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氫氣濃度監測儀主要由探頭、二次儀表和電纜連接器組件這3部分組成。探頭包括了氫濃度傳感器和溫度傳感器,布置在安全殼內不同位置,如安全殼穹頂、穩壓器隔間、蒸汽發(fā)生器隔間等。二次儀表布置在安全殼外的電氣廠(chǎng)房,可同時(shí)連接3組探頭。探頭和二次儀表通過(guò)電纜連接器組件連接,兩者之間最大連接距離可達150 m。電纜通過(guò)電氣貫穿件貫穿安全殼結構。
測量原理
根據氫濃度傳感器測控方法研究結果,本文基于三電極體系氫濃度傳感器開(kāi)展氫氣濃度監測儀研制。氫濃度傳感器包括工作電極、參比電極和輔助電極。
工作電極、輔助電極、極化電源(power,P)和電流表(ammeter,A)構成極化回路,為電化學(xué)反應產(chǎn)生的自由電子和導電離子提供導電通路,形成與氫氣濃度分壓成比例的極化電流。工作電極、參比電極和電壓表(Voltmeter,V)構成測量控制回路,維持參比電極和工作電極電勢差恒定,實(shí)現對氫濃度傳感器的恒電位驅動(dòng)。參比電極具有已知且穩定的電極電位,在測量過(guò)程中不發(fā)生電極極化。因此測量控制回路幾乎沒(méi)有電流,不會(huì )對工作電極的極化狀態(tài)和參比電極的穩定性造成干擾。
氫氣濃度監測原理如圖1所示。
圖1氫氣濃度監測原理
被測氣體中的氫氣組分進(jìn)入氫濃度傳感器,隨即與工作電極發(fā)生電化學(xué)反應,形成的極化電流與氫氣濃度分壓呈比例關(guān)系。氫氣濃度監測儀通過(guò)檢測極化電流進(jìn)而計算出氫氣濃度分壓,并結合總壓力表征被測氣體中的氫氣濃度。
硬件設計
氫氣濃度監測儀硬件采用模塊化電路設計,主要包括信號調理電路、ADC電路、DAC電路、通信電路和主控電路。
信號調理電路
信號調理電路根據氫氣濃度和溫度的測量原理及特性,分別對氫濃度傳感器和溫度傳感器進(jìn)行驅動(dòng),并對其產(chǎn)生的微弱電信號進(jìn)行濾波、轉換、放大,以匹配ADC電路輸入特性。信號調理電路為模擬電路,包括氫氣濃度調理電路和溫度調理電路。
①氫氣濃度調理電路。
氫氣濃度調理電路如圖2所示。
圖2氫氣濃度調理電路
氫氣濃度調理電路接收DAC電路輸出的恒電位驅動(dòng)信號。該驅動(dòng)信號與參比電極電位進(jìn)行比例運算后由運算放大器輸出輔助電極電位,以維持參比電極與工作電極之間的電勢差恒定,實(shí)現對氫濃度傳感器的恒電位驅動(dòng)。氫氣濃度調理電路對電化學(xué)反應產(chǎn)生的極化電流進(jìn)行電流/電壓轉換,并放大成毫伏級電壓輸出。該電壓經(jīng)濾波后直接輸入至ADC電路進(jìn)行數據采集。
氫氣濃度調理電路采用低噪聲、低輸入失調電壓,以及低輸入偏置電流的雙極性運算放大器OP-07設計。為防止傳輸線(xiàn)或空間耦合的高頻振蕩信號造成運算放大器U22自激,電阻R54前端串聯(lián)了陶瓷電容C52,用于吸收高頻干擾信號。電阻R56為可變電阻。R56的阻值根據氫氣濃度監測儀和氫濃度傳感器之間的傳輸線(xiàn)上的電阻而定。R56的作用是串聯(lián)電阻R57并與電阻R58構成運算放大器U24輸入端的平衡電阻。極化電流進(jìn)入運算放大器U24反向輸入端,由高精度轉換電阻R59將其轉換成電壓信號并放大1 000倍。氫氣濃度監測儀實(shí)時(shí)采集參比電極電位和工作電極電位,用于判斷氫濃度傳感器的恒電位驅動(dòng)關(guān)系是否失效。
氫氣濃度監測儀試驗搭載三電極電化學(xué)型氫濃度傳感器進(jìn)行,主要包括T90響應時(shí)間試驗、測量重現性試驗、測量范圍試驗以及測量誤差試驗。
試驗曲線(xiàn)
本文在4%和20%標準氫氣濃度下進(jìn)行T90響應時(shí)間試驗和測量重現性試驗。T90響應時(shí)間試驗曲線(xiàn)如圖3所示。
圖3 T90響應時(shí)間試驗曲線(xiàn)
測量重現性試驗中,每組標準氫氣重復測量8次。在0%、4%、8%、12%、16%、20%標準氫氣濃度下進(jìn)行測量范圍試驗和測量誤差試驗。測量誤差試驗對每組標準氫氣連續測量3次。每次試驗交替向氫濃度傳感器通入標準氫氣和高純氮氣。標準氫氣通氣時(shí)間約為10 min。試驗過(guò)程中,標準氫氣由氫氣和氮氣混合配置而成,作為試驗基準。
試驗結果表明,氫氣濃度監測儀測量范圍可達0~20%,大于15%氫氣濃度;T90響應時(shí)間約為70 s,小于150 s;最大測量誤差為-1.95%FS,滿(mǎn)足±3%FS的要求;8次重復測量相對標準偏差為1.23%,小于3%。試驗所得技術(shù)指標全面滿(mǎn)足核電廠(chǎng)氫氣濃度測量要求。
結論
本文研制了恒電位驅動(dòng)型氫氣濃度監測儀,采用恒電位法驅動(dòng)氫濃度傳感器,并對傳感器響應信號進(jìn)行信號調理、數據采集和計算分析,實(shí)現了氫氣濃度在線(xiàn)監測。儀器性能指標全面滿(mǎn)足核電廠(chǎng)安全殼氫氣濃度監測設備性能要求。熱老化、濕熱、振動(dòng)老化、抗震、輻照老化、電磁兼容、失水事故現況等環(huán)境鑒定試驗結果,滿(mǎn)足三代核電廠(chǎng)設計基準事故(K1)+嚴重事故(K1*)的設備鑒定要求。儀器適用于核電廠(chǎng)正常運行工況、事故工況以及事故后安全殼內氫氣濃度在線(xiàn)監測,對于氫氣燃爆預警、氫氣風(fēng)險控制具有極其重要的意義。