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CN105814906A - 用于核电站的传输系统和相关的方法 - Google Patents

用于核电站的传输系统和相关的方法 Download PDF

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CN105814906A
CN105814906A CN201480067857.3A CN201480067857A CN105814906A CN 105814906 A CN105814906 A CN 105814906A CN 201480067857 A CN201480067857 A CN 201480067857A CN 105814906 A CN105814906 A CN 105814906A
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艾瑞娜·杨克
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Abstract

一种用于具有辐射暴露区域的技术设施的、尤其是用于具有核反应堆(6)的核电站(2)的信号传输系统，其中·在该辐射暴露区域中设置有调制器(26)，以把由所述传感器(8)所提供的模拟测量值(K)变换为PWM信号(D)，·在该辐射暴露区域之外设置有解调器(38)，以由该PWM信号(D)来重建该测量值(K)，·该调制器(26)以抗辐射加固的、优选模拟的电路技术来实现，并包含有可匹配的测量值标准化装置(18)、锯齿波发生器(14)和比较器(16)，以及·该解调器(38)通过与该比较器(16)的输出端电流隔离的信号传输线(34)而与该调制器(26)相连接。

Description

用于核电站的传输系统和相关的方法
本发明的主题在狭义上涉及用于核技术设施的、尤其用于核电站一种传输系统，其中在被称为核反应堆的安全外壳内在潜在不利的具有相对高辐射负荷的条件下借助至少一个传感器来接收测量值，并通过从该核反应堆引出的数据传输线传输到该核反应堆外部远一些的固定的分析单元。在更广泛意义上，该电路也可以用在其他的行业(以及研究机构)和区域中，在其中需要从尤其可暴露于高电离辐射中的第一设备区域向具有较低辐射负荷的空间分离的设备区域以高的带宽进行可靠的信号传输。
本发明的任务是，在较长距离上在所述条件下以尽可能简单的装置来实现抗干扰的以及宽带的测量信号传输。此外，还应该说明一种相应的方法。
关于装置，所述的任务根据本发明通过权利要求1所述的特征而得到解决。关于方法，该任务通过权利要求5所述的特征而得到解决。
简单地说，设置有一种隔离放大器，其具有在传感输入信号与通过数据传输线所传输的输出信号之间的电流隔离，该隔离放大器基于的是脉宽调制基本原理，其中对其必要的调制器设置在核反应堆内由该数据传输线所构成的传输段的输入侧，解调器设置在核反应堆外面该传输段的输出侧。但是该解调器也可以设置在该核反应堆内部-比如设置在辐射屏蔽的环形空间中。其目的尤其是，把信号从具有高电离辐射的区域抗干扰地传输到具有低的或不具有电离辐射的区域中。从在事故情况下承受放射负荷的设备区域向安全的设备区域以高的带宽进行模拟信号的高绝缘的电流隔离的传输，以便进行直接的高分辨率的模数变换。
换句话说，通过把不断升高的比较电压与调整的测量值进行模拟比较，测量量被转换为具有两个二进制状态的信号。该测量量的值或幅度被体现为如此所生成的二进制信号的时间特性。在进行电流隔离之后，从而提供了以串行形式的具有高时间分辨率的可在大距离上传输的信号。
在优选的核技术环境中的应用中，在合适的传输协议(比如多路复用方法或调制方法，如时分多路复用方法或幅度和频率调制)的情况下可以节省信号线，并从而还节省核反应堆套管。
本发明所获得的优点其特征尤其如下：
1.抗辐射加固(Strahlungsharte)的实施
与市场上所具有的不同制造商的商业隔离放大器相比，在根据本发明的传输系统中所实施的数字隔离放大器优化提高了抵抗电离辐射的可靠性。
抗辐射加固基于的是以下三个基本原理，这三个原理优选叠加地应用：
·暴露于辐射中的电子电路的工作点为了提高在承受辐射情况下的寿命而被优化或匹配。为此尤其可回顾已有的来自可靠性分析或可靠性技术的概念和规范。实现这种影响措施的具体元件参数比如是该电路的运行温度、供电电压、输入电压、输出电压、输出电流强度以及机械应力曲线。这种抗辐射加固在英语这也被称作“hardeningbyciucuitdesign(通过电路设计的加固)”。
·通过运行状态的合适(远程)控制，可以降低由辐射所导致的或必然造成的对晶体管级工作点偏移的损害影响。在此激活了基于物理效应的对系统级的补偿效应。对此的具体措施比如包括接通和关闭供电电压、提高或降低运行电压、反转/极性反转运行电压和/或提高或降低运行温度。这种抗辐射加固在英语这也被称作“hardeningbysystemdesign(通过系统设计的加固)”。
·还可以通过选择合适的制造工艺来进行抗辐射加固。具有相对宽带隙的半导体、比如SiGe、GaAs、InPh、SiC由于高活化能而是本质抗辐射的，其中活化能对于其原子晶格的损坏是必要的。这对于具有从60至150nm结构尺寸的半导体制造流程来说同样是适用的。这种抗辐射加固在英语这也被称作“hardeningbytechnology(通过工艺的加固)”。
2.可切换的测量输入
通过可插到调制器的系统电路板上的标准放大器，与已公开的仅具有有限数量的可切换输入信号的隔离放大器之间的差别是，实现了更大数量的模拟接口。除了典型的单端电压和电流输入之外，在此不仅能够实现充电、电阻、频率等的单端输入，还可以实现其差分端输入。同样也可以采用在典型接口值之外的输入范围。
3.调制器与解调器之间的空间隔离
市场上的隔离放大器大多针对节省空间来进行优化。用于电流隔离传输段的调制器和解调器位于一个机壳中。在根据本发明的系统中，通过调制器侧与解调器侧的空间隔离，能够把具有高电磁干扰的环境中的模拟信号借助模拟部件来进行变换，并将其以最抗干扰的形式通过幅度数字化以及模拟时间编码(脉宽调制，简称为PWN)在比如直至几百米长度的大距离上来进行传输。
4.可以直接A/D变换
通过在调制器输出端上的幅度数字化(也即实现幅度的仅两种逻辑状态)输出，借助该PWM信号相对于锯齿波周期时长的精确的时间测量(比如计数方法)，把标准的测量值(K)的幅度值直接转化为数字形式。在常规的隔离放大器中，需要把模拟输出信号重新借助模/数变换器(ADC)来进行数字化。通过直接A/D变化，实现了一种抵抗电离辐射效应的优化的变换器。
5.多个隔离放大器的同步采样
通过同步触发多个调制器级，可以消除受时基影响的元件公差。在直接转换为数字数据(见点4)的情况下，由此能够借助三角计算来实现定位功能。在常规的模/数变换器中一般仅通过中继来实现同步采样。
6.可以信号复用
通过在大距离上调制器与解调器之间的幅度数字化传输，利用简单的电路技术就可以通过一个唯一的连接线来传输多个的信道(比如通过幅度调制、频率调制、时分多路复用方法)。这原则上在模拟信号的情况下同样也是可以的，但其中其在此在性能和带宽上导致更大的损失。对此所需的模拟电路技术不仅是更复杂和更昂贵的，而且还是更容易出错的。利用根据本发明的数字隔离放大器的幅度数字化信号，调制到已有线路(比如现有的供电线，AC或DC)上是非常容易的，并且比利用模拟信号实现了更大的带宽。
下面借助附图来详细解释本发明的一个实施例。其中以非常简化和示意的方式：
图1示出了用于核电站的一种传输系统，在其中借助数字隔离放大器来进行在大距离上测量信号的抗干扰的和宽带的传输，
图2示出了在图1的隔离放大器中所出现的或所处理的不同信号在时间上的电平特性图，以及
图3示出了按照图1的该传输系统的变化。
在所有附图中相同的或相同功能的部件或信号设置相同的参考符号。
图1示出了核电站2的一个片段，其中由钢和/或混凝土构成的核反应堆外壳4围绕了一个空间范围，在该空间范围中在事故情况下可能导致电离辐射的强烈释放。为了监控在该核反应堆6中的有关运行参数和状态参数，其中安装有至少一个事故情况下稳定的传感器8，该传感器通过一个中间接入的传输系统把测量数据传输到外部分析系统10。
该传感器8检测物理量(比如压力、温度、辐射等)，其中物理量作为电信号以模拟测量值K的形式来提供。
从而在该核反应堆6中在一个在此通过矩形框表示的测量值接收和发送模块中来进行要传输的测量值的传感检测和提供，其中该测量值接收和发送模块处于电势1。
在锯齿波发生器14中，利用通过恒电流源充电的电容来生成一个时间上线性上升的电压，该电压在一个周期时长T之后被阶跃复位到0V。在图2中示出了除其他信号电平之外的作为时间函数的该锯齿波B的曲线，其中所述其他信号电平在下文中继续阐述。
周期变化的、逐段上升的锯齿电压与瞬时测量量以高的精确度通过比较器16来进行模拟比较，其中该瞬时测量量事先被变换为电压信号并被标准化为在到达T之后所生成的锯齿电压的最大末端值。
该模拟测量值K的标准化借助标准化放大器18来实现，其中该标准化放大器还把对于该传感器8必要的测量放大器20的输出量(电压、电流、电荷、频率、电阻值；单端或差分)变换为对于该比较器16必要的电气量。
对于测量值标准化必要的该电路优选地作为可更换的和可锁定的、尤其是可插上的、具有固定定义量和连接配置的组件来实施，以能够以大的灵活性覆盖输入信号。
通过采样&保持电路22，在测量周期开始时要准备的标准化的模拟测量值A被模拟地中间存储(所存储的瞬时值C)持续测量时长T，以最小化由于信号快速变化而导致的误差。该采样&保持电路22通过一个脉冲发生器24来触发，该脉冲发生器通过该锯齿波发生器14来触发。该脉冲发生器24在其一侧通过外部时钟发生器40来触发/同步(见下文)。
一旦所生成的锯齿波B的电平在时间t1之后(比较时间点E)达到或刚刚(最小)超过所施加的、标准化的并被中间存储的比较电压C的电平，那么该比较器16的输出就从一个逻辑电平的输出电平变为反相的逻辑电平。
这样就生成了二进制输出信号D，该输出信号作为脉宽调制信号(PWM信号)。负责调制的部件采样&保持电路22、锯齿波发生器14以及所属的脉冲发生器24以及该模拟比较器16在其整体上也被称作调制器26，并且是该传输电路的发送模块的组成部分。
在该比较器输出端上的幅度二进制输出信号D借助一个电流隔离装置28通过合适的耦合(比如光学、电容或变压器式信号传输器)高绝缘地与该测量量的电势相隔离。该电流隔离装置28优选地根据信号隔离以及供电电压可靠隔离的具体实施而设计为直至几kV的耐压。
电流隔离的该PWM信号J以合适的形式-比如作为差分实施的电压信号通过电流回路、频率调制(FM)、幅度调制(AM)、通过相位调制(PSK)-抗干扰地通过相对大的、直至几百米长的传输段被传输至解码逻辑电路，其中该解码逻辑电路设置于该核反应堆6外部微小电离辐射的区域中具有电势3的接收和分析模块中。该信号传输线34为此以合适的方式穿过该核反应堆外壳4中的套管36。为了使信噪比最大化并为了使电磁干扰最小化，优选的是以差分信号对的形式来传输。
为了尽可能无损地以及无错误的传输，有必要把调制器侧的发送放大器的输出阻抗与所使用的信号传输线34的波阻抗以及解码逻辑电路的输入阻抗相协调。
如前所述，该PWM信号D可以在进行电流隔离之后作为电压信号、作为电流强度信号或作为光学信号被传输。在头两种所述情况下，相应的信号传输线34比如可以借助铜缆来实现。而光学信号优选地借助聚合物纤维线缆或玻璃纤维线缆来传输，其中由石英玻璃构成的纤维通常具有较大的耐辐射性，并从而在这里所提供的应用中是优选的。根据所选择的信号传输的类型，在某些情况下有必要改变相应的调制器26或根据电路来增加对于介质转换器所需的功能。介质转换器是在网络领域所使用的设备，其把不同介质(比如铜、光导体)的网络段相互连接，并从而所传输的数据在物理上从一种介质转换到另一介质。在采用多路复用器47(见下文)的情况下，该介质转换器也可以被集成于其中。
在优选的扩展方案中进行光学信号传输，其中为此所需的介质转换器优选地借助激光二极管在发送器侧来实施。激光二极管可以视为运行可靠的，并具有相对高的抗辐射性。近几年以来还存在合适的光纤传输线缆，其适于用在具有高辐射负荷(伽马和中子辐射)的环境中。由于脉冲化传输，发光效率或光度相应降低的激光二极管本身的高辐射损害程度是可以接受的，如此使得该信号传输系统的可有效利用的寿命相对于其他技术而明显提高。光学信号传输的另一优点在于高度电流隔离以及针对电磁干扰(英语为electromagneticinterference，EMI)的不敏感性。光学传输线缆还避免了在电站设备中不同接地点的电势转换。
在该解码逻辑电路中，被按时间特性编码和标准化的幅度值被恢复，以及逆标准化为与最初的物理测量值成比例的输出值以进行进一步分析，并必要时进行滤波。对此负责的部件也被总称为解码器38。
解码可以类似地进行，并在分析系统10上输出重建的模拟测量值。
重建的另一种可能性是：直接通过一个数字组件(比如CPLD；FPGA；DSP；ASIC；数字测量卡；…)对该PWM信号J的脉冲时长进行高分辨率的时间测量，其中该脉冲时长与该锯齿波B的恒定周期时长T直接相结合而体现为与标准化的测量值A的比例，并同样可以被逆标准化并被滤波。
如果仍旧在该核反应堆6中、优选在具有相对小电离辐射的区域中实施数字值形成，那么就可以借助数字总线和多路复用方法把大量的信号通过少量的套管传输到外部分析系统。
对于正弦信号的无损失重建所必要的按照奈奎斯特香农采样定理的采样频率大于二倍的测量量最大频率。通过进一步提高采样频率(过采样，英语Oversampling)，可以降低(模拟)或去除(数字)在后来的模拟或数字滤波中出现的高于目标采样频率的干扰信号。从而该锯齿波B的频率(周期时长T的倒数)高于该标准化放大器的模拟界限频率的四倍(优选两次幂)。
为了在任意数量(根据驱动级和脉冲变形)的转换电路上开始锯齿振荡，可以通过来自一个共同时钟发生器40的隔离输入的同步触发脉冲来实现不同测量位置的多个不同测量值的时间同步转换，其对于按照三角原理的定位功能是必要的。在此优选地通过一个所谓的时钟分配网络来进行共同的时钟信号在各个组件上的分配，其中该时钟分配网络以一种树状结构来实施(时钟树)。
在图1中示例示出了两个功能类似地构造的测量值接收和发送模块的情况，其中一个与由它所测量的物理量相关地处于第一电势，另一个处于通常与之不同的第二电势。这两个模块中的每一个都通过一个其所属的、与测量输入和供电电压相电流隔离的自己的传输段(传输线34)把PWM编码测量信号传输到其所属的自己的解码逻辑电路，在该逻辑电路中分别通过信号幅度恢复来进行逆标准化和滤波。该解码电路在输出侧与一个共同的分析系统10的输入端相连接。显然也可以包括n＝3,4,…个测量信号。相同类型的子系统以及其相应的部件在此通过虚线按照参考符号、比如8,8`,8``来相互区分。
除了分立的传输段之外，也可以如前所述通过在该传输段的输入侧上的一个中间接入的多路复用器47以及必要时通过在输出侧上的一个解复用器48(其或者也可以集成在该分析系统10中)来进行根据串行接口原理的单个信号传输线49的多重利用。在图3中示意示出了这种变化的系统。
设置于该核反应堆6外部的共同的时钟发生器40通过树状的分支为各个支路(必要时通过合适的具有微小相位差(抖动)的、且级联的电子信号分配器)的时钟线路42来负责各个测量值接收和发送模块的脉冲发生器24的同时控制。如在测量信号耦合输出时一样通过相应的光学、电容或变压器式(感性)信号传输器(电流隔离装置46，还参见图1)电流隔离地以类似的方式来进行时钟线路42与这些模块的连接。
与具有电离辐射的环境有关的对半导体器件的特殊要求，致使专门地选择制造技术-比如基于砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)-其适于在这种条件下可靠地运行。这尤其适用于位于该核反应堆6中在正常运行中、以及在故障情况下承受高电离辐射负荷的区域中的所有部件。
参考符号列表
2核电站
4核反应堆外壳
6核反应堆
8传感器
10分析系统
14锯齿波发生器
16比较器
18标准化放大器
20测量放大器
22采样&保持电路
24脉冲发生器
26调制器
28电流隔离
34信号传输线
36套管
38解调器
40共同的时钟发生器
42时钟线路
46电流隔离
47多路复用器
48解复用器
49共同的信号传输线
A模拟测量值(标准化的)
B锯齿波
CA的模拟存储的瞬时值
D数字PWM输出信号
E比较时间点
F锯齿波的回程
G锯齿波的周期时长
HPWM信号的脉冲时长
IPWM信号的间隔时长
J电流隔离的PWM信号
K模拟测量值(未标准化的)

Claims (8)

1.一种用于具有辐射暴露区域的技术设施的、尤其是用于具有核反应堆(6)的核电站(2)的信号传输系统，其中
·在该辐射暴露区域中设置有调制器(26)，用于把由所属传感器(8)所提供的模拟的测量值(K)变换为PWM信号(D)，
·在该辐射暴露区域之外设置有解调器(38)，用于由该PWM信号(D)来重建测量值(K)，
·该调制器(26)以抗辐射加固的、优选模拟的电路技术来实现，并包含有能匹配的测量值标准化装置(18)、锯齿波发生器(14)和比较器(16)，以及
·该解调器(38)通过与该比较器(16)的输出端电流隔离的信号传输线(34)而与该调制器(26)相连接。
2.根据权利要求1所述的传输系统，其中在该信号传输线(34)之前连接有基于关于周期时长尤其是通过计数方法对脉冲时长的精确时间测量的模/数变换器，以便把模拟时间编码的PWM信号变换为数字值。
3.根据权利要求1至2之任一所述的传输系统，其中该传输系统具有多个以前述方式构建的并协作的调制器(26，26’)和解调器(38，38’)，其中设置有共同的时钟发生器(40)以同时触发调制器(26，26’)。
4.根据权利要求3所述的传输系统，其中设置有多路复用器(47)，以便通过共同的信号传输线(49)来传输多个电流隔离的PWM信号(J)。
5.根据权利要求1至4之任一所述的传输系统，其中该传输系统具有光学信号传输装置，其中信号传输线(34)作为光导体、优选利用由石英玻璃制成的纤维来构造。
6.根据权利要求5所述的传输系统，其中该传输系统具有介质变换器，该介质变换器具有多个激光二极管。
7.一种用于从技术设施的辐射暴露区域、尤其是核电站(2)的核反应堆(6)向外部分析系统(10)传输测量值(K)的方法，其中
·在该辐射暴露区域中，由传感器(8)所检测的、被变换为模拟的电气测量值(K)的物理量在利用模拟电路技术的调制器(26)中通过与锯齿波(B)相比较而被变换为PWM信号(D)，其中
·该PWM信号(D)在与该调制器(26)的测量输入端电流去耦之后通过信号传输线(34)从该辐射暴露区域中传输至在外部所设置的解调器(38)，以及
·在该解调器(38)中由所接收的PWM信号(J)来重建该测量值(K)，并传输至该分析系统(10)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中多个PWM信号(J)按照多路复用方法、尤其是时分多路复用方法通过共同的信号传输线(49)来传输。
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