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作者
主要作者 : 喬寧　李鐸　熊華勝，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院， 北京 100084

應(yīng)用領(lǐng)域

核反應(yīng)堆核測量系統(tǒng)

挑戰(zhàn)

    核測量系統(tǒng)必須全程監(jiān)測核反應(yīng)堆的功率水平，其中中子通量的變化范圍達(dá)10個量級以上。如此寬的測量范圍，同時又要保證一定的測量精度，采用一套測量裝置是難以實現(xiàn)的。通常，核測量系統(tǒng)將10個量級的中子通量測量范圍分為三個區(qū)段進(jìn)行。傳統(tǒng)模擬核測系統(tǒng)存在精度差，線性度不統(tǒng)一等問題，數(shù)字化核測量系統(tǒng)具有高速高精度，數(shù)據(jù)鏈接方便等優(yōu)勢，是未來核測量的發(fā)展的方向。

解決方案

    本文基于坎貝爾理論,對數(shù)字化寬量程中子測量技術(shù)進(jìn)行初步研究。在LabVIEW環(huán)境下，通過使用高速數(shù)據(jù)采集模塊（ADLINK PCI-9846）采集模擬的裂變室輸出信號，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)對采集的信號進(jìn)行相關(guān)處理，并根據(jù)坎貝爾理論間接地測量出模擬的脈沖信號計數(shù)率值,該數(shù)值代表了核反應(yīng)堆功率水平。計算結(jié)果分析表明，本文提出的基于坎貝爾理論的數(shù)字信號處理算法可以有效的實現(xiàn)脈沖信號計數(shù)率的測量。
  關(guān)鍵詞：數(shù)字化核測量系統(tǒng)，坎貝爾理論，高速采樣

摘要
   
    核測量系統(tǒng)是核電廠最重要的測量系統(tǒng)之一，對于保證反應(yīng)堆安全平穩(wěn)運(yùn)行起著極其重要的作用。核測量系統(tǒng)中使用的裂變室可以輸出正比于中子通量的脈沖電流信號，反應(yīng)堆的核功率正比于中子通量，故通過測量脈沖電流信號可以得到反應(yīng)堆的核功率值。本文應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集模塊ADLINK PCI-9846，針對裂變室輸出的脈沖電流信號，提出了一種基于坎貝爾理論的數(shù)字化脈沖信號處理方法，并利用LabVIEW進(jìn)行了初步研究。研究結(jié)果表明：該方法可以較好地對裂變室輸出的脈沖信號進(jìn)行處理，對數(shù)字化的核測量系統(tǒng)的研發(fā)有一定的理論和工程價值。

一、引言

    核測量系統(tǒng)是核電廠最重要的測量系統(tǒng)之一，對于保證反應(yīng)堆安全平穩(wěn)運(yùn)行起著極其重要的作用，用于向核電站的其他儀表與控制系統(tǒng)（I&C系統(tǒng)）提供反應(yīng)堆功率水平信息。

    中子通量對反應(yīng)堆功率變化的響應(yīng)速度快（毫秒級），所以普遍用來監(jiān)測堆的熱功率。由于堆芯內(nèi)環(huán)境條件十分嚴(yán)酷，一般中子探測器難以長期工作，核電廠通常把中子探測器置于反應(yīng)堆壓力容器外，測量由堆芯泄漏出來的中子，所以也稱為堆外中子測量系統(tǒng)，其注量率水平較堆內(nèi)的要低三個數(shù)量級。

    核測量系統(tǒng)必須全程監(jiān)測核反應(yīng)堆的功率水平，從次臨界冷停堆狀態(tài)到特定的超功率狀態(tài)，最大200%，其中中子通量的變化范圍達(dá)10個量級以上。如此寬的測量范圍，同時又要保證一定的測量精度，采用一套測量裝置是難以實現(xiàn)的。通常，核測量系統(tǒng)將10個量級的中子通量測量范圍分為三個區(qū)段進(jìn)行，即源量程、中間量程和功率量程，相鄰的兩個測量區(qū)段間至少有一個量級的重疊搭界。相應(yīng)于三個測量區(qū)段分別設(shè)置三種測量子系統(tǒng)，即源量程測量子系統(tǒng)、中間量程測量子系統(tǒng)和功率量程測量子系統(tǒng) 。

    早在上世紀(jì)六十年代,國外開始了寬量程中子測量技術(shù)的研究,研究中應(yīng)用裂變室可以實現(xiàn)較寬范圍內(nèi)中子通量的監(jiān)測，在中子通量水平比較低時，輸出脈沖形式的電信號，脈沖的頻率與中子通量水平成正比；隨著中子通量水平的提高，脈沖信號彼此之間相互疊加，裂變室的輸出信號是具有一定頻率的脈動直流電信號，根據(jù)坎貝爾理論，此時信號的均方根值與中子通量水平成正比，也與反應(yīng)堆核功率成正比；當(dāng)中子通量進(jìn)一步提高時，前置放大電路有可能飽和，改用電流檢測法。

    本文基于坎貝爾理論,對數(shù)字化寬量程中子測量技術(shù)進(jìn)行初步研究。在LabVIEW環(huán)境下，通過使用高速數(shù)據(jù)采集模塊（ADLINK PCI-9846）采集模擬的裂變室輸出信號，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)對采集的信號進(jìn)行相關(guān)處理，并根據(jù)坎貝爾理論間接地測量出模擬的脈沖信號計數(shù)率值,該數(shù)值代表了核反應(yīng)堆功率水平。

  二、數(shù)字化核測量系統(tǒng)

  2.1. 數(shù)字化核測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

    基于模擬電子技術(shù)的寬量程核測量裝置中某些固有的缺陷和不足，長期未能得到很好解決，主要有 :
（1）電路復(fù)雜，難以實現(xiàn)先進(jìn)的信號處理算法，可靠性差；
（2）長期運(yùn)行漂移嚴(yán)重，測量穩(wěn)定性差，例如應(yīng)用模擬技術(shù)實現(xiàn)的均方根值計算電路因為器件的溫漂、噪聲等原因，計算結(jié)果難以實現(xiàn)較高的精度；
（3）易受到噪聲和電磁干擾，功率或周期信號不穩(wěn)定是保護(hù)系統(tǒng)誤動作的主要原因之一。
（4）小型化十分困難。傳統(tǒng)模擬技術(shù)的核測量裝置體積龐大；
（5）脈沖與坎貝爾測量方式線性度不同，搭接困難。
與傳統(tǒng)模擬核測量裝置比較，數(shù)字化核測量裝置具有很多明顯的優(yōu)勢：
（1）數(shù)字化處理裝置由于信號傳遞等功能都由計算機(jī)實現(xiàn)，具有速度快，精度高，抗噪音和干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；
（2）數(shù)字處理技術(shù)使得高級信號處理算法的實現(xiàn)成為可能，從而允許我們在更高的精度上抑制干擾，噪聲，漂移等影響，提高測量的精確性和穩(wěn)定性；
（3）使用單一的測量方式，數(shù)字化后統(tǒng)一進(jìn)行處理，線性度統(tǒng)一。
（4）通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口可以方便實現(xiàn)與其他數(shù)字化I&C系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和控制室）設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

    因此，進(jìn)行基于坎貝爾理論的數(shù)字化寬量程中子測量技術(shù)研究具有重要意義。

2.2. 數(shù)字化核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    數(shù)字化核測量系統(tǒng)由兩部分組成，分別是前置放大電路和數(shù)字化信號處理系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    前置放大電路中包含對裂變室輸出信號進(jìn)行脈沖放大的電路。脈沖放大電路的設(shè)計要求有較寬的頻帶和較低的放大倍數(shù)，以保證小脈沖信號的正確放大并防止小脈沖疊加信號放大后的輸出飽和。

    信號處理系統(tǒng)使用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)，由信號處理單元（CPU單元）、高速模擬信號采集單元（高速AD單元）和信號輸出單元組成，信號處理單元控制其他兩個單元的運(yùn)行。高速AD單元在信號處理單元的控制下以20MHz的采樣頻率實現(xiàn)對輸入信號的采集，采集結(jié)果以數(shù)組的方式輸入信號處理單元；信號處理單元的軟件應(yīng)用濾波、積分等信號處理算法計算信號的均方根值；信號處理單元的計算結(jié)果通過信號輸出單元輸出，可以是數(shù)值顯示的形式，也可以是電壓/電流信號的形式。

下面詳細(xì)介紹本研究中的數(shù)字化處理系統(tǒng)。

三、高速數(shù)據(jù)采集模塊

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率提高對于數(shù)字化核測量系統(tǒng)的信號處理具有重要的意義。首先，高速采樣可以區(qū)別間隔很小的脈沖，從而獲得更多的波形信息，提高對波形的甄別能力。其次，高速采樣可以有效減少背景噪聲，文獻(xiàn)記載采樣頻率到達(dá)信號頻率的十倍時，數(shù)字系統(tǒng)信噪比接近最佳信噪比。

    出于對性能的綜合考慮，高速數(shù)據(jù)采集模塊采用凌華科技PCI-9846（如圖2），它具有高速、大緩存和高精度的諸多優(yōu)點(diǎn)。PCI-9846為4通道16位40MS/s采樣數(shù)字化儀，專為輸入信號頻率高達(dá)20MHz的高頻和高動態(tài)范圍的信號而設(shè)計。模擬輸入范圍可以通過編程設(shè)置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量為512MB的板載內(nèi)存，擺脫了PCI總線的約束，使之能儲存更長時間的波形。PCI-9846配備了四個高線性度的16位A/D轉(zhuǎn)換器，4通道同步單端模擬輸入，每通道采樣率最高40 MS/s。PCI-9846的SSI（系統(tǒng)同步接口）還可以實現(xiàn)多模塊間的同步。
 

圖2 PCI-9846板卡

四、數(shù)字化核測量系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

    本文用于對脈沖信號處理的數(shù)字處理系統(tǒng)由三個模塊組成：脈沖信號采集及預(yù)處理模塊、脈沖計數(shù)模塊和均方根值模塊。

4.1. 脈沖信號采集及預(yù)處理模塊

    該模塊的目的是從采集卡中讀取脈沖信號，并進(jìn)行簡單的數(shù)字信號處理。實際工程中，裂變室的輸出信號取決于中子通量，低水平時表現(xiàn)為離散的脈沖信號，其分布為泊松分布。因此，對采樣周期有一定要求，周期過長可能導(dǎo)致反應(yīng)速度過慢，失去控制意義，同時高頻時單個脈沖采樣點(diǎn)過少；周期過短可能導(dǎo)致統(tǒng)計漲落過大，影響精度。綜上考慮，本課題在不同的頻段使用不同的采樣周期。

 
      對于信號處理，必須考慮的一個問題就是濾波。數(shù)字濾波由程序?qū)崿F(xiàn)，采用的數(shù)字濾波方法如下：

       峰值剔除濾波：一般認(rèn)為，隨機(jī)干擾一起的測量誤差應(yīng)該遵循正態(tài)分布，偏離均值三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值可以認(rèn)為是異常值。舍去如上異常值后進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果更接近于真實值。

4.2. 脈沖計數(shù)模塊

      該模塊的目的是檢測一段時間內(nèi)的個數(shù)（如圖3）。

圖3 脈沖電流信號

    該模塊采用檢測上升/下降沿的方式實現(xiàn)：連續(xù)監(jiān)測到若干個高于/低于閾值的電壓，就視為檢測到一個脈沖。

4.3. 均方根值模塊

    由坎貝爾理論和核反應(yīng)堆工程原理可知，一定條件下脈沖頻率與均方根值成正比，而中子計數(shù)率與反應(yīng)堆功率成正比，即通過檢測均方根即可測得反應(yīng)堆功率。只需利用如下公式：

即可得到"預(yù)期"的頻率，如果該頻率與脈沖計數(shù)模塊得出的頻率近似，則說明均方根測量法是可行的。

    數(shù)字化信號處理的基本要求就是準(zhǔn)確快速，為保證速度，充分發(fā)揮高速采樣板卡的性能，每10ms作為一個周期計算一次均方根，但隨之而來的問題是，由于脈沖信號的隨機(jī)性，如此短的時間內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的漲落很大，為消除此問題，采用了加權(quán)算法：

為第i次的輸出均方根值， 為前一次的輸出均方根值， 為第i次的均方根值。由上式可得出，

設(shè)每次由于統(tǒng)計漲落帶來的誤差為 :

將 帶入得

通過改變a的值，就能控制誤差的大小，達(dá)到準(zhǔn)確的要求 ；由于采樣周期僅為10ms，實際應(yīng)用中輸出的滯后可以忽略不計。

上述所得中子通量再經(jīng)如下計算即可得反應(yīng)堆熱功率：

堆芯內(nèi)任一點(diǎn) 處的單位體積功率：
 

為宏觀裂變截面， 為堆芯 處的中子通量密度，如只考慮熱中子引起的核裂變，則反應(yīng)堆功率P為：

五、基于LabVIEW的系統(tǒng)實現(xiàn)

    由于微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的的高速發(fā)展及在測量技術(shù)上的應(yīng)用，對測量裝置提出了更高的要求，在這種背景下，1986年美國國家儀器公司NI提出了虛擬儀器VI的概念。同傳統(tǒng)技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具如下特點(diǎn)：
（1）高性能
    虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全繼承了現(xiàn)有pc技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。同時，由于信號傳遞幾乎全部是在軟件中實現(xiàn)，所以在很大程度上排除了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。
（2）高擴(kuò)展性
    由于即使pc機(jī)也擁有遠(yuǎn)勝于儀器內(nèi)部處理能力，使得應(yīng)用計算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析成為可能，從而使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器使得我們不再受限于當(dāng)前的硬件中，虛擬儀器只需更新計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。
  （3）無縫集成
    虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著軟件在功能上不斷地趨于復(fù)雜，通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

    本文研究中應(yīng)用LabView技術(shù)快速實現(xiàn)了一個"虛擬"的數(shù)字化寬量程核測量系統(tǒng)，并應(yīng)用LabView提供的軟件模塊完成了測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計和開發(fā)，如圖4，以研究和驗證合適的數(shù)字信號處理算法。

圖4 均方根模塊與脈沖計數(shù)模塊

    本文的研究過程中，使用脈沖信號發(fā)生器來模擬核測系統(tǒng)中數(shù)字化處理單元的輸入信號，即裂變室輸出信號經(jīng)過前置放大單元放大后的信號。因為脈沖信號發(fā)生器無法模擬脈沖信號疊加后的情形，下文的研究僅限于對脈沖信號的處理。

    在研究過程中，使用1kHZ脈沖電流信號作為基準(zhǔn)，分別測試了100--100kHZ脈沖信號的基于坎貝爾理論的處理結(jié)果，并計算了其方差。如果知道1kHZ脈沖對應(yīng)的的中子通量值，則由頻率與均方根值成正比即可知測試頻率對應(yīng)的中子通量。
 

    計算結(jié)果分析表明，本文提出的基于坎貝爾理論的數(shù)字信號處理算法可以有效的實現(xiàn)脈沖信號計數(shù)率的測量。

六、結(jié)論

    相比模擬系統(tǒng)，數(shù)字化核測系統(tǒng)具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，線性度統(tǒng)一等優(yōu)勢，是核測系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文基于高速數(shù)據(jù)采集模塊ADLINK PCI-9846，利用LabVIEW，針對裂變電離室輸出的脈沖電流信號，基于坎貝爾理論提出了一種數(shù)字化的脈沖信號處理方式法，并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：該方法可以較好地對裂變電離室輸出的脈沖信號進(jìn)行處理，并較準(zhǔn)確地測量出反應(yīng)堆核功率。

      本文的成果是對數(shù)字化寬量程中子測量技術(shù)進(jìn)行的初步研究，還有許多深入細(xì)致的工作有待進(jìn)一步完成。

七、參考文獻(xiàn)

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