氫氣濃度監(jiān)測(cè)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(nèi)不同位置，如安全殼穹頂、穩(wěn)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(dá)150 m。電纜通過(guò)電氣貫穿件貫穿安全殼結(jié)構(gòu)。

測(cè)量原理

根據(jù)氫濃度傳感器測(cè)控方法研究結(jié)果，本文基于三電極體系氫濃度傳感器開(kāi)展氫氣濃度監(jiān)測(cè)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(gòu)成極化回路，為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的自由電子和導(dǎo)電離子提供導(dǎo)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(gòu)成測(cè)量控制回路，維持參比電極和工作電極電勢(shì)差恒定，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫濃度傳感器的恒電位驅(qū)動(dòng)。參比電極具有已知且穩(wěn)定的電極電位，在測(cè)量過(guò)程中不發(fā)生電極極化。因此測(cè)量控制回路幾乎沒(méi)有電流，不會(huì)對(duì)工作電極的極化狀態(tài)和參比電極的穩(wěn)定性造成干擾。

氫氣濃度監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1氫氣濃度監(jiān)測(cè)原理

被測(cè)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(yīng)，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(jiān)測(cè)儀通過(guò)檢測(cè)極化電流進(jìn)而計(jì)算出氫氣濃度分壓，并結(jié)合總壓力表征被測(cè)氣體中的氫氣濃度。

硬件設(shè)計(jì)

氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀硬件采用模塊化電路設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)調(diào)理電路、ADC電路、DAC電路、通信電路和主控電路。

信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)氫氣濃度和溫度的測(cè)量原理及特性，分別對(duì)氫濃度傳感器和溫度傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)其產(chǎn)生的微弱電信號(hào)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換、放大，以匹配ADC電路輸入特性。信號(hào)調(diào)理電路為模擬電路，包括氫氣濃度調(diào)理電路和溫度調(diào)理電路。

①氫氣濃度調(diào)理電路。

氫氣濃度調(diào)理電路如圖2所示。

圖2氫氣濃度調(diào)理電路

氫氣濃度調(diào)理電路接收DAC電路輸出的恒電位驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)與參比電極電位進(jìn)行比例運(yùn)算后由運(yùn)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(shì)差恒定，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫濃度傳感器的恒電位驅(qū)動(dòng)。氫氣濃度調(diào)理電路對(duì)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的極化電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，并放大成毫伏級(jí)電壓輸出。該電壓經(jīng)濾波后直接輸入至ADC電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

氫氣濃度調(diào)理電路采用低噪聲、低輸入失調(diào)電壓，以及低輸入偏置電流的雙極性運(yùn)算放大器OP-07設(shè)計(jì)。為防止傳輸線或空間耦合的高頻振蕩信號(hào)造成運(yùn)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(hào)。電阻R56為可變電阻。R56的阻值根據(jù)氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀和氫濃度傳感器之間的傳輸線上的電阻而定。R56的作用是串聯(lián)電阻R57并與電阻R58構(gòu)成運(yùn)算放大器U24輸入端的平衡電阻。極化電流進(jìn)入運(yùn)算放大器U24反向輸入端，由高精度轉(zhuǎn)換電阻R59將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大1 000倍。氫氣濃度監(jiān)測(cè)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(qū)動(dòng)關(guān)系是否失效。

氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)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(yīng)時(shí)間試驗(yàn)、測(cè)量重現(xiàn)性試驗(yàn)、測(cè)量范圍試驗(yàn)以及測(cè)量誤差試驗(yàn)。

試驗(yàn)曲線

本文在4%和20%標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度下進(jìn)行T90響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)和測(cè)量重現(xiàn)性試驗(yàn)。T90響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 T90響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)曲線

測(cè)量重現(xiàn)性試驗(yàn)中，每組標(biāo)準(zhǔn)氫氣重復(fù)測(cè)量8次。在0%、4%、8%、12%、16%、20%標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度下進(jìn)行測(cè)量范圍試驗(yàn)和測(cè)量誤差試驗(yàn)。測(cè)量誤差試驗(yàn)對(duì)每組標(biāo)準(zhǔn)氫氣連續(xù)測(cè)量3次。每次試驗(yàn)交替向氫濃度傳感器通入標(biāo)準(zhǔn)氫氣和高純氮?dú)?。?biāo)準(zhǔn)氫氣通氣時(shí)間約為10 min。試驗(yàn)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)氫氣由氫氣和氮?dú)饣旌吓渲枚桑鳛樵囼?yàn)基準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀測(cè)量范圍可達(dá)0～20%，大于15%氫氣濃度；T90響應(yīng)時(shí)間約為70 s，小于150 s；最大測(cè)量誤差為-1.95%FS，滿足±3%FS的要求；8次重復(fù)測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.23%，小于3%。試驗(yàn)所得技術(shù)指標(biāo)全面滿足核電廠氫氣濃度測(cè)量要求。

結(jié)論

本文研制了恒電位驅(qū)動(dòng)型氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀，采用恒電位法驅(qū)動(dòng)氫濃度傳感器，并對(duì)傳感器響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)。儀器性能指標(biāo)全面滿足核電廠安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)設(shè)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(xiàn)況等環(huán)境鑒定試驗(yàn)結(jié)果，滿足三代核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(K1)+嚴(yán)重事故(K1*)的設(shè)備鑒定要求。儀器適用于核電廠正常運(yùn)行工況、事故工況以及事故后安全殼內(nèi)氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于氫氣燃爆預(yù)警、氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制具有極其重要的意義。