1E级智能温度变送器的抗震试验研究

 赵健 ，孙自强 ，陆妹 

  (1．华东理工大学信息科学与自动化工程学院，上海200237；2.上海自动化仪表有限公司，上海200072)

  摘要：首先介绍了1E级温度变送器整体的硬件设计、软件设计。然后对1E级温度变送器进行抗震试验，并具体阐述了抗震试验的评估方法及试验步骤。最后，抗震鉴定试验表明，此温度变送器在试验中及试验后结构完整并运行功能完好，设计符合核安全级抗震I类的抗震要求。

 关键词：温度仪表；核安全级；抗震试验；抗震I类

 中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：1006 - 2394( 2015) 11  - 0001  -OL4

 Research on Seismic Test for Class lE Intelligent Temperature Transmitter

 ZHAO Jian , SUN Zi-qiang , LU Mei 

 (1.  College of Information Science and Automation Engineering,East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2.  Shanghai Automation Instrument Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

 Abstract:ln this paper, the hardware design and software design of the Class lE temperature transmitter are intro-duced firstly. Then the Class lE temperature transmitter is tested for anti-seismic performance, and the assessment methods and procedures of the anti-seismic test are elaborated.  Finally, the anti-seismic identification test shows that the structure of the temperature transmitter in the test and after the test is complete and the operation function is good, which means the design meets the anti-seismic requirements of the Nuclear Safety Classification I.

 Key words:temperature instrument, nuclear safety grade; seismic test, seismic I category

O引言

 随着我国新核电站项目不断立项和建设以及核电设备的大量国产化，大幅度提高核级设备国产化程度已经成为国家产业政策的要求。在国产化的进程中，核级设备鉴定是核心环节之一，是新建核电站核级设备国产化的关键，也是解决在役核电站核级设备更换问题的基础，而抗震鉴定试验是核级设备鉴定项目中的重要项目之一。

 由于我国是一个多地震国家，如果受到强烈地震的影响，核电厂的设备遭到破坏，可以造成非常严重的核污染灾害。而且，核电站中分布着许多不同种类的设备，其自身结构复杂，甚至不少设备都具有非常严重的非线性特点，在地震作用下，有些设备可能会出现其他复杂的状况，很难判断其受力情况。因此，需要对设备进行抗震鉴定试验后，才能被核准在实际的工程中应用。

 1E级设备是与核安全相关的电气类设备，指安装在安全壳外，要求在正常工况或事故工况下完成预定安全功能的设备。按相关核安全法规和保证核电站安全运行的要求，核级设备必须进行一系列的试验，其中抗震试验作为核级仪表评价设备性能随时间变化试验中的一个重要环节，具有非常重要的意义。其作用是为了用来验证温度仪表在OBE（运行基准地震，

即Sl）和SSE（安全停堆地震，即S2）期间和试验之后均能够履行其安全功能。在抗地震试验期间，被试仪表经受的地震运动应保守地模拟地震在设备安装点感应的运动。本文重点介绍抗震试验中1E级温度交送器是否能够满足抗震I类的要求。

1硬件设计介绍

 1E级温度变送器主要由A/D采样模块、MCU控制模块和D/A输出模块组成，硬件总体设计如图l所示。

1.1MCU控制模块设计

 本文采用了MSP430F16X系列微处理器，它拥有非常丰富的片内资源：有16位RISC结构和125 ns的指令周期；内置三通道的DMA控制器，不需要处理器的介入可将数据在两个内存地址间搬动；12位的A/D带采样保持内部参考源；内部具有看门狗电路，可以在整个MCU出现死循环或飞车的情况下实现复位和重启操作；60 KB +256 Bd的flash存储器和2 KB的RAM空间；CPU的节能控制功能使芯片能够保持较低的功耗。

 除此之外，MCU模块还具有故障处理功能。可以分为以下两种情况：

 (1) MCU模块若判断发生以下故障时：AD采样模块内部故障；MCU模块内部工作电压漂移故障，即工作电压大于3.5 V或小于3.0 V；DA输出模块输出电流偏差绝对值大于2%；回路电压欠压故障，回路工作电压低于12 V；则控制DA输出模块输出电流小于3.8 mA，且保持在故障状态，故障指示灯常亮。

 (2) MCU模块若判断发生下列故障时：回路电压过压故障，回路工作电压高于45 V；传感器断线故障；传感器输入信号超限；则控制DA输出模块输出电流小于3.8 mA，故障指示灯闪烁；若故障消失，则自动恢复正常工作状态，故障指示灯熄灭。

其系统框图如图2所示。

1.2 A/D采样模块设计

 温度采集模块的核心部件是A/D采样控制器。本设计选择了24位的AD7794芯片，能够满足此次智能温度变送器的精度要求，达到±0. 2%左右。AD7794芯片是一款低功耗、高性能型的∑- AADC，内置一个基准电压源；具有可编程增益放大器( PGA)、多路复用器、电流源、时钟、校准寄存器、串行外围接口( SPI)等。因此，如果输入信号为热电阻或热电偶时，都能与A/D直接相连。

 另外，AD采样模块也能够实现三种故障诊断功能。分别为：

 (1)传感器故障诊断，若温度传感器开路或温度传感器与变送器接线断路，AD采样模块可以诊断出该故障。

 (2)输入信号过范围诊断，AD采样模块采样到输入信号超出正常信号范围。

 (3)对DA模块的输出电流回采，若输出电流严重偏离MCU配置输出的电流值，则可以诊断出DA模块故障。

1.3D/A输出模块设计

 输出模块的核心器件是D/A输出控制器，本设计中采用的数模转换器AD5421，可提供完整的环路供电型电流4~ 20 mA，并且其内置一路可用于自身和其他器件供电的稳压输出，其输出电压可以在1.8—12 V之间进行调节。另外，该器件内置1. 22 V和2.5 V两个基准电压源。

 由于此芯片内部含有ADC，能够实现环路电压VLOOP的诊断，当回路电压低于12 V或高于45 V时，可以诊断该故障。

 最后，除了上述主要的三个核心器件，本文还选用了X5043芯片作为E2 PROM，用于保存数据和传感器的类型。

2软件设计介绍

 整个1E级智能温度变送器的软件设计中，MSP430是数据处理单元的核心，软件所涉及的主要模块分为主程序模块、AD7794采样模块、AD5421转换模块、数据转换模块、配置模块和诊断模块。主程序模块主要分为系统初始化和主循环两个部分，用来控制整个程序运行，并且通过调用子程序，完成仪表的功能，主程序流程图如图3所示。

初始化完成对系统的一些配置，为仪表能进入主循环进行工作做好准备二初始化程序按照其功能可以分为上电初始化和上电诊断两个部分。上电初始化的任务就是完成对单片机自身模块和其他各个外围芯片工作模式的配置，其中变量初始化则应该在上电诊断完成后才能够执行。在完成上电初始化后要进行上电诊断，保证仪表在经过上电之后单片机的内部并没有发生失效情况。如果上电初始化完成则进入主循环程序，否则进入安全模式。在完成初始化并且通过上电初始化后，可以进入主循环程序。

 AD7794模块主要设置USART1的SPI总线以及AD7794的采样。然后，在进行SPI的初始化、AD7794端口初始化、AD寄存器初始化、AD配置寄存器和I/O寄存器初始化后，进而读出AD数据寄存器的值，从而获得AD7794的采样数值。

 AD5421模块根据数据处理模块获得的百分比值，通过计算得出AD5421所对应的码值，将码值写入AD5421中，通过数据转换将当前温度值以电流的形式输出，其中AD5421是通过IO口模拟SPI功能进行数据的写入。数据转换模块在采样与输出之间起到桥梁作用，根据输入的信号，选择相应的设置值后，将采样值转换为温度值或者百分比，并且能够输出相应的4—20 mA的电流值。

 配置模块主要用于1E级智能温度变送器出厂前的各项参数设定，如设置变送器的类型、量程的上下限范围、阻尼系数、标定数据、冷端补偿数据等，通过UARTO完成与上位机之间的数据传输。UARTO的具体配置为波特率1 200 bit、无校验、1位停止位、8位数据位。

 诊断模块对CPU内部及外围芯片安全相关部分进行诊断处理，若不通过则进入安全模式。主要进行了RAM诊断、ROM诊断、EEPROM诊断、内部AD诊断、堆栈诊断、AD诊断、DA诊断等，其中内部AD诊断包括AD7794的参考电压诊断、电源电压诊断和环境温度的诊断。

3试验设备仪器和安装

3.1地震试验台介绍

 地震模拟试验台为6mx6m．在其性能上．可以满足1E级智能温度变送器的抗震鉴定试验研究=地震模拟试验台主要技术参数如下：地震台台面面最大承载额度为60 t；地震台水平方向的最大位移为±150 mm.垂直方向为±100 mm:其水平方向上的最大加速度（满载情况下）为1.0g，垂直方向为0.8g；频率满足在0.1~100 Hz范匿之间；自由度分别为沿三轴平动和绕三轴转动，共6个；地震台可采用的波形有正弦波、随机波、自然地震波、人造地震波、矩形脉冲等。

3.2被试仪表的安装

 被试仪表的安装主要从以下两个方面着手：

 (1)被试仪表在其试验底板上的固定

 首先为被试用表的机械振动试验专门设计一个试验底板，然后用力矩将试验样品拧紧在底板上。

 (2)试验底板在地震试验台上的安装

 第一，试验底板在地震试验台上的安装方式应能模拟被试仪表实际的现场安装。

 第二，应将设置有被试仪表的试验底板，按照底部结构，在地震试验台上紧固安装，并应当考虑到试验样品外部连接件的影响情况。

4抗震评估方法

 目前，国内只有两种鉴定方法可以用来评价核级设备的抗震能力，分别为抗震分析和抗震鉴定试验。抗震分析只可以评估产品的物理结构，但不能分析其电气方面的特性，为了可以准确地评估1E级智能温度变送器的抗震能力，本次试验采用抗震鉴定试验。

 在1E级智能温度变送器的抗震试验中，需要评估此仪表在OBE（运行基准地震，即Sl）和SSE（安全停堆地震，即S2）期间和试验之后均保持其完整性和可运行性，实现将温度传感器测得的mV或电阻信号转换为4～20 mA直流电流输出的要求。

4.1  抗震试验的条件及方法

 此1E级温度变送器的抗震试验可以分为以下三个阶段，分别为：关键频率探查试验、运行基准地震（OBE或Sl）试验、安全停堆地震（SSE或S2）试验。

4.1.1关键频率探查试验

 首先，采用白噪声随机波信号或连续正弦波信号在三个规定轴线方向的每一个方向对地震试验台进行激励，试验条件为：扫描频率范围为1～50 Hz;扫描速率：1倍频程／1 min;加速度水平为0.2g;持续时间120 s。然后，测量出每个轴向放大倍数大于2的共振频率以及发

现被试验设备出现其他可以见到或听到的迹象时（例如锤击、螺栓和螺母松动、裂缝等）的频率。在此试验期间被试设备（温度变送器）是不允许通电的。

4.1.2运行基准地震（OBE或Sl）试验

 首先，在双轴地震试验台上在OX-OZ轴上进行5次OBE试验，在OY-OZ轴上进行5次OBE试验，或者在三向地震试验台上进行5次OBE试验。

 试验时，要按照如图4中所给出的OBE反应谱作为OBE要求反应谱(RRS)，阻尼比取5%，并且按照表1中要求的数据进行试验。在运行基准地震试验时使用的OBE试验反应谱(TRS)应包络要求反应谱( RRS)，但在反应谱的强震部分包络不超过30%。加速度时程应按1/6倍频程间距产生，对人工时程曲线的特性要求是：(1)信号总的持续时间：30 s；(2)强信号区段的最小持续时间：10 s。

4.1.3安全停堆地震试验

 首先，在双轴地震试验台上在OX-OZ轴上进行1次SSE试验，在OY-OZ轴上进行1次SSE试验，或在三向地震试验台上进行1次SSE试验。

 试验时，要按照图4中给出的SSE反应谱作为SSE要求反应谱(RRS)，阻尼比取5010。在安全停堆地震试验时使用的SSE试验反应谱(TRS)应包络要求反应谱( RRS)，但在反应谱的强震部分包络不超过30%。对人工时程曲线的要求与4.1.2相同。

4.2试验结果

 试验结果表明，被试设备经过了关键频率探查试验、运行基准地震（OBE或Sl）试验、安全停堆地震（SSE或S2）试验三大阶段的抗震试验。在第一阶段试验后，其外观检查无螺栓和螺母松动、裂缝等情况发生，结果正常；其基本误差试验结果应小于或等于规定的最大允许偏差值为±0.5℃。在第二、三阶段试验后，其外观检查无螺栓和螺母松动、裂缝等情况发生，结果正常；其测量的绝缘电阻试验结果满足在正常大气条件下，测得的绝缘电阻值应大于100 MΩ;进行的基本误差试验结果应小于或等于规定的最大允许偏差值为±0.5℃。

 综上所述，1E级智能温度变送器在经历了抗震试验后，结构完好，运行性好，可靠性高，完全符合核安全级抗震I类的设计要求。在地震中，依然能够保证可以检测核电站热交换器上下流温度、回路温度、稳压器流体区温度及稳压器波动管路温度，完成反应堆保护功能和运行监测功能，确保核电站能够安全运行。

5结束语

 本文主要介绍1E级智能温度变送器整体的硬件设计和软件设计及其故障诊断技术。抗震仪表通过了相关抗震鉴定试验，依旧能够履行其安全功能，符合核电站仪表抗震I类的抗震等级要求。说明1E级温度仪表在其选型、整体设计、减震措施及安装方式等方面是合理的，从而也为1E级温度仪表的抗震试验提供一定的试验思路和借鉴作用。本产品首次尝试将1E级K3类电气设备的要求加入到温度变送器的设计中，并经过实际试验验证，能够保证在核电站的运行中完成反应堆保护功能和运行监测功能。