一种水位传感器调理电路及核电厂蒸气发生器调理系统 |
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申请号 | CN202311588480.3 | 申请日 | 2023-11-23 | 公开(公告)号 | CN117848460A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
申请人 | 中国核动力研究设计院; | 发明人 | 曾志川; 王舜; 马可; 许标; 赵阳; 曾少立; 郭兴坤; 邓锐; 刘佳; 龚潇; 王晏萍; 杨宇; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种 水 位 传感器 调理 电路 及核电厂蒸气发生器调理系统,涉及工业控制技术领域,其技术方案要点是:包括方波发生电路和 电压 限幅 电路;方波发生电路,用于通过正反馈与电容积分作用产生占空比恒定的方波 信号 ;电压限幅电路,用于将方波信号的正负幅度误差到设定电压值;其中,方波信号的方波电压大于设定电压值。本发明能产生水位 电极 传感器所需 频率 和幅值的双极性方波电源,通过高 精度 方波发生电路使水位传感器有高精度水位检测,使用双极性电源降低水位传感器的电极 氧 化,实现了水位检测调理过程的准确性及可靠性。 | ||||||
权利要求 | 1.一种水位传感器调理电路,其特征是,包括: |
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说明书全文 | 一种水位传感器调理电路及核电厂蒸气发生器调理系统技术领域[0001] 本发明涉及工业控制技术领域,更具体地说,它涉及一种水位传感器调理电路及核电厂蒸气发生器调理系统。 背景技术[0002] 在工业控制领域、核电厂数字化仪控系统中常使用的水位传感器电源为直流电源和交流双极性电源,为使水位传感器正常工作且准确反映水位情况,需要为传感器提供幅 值准确的双极性方波电源,通过电路调理后进行数模转换后采集。在核电厂现场工作和复 杂环境的工业领域中,方波幅度的准确性将反映出传感器对水位变化的准确识别,识别的 准确性将直接影响对传感器故障判断,电源的不准确可能导致系统对水位错误的判断从而 造成系统错误动作,出现系统误报误动。 [0003] 工业控制领域、核电厂数字化仪控系统中设备维护需要整体停机,维护成本极高,在核电厂数字化仪控系统中部分传感器在单极性电源将发生电极氧化,降低传感器使用寿 命及影响传感器参数性能,造成系统损坏或出现紧急情况,降低了系统的可用性,将造成巨 大的损失或其它严重后果。 [0004] 现有水位传感器调理系统电源及调理主要有以下几种:1.如公开号为CN103699928A的中国专利申请,采用MOS管方式,该方法主要是整流电路将天线端的全部电 荷整流为直流电源供负载电路使用,实现了限幅电压的连续调整功能,但无法实现电压准 确控制到固定值,限制了输出电压的幅度,无法控制电压的稳定性及准确性,不同电路之间 存在较大幅度差异,无法实现上述的电源要求。2.如公开号为CN216871101U的中国专利,使 用恒流源控制输出及电流镜实现电压可调输出,使用双极性电源产生频率需其他辅助电 路,电路使用元器件成本较高,不利于成本控制,无法满足设计要求。3.如公开号为 CN201410518335A的中国专利申请,使用三极管和继电器检测水位,将水位探头输入至三级 管,三极管与继电器配合形成不同状态控制;但该电路无法准确识别出水位,且单电源供 电,水位传感器容易氧化,不适用于高精度、高可靠性电路。此外,传统逆变电路还存在电压死区、需要开关控制芯片等问题。 发明内容[0006] 为解决现有技术中的不足,本发明的目的是提供一种水位传感器调理电路及核电厂蒸气发生器调理系统,通过高精度方波发生电路使水位传感器有高精度水位检测,使用 双极性电源降低水位传感器的电极氧化,实现了水位检测调理过程的准确性及可靠性。 [0007] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的: [0008] 第一方面,提供了一种水位传感器调理电路,包括: [0010] 电压限幅电路,用于将方波信号的正负幅度误差到设定电压值; [0011] 其中,方波信号的方波电压大于设定电压值。 [0014] 所述电阻R2的一端与运算放大器U1的同相输入端连接,另一端与运算放大器U1的输出端连接; [0015] 所述电阻R3的一端与运算放大器U1的同相输入端连接,另一端接地; [0017] 所述电容C1的一端与运算放大器U1的反相输入端连接,另一端接地。 [0018] 进一步的,所述电压限幅电路采用运算放大器和单向导通管实现输出电平限制在设定电压值。 [0019] 进一步的,所述单向导通管采用二级管、稳压管、MOS管和三极管中的任意一种实现反馈。 [0020] 进一步的,所述电压限幅电路分为正电压限幅单元和负电压限幅单元; [0022] 所述运算放大器U2的同相输入端连接负电压基准‑REF,反相输入端通过电阻R5连接方波发生电路的输出端,输出端连接二极管D1的正极;二极管D1的负极通过电阻R7连接 方波发生电路的输出端以及电压限幅电路的输出端; [0023] 所述正电压限幅单元包括运算放大器U3、二极管D2、电阻R6和电阻R8; [0024] 所述运算放大器U3的同相输入端连接正电压基准+REF,反相输入端通过电阻R6连接方波发生电路的输出端,输出端连接二极管D2的负极;二极管D2的正极通过电阻R8连接 方波发生电路的输出端以及电压限幅电路的输出端。 [0025] 进一步的,所述方波发生电路的输出端与电压限幅电路的输入端之间通过限流电阻R4连接。 [0026] 进一步的,所述电压限幅电路的幅度误差计算公式具体为: [0027] ΔV=IR+Vmax+ΔUref [0028] 其中,ΔV表示电压限幅电路的幅度误差;I表示运算放大器的最大漏电流;R表示反馈回路电阻的阻值;Vmax表示运算放大器的失调电压;ΔUref表示基准电压的幅度误差。 [0029] 第二方面,提供了一种核电厂蒸气发生器调理系统,包括水位传感器、方波转换电路、数模转换电路、安全级控制系统和如第一方面所述的一种水位传感器调理电路。 [0031] 所述方波转换电路中的采样电阻一端连接水位传感器的一极,另一端连接水位传感器调理电路的输出端;水位传感器的另一极接地; [0032] 所述方波转换电路的输出端与数模转换电路的输入端连接; [0033] 所述数模转换电路的输出端与安全级控制系统的输入端连接; [0034] 其中,方波转换电路将经过采样电阻的方波信号转换为直流信号。 [0035] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果: [0036] 1、本发明提供的一种水位传感器调理电路,能产生水位电极传感器所需频率和幅值的双极性方波电源,通过高精度方波发生电路使水位传感器有高精度水位检测,使用双 极性电源降低水位传感器的电极氧化,实现了水位检测调理过程的准确性及可靠性; [0037] 2、本发明以运算放大器及二极管进行电压调节与反馈,使输出电压稳定在一个精确值,电路简单可靠,无需其余控制芯片,输出频率稳定,可输出精确幅值的传感器驱动限 幅交流电源,用于水位传感器精确水位获取,有较高的工程应用价值。 附图说明 [0038] 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: [0039] 图1是本发明实施例1中双极性电源的电路原理示意图; [0040] 图2是本发明实施例1中实例参数的示意图; [0041] 图3是本发明实施例2中调理系统的原理图。 具体实施方式[0042] 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。 [0043] 需说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。 [0044] 需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。 [0045] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。 [0046] 实施例1:一种水位传感器调理电路,如图1所示,包括方波发生电路和电压限幅电路。方波发生电路通过正反馈与电容积分作用产生占空比恒定的方波信号;电压限幅电路 将方波信号的正负幅度误差到设定电压值;其中,方波信号的方波电压大于设定电压值。 [0047] 方波发生电路采用运算放大器、施密特触发器、555定时器和信号发生器中的任意一种产生方波信号。 [0048] 如图1所示,方波发生电路由运算放大器与外围器件构成,该电路将产生大于需要输出电压的方波信号,通过限流电阻和电压限幅电路,输出频率和幅值稳定的方波电路。 [0049] 具体的,方波发生电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1;电阻R2的一端与运算放大器U1的同相输入端连接,另一端与运算放大器U1的输出端连接;电阻R3的一端与运算放大器U1的同相输入端连接,另一端接地;电阻R1的一端与运算放大器U1 的反相输入端连接,另一端与运算放大器U1的输出端连接;电容C1的一端与运算放大器U1 的反相输入端连接,另一端接地。 [0051] 如图1所示,电压限幅电路分为正电压限幅单元和负电压限幅单元。 [0052] 负电压限幅单元包括运算放大器U2、二极管D1、电阻R5和电阻R7。运算放大器U2的同相输入端连接负电压基准‑REF,反相输入端通过电阻R5连接方波发生电路的输出端,输 出端连接二极管D1的正极;二极管D1的负极通过电阻R7连接方波发生电路的输出端以及电 压限幅电路的输出端OUT+。 [0053] 正电压限幅单元包括运算放大器U3、二极管D2、电阻R6和电阻R8。运算放大器U3的同相输入端连接正电压基准+REF,反相输入端通过电阻R6连接方波发生电路的输出端,输 出端连接二极管D2的负极;二极管D2的正极通过电阻R8连接方波发生电路的输出端以及电 压限幅电路的输出端OUT+。 [0054] 此外,方波发生电路的输出端与电压限幅电路的输入端之间通过限流电阻R4连接。 [0056] 具体的,电压限幅电路的幅度误差计算公式具为: [0057] ΔV=IR+Vmax+ΔUref (1) [0058] 其中,ΔV表示电压限幅电路的幅度误差;I表示运算放大器的最大漏电流;R表示反馈回路电阻的阻值;Vmax表示运算放大器的失调电压;ΔUref表示基准电压的幅度误差。 [0059] 如图2所示,以图2中所记载的电路参数为例进行说明。 [0060] 运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1组成一个50Hz方波生成电路,产生±15V方波信号,通过R4电阻限流后进入U2及D1、R7组成的负电压限幅电单元限幅为‑ 10V,及U3、R8、D2组成的正电压限幅单元限幅为+10V,当方波电压大于正限幅电压时,正电压限幅单元开始工作,将输出电压输出限制到+10V;当方波电压小于负限幅电压,负电压限 幅电路开始工作,将输出电压输出限制到‑10V,从而实现频率为50Hz,幅值10V的双极性方 波电源输出。 [0061] 具体的,电源均为±15V,电阻R2、电阻R3输入运算放大器U1的同相输入端,形成电压正反馈,形构成一个斯密特触发器,触发器输出简化为Uh高电平输出,Ul为低电平输出。本实施例中未添加偏置电压,则U1的3脚输出电压为Upout,通过电阻R2和R3分压Uref: [0062] [0063] 将Uref与U1的2脚电压URC进行比较,然后通过R1和C1进行充放电,在输出高电平时电压为Uh,低电平时电压为Ul。充电时满足: [0064] [0065] 充电到Uh后电压超过1脚电压,运算放大器U1将反向放大输出,由于R2、R3正反馈会迅速将电压输出至最高,上升速度与运算放大器转换速度一致。此时电容C1将通过R1与 运算放大器输出进行放电,满足: [0066] [0067] 在本实施例中有: [0068] Uh=Ul (5) [0069] 由公式(4)、(5)可得出该电路充电时间与放电时间相等,通过运算放大器U1生成正负电压时间相等的双极性方波,输出高电平幅值为正电源电压幅值UVCC,低电平幅值为 UVEE。 [0070] 方波通过限流电阻R4后,通过电压限幅电路进行限幅,电压限幅电路由正电压限幅和负电压限幅组成。 [0071] 如图2所示,正电压限幅由运算放大器U3及周围电路组成,参考电压UREF为运算放大器U3的1脚输入,参考电压小于需要限幅电压的电压值,由公式(2)、(3)、(4)、(5)可以得出输入为方波信号。当输入为正时,运算放大器U3的2脚Uin电压进入正半周时,初始电压为 UVCC,此时运算放大器U3的输出电压U+out电压随时t变化,满足: [0072] [0073] 由公式(5)可以得出,当: [0074] U+out=Uref (7)。 [0075] 该电路达到稳定平衡状态,此时输出电压为稳定的Uh,此时方波发生电路输出的电压由R4分压,满足: [0076] Uh=U+out+UR4 (8) [0077] 在输出电压为负U+out时,输出电压为正向放大,输出端有防反二极管D2,因此本部分电路不起作用,由负电压限幅电路进行限制,该电路计算方式与正电压限幅相似,可以得 出电路能将电压限制到负基准电压Ul。 [0078] 实施例2:一种核电厂蒸气发生器调理系统,如图3所示,包括水位传感器、方波转换电路、数模转换电路、安全级控制系统和实施例1中所记载的一种水位传感器调理电路。 [0079] 水位传感器置于核电厂二回路蒸汽发生器内;方波转换电路中的采样电阻一端连接水位传感器的一极,另一端连接水位传感器调理电路的输出端;水位传感器的另一极接 地;方波转换电路的输出端与数模转换电路的输入端连接;数模转换电路的输出端与安全 级控制系统的输入端连接。 [0080] 方波转换电路将经过采样电阻的方波信号转换为直流信号,将水位传感器信号转换成识别等级为0kΩ‑50kΩ、50kΩ‑150kΩ及150kΩ以上阻值的信号准确识别,采集电路 采集水位传感器两端或串联分压信号进行处理后传输至后续设备及相应处理功能模块。直 流信号通过数模转换后送至安全级控制系统进行蒸汽发生器内水位控制。 [0081] 工作原理:本发明能产生水位电极传感器所需频率和幅值的双极性方波电源,通过高精度方波发生电路使水位传感器有高精度水位检测,使用双极性电源降低水位传感器 的电极氧化,实现了水位检测调理过程的准确性及可靠性;此外,本发明以运算放大器及二 极管进行电压调节与反馈,使输出电压稳定在一个精确值,电路简单可靠,无需其余控制芯 片,输出频率稳定,可输出精确幅值的传感器驱动限幅交流电源,用于水位传感器精确水位 获取,有较高的工程应用价值。 [0082] 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。 |