply voltage, in which a normalization and filtering takes place in addition to the signal amplitude restoration ,
  • the decoder circuits are connected on the output side to the input of a common evaluation system 10.
  • the similar subsystems and their respective components are here distinguished by dashes at the reference numerals, approximately 8, 8 ', 8 "from each other.
  • a common clock generator 40 arranged outside of the containment 6 takes over a tree-like branching into individual strands (possibly via suitable electronic signal distributor with low phase deviation [jitter], also cascaded) clock line 42, the simultaneous control of Impulsge Over 24 of the individual measured value recording and transmission modules.
  • the connection of the clock line (s) 42 to these modules takes place in a similar manner as in the measurement signal decoupling galvanically separated via corresponding optical, capacitive or transformer (inductive) signal transformer (galvanic isolation 46, see also FIG. 1).
  • GaAs gallium arsenide
  • GaN gallium nitride
  • SiC silicon carbide

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Abstract

Signalübertragungssystem für eine technische Anlage mit einem strahlungsexponierten Bereich, insbesondere für ein Kernkraftwerk (2) mit einem Containment (6), wobei •innerhalb des strahlungsexponierten Bereiches ein Modulator (26) zur Wandlung eines analogen Messwertes (K), der von einem zugehörigen Sensor (8) bereitgestellt wird, in ein PWM-Signal (D) angeordnet ist, • außerhalb des strahlungsexponierten Bereiches ein Demodulator (38) zur Rekonstruktion des Messwertes (K) aus dem PWM-Signal (D) angeordnet ist, • der Modulator (26) in strahlungsgehärteter, vorzugsweise analoger Schaltungstechnik verwirklicht ist und eine anpassbare Messwertnormierung (18), einen Sägezahngenerator (14) und einen Komparator (16) umfasst, und • der Demodulator (38) über eine galvanisch vom Ausgang des Komparators (16) getrennte Signalübertragungsleitung (34) mit dem Modulator (26) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Übertragungssystem für ein Kernkraftwerk und zugehöriges Verfahren
Gegenstand der Erfindung ist im engeren Sinne ein Übertragungssystem für eine kerntechnische Anlage, insbesondere ein Kernkraftwerk, bei dem innerhalb einer auch als Containment bezeichneten Sicherheitshülle unter potentiell widrigen Bedingungen mit vergleichsweise hoher Strahlenbelastung mit Hilfe mindestens eines Sensors ein Messwert aufgenommen und über eine aus dem Containment heraus geführte Datenübertragungsleitung an eine in einiger Entfernung außerhalb des Containments stationierte Auswertungseinheit übertragen wird. In einem weiteren Sinne kann die Schaltung auch in anderen Industriesektoren (und Forschungseinrichtungen) und Bereichen eingesetzt werden, bei denen eine zuverlässige Signalübertragung mit hoher Bandbreite von einem ersten Anlagenbereich, der insbesondere hoher ionisierender Strahlung ausgesetzt sein kann, zu einem räumlich getrennten Anlagenbereich mit geringerer Strahlenbelastung erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter den genannten Bedingungen mit möglichst einfachen Mitteln eine störsichere und breitbandige Übertragung von Messsignalen über eine längere Distanz zu ermöglichen. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Im Hinblick auf die Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5.
Vereinfacht gesagt ist ein Isolationstrennverstärker mit galvanischer Trennung der sensorischen Eingangssignale von den über die Datenübertragungsleitung übertragenen Ausgangssignalen vorgesehen, der auf dem Grundprinzip der Impulsweitenmodulation basiert, wobei der dazu notwenige Modulator eingangsseitig der durch die Datenübertragungsleitung gebildeten Übertragungsstrecke innerhalb des Containments und der Demodulator ausgangsseitig der Übertragungsstrecke außerhalb des Containments angeordnet ist. Der Demodulator kann aber auch innerhalb des Containments angeordnet sein - z. B. in einem strahlungsmäßig abgeschirmten Ringraum. Ziel ist es vor allem, das Signal störsicher aus einem Bereich mit hoher ionisierender Strahlung in einen Bereich mit geringer oder ohne ionisierende Strahlung zu übertragen. Es erfolgt eine hochisolierend galvanisch getrennte Übertragung eines Analogsignals mit hoher Bandbreite zur direkten Analog-Digital Umsetzung mit hoher Auflösung aus einem in Störfallsituationen radiologisch belasteten Anlagenbereich zu einem sicheren Anlagenbereich.
Das heißt mit anderen Worten, durch den analogen Vergleich einer konstant ansteigenden Vergleichsspannung mit einem konditionierten Messwert wird die Messgröße in ein Signal mit zwei binären Zuständen übersetzt. Der Wert bzw. die Amplitude der Messgröße wird im zeitlichen Verhalten des so entstehenden Binärsignals wiedergeben. Nach erfolgter galvanischer Trennung steht damit ein über große Distanzen übertragbares Signal in serieller Form mit hoher zeitlicher Auflösung zur Verfügung.
Bei dem bevorzugten Einsatz im kerntechnischen Umfeld können bei geeigneten Übertragungsprotokollen (z. B. Multiplex- oder Modulationsverfahren wie Zeitmul- tiplexverfahren oder Amplituden- und Frequenzmodulation) Signalleitungen und damit auch Containmentdurchführungen eingespart werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile lassen sich insbesondere wie folgt charakterisieren:
1 . Strahlungsharte Ausführung
Im Gegensatz zu am Markt befindlichen kommerziellen Trennverstärkern verschiedener Hersteller ist der innerhalb des erfindungsgemäßen Ü bertrag ungssys- tems implementierte digitale Isolierverstärker auf erhöhte Zuverlässigkeit gegen ionisierende Strahlung optimiert. Die Strahlungsabhärtung beruht auf folgenden drei Grundprinzipien, die vorzugsweise kumulativ zum Einsatz kommen:
• Die Arbeitspunkte der strahlungsexponierten elektronischen Schaltungen werden für eine erhöhte Lebensdauer unter Strahlungsbelastung optimiert bzw. angepasst. Dazu kann unter anderem auf bewährte Konzepte und Normen aus der Zuverlässigkeitsanalyse oder -technik zurückgegriffen werden. Konkrete Bauteilparameter, die eine derartige Einflussnahme ermöglichen, sind beispielsweise die Betriebstemperatur der Schaltung, die Versorgungsspannung, die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, die Ausgangsstromstärke und das mechanische Spannungsprofil. Diese Art der Strahlungsabhärtung wird im Englischen auch als„hardening by circuit design" bezeichnet.
• Durch geeignete (Fern-) Steuerung des Betriebszustandes kann der schädigende Einfluss von durch Strahlung bewirkter oder notwendig gemachter Verschiebung von Arbeitspunkten auf Transistorebene minimiert werden. Dabei werden auf physikalischen Effekten beruhende Kompensationseffekte auf Systemebene aktiviert. Konkrete Maßnahmen in diesem Zusammenhang umfassen beispielsweise das An- und Ausschalten der Spannungsversorgung, das Erhöhen oder Absenken der Betriebsspannung, das Umkehren / Umpolen der Betriebsspannung und/oder das Erhöhen oder Absenken der Betriebstemperatur. Diese Art der Strahlungsabhärtung wird im Englischen auch als„hardening by System design" bezeichnet.
• Eine Strahlungsabhärtung kann auch durch die Auswahl einer geeigneten Fertigungstechnologie erfolgen. Halbleiter mit vergleichsweise breiten Bandlücken wie z.B. SiGe, GaAs, InPh, SiC sind infolge der hohen Aktivierungsenergien, die für die Zerstörung ihrer atomaren Gitter notwendig sind, inhärent strahlungsresistent. Ähnliches gilt für Halbleiterfertigungsprozesse mit Strukturgrößen im Bereich von 60 bis 150 nm. Diese Art der Strahlungsabhärtung wird im Englischen auch als„hardening by technology" bezeichnet. 2. Umschaltbarer Messeingang
Durch einen auf die Systemplatine des Modulators aufsteckbaren Normierverstär- ker ist im Unterschied zu bekannten Trennverstärkern, die nur eine begrenzte Anzahl an umschaltbaren Eingangssignalen besitzen, eine weitaus größere Anzahl an analogen Schnittstellen möglich. Neben den typischen single-endet Span- nungs- und Stromeingängen ist es hierdurch möglich, sowohl Single- als auch dif- ferential-endet Eingänge für Ladung, Widerstand, Frequenz, usw... zu realisieren. Ebenso ist es möglich, Eingangsbereiche außerhalb der typischen Schnittstellenwerte zu verwenden.
3. Räumliche Trennung zwischen Modulator und Demodulator
Marktbefindliche Trennverstärker sind zumeist auf Platzersparnis optimiert. Modulator und Demodulator für die galvanisch isolierende Übertragungsstrecke befinden sich in einem Gehäuse. Durch die räumliche Trennung der Modulator- und Demodulatorseite bei dem erfindungsgemäßen System ist es möglich, ein analoges Signal in einer Umgebung mit hohen elektromagnetischen Störungen mit Hilfe von analogen Bauteilen zu wandeln und dieses in höchst störsicherer Form amplitudendigital und analog zeitcodiert (Pulsweitenmodulation, kurz PWM) über große Strecken von beispielsweise bis zu mehreren hundert Metern Länge zu übertragen.
4. Direkte A/D-Umsetzung möglich
Durch den amplitudendigitalen (d. h. es sind nur zwei logische Zustände der Amplitude möglich) Ausgang am Modulator ist es möglich, mittels präziser Zeitmessung (z. B. Zählverfahren) der Pulsdauer des PWM-Signals in Relation zur Periodendauer der Sägezahnschwingung den Wert der Amplitude des normierten Messwertes (K) direkt in eine digitale Form zu überführen. Bei den üblichen Trennverstärkern ist es notwendig, die analogen Ausgangssignale erneut mittels Analog/Digital-Wandlern (ADC) zu digitalisieren. Durch die direkte A/D- Um Setzung entsteht ein gegen die Einwirkung ionisierender Strahlung optimierter Wandler.
5. Synchrone Abtastung mehrerer Trennverstärker
Durch die synchrone Triggerung mehrerer Modulatorstufen ist es möglich, Bauteiltoleranzen, die sich auf die Zeitbasis auswirken, zu eliminieren. Bei der direkten Umsetzung in digitale Daten (siehe Punkt 4) ist es hierdurch möglich, mittels Triangulation Ortungsfunktionen zu realisieren. Bei üblichen Analog/Digital-Wandlern ist eine synchrone Abtastung in der Regel nur über Umwege möglich.
6. Signalmultiplexing möglich
Durch die amplitudendigitale Übertragung zwischen Modulator und Demodulator über eine große Distanz ist es mit einfacher Schaltungstechnik möglich, mehrere Kanäle über eine einzige Verbindungsleitung zu übertragen (z. B. via Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Zeitmultiplexverfahren). Dies ist grundsätzlich ebenso bei analogen Signalen möglich, wobei es hier jedoch zu größeren Einbußen bei der Performance und Bandbreite kommt. Die hierfür notwendige analoge Schaltungstechnik ist nicht nur komplexer und kosten intensiver, sondern auch fehleranfälliger. Das Aufmodulieren auf bestehende Leitungen (z. B. vorhandene Stromleitungen, AC oder DC) ist mit den amplitudendigitalen Signalen des erfindungsgemäßen digitalen Trennverstärkers sehr leicht und mit einer größeren Bandbreite möglich als mit analogen Signalen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen in stark vereinfachter und schematisierter Form:
FIG. 1 ein Übertragungssystem für ein Kernkraftwerk, bei dem mit Hilfe eines digitalen Isolierverstärkers eine störsichere und breitbandige Übertragung von Messsignalen über eine große Distanz erfolgt, FIG. 2 eine diagrammatische Darstellung des Pegelverhaltens über die Zeit von verschiedenen Signalen, die in dem Isolierverstärker gemäß FIG. 1 auftreten bzw. verarbeitet werden, und
FIG. 3 eine Abwandlung des Übertragungssystems gemäß FIG. 1 .
Gleiche oder gleichwirkende Komponenten oder Signale sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
FIG. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kernkraftwerk 2, bei dem eine Containmenthülle 4 aus Stahl und/oder Beton einen Raumbereich umschließt, in dem es bei Störfallen zu einer intensiven Freisetzung von ionisierender Strahlung kommen kann. Für eine Überwachung relevanter Betriebs- und Zustandsparameter innerhalb des Containments 6 ist darin mindestens ein storfallfester Sensor 8 installiert, der über ein zwischengeschaltetes Übertragungssystem Messdaten an ein externes Auswertungssystem 10 übermittelt.
Der Sensor 8 erfasst eine physikalische Größe (z. B. Druck, Temperatur, Strahlung etc.), die als ein elektrisches Signal in Form eines analogen Messwertes K bereitgestellt wird.
Die sensorische Erfassung und Aufbereitung der zu übertragenden Messwerte erfolgt also innerhalb des Containments 6 in einem hier durch einen rechteckigen Kasten angedeuteten Messwertaufnahme- und Sendemodul, welches sich auf einem elektrischen Potential 1 befindet.
In einem Sägezahngenerator 14 wird mit einer über eine Konstantstromquelle geladenen Kapazität eine zeitlich linear ansteigende Spannung erzeugt, welche nach einer Periodendauer T sprunghaft auf 0V zurückgesetzt wird. Der Verlauf dieser Sägezahnschwingung B als Funktion der Zeit ist neben anderen Signalpegeln, die weiter unten beschrieben werden, in FIG. 2 diagrammatisch dargestellt. Diese periodisch verlaufende, abschnittweise ansteigende Sägezahnspannung wird mit einer Momentanmessgröße, welche zuvor auf ein Spannungssignal konvertiert und auf den maximalen Endwert der erzeugten Sägezahnspannung nach Erreichen von T normiert wurde, analog mit hoher Genauigkeit durch einen Kom- parator 16 verglichen.
Die Normierung des analogen Messwertes K wird mittels eines Normierverstärkers 18 realisiert, welcher auch eine Umsetzung von der Ausgangsgröße des für den Sensor 8 notwendigen Messverstärkers 20 (Spannung, Strom, Ladung, Frequenz, Widerstandswert; single-endet oder differenziell) auf die für den Komparator 16 notwendige elektrische Größe vornimmt.
Die für die Messwertnormierung notwendige Schaltung wird vorzugsweise als (aus-) wechselbare und arretierbare, insbesondere aufsteckbare Baugruppe mit fest definierter Größe und Anschlussbelegung ausgeführt, um eine große Flexibilität an Eingangssignalen abdecken zu können.
Durch eine Sample&Hold-Schaltung 22 wird der zu Beginn des Messzyklus anstehende normierte analoge Messwert A für die Messdauer T analog zwischengespeichert (gespeicherter Momentanwert C), um Fehler durch sich schnell ändernde Signale zu minimieren. Die Sample&Hold-Schaltung 22 wird durch einen Impulsgeber 24 getriggert, der auch den Sägezahngenerator 14 triggert. Der Impulsgeber 24 wird seinerseits durch einen externen Taktgenerator 40 ausgelöst / synchronisiert (siehe unten).
Sobald der Pegel der erzeugten Sägezahnschwingung B nach der Zeit t-ι (Komparationszeitpunkt E) den Pegel der anliegenden, normierten und zwischengespeicherten Vergleichsspannung C erreicht oder gerade (minimal) übersteigt, ändert der Ausgang des Komparators 16 den Ausgangspegel von einem logischen Pegel zum antivalenten logischen Pegel.
Auf diese Weise wird ein binäres Ausgangssignal D erzeugt, das als pulsweiten- moduliertes Signal (PWM-Signal) vorliegt. Die für die Modulation zuständigen Komponenten Sample&Hold-Schaltung 22, Sägezahngenerator 14 und zugehöriger Impulsgeber 24 sowie der analoge Komparator 16 werden in ihrer Gesamtheit auch als Modulator 26 bezeichnet und sind Teil eines Sendemoduls der Übertragungsschaltung.
Das amplitudenbinäre Ausgangssignal D am Komparatorausgang wird mittels einer galvanischen Trennung 28 über eine geeignete Kopplung (z. B. optische, kapazitive oder transformatorische Signalübertrager) hochisolierend vom Potential der Messgröße getrennt. Die galvanische Trennung 28 ist vorzugsweise bis zu mehreren kV dauerfest, abhängig von der konkreten Ausführung der Signaltrennung und der sicheren Trennung der Versorgungsspannung, ausgelegt.
Dieses galvanisch getrennte PWM-Signal J wird in geeigneter Form - z.B. als dif- ferenziell ausgeführtes Spannungssignal, über eine Stromschleife, frequenzmoduliert (FM), amplitudenmoduliert (AM), via Phasenmodulation (PSK) - störsicher über eine vergleichsweise große Übertragungsstrecke von bis zu mehreren hundert Metern Länge zu einer außerhalb des Containments 6 im Bereich geringer ionisierender Strahlung in einem Empfangs- und Auswertungsmodul mit dem elektrischen Potential 3 angeordneten Decoderlogik übertragen. Die Signalübertragungsleitung 34 verläuft dazu in geeigneter Weise durch eine Durchführung 36 in der Containmenthülle 4. Zur Maximierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und zur Minimierung elektromagnetischer Interferenzen ist eine Übertragung in Form eines Paares von differenziellen Signalen bevorzugt.
Für eine möglichst verlustfreie und unverfälschte Übertragung ist es notwendig, die Ausgangsimpedanz des modulatorseitigen Sendeverstärkers auf den Wellenwiderstand der verwendeten Signalübertragungsleitung 34 sowie die Eingangsimpedanz der Decoderlogik abzustimmen.
Wie bereits erwähnt, kann das PWM-Signal D nach erfolgter galvanischer Trennung als Spannungssignal, als Stromstärkesignal oder als optisches Signal übertragen werden. In den beiden zuerst genannten Fällen kann die jeweilige Signalübertragungsleitung 34 beispielsweise mit Hilfe von Kupferkabeln verwirklicht sein. Optische Signale hingegen werden bevorzugt mit Hilfe von Polymerfaserkabeln oder Glasfaserkabeln übertragen, wobei Fasern aus Quarzglas in der Regel eine größere Strahlenresistenz aufweisen und deshalb bei der hier vorgestellten Anwendung bevorzugt sind. Abhängig vom gewählten Typ der Signalübertragung ist es unter Umständen notwendig, den jeweiligen Modulator 26 zu modifizieren oder schaltungsmäßig um die für einen Medienkonverter erforderlichen Funktionen zu ergänzen. Medienkonverter sind im Netzwerkbereich eingesetzte Geräte, die Netzwerksegmente unterschiedlicher Medien (z.B. Kupfer, Lichtwellenleiter) miteinander verbinden und damit die übertragenen Daten physikalisch von einem Medium auf das andere umsetzen. Bei der Verwendung eines Multiplexers 47 (siehe unten) kann der Medienkonverter auch in selbigen integriert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung findet eine optische Signalübertragung statt, wobei der dazu erforderliche Med ienkonverter vorzugsweise mit Hilfe von Laserdioden auf der Senderseite implementiert wird. Laserdioden sind als betriebsbewährt anzusehen und besitzen eine vergleichsweise hohe Strahlenresistenz. Seit ein paar Jahren existieren auch geeignete faseroptische Übertragungskabel, die sich zum Einsatz in Umgebungen mit hoher Strahlenbelastung (Gamma- und Neutronenstrahlung) eignen. Aufgrund der gepulsten Übertagung kann selbst ein hoher strahlungsbedingter Schädigungsgrad der Laserdioden mit entsprechend verminderter Lichtausbeute bzw. Leuchtkraft verkraftet werden, so dass sich die effektiv nutzbare Lebensdauer des Signalübertragungssystems gegenüber anderen Technologien deutlich erhöht. Ein weiterer Vorteil der optischen Signalübertragung liegt im hohen Grad der galvanischen Trennung und in der Unempfindlich- keit gegenüber elektromagnetischer Störbeeinflussung (engl, electromagnetic in- terference, EMI). Optische Übertragungskabel verhindern auch Potentialverschleppungen unterschiedlicher Erdungspunkte innerhalb der Kraftwerksanlage.
Innerhalb der Decoderlogik wird der im Zeitverhalten codierte und normierte Amplitudenwert wiederhergestellt, sowie eine Rücknormierung auf einen dem ursprünglichen physikalischen Messwert proportionalen Ausgangswert für eine weitere Auswertung vorgenommen und gegebenenfalls gefiltert. Die hierfür zuständi- gen Komponenten werden zusammenfassend auch als Demodulator 38 bezeichnet.
Die Decodierung kann analog erfolgen und den rekonstruierten analogen Messwert an ein Auswertungssystem 10 ausgeben.
Eine weitere Möglichkeit der Rekonstruktion besteht in der direkten, hochauflösenden Zeitmessung der Pulsdauer des PWM-Signals J durch einen digitalen Baustein (z. B. CPLD; FPGA; DSP; ASIC; digitale Messkarte; ...), welche in direktem Zusammenhang mit der konstanten Periodendauer T der Sägezahnschwingung B eine Proportionalität zum normierten Messwert A darstellt und ebenfalls rücknormiert und gefiltert werden kann.
Wird diese Digitalwertbildung noch innerhalb des Containments 6, vorzugsweise in einem Bereich mit relativ geringer ionisierender Strahlung, durchgeführt, kann mittels eines Digitalbus und Multiplexverfahrens eine große Anzahl an Signalen über wenige Durchführungen an ein externes Auswertungssystem übergeben werden.
Die für eine verlustfreie Rekonstruktion von sinusförmigen Signalen notwendige Abtastfrequenz nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem liegt bei mehr als der doppelten der maximal auftretenden Frequenz der Messgröße. Durch eine weitere Erhöhung der Abtastfrequenz (Überabtastung, engl. Oversampling) ist es möglich, bei einer nachträglichen analogen oder digitalen Filterung auftretende Störsignale oberhalb der Zielabtastfrequenz zu minimieren (analog) oder zu entfernen (digital). Daher sollte die Frequenz (Kehrwert der Periodendauer T) der Sägezahnschwingung B oberhalb des vierfachen (bevorzugt in Zweierpotenzen) der analogen Grenzfrequenz des Normierverstärkers liegen.
Eine zeitlich synchrone Umsetzung mehrerer unterschiedlicher Messwerte von verschiedenen Messstellen, wie sie für Ortungsfunktionen nach dem Triangulationsprinzip notwendig ist, kann über einen isoliert zugeführten synchronen Triggerimpuls aus einem gemeinsamen Taktgenerator 40 für den Beginn einer Säge- zahnschwingung an eine beliebige Anzahl (in Abhängigkeit der Treiberstufe und Impulsverformung) von Umsetzungsschaltungen realisiert werden. Die Verteilung des gemeinsamen Taktsignals an die einzelnen Baugruppen erfolgt dabei bevorzugt über ein sogenanntes Clock-Distribution Network, welches in einer Baumstruktur ausgefertigt ist (Clock-Tree).
In FIG. 1 ist exemplarisch der Fall zweier funktionell ähnlich aufgebauter Messwertaufnahme- und Sendemodule veranschaulicht, von denen sich das eine in Bezug auf die von ihm zu messende physikalische Größe auf einem ersten elektrischen Potential befindet und das andere auf einem im Allgemeinen davon verschiedenen zweiten elektrischen Potential. Jedes der beiden Module überträgt über eine ihm zugeordnete, galvanisch vom Messeingang und von der Versorgungsspannung getrennte eigene Übertragungsstrecke (Übertragungsleitung 34) ein PWM-codiertes Messsignal an eine ihm zugeordnete eigene Decoderlogik, in der jeweils über die Signalamplitudenwiederherstellung hinaus eine Rücknormie- rung und Filterung erfolgt. Die Decoderschaltungen sind ausgangsseitig mit dem Eingang eines gemeinsamen Auswertungssystems 10 verbunden. Eine Verallgemeinerung auf n = 3, 4, ... Messsignale ist selbstverständlich möglich. Die gleichartigen Subsysteme und ihre jeweiligen Komponenten sind hier durch Striche an den Bezugszeichen, etwa 8, 8', 8" voneinander unterschieden.
Anstelle von separaten Übertragungsstrecken kann wie oben beschrieben über einen zwischengeschalteten Multiplexer 47 auf der Eingangsseite der Übertragungsstrecke und ggf. einen Demultiplexer 48 (der alternativ auch in das Auswertungssystem 10 integriert sein kann) auf der Ausgangsseite eine Mehrfachnutzung einer einzelnen Signalübertragungsleitung 49 gemäß dem Prinzip der seriellen Schnittstelle vorgesehen sein. Ein derart abgewandeltes System ist schematisch in FIG. 3 dargestellt.
Ein außerhalb des Containments 6 angeordneter gemeinsamer Taktgenerator 40 übernimmt über eine sich baumförmig in einzelne Stränge verzweigende (ggf. über geeignete elektronische Signalverteiler mit geringer Phasenlagenabweichung [Jitter], auch kaskadiert) Taktleitung 42 die simultane Ansteuerung der Impulsge- ber 24 der einzelnen Messwertaufnahme- und Sendemodule. Die Anbindung der Taktleitung(en) 42 an diese Module erfolgt in ähnlicher Weise wie bei der Mess- signalauskopplung galvanisch getrennt über entsprechende optische, kapazitive oder transformatorische (induktive) Signalübertrager (galvanische Trennung 46, siehe auch FIG. 1 ).
Die besonderen Anforderungen an die Halbleiterbauteile in Bezug auf ein Umfeld mit ionisierender Strahlung bedingen eine dezidierte Auswahl an Fertigungstechnologien - beispielsweise auf Basis von Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbit (SiC) - welche sich für einen zuverlässigen Betrieb unter derartigen Bedingungen eignen. Dies gilt insbesondere für alle Komponenten, welche sich innerhalb des Containments 6 in Bereichen mit einer im Normalbetrieb, aber auch im Störfall, erhöhten Belastung durch ionisierende Strahlung befinden.
Bezugszeichenliste
2 Kernkraftwerk
4 Containmenthülle
6 Containment
8 Sensor
10 Auswertungssystem
14 Sägezahngenerator
16 Komparator
18 Normierverstärker
20 Messverstärker
22 Sample&Hold-Schaltung
24 Impulsgeber
26 Modulator
28 galvanische Trennung
34 Signalübertragungsleitung
36 Durchführung
38 Demodulator
40 gemeinsamer Taktgenerator
42 Taktleitung
46 galvanische Trennung
47 Multiplexer
48 Demultiplexer
49 gemeinsame Signalübertragungsleitung
A analoger Messwert (normiert)
B Sägezahnschwingung
C analog gespeicherter Momentanwert von A
D digitales PWM-Ausgangssignal
E Komparationszeitpunkt
F Rücklauf der Sägezahnschwingung
G Periodendauer der Sägezahnschwingung
H Pulsdauer des PWM-Signals
I Pausendauer des PWM-Signals
J galvanisch getrenntes PWM-Signal
K analoger Messwert (unnormiert)

Claims

Ansprüche
1 . Signalübertragungssystem für eine technische Anlage mit einem strahlungsexponierten Bereich, insbesondere für ein Kernkraftwerk (2) mit einem Containment (6), wobei
• innerhalb des strahlungsexponierten Bereiches ein Modulator (26) zur Wandlung eines analogen Messwertes (K), der von einem zugehörigen Sensor (8) bereitgestellt wird, in ein PWM-Signal (D) angeordnet ist,
• außerhalb des strahlungsexponierten Bereiches ein Demodulator (38) zur Rekonstruktion des Messwertes (K) aus dem PWM-Signal (D) angeordnet ist,
• der Modulator (26) in strahlungsgehärteter, vorzugsweise analoger
Schaltungstechnik verwirklicht ist und eine anpassbare Messwertnormierung (18), einen Sägezahngenerator (14) und einen Komparator (16) umfasst, und
• der Demodulator (38) über eine galvanisch vom Ausgang des Komparators (16) getrennte Signalübertragungsleitung (34) mit dem Modulator (26) verbunden ist.
2. Ü bertrag ungssystem nach Anspruch 1 , wobei der Signalübertragungsleitung (34) ein auf präziser Zeitmessung der Impulsdauer in Relation zur Periodendauer, insbesondere durch Zählverfahren, beruhender Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung des analog zeitkodierten PWM-Signals in einen digitalen Wert vorgeschaltet ist.
3. Übertrag ungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2 mit einer Mehrzahl von in der beschriebenen Art aufgebauten und zusammenwirkenden Modulatoren (26, 26') und Demodulatoren (38, 38'), wobei ein gemeinsamer Taktgenerator (40) zur simultanen Triggerung der Modulatoren (26, 26') vorhanden ist.
4. Ü bertrag ungssystem nach Anspruch 3, wobei ein Multiplexer (47) zur Übertragung mehrerer der galvanisch getrennten PWM-Signale (J) über eine gemeinsame Signalübertragungsleitung (49) vorhanden ist.
5. Übertrag ungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer optischen Signalübertragung, wobei die Signalübertragungsleitung (34) als Lichtwellenleiter, vorzugsweise mit Fasern aus Quarzglas, ausgebildet ist.
6. Übertrag ungssystem nach Anspruch 5 mit einem eine Anzahl von Laserdioden aufweisenden Medienkonverter.
7. Verfahren zur Übermittlung eines Messwerts (K) aus einem strahlungsexponierten Bereich einer technischen Anlage, insbesondere einem Containment (6) eines Kernkraftwerks (2), an ein externes Auswertungssystem (10), bei dem
• innerhalb des strahlungsexponierten Bereiches eine von einem Sensor (8) erfasste physikalische Größe, welche in einen analogen elektrischen Messwert (K) umgesetzt wird, in einem Modulator (26) mit analoger Schaltungstechnik durch Vergleich mit einer Sägezahnschwingung (B) in ein PWM-Signal (D) umgewandelt wird, wobei
• das PWM-Signal (D) nach galvanischer Entkopplung vom Messeingang des Modulators (26) über eine Signalübertragungsleitung (34) aus dem strahlungsexponierten Bereich heraus zu einem außerhalb angeordneten Demodulator (38) übertragen wird, und
• in dem Demodulator (38) aus dem empfangenen PWM-Signal (J) der Messwert (K) rekonstruiert und dem Auswertungssystem (10) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Mehrzahl von PWM-Signalen (J) in einem Multiplexverfahren, insbesondere einem Zeitmultiplexverfahren, über eine gemeinsame Signalübertragungsleitung (49) übertragen werden.
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