氫氣濃度監(jiān)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(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，可同時連接3組探頭。探頭和二次儀表通過電纜連接器組件連接，兩者之間最大連接距離可達150 m。電纜通過電氣貫穿件貫穿安全殼結(jié)構(gòu)。

測量原理

根據(jù)氫濃度傳感器測控方法研究結(jié)果，本文基于三電極體系氫濃度傳感器開展氫氣濃度監(jiān)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(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)成測量控制回路，維持參比電極和工作電極電勢差恒定，實現(xiàn)對氫濃度傳感器的恒電位驅(qū)動。參比電極具有已知且穩(wěn)定的電極電位，在測量過程中不發(fā)生電極極化。因此測量控制回路幾乎沒有電流，不會對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)測原理如圖1所示。

圖1氫氣濃度監(jiān)測原理

被測氣體中的氫氣組分進入氫濃度傳感器，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)測儀通過檢測極化電流進而計算出氫氣濃度分壓，并結(jié)合總壓力表征被測氣體中的氫氣濃度。

硬件設(shè)計

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

信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路根據(jù)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行驅(qū)動，并對其產(chǎn)生的微弱電信號進行濾波、轉(zhuǎn)換、放大，以匹配ADC電路輸入特性。信號調(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)動信號。該驅(qū)動信號與參比電極電位進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，實現(xiàn)對氫濃度傳感器的恒電位驅(qū)動。氫氣濃度調(diào)理電路對電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的極化電流進行電流/電壓轉(zhuǎn)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算放大器OP-07設(shè)計。為防止傳輸線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(jù)氫氣濃度監(jiān)測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)成運算放大器U24輸入端的平衡電阻。極化電流進入運算放大器U24反向輸入端，由高精度轉(zhuǎn)換電阻R59將其轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大1 000倍。氫氣濃度監(jiān)測儀實時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)動關(guān)系是否失效。

氫氣濃度監(jiān)測儀試驗搭載三電極電化學(xué)型氫濃度傳感器進行，主要包括T90響應(yīng)時間試驗、測量重現(xiàn)性試驗、測量范圍試驗以及測量誤差試驗。

試驗曲線

本文在4%和20%標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度下進行T90響應(yīng)時間試驗和測量重現(xiàn)性試驗。T90響應(yīng)時間試驗曲線如圖3所示。

圖3 T90響應(yīng)時間試驗曲線

測量重現(xiàn)性試驗中，每組標(biāo)準(zhǔn)氫氣重復(fù)測量8次。在0%、4%、8%、12%、16%、20%標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度下進行測量范圍試驗和測量誤差試驗。測量誤差試驗對每組標(biāo)準(zhǔn)氫氣連續(xù)測量3次。每次試驗交替向氫濃度傳感器通入標(biāo)準(zhǔn)氫氣和高純氮氣。標(biāo)準(zhǔn)氫氣通氣時間約為10 min。試驗過程中，標(biāo)準(zhǔn)氫氣由氫氣和氮氣混合配置而成，作為試驗基準(zhǔn)。

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

結(jié)論

本文研制了恒電位驅(qū)動型氫氣濃度監(jiān)測儀，采用恒電位法驅(qū)動氫濃度傳感器，并對傳感器響應(yīng)信號進行信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和計算分析，實現(xiàn)了氫氣濃度在線監(jiān)測。儀器性能指標(biāo)全面滿足核電廠安全殼氫氣濃度監(jiān)測設(shè)備性能要求。熱老化、濕熱、振動老化、抗震、輻照老化、電磁兼容、失水事故現(xiàn)況等環(huán)境鑒定試驗結(jié)果，滿足三代核電廠設(shè)計基準(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，對于氫氣燃爆預(yù)警、氫氣風(fēng)險控制具有極其重要的意義。