反应堆仪表现场校准方法研究

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【摘 要】在核反应堆的运行过程中，需要使用各种仪器仪表对反应堆运行状态进行探测及控制，以保证反应堆按照设计安全稳定的运行。因此，为保证反应堆运行安全，有必要保证这些仪器仪表参数测量与数据发送正确无误。在本文中，提出了对部分反应堆仪表的现场校准方法并将其应用于实践当中。结果表明，使用文中提出的现场校准方法和设备可以很好的在现场对被测设备进行校准和维修。

【关键词】反应堆仪表；现场校准；方法

【Abstract】In the operational process of a nuclear reactor， various instruments are used to monitor and control the reactor， which should be operated safety and stably. In order to ensure the safety of nuclear reactor， the accuracy of input and output of these instruments must be calibrated. In this article， a field calibration method is presented and applied to real instruments. As a result， the field calibration method and devices mentioned in this article can be used to calibrate and repair instruments at the spot.

【Key words】Nuclear instrument；Field calibration；Method

1 背景

在核反应堆的运行过程中，需要使用各类仪器仪表测量反应堆运行状态、计算控制参数并对反应堆进行控制。这些装置根据输入信号及预设的参数动作点执行相应的控制、保护动作，而输入、输出信号转换的准确度及参数动作点随着运行时间的增长以及元器件的物理特性等因素可能产生漂移，使其功能以及性能指标偏离设计要求，从而导致不能准确提供反应堆安全保护、功率调节、棒位调节、棒速调节、报警等功能，对核动力装置的安全运行造成隐患。这些仪器仪表中部分功能单一、接口简单的可以使用通用的仪表进行校准和维修。但是，如反应堆控制、保护及棒控棒位等设备功能复杂、接口众多，使用通用仪表难以进行快速、准确、全面的参数校准。因此，有必要设计专用校准设备并建立相应的校准规范，用于在实验室和现场条件下对这类设备进行校准。

2 校准方案的设计

2.1 对象的特性

在设计仪表的校准方案之前，首先要对校准对象进行了解，确认被校设备功能与结构、需校准参数等。以反应堆保护装置为例，该设备接收核测量参数信号、过程参数信号、主泵运行信号及来自操纵员的工况和各种切除信号等，经计算处理后输出各种保护执行信号，同时将各保护参数的警告/报警信号送给数据采集装置。该设备由多个机箱和处理插件组成。需校准参数见下表（表1）：

表 1 反应堆保护装置校准参数表（部分）

反应堆保护装置需校准以上参数的保护定值或警告定值。校准设备向被校设备发送模拟量信号，接收返回的保护/警告信号高低电平状态。定值点类型又分为两种：高跳和低跳。如下图示意（图1），对于高跳的参数，警告和保护定值就是定值上限；对于低跳的函数，警告和保护定值就是定值下限。

图 1 定值点示意图

定值点还设计有回环，即一旦参数越限，当数据开始恢复正常值时，必须越过定值一定宽度后才能认为是恢复正常值，输出再次翻转，这样可以避免输出的震荡，两次跳转的位置称为定值下限和定值上限。对于高跳的保护参数，警告和保护定值就是定值上限，对于低跳的保护参数，警告和保护定值就是定值下限。

其他设备需校准参数的类别与之类似，部分设备如反应堆功率控制装置等另有0～10V电压及4mA～20mA电流输出信号需校准。

综上，所有待测设备需校准参数可归纳为：

（1）0～10V电压信号输入；

（2）4mA～20mA电流信号输入；

（3）0～10V电压信号输出；

（4）4mA～20mA电流信号输出。

不同设备的待测信号类别、数量及测点区别较大。此外为了进行定值点测量等测试，部分设备还需提供数字量输入输出信号接口。

2.2 总体校准方案

综合考虑以上被校对象的特点和现场测试的需求，现场校准设备需满足以下要求：

（1）设备小型化：设备应便于携带，便于在被测设备所在房间使用；

（2）自动化要求：测量过程实现自动化，减轻操作人员负担，通过软件设计实现全自动测量功能；

（3）测量接口丰富：使用单个校准设备可对被测设备多个机箱和差距进行测试。

根据以上考虑，最终的校准设备方案为CPU板-接口驱动板结构。其中CPU板主要实现用户接口、打印驱动等较为复杂的功能；接口驱动板则用于提供各种测试接口，实现具体的测试功能。

2.3 主控制板设计

主控计算机板是系统的核心部分，也是系统实现的最重要设计问题，很大程度上决定了系统的功能实现以及系统稳定性、可靠性。

图 2 主控计算机板系统架构

上图（图2）是主控计算机板的内部架构图，该主控板是利用SOPC技术实现的高度灵活性的技术开发平台，采用FPGA实现包括CPU、网卡、显卡等硬件，通过嵌入式系统平台代码提供完善的软件支持，从而实现了高效率的开发。同时由于SOPC架构的高度灵活性以及成本的下降，使该系统同时也具备很高的低成本优势。

该主控计算机板系统同时还可以利用多余的FPGA资源实现自定义扩展接口，这些接口可以灵活的连接外部传感器、数据采集等系统，以很低的成本实现了灵活的接口扩展，改变了传统电路扩展设计成本高昂的问题。

2.4 接口驱动板的设计

接口驱动板是本系统的实际硬件测试电路板，为了实现便携式设计，同时为保障系统灵活性，接口驱动板的整体设计框架与主控板基本一致，也采用FPGA作为电路核心控制部分，去掉了不需要的显卡、网络等接口，并使用多余的FPGA管脚将用于实际硬件测试使用。

但是以保护装置现场校准装置为例，需要对统整机和24种插件进行测试，需要信号接口数量特别大，其模拟量需要多达100路以上，数字量IO接口更是达到了2000路信号。尽管FPGA具有更多的IO引脚，但完全无法直接满足测试用IO接口需求。因此，需要如图3根据测试对象的不同使用不同的接口驱动板。接口驱动板与CPU板卡间使用通讯电缆连接。

在接口驱动板中，则使用74AC164、74AC299、74HCT595及MAX II EPM570等芯片进一步扩展IO。这些芯片使用串口与FPGA通讯，大大的节省了IO引脚的数目（图3）。

图3 接口驱动板示意图

3 校准方案的实现

根据以上校准方案，可以针对各校准对象的特性设计相应的接口驱动板。模拟量设计是系统的关键核心，也是设计最为困难的部分，从IC选型、原理设计、PCB布板、焊接等各个环节，都需要进行良好的设计考虑，方能实现设计目标。在设计过程中，通过选用高精度AD/DA芯片、数模全隔离设计、高精度基准源及良好的PCB布板等方法实现了模拟量系统的准确和稳定。

在良好的硬件基础上，还需设计相应的控制软件。它根据用户的操作输入，进行相关的测试。控制软件架构见图4。

图4 应用软件结构框架

测试时，由软件控制接口匹配板设定待测设备输入端口的值；然后控制接口匹配板读出待测设备对应输出端口的值；根据待测设备的输出进行校准；最后将测试结果输出到用户界面供用户使用。此外，本软件还可生成相应的测试报表。

4 不确定度的分析

作为校准用仪器仪表，有必要对其不确定度进行分析。根据标准要求，需要基于A类不确定度和B类不确定度进行计算。

A类不确定度基于一系列测量结果的标准差进行计算：

s2（xk）=■■（xk-■）■

则A类不确定度为

uA（■）=s（■）=■

用于校验现场校验设备的AMC910高精度校验仪的B类标准不确定度评定记为。现场校验设备电压AD转换精度均为1mV，按均匀分布考虑，即半宽为0.5mV。则uB2=0.5mV/■。那么现场校准装置的B类不确定度为：

uB=■

现场校准装置的合成不确定度为：

uC=■

工程应用中取k=2，则扩展不确定度U=kuC。

测量结果的最终表达为：

■±U=■■xj±k■（k=2）

根据对现场校准设备性能测试数据结果的采集、分析和计算，现场校准设备最大不确度数值如下：

（1）电压的合成不确定度为0.097%

（2）电流的合成不确定度为0.020%

5 结论

现场校准设备对反应堆仪表的校准快速准确，有效的保证了被测仪表性能满足设计要求。同时，使用现场校准设备可以对故障仪表的维修提供必要的辅助。此外使用以上校准方案设计的现场校准设备小巧便携，可以很方便的带入被测设备所在房间使用，在实际使用中提供了很大便利，很好的满足现场工作人员的需求。