褚 力,王宏慶，唐 敏，李 楊,汪清沛

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

0 引言

氫氣作為理想的可再生型清潔能源，具有來(lái)源廣泛、高效環(huán)保、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和應(yīng)對(duì)全球氣候變化具有重要意義，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、食品、電子、航空、航天、能源、國(guó)防等眾多領(lǐng)域。然而，氫氣是一種無(wú)色無(wú)味、極易泄漏的可燃性氣體。當(dāng)氫氣濃度占比4%～75%時(shí)，極易在溫度、壓力、火花、震動(dòng)、沖擊等條件刺激下發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。氫氣燃爆能僅為0.02 MJ，燃爆速度高達(dá)270 cm/s[1-3]。2011年3月的日本福島核電站事故中，由于安全殼內(nèi)氫氣濃度超標(biāo)引發(fā)了氫氣爆炸，破壞了安全殼結(jié)構(gòu)完整性，造成了放射性物質(zhì)嚴(yán)重泄漏，導(dǎo)致了周邊環(huán)境嚴(yán)重污染[4]。因此，研制一套安全可靠、靈敏度高、響應(yīng)速度快的氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀，對(duì)于避免氫氣燃爆、排除氫氣安全隱患、推動(dòng)氫氣廣泛應(yīng)用具有極其重要的意義。

本文研制了恒電位驅(qū)動(dòng)型氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀，針對(duì)氫濃度傳感器開(kāi)展了測(cè)控方法研究，優(yōu)選恒電位法作為氫濃度傳感器測(cè)控方法，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了氫濃度傳感器調(diào)理電路。本文采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)作為主控制器，結(jié)合氫濃度傳感器信號(hào)調(diào)理、溫度傳感器信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter，DAC)、通信等硬件電路，以及底層驅(qū)動(dòng)、采樣濾波、氫氣濃度算法、邏輯控制流程等核心軟件，研制了氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀。本文首先簡(jiǎn)要介紹了氫濃度傳感器測(cè)控方法以及測(cè)量原理；然后，闡述了氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀硬件架構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)；最后，對(duì)儀器進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 傳感器測(cè)控方法研究

電化學(xué)型氫濃度傳感器測(cè)控方法主要包括原電池法和恒電位法[5]。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement principle

1.1 原電池法

原電池法針對(duì)兩電極結(jié)構(gòu)的氫濃度傳感器。測(cè)氫電極在電解質(zhì)溶液中與氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生與氫氣濃度相關(guān)的極化電流信號(hào)。原電池法無(wú)需對(duì)氫濃度傳感器進(jìn)行控制。高精度電流檢測(cè)電路可直接測(cè)量流經(jīng)工作電極和輔助電極回路的極化電流，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。本文基于原電池法，對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度分別進(jìn)行了3組測(cè)試。原電池法測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 原電池法測(cè)試結(jié)果

由表1可知，原電池法單次測(cè)量具有較高的線性度，但重復(fù)測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。3組測(cè)試的線性度分別為0.993 3、0.996 9和0.995 9，平均值為0.995 9。

1.2 恒電位法

恒電位法針對(duì)三電極結(jié)構(gòu)的氫濃度傳感器。該方法利用恒定電壓源產(chǎn)生恒電位驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)氫濃度傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，維持參比電極與工作電極之間的電勢(shì)差恒定，并測(cè)量流經(jīng)工作電極和輔助電極回路的極化電流。相比于原電池法，恒電位法具有原理復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。在恒電位驅(qū)動(dòng)信號(hào)為350 mV的條件下，本文基于恒電位法對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度分別進(jìn)行了3組測(cè)試。恒電位法測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 恒電位法測(cè)試結(jié)果

由表2可知，恒電位法單次測(cè)量具有較高的線性度，重復(fù)測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。3組測(cè)試的線性度分別為0.995 1、0.994 8和0.995 1，平均值為0.995 0。

1.3 對(duì)比分析

原電池法和恒電位法測(cè)量結(jié)果線性度均大于0.99，表明這2種方法均適用于氫氣濃度定量分析。但是，原電池法測(cè)量重復(fù)性誤差大于5%，不適用于氫氣濃度重復(fù)分析；恒電位法測(cè)量重復(fù)性誤差小于1%，適用于氫氣濃度重復(fù)分析。因此，本文優(yōu)選恒電位法作為氫濃度傳感器的測(cè)控方法。

2 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)[6]。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2所示。

圖2 氫氣濃度監(jiān)測(cè)原理Fig.2 Principle of hydrogen concentration monitoring

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[7]。氫氣濃度計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：Ppart為氫氣濃度分壓，kPa；N為電化學(xué)反應(yīng)電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；A為電極正對(duì)面積，mm2；Dm為氫氣擴(kuò)散速率，mm/s；Xm為氫氣透過(guò)膜厚度，mm；I為極化電流，μA。

(2)

式中：Ptotal為被測(cè)氣體總壓力，kPa；CH為氫氣體積濃度，vol%。

3 儀器設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

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)。

3.2 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。

3.2.1 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3所示。

圖3 氫氣濃度調(diào)理電路Fig.3 Hydrogen concentration conditioning circuit

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。

②溫度調(diào)理電路。

溫度調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 溫度調(diào)理電路Fig.4 Temperature conditioning circuit

溫度傳感器采用三線制PT100鉑電阻。PT100鉑電阻具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量結(jié)果用于氫氣濃度溫度補(bǔ)償。溫度調(diào)理電路產(chǎn)生恒定的激勵(lì)電流并加載到鉑電阻上，將其兩端電壓放大后輸入至ADC電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)軟件算法計(jì)算出鉑電阻阻值，并根據(jù)PT100鉑電阻分度表得出被測(cè)溫度值。溫度調(diào)理電路采用低噪聲、高開(kāi)環(huán)增益、低輸入偏置電流的四通道運(yùn)算放大器AD8608設(shè)計(jì)。

運(yùn)算放大器U31B將2.5 V參考電壓UREF進(jìn)行緩沖，并驅(qū)動(dòng)電阻R33和R38分壓。分壓后的電壓加載到電阻R37兩端，產(chǎn)生約1 mA的鉑電阻恒定激勵(lì)電流。運(yùn)算放大器U31D提供鉑電阻引線電阻R1和R2補(bǔ)償，并串聯(lián)引線電阻R3至運(yùn)算放大器U31D的高輸入阻抗端。由圖4可知，溫度調(diào)理電路的傳遞函數(shù)為：

(3)

式中：R1和R2為引線電阻，Ω；RX為三線制PT100鉑電阻，Ω；R32、R33、R35、R36、R37、R38、R39為固定電阻，Ω。

(4)

式中：UREF為參考電壓，V；UR為輸出電壓，V。

控制PT100鉑電阻引線一致，使得R1=R2，可將式(3)化簡(jiǎn)為：

(5)

式中：A為與引線電阻R1和R2無(wú)關(guān)的多項(xiàng)式之和。

為消除引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，可使：

2×UR×R39×R36+2×UR×R39×R35-UR×

R32×R36-UR×R39×R35=0

(6)

即：

(7)

設(shè)計(jì)C31和C32二階低通濾波，濾除電路中耦合的高頻干擾。運(yùn)算放大器U31C輸出端連接RC濾波器，對(duì)輸出電壓UR進(jìn)一步濾波[8]。

3.2.2 數(shù)字電路

①ADC電路。

ADC電路采用串行ADC的AD7794設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。AD7794集成6個(gè)差分信號(hào)輸入通道，可避免回路干擾以及外界因素引起的共模干擾，并內(nèi)置低噪聲可編程增益放大器和低漂移基準(zhǔn)電壓源，從而實(shí)現(xiàn)mV級(jí)電壓的準(zhǔn)確、穩(wěn)定采集。

AD7794設(shè)計(jì)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式對(duì)工作電極電位、參比電極電位、氫氣濃度電壓、溫度電壓和總壓力電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)隔離電路傳輸至主控電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，總壓力信號(hào)由外部4～20 mA電流輸入，經(jīng)高精度轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)字隔離器SI8641可進(jìn)行信號(hào)隔離，防止信號(hào)串?dāng)_，提高電路的抗干擾能力。

②DAC電路。

DAC電路采用型號(hào)為AD5422的DAC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。AD5422支持12/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換，內(nèi)置可編程、單通道電壓輸出，并具有模擬輸出短路和開(kāi)路保護(hù)、輸出故障自檢功能。AD5422設(shè)計(jì)為16位高精度轉(zhuǎn)換模式，輸出350 mV恒電位驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)低通濾波后進(jìn)入氫氣濃度調(diào)理電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氫濃度傳感器的恒電位驅(qū)動(dòng)。

③通信電路。

通信電路采用RS-485隔離收發(fā)器ADM2682設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。ADM2682內(nèi)置隔離電路，對(duì)RS-485輸入/輸出引腳提供±15 kV靜電防護(hù)，具有開(kāi)路和短路故障保護(hù)以及熱關(guān)斷保護(hù)功能。通信電路采用半雙工通信協(xié)議，就控制指令、測(cè)量原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、報(bào)警分析等信息與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾性能好等特點(diǎn)。

④主控電路。

主控電路采用Cyclone IV系列FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為EP4CE22F1717N。以FPGA為底層基礎(chǔ)的嵌入式主控電路具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)成熟、應(yīng)用軟件可重構(gòu)的特點(diǎn)。串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)和集成電路總線(inter-integrated circuit,I2C)分別對(duì)ADC和DAC進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)輸出。RS-485協(xié)議與隔離收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。FPGA內(nèi)置的Nois II軟核處理器和硬件門(mén)電路實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)計(jì)算和結(jié)果分析。此外，該設(shè)計(jì)利用FPGA接口多、可編程的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了主控電路與存儲(chǔ)器、顯示器之間的連接以及相應(yīng)的邏輯控制。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件濾波

應(yīng)用軟件每間隔1 ms采樣1次，并在采樣1 000次后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。軟件濾波的具體方法是：首先，連續(xù)采樣1 000個(gè)值；然后，去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值，并計(jì)算剩余的998個(gè)數(shù)據(jù)的平均值；最后，以1 s為時(shí)間基數(shù)得到采樣的數(shù)據(jù)。軟件濾波可防止偶然因素引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)或硬件電路不穩(wěn)定造成的誤差。

3.3.2 軟件程序

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flowchart

軟件程序采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)的作用是確保硬件系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合并根據(jù)制定的策略有序運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件程序主要包括ADC驅(qū)動(dòng)、DAC驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)、顯示器驅(qū)動(dòng)、通信驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)程序，以及氫氣濃度計(jì)算、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、報(bào)警分析等應(yīng)用程序。軟件代碼使用Verilog硬件描述語(yǔ)言和C語(yǔ)言聯(lián)合編寫(xiě)。

軟件首先進(jìn)行初始化并讀取配置參數(shù)；接著啟動(dòng)測(cè)量程序，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital/analoy,D/A)電路輸出恒電位驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)氫濃度傳感器響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集；然后控制主控電路對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、氫氣濃度計(jì)算；最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行報(bào)警分析、存儲(chǔ)、顯示和遠(yuǎn)傳。

4 試驗(yàn)

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)。

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6所示。

圖6 T90響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)曲線Fig.6 Test of response time at T90

測(cè)量重現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)量重現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果

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?，作為試?yàn)基準(zhǔn)。

測(cè)量誤差試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 測(cè)量誤差試驗(yàn)結(jié)果

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。

5 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。