托卡马克低杂波系统水电气综合保护装置.pdf

本发明公开了一种托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置，包括三个光电转换模块、一个信号延时模块、一个逻辑运算模块及两个电光转换模块。本发明采用光隔离模块实现各种汇总信号的模拟汇总电路，实现托卡马克-低杂波系统的水电气综合保护控制。实际实现时，本发明结合CPCI机箱接口的可插拔结构，不但简化了控制板，同时也增加了控制板的可靠性和抗电磁干扰性能。最主要的是，对于连续运行的大功率微波系统，控制结构复杂，保护逻辑较多，在应用中，可以通过组合控制板来实现复杂的逻辑保护功能。

权利要求书1.  托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置，其特征在于：包括三个光电转换模块、一个信号延时模块、一个逻辑运算模块及两个电光转换模块，其中：三个光电转换模块结构相同，分别包括型号为HFBR-2412的光接收芯片、型号为74HC14的非门芯片，光接收芯片的第二引脚与第六引脚之间连接有一个电阻，光接收芯片的第三引脚与第七引脚共接后接地，光接收芯片的第三引脚还通过一个电容与自身第二引脚共接后接入+5V电压，第一个光电转换模块中光接收芯片的第六引脚与非门芯片的输入端连接，且光接收芯片第六引脚与非门芯片输入端之间连接有RC滤波电路后接地，光接收芯片的第六引脚还通过连接导线接入逻辑运算模块，非门芯片的正电源端接入+5V电压，正电源端还通过一个电容、一个电解电容分别接地，非门芯片的负电源端接地，其中第一个光电转换模块中非门芯片输出端连接至信号延时模块，第二个、第三个光电转换模块中非门芯片输出端连接至逻辑运算模块；所述信号延时模块包括型号为M51958的延时芯片，第一个光电转换模块中非门芯片输出端通过电阻连接至延时芯片的INPUT引脚，延时芯片的DELAY引脚通过电容与自身的GND引脚共接后接地，延时芯片的VCC引脚与OUTPUT引脚之间连接有一个电阻，且OUTPUT引脚与电阻之间通过连接导线接入逻辑运算模块，延时芯片的VCC引脚接入+5V电压，延时芯片的VCC引脚还通过一个电容、一个电解电容分别接地；所述逻辑运算模块包括两个型号为74LS00的与门芯片、一个三极管，延时芯片OUTPUT引脚与电阻之间连接导线通过一个电阻接入三极管集电极，第二个光电转换模块中非门芯片输出端通过一个电阻与三极管基极连接，第二个光电转换模块中非门芯片输出端还通过一个电阻与第一个与门芯片一个输入端连接，第一个光电转换模块中光接收芯片的第六引脚上连接导线通过一个电阻与第一个与门的另一个输入端连接，第一个与门的输出端通过一个电阻与第二个与门一个输入端连接，第三个光电转换模块中非门芯片输出端通过一个电阻与第二个与门另一个输入端连接，所述三极管发射极接地，三极管集电极还通过一个电阻连接至第一个电光转换模块，第二个与门的输出端通过一个电阻连接至另一个电光转换模块；每个电光转换模块分别包括型号为SN75451的光电驱动芯片、型号为HFBR-1414TZ的光发送模块，光电驱动芯片的1A引脚与2A引脚共接后通过一个电阻连接+5V电压，光电驱动芯片的GND引脚接地，光电驱动芯片的VCC引脚连接+5V电压，且光电驱动芯片VCC引脚还通过一个电容、一个电解电容分别接地，光电驱动芯片的                                               引脚通过一个电阻、引脚通过一个电阻共接后接入+5V电压，且光电驱动芯片的引脚与所连接的电阻之间连接至一个发光二极管阳极，发光二极管阴极接地，光电驱动芯片的引脚与所连接的电阻之间通过连接导线分别与光发送模块的第二引脚、第六引脚、第七引脚连接，光发送模块的第三引脚接地，逻辑运算模块中三极管集电极通过一个电阻分别与第一个电光转换模块中光电驱动芯片的1B引脚、2B引脚连接，逻辑运算模块中第二个与门的输出端通过一个电阻分别与第二个电光转换模块中光电驱动芯片的1B引脚、2B引脚连接。

说明书托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置
技术领域
本发明涉及托卡马克系统领域，具体是一种托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置。
背景技术
托卡马克是一种重要的等离子体物理和核聚变实验装置，低杂波是实现装置内等离子体加热和电流驱动的重要手段之一，一般为频率是800MHz至8GHz的微波。低杂波系统是一种兆瓦级大功率微波系统，采用矩形波导作为微波传输线，将微波能量馈入托卡马克真空室内的等离子体中。微波传输时一部分波导位于大气中，另一部分在托卡马克真空室内，中间采用陶瓷窗作为隔离真空和大气的器件。为了高功率传输，一般处于大气的波导内需要充气的密封环境。同时，波导外部需要安装水冷管道用于冷却波导，使之温度降低，从而提升功率容量并达到连续波运行。在微波系统高功率运行时，一旦系统发生陶瓷窗破裂、系统漏水、真空泄漏或其他严重故障，需要触发相应的保护信号，及时切断微波源——速调管的高压电源，并关闭相对应的水冷或者充气子系统。托卡马克上低杂波系统包含高低压水路、各种电子设备和充气管道等装置，工作电磁环境恶劣，并且对运行参数要求也较高，这就需要特殊的水电气综合保护设备来保护整个微波系统的安全。微波系统上的水电气综合保护装置，是决定该系统能否安全可靠运行的关键保护设备之一。现有技术中，低杂波的保护系统一般仅针对单独的水路，气路或打火保护装置等子系统分别设计，具有很大的分散性，没有系统级的安全连锁装置。例如，一旦发生漏水事故，水路保护仅能关闭水系统，但并不能及时切断速调管高压电源，这就给设备和人员带来了一定的安全隐患。
发明内容    本发明的目的是提供一种托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置，其特征在于：包括三个光电转换模块、一个信号延时模块、一个逻辑运算模块及两个电光转换模块，其中：
三个光电转换模块结构相同，分别包括型号为HFBR-2412的光接收芯片、型号为74HC14的非门芯片，光接收芯片的第二引脚与第六引脚之间连接有一个电阻，光接收芯片的第三引脚与第七引脚共接后接地，光接收芯片的第三引脚还通过一个电容与自身第二引脚共接后接入+5V电压，第一个光电转换模块中光接收芯片的第六引脚与非门芯片的输入端连接，且光接收芯片第六引脚与非门芯片输入端之间连接有RC滤波电路后接地，光接收芯片的第六引脚还通过连接导线接入逻辑运算模块，非门芯片的正电源端接入+5V电压，正电源端还通过一个电容、一个电解电容分别接地，非门芯片的负电源端接地，其中第一个光电转换模块中非门芯片输出端连接至信号延时模块，第二个、第三个光电转换模块中非门芯片输出端连接至逻辑运算模块；
所述信号延时模块包括型号为M51958的延时芯片，第一个光电转换模块中非门芯片输出端通过电阻连接至延时芯片的INPUT引脚，延时芯片的DELAY引脚通过电容与自身的GND引脚共接后接地，延时芯片的VCC引脚与OUTPUT引脚之间连接有一个电阻，且OUTPUT引脚与电阻之间通过连接导线接入逻辑运算模块，延时芯片的VCC引脚接入+5V电压，延时芯片的VCC引脚还通过一个电容、一个电解电容分别接地；
所述逻辑运算模块包括两个型号为74LS00的与门芯片、一个三极管，延时芯片OUTPUT引脚与电阻之间连接导线通过一个电阻接入三极管集电极，第二个光电转换模块中非门芯片输出端通过一个电阻与三极管基极连接，第二个光电转换模块中非门芯片输出端还通过一个电阻与第一个与门芯片一个输入端连接，第一个光电转换模块中光接收芯片的第六引脚上连接导线通过一个电阻与第一个与门的另一个输入端连接，第一个与门的输出端通过一个电阻与第二个与门一个输入端连接，第三个光电转换模块中非门芯片输出端通过一个电阻与第二个与门另一个输入端连接，所述三极管发射极接地，三极管集电极还通过一个电阻连接至第一个电光转换模块，第二个与门的输出端通过一个电阻连接至另一个电光转换模块；
每个电光转换模块分别包括型号为SN75451的光电驱动芯片、型号为HFBR-1414TZ的光发送模块，光电驱动芯片的1A引脚与2A引脚共接后通过一个电阻连接+5V电压，光电驱动芯片的GND引脚接地，光电驱动芯片的VCC引脚连接+5V电压，且光电驱动芯片VCC引脚还通过一个电容、一个电解电容分别接地，光电驱动芯片的                                               引脚通过一个电阻、引脚通过一个电阻共接后接入+5V电压，且光电驱动芯片的引脚与所连接的电阻之间连接至一个发光二极管阳极，发光二极管阴极接地，光电驱动芯片的引脚与所连接的电阻之间通过连接导线分别与光发送模块的第二引脚、第六引脚、第七引脚连接，光发送模块的第三引脚接地，逻辑运算模块中三极管集电极通过一个电阻分别与第一个电光转换模块中光电驱动芯片的1B引脚、2B引脚连接，逻辑运算模块中第二个与门的输出端通过一个电阻分别与第二个电光转换模块中光电驱动芯片的1B引脚、2B引脚连接。
本发明中，三个光电转换模块分别为打火保护模块、陶瓷窗破裂模块和冷却水循环状态模块，分别接收来自系统的打火保护光信号、陶瓷窗破裂光信号和冷却水循环系统状态光信号等三路信号，这三路保护信号采用光纤传输给三个光电转换模块。
三个光电转换模块中，正常工作时，打火保护模块接收到无光信号，而陶瓷窗破裂模块和冷却水循环模块状态接受为有光信号。当系统发生打火保护，且陶瓷窗没有破裂时，打火保护模块接收到有光信号。当发生打火保护，且陶瓷窗破裂时，打火保护模块接收到光信号，陶瓷窗破裂模块收到无光信号。当其余系统正常，但冷却水循环系统为故障状态时，冷却水循环状态模块收到无光信号，
光电转换模块由光接收芯片HFBR-2412构成，将接收到的光信号转换成TTL电平，并经过高频滤波电路，最后经过非门将电平反转。
信号延时模块对接收到的光信号进行延时，延时时间通过延时电容设置，在延时时间内判断负载是打火还是陶瓷窗破裂。
逻辑运算模块对输入信号进行逻辑运算，并根据运算结果发出控制指令。其特征在于，逻辑运算模块采用与门芯片74LS00。
电光转换模块将逻辑运算的结果，经过光发送模块将控制信号分别发送给高压电源、水冷系统和充气系统，用以保护系统的安全及实现长距离的传输。其特征在于，通过光电驱动芯片SN75451将输入信号经过逻辑运算后，再送给光发送模块HFBR-1414TZ。
本发明采用光纤隔离的方法，克服了信号远距离传输时的强电磁干扰，实现了托卡马克-低杂波系统在真空、冷却水路、电子设备、充气环境和微波功率等复杂环境下的稳态安全运行，已经实现速调管250kW/1000s输出。一旦系统发生漏水、漏气或者打火等故障，本发明可以及时发出连锁信号，切断所有的高压电源，关闭水路循环，有效保证系统的安全运行和实验人员人身安全。
本发明将所有模块集中于CPCI 4U机箱内，具有集成度高，操作维护方面，易于扩展等优点，可以广泛应用于各种水循环、高压电、充气以及真空等复杂环境下的连锁保护。
附图说明
图1为托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置原理图。
具体实施方式
如图1所示，托卡马克-低杂波系统水电气综合保护装置，包括三个光电转换模块①、②、③、一个信号延时模块④、一个逻辑运算模块⑤及两个电光转换模块⑥、⑦，其中：
三个光电转换模块结构相同，第一个光电转换模块①分别包括型号为HFBR-2412的光接收芯片G1、型号为74HC14的非门芯片U1A，光接收芯片G1的第二引脚与第六引脚之间连接有一个电阻R1，光接收芯片G1的第三引脚与第七引脚共接后接地，光接收芯片G1的第三引脚还通过一个电容C5与自身第二引脚共接后接入+5V电压，光接收芯片G1的第六引脚与非门芯片U1A的输入端连接，且光接收芯片G1第六引脚与非门芯片U1A输入端之间连接有由电阻R6与电容C4构成的RC滤波电路后接地，光接收芯片G1的第六引脚还通过连接导线接入逻辑运算模块⑤，非门芯片U1A的正电源端接入+5V电压，正电源端还通过一个电容C3、一个电解电容CE3分别接地，非门芯片U1A的负电源端接地，第一个光电转换模块①中非门芯片U1A输出端连接至信号延时模块④。
第二个光电转换模块②分别包括型号为HFBR-2412的光接收芯片G2、型号为74HC14的非门芯片U2A，光接收芯片G2的第二引脚与第六引脚之间连接有一个电阻R11，光接收芯片G2的第三引脚与第七引脚共接后接地，光接收芯片G2的第三引脚还通过一个电容C15与自身第二引脚共接后接入+5V电压，光接收芯片G2的第六引脚与非门芯片U2A的输入端连接，且光接收芯片G2第六引脚与非门芯片U2A输入端之间连接有由电阻R16与电容C14构成的RC滤波电路后接地，非门芯片U2A的正电源端接入+5V电压，正电源端还通过一个电容C13、一个电解电容CE13分别接地，非门芯片U2A的负电源端接地，第二个光电转换模块②中非门芯片U2A输出端连接至逻辑运算模块⑤。
第三个光电转换模块③分别包括型号为HFBR-2412的光接收芯片G3、型号为74HC14的非门芯片U3A，光接收芯片G3的第二引脚与第六引脚之间连接有一个电阻R21，光接收芯片G3的第三引脚与第七引脚共接后接地，光接收芯片G3的第三引脚还通过一个电容C25与自身第二引脚共接后接入+5V电压，光接收芯片G3的第六引脚与非门芯片U3A的输入端连接，且光接收芯片G3第六引脚与非门芯片U3A输入端之间连接有由电阻R26与电容C24构成的RC滤波电路后接地，非门芯片U3A的正电源端接入+5V电压，正电源端还通过一个电容C23、一个电解电容CE23分别接地，非门芯片U3A的负电源端接地，第三个光电转换模块③中非门芯片U2A输出端连接至逻辑运算模块⑤。
信号延时模块④包括型号为M51958的延时芯片U2，第一个光电转换模块①中非门芯片U1A输出端通过电阻R3连接至延时芯片U2的INPUT引脚，延时芯片U2的DELAY引脚通过电容C6与自身的GND引脚共接后接地，延时芯片U2的VCC引脚与OUTPUT引脚之间连接有一个电阻R4，且OUTPUT引脚与电阻R4之间通过连接导线接入逻辑运算模块⑤，延时芯片U2的VCC引脚接入+5V电压，延时芯片U2的VCC引脚还通过一个电容C2、一个电解电容CE1分别接地。
逻辑运算模块⑤包括两个型号为74LS00的与门芯片U11B和U11C、一个三极管Q1，延时芯片U2的OUTPUT引脚与电阻R4之间连接导线通过一个电阻R35接入三极管Q1集电极，第二个光电转换模块②中非门芯片U2A输出端通过一个电阻R31与三极管Q1基极连接，第二个光电转换模块②中非门芯片U2A输出端还通过一个电阻R32与第一个与门芯片U11B一个输入端连接，第一个光电转换模块①中光接收芯片G1的第六引脚上连接导线通过一个电阻R33与第一个与门U11B的另一个输入端连接，第一个与门U11B的输出端通过一个电阻R14与第二个与门U11C一个输入端连接，第三个光电转换模块③中非门芯片U3A输出端通过一个电阻R34与第二个与门U11C另一个输入端连接，三极管Q1发射极接地，三极管Q1集电极还通过一个电阻R36连接至第一个电光转换模块⑥，第二个与门U11C的输出端通过一个电阻R37连接至另一个电光转换模块⑦；
第一个电光转换模块⑥分别包括型号为SN75451的光电驱动芯片U4、型号为HFBR-1414TZ的光发送模块G4，光电驱动芯片U4的1A引脚与2A引脚共接后通过一个电阻R2连接+5V电压，光电驱动芯片U4的GND引脚接地，光电驱动芯片U4的VCC引脚连接+5V电压，且光电驱动芯片U4的VCC引脚还通过一个电容C1、一个电解电容CE2分别接地，光电驱动芯片U4的引脚通过一个电阻R5、引脚通过一个电阻R7共接后接入+5V电压，且光电驱动芯片U4的引脚与所连接的电阻R7之间连接至一个发光二极管DB1阳极，发光二极管DB1阴极接地，光电驱动芯片U4的引脚与所连接的电阻R5之间通过连接导线分别与光发送模块G4的第二引脚、第六引脚、第七引脚连接，光发送模块G4的第三引脚接地，逻辑运算模块⑤中三极管Q1集电极通过一个电阻R36分别与第一个电光转换模块⑥中光电驱动芯片U4的1B引脚、2B引脚连接。
第二个电光转换模块⑦分别包括型号为SN75451的光电驱动芯片U5、型号为HFBR-1414TZ的光发送模块G5，光电驱动芯片U5的1A引脚与2A引脚共接后通过一个电阻R12连接+5V电压，光电驱动芯片U5的GND引脚接地，光电驱动芯片U5的VCC引脚连接+5V电压，且光电驱动芯片U5的VCC引脚还通过一个电容C11、一个电解电容CE12分别接地，光电驱动芯片U5的引脚通过一个电阻R15、引脚通过一个电阻R17共接后接入+5V电压，且光电驱动芯片U5的引脚与所连接的电阻R17之间连接至一个发光二极管DB2阳极，发光二极管DB2阴极接地，光电驱动芯片U5的引脚与所连接的电阻R15之间通过连接导线分别与光发送模块G5的第二引脚、第六引脚、第七引脚连接，光发送模块G5的第三引脚接地，逻辑运算模块⑤中第二个与门U11C的输出端通过一个电阻R37分别与第二个电光转换模块⑦中光电驱动芯片U5的1B引脚、2B引脚连接。
本发明由7个功能模块组成，分别为3个光电转换模块（图1中①②③所示），信号延时模块（图1中④所示），逻辑运算模块（图1中⑤所示）和2个电光转换模块（图1中⑥⑦所示）。其中，光电转换模块由光接收芯片HFBR-2412将接收到的光信号转换成TTL电平，然后经过高频滤波电路（C4和R6、C14和R16、C24和R26），再经过非门将电平反转。信号延时模块主要是对接收到的光信号进行延时，延时时间通过电容C6可以设置，在延时时间内判断负载是打火还是陶瓷窗破裂。逻辑运算模块是通过与门芯片74LS00对输入信号进行逻辑运算，根据运算结果发出控制指令。电光转换模块是通过光电驱动芯片SN75451将输入信号经过逻辑运算后，再经过光发送模块HFBR-1414TZ将控制信号分别发送给高压电源、水冷系统和充气系统，用以保护系统的安全及实现长距离的传输。
模块①用于接收系统的打火保护光信号，并将该光信号转换成TTL电平信号，正常情况G1接收无光信号，经过光接收芯片G1转换为高电平信号；模块②的功能是用于接收陶瓷窗破裂的光信号，并将光信号转换成TTL电平信号，正常情况G2接收有光信号，经过接收芯片G2转换为低电平信号；模块③的功能是用于接收冷却水循环系统的状态光信号，并将该光信号转换成TTL电平信号，正常情况G3接收有光信号，经过接收芯片G3转换为低电平信号。模块④的功能是将接收到的打火保护信号经过非门U1A后，送入延时芯片U2，然后由U2芯片输出延时信号。模块⑤的功能是对打火保护信号、陶瓷窗破裂信号及冷却水循环系统的状态信号经过逻辑运算。模块⑥的功能是，将经过逻辑运算后的信号经过光驱动芯片U4和光发送芯片G4转换后将光信号发送给充气系统。正常情况下，光发送芯片G4为无光状态。模块⑦的功能是将经过逻辑运算后的信号经过光驱动芯片U5和光发送芯片G5转换后将光信号发送给高压电源系统。正常情况下，光发送芯片G5为有光状态。
正常情况下，模块①接收到的信号为无光信号，模块②和③接收到的信号为有光信号。当打火保护，且陶瓷窗没有破裂，模块①接收到光信号，经过光接收模块将该光信号直接转换为低电平信号，该信号送入模块⑤的同时，经过非门U1A运算后送给模块④（高电平）。逻辑运算模块⑤接收到低电平信号，经过与门芯片U11B和U11C的运算，该打火信号直接封锁模块⑦中光发送芯片G5的输出，在1us内封锁高压电源；模块④接收到高电平信号，经过延时芯片U2约220us后，芯片U2的5号引脚输出为高电平，该信号经过电阻R35与三极管Q1的集电极相连；由于陶瓷窗没有破裂，接收到正常信号为低电平，经过非门U2A后为高电平，该信号经过电阻R31与三极管Q1的基极相连，使三极管Q1始终工作于导通状态，因此三极管Q1的集电极始终为低电平信号。该低电平信号经过电阻R36进入光驱动芯片U4，导致芯片U4的3号引脚和5号引脚为低电平，因此，二极管DB1和光发送器G4都不发光，为正常不充气状态。
当发生打火保护，且陶瓷窗破裂的情况下，模块①接收到光信号，经过光接收模块将光信号直接转换为低电平信号，该信号送入模块⑤的同时，经过非门U1A运算后送给模块④（高电平）。逻辑运算模块⑤接收到低电平信号，经过与门芯片U11B和U11C的运算，该打火信号直接封锁模块⑦中光发送芯片G5的输出，在1us内封锁高压电源；模块④接收到高电平信号，经过延时芯片U2约220us后，芯片U2的5号引脚输出为高电平，该信号经过电阻R35与三极管Q1的集电极相连（高电平）；同时，由于陶瓷窗破裂，模块②接收到无光信号，经过光接收芯片G2将光无信号转换成高电平，经过非门后为低电平，该信号经过电阻R31与三极管Q1的基极相连，不能控制三极管Q1集电极的电压；因此三极管Q1的集电极为高电平，该高电平信号经过电阻R36进入光驱动芯片U4，导致芯片U4的3号引脚和5号引脚为高电平，因此，二极管DB1和光发送器G4都发光，为陶瓷窗破裂充气状态。
当没有打火保护，且陶瓷窗没有破裂，但模块③接收到冷却水循环系统为故障状态时，光接收芯片G3接收到无光信号，并将该光信号转换成高电平信号，该信号经过非门芯片U3A转换成低电平信号，然后与模块⑤中的与门芯片U11C相连，使U11C的输出8号引脚为低电平,U11C的8号引脚经过电阻R37与光驱动芯片U5的2号及7号引脚相连，封锁该芯片3号及5号引脚为低电平，使发光二极管DB2及光发送芯片G5为无光状态，封锁高压电源的输出。
该保护装置实现时，采用模拟电路技术，集成在一块CPCI 4U机箱内的控制板上，板上主要包括光接收芯片HFBR2412，光发送芯片HFBR1414，延时芯片M51958，非门芯片74HC14，与门芯片74LS00，光驱动芯片SN75451和一些电阻、电容、二极管、电源芯片组成。图中，GND表示数字地。