氫氣濃度監測儀主要由探頭、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，布置在安全殼內不同位置，如安全殼穹頂、穩壓器隔間、蒸汽發生器隔間等。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構。


測量原理


根據氫濃度傳感器測控方法研究結果，本文基于三電極體系氫濃度傳感器開展氫氣濃度監測儀研制。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)構成極化回路，為電化學反應產生的自由電子和導電離子提供導電通路，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，實現對氫濃度傳感器的恒電位驅動。參比電極具有已知且穩定的電極電位，在測量過程中不發生電極極化。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和參比電極的穩定性造成干擾。


氫氣濃度監測原理如圖1所示。

圖1氫氣濃度監測原理


被測氣體中的氫氣組分進入氫濃度傳感器，隨即與工作電極發生電化學反應，形成的極化電流與氫氣濃度分壓呈比例關系。氫氣濃度監測儀通過檢測極化電流進而計算出氫氣濃度分壓，并結合總壓力表征被測氣體中的氫氣濃度。


硬件設計


氫氣濃度監測儀硬件采用模塊化電路設計，主要包括信號調理電路、ADC電路、DAC電路、通信電路和主控電路。


信號調理電路


信號調理電路根據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動，并對其產生的微弱電信號進行濾波、轉換、放大，以匹配ADC電路輸入特性。信號調理電路為模擬電路，包括氫氣濃度調理電路和溫度調理電路。


①氫氣濃度調理電路。


氫氣濃度調理電路如圖2所示。

圖2氫氣濃度調理電路


氫氣濃度調理電路接收DAC電路輸出的恒電位驅動信號。該驅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，實現對氫濃度傳感器的恒電位驅動。氫氣濃度調理電路對電化學反應產生的極化電流進行電流/電壓轉換，并放大成毫伏級電壓輸出。該電壓經濾波后直接輸入至ADC電路進行數據采集。


氫氣濃度調理電路采用低噪聲、低輸入失調電壓，以及低輸入偏置電流的雙極性運算放大器OP-07設計。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的阻值根據氫氣濃度監測儀和氫濃度傳感器之間的傳輸線上的電阻而定。R56的作用是串聯電阻R57并與電阻R58構成運算放大器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，由高精度轉換電阻R59將其轉換成電壓信號并放大1 000倍。氫氣濃度監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動關系是否失效。


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


試驗曲線


本文在4%和20%標準氫氣濃度下進行T90響應時間試驗和測量重現性試驗。T90響應時間試驗曲線如圖3所示。

圖3 T90響應時間試驗曲線


測量重現性試驗中，每組標準氫氣重復測量8次。在0%、4%、8%、12%、16%、20%標準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準氫氣連續測量3次。每次試驗交替向氫濃度傳感器通入標準氫氣和高純氮氣。標準氫氣通氣時間約為10 min。試驗過程中，標準氫氣由氫氣和氮氣混合配置而成，作為試驗基準。


試驗結果表明，氫氣濃度監測儀測量范圍可達0～20%，大于15%氫氣濃度；T90響應時間約為70 s，小于150 s；最大測量誤差為-1.95%FS，滿足±3%FS的要求；8次重復測量相對標準偏差為1.23%，小于3%。試驗所得技術指標全面滿足核電廠氫氣濃度測量要求。


結論


本文研制了恒電位驅動型氫氣濃度監測儀，采用恒電位法驅動氫濃度傳感器，并對傳感器響應信號進行信號調理、數據采集和計算分析，實現了氫氣濃度在線監測。儀器性能指標全面滿足核電廠安全殼氫氣濃度監測設備性能要求。熱老化、濕熱、振動老化、抗震、輻照老化、電磁兼容、失水事故現況等環境鑒定試驗結果，滿足三代核電廠設計基準事故(K1)+嚴重事故(K1*)的設備鑒定要求。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氫氣濃度在線監測，對于氫氣燃爆預警、氫氣風險控制具有極其重要的意義。