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基于坎贝尔理论的数字化宽量程种子测量技术的初步研究
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    主要作者 : 乔宁 李铎 熊华胜, 清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 100084
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    技术研讨会
  • 上传时间:
    2014-09-15
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    作者

    主要作者 : 乔宁 李铎 熊华胜, 清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 100084

    应用领域

    核反应堆核测量系统

    挑战

    核测量系统必须全程监测核反应堆的功率水平,其中中子通量的变化范围达10个量级以上。如此宽的测量范围,同时又要保证一定的测量精度,采用一套测量装置是难以实现的。通常,核测量系统将10个量级的中子通量测量范围分为三个区段进行。传统模拟核测系统存在精度差,线性度不统一等问题,数字化核测量系统具有高速高精度,数据链接方便等优势,是未来核测量的发展的方向。

    解决方案

    本文基于坎贝尔理论,对数字化宽量程中子测量技术进行初步研究。在LabVIEW环境下,通过使用高速数据采集模块(ADLINK PCI-9846)采集模拟的裂变室输出信号,应用数字处理技术对采集的信号进行相关处理,并根据坎贝尔理论间接地测量出模拟的脉冲信号计数率值,该数值代表了核反应堆功率水平。计算结果分析表明,本文提出的基于坎贝尔理论的数字信号处理算法可以有效的实现脉冲信号计数率的测量。

    关键词:数字化核测量系统,坎贝尔理论,高速采样

    摘要

    核测量系统是核电厂最重要的测量系统之一,对于保证反应堆安全平稳运行起着极其重要的作用。核测量系统中使用的裂变室可以输出正比于中子通量的脉冲电流信号,反应堆的核功率正比于中子通量,故通过测量脉冲电流信号可以得到反应堆的核功率值。本文应用高速数据采集模块ADLINK PCI-9846,针对裂变室输出的脉冲电流信号,提出了一种基于坎贝尔理论的数字化脉冲信号处理方法,并利用LabVIEW进行了初步研究。研究结果表明:该方法可以较好地对裂变室输出的脉冲信号进行处理,对数字化的核测量系统的研发有一定的理论和工程价值。

    一、引言

    核测量系统是核电厂最重要的测量系统之一,对于保证反应堆安全平稳运行起着极其重要的作用,用于向核电站的其他仪表与控制系统(I&C系统)提供反应堆功率水平信息。

    中子通量对反应堆功率变化的响应速度快(毫秒级),所以普遍用来监测堆的热功率。由于堆芯内环境条件十分严酷,一般中子探测器难以长期工作,核电厂通常把中子探测器置于反应堆压力容器外,测量由堆芯泄漏出来的中子,所以也称为堆外中子测量系统,其注量率水平较堆内的要低三个数量级。

    核测量系统必须全程监测核反应堆的功率水平,从次临界冷停堆状态到特定的超功率状态,最大200%,其中中子通量的变化范围达10个量级以上。如此宽的测量范围,同时又要保证一定的测量精度,采用一套测量装置是难以实现的。通常,核测量系统将10个量级的中子通量测量范围分为三个区段进行,即源量程、中间量程和功率量程,相邻的两个测量区段间至少有一个量级的重叠搭界。相应于三个测量区段分别设置三种测量子系统,即源量程测量子系统、中间量程测量子系统和功率量程测量子系统

    早在上世纪六十年代,国外开始了宽量程中子测量技术的研究,研究中应用裂变室可以实现较宽范围内中子通量的监测,在中子通量水平比较低时,输出脉冲形式的电信号,脉冲的频率与中子通量水平成正比;随着中子通量水平的提高,脉冲信号彼此之间相互叠加,裂变室的输出信号是具有一定频率的脉动直流电信号,根据坎贝尔理论,此时信号的均方根值与中子通量水平成正比,也与反应堆核功率成正比;当中子通量进一步提高时,前置放大电路有可能饱和,改用电流检测法。

    本文基于坎贝尔理论,对数字化宽量程中子测量技术进行初步研究。在LabVIEW环境下,通过使用高速数据采集模块(ADLINK PCI-9846)采集模拟的裂变室输出信号,应用数字处理技术对采集的信号进行相关处理,并根据坎贝尔理论间接地测量出模拟的脉冲信号计数率值,该数值代表了核反应堆功率水平。

    二、数字化核测量系统

    2.1. 数字化核测量系统的优点

    基于模拟电子技术的宽量程核测量装置中某些固有的缺陷和不足,长期未能得到很好解决,主要有:

    (1)电路复杂,难以实现先进的信号处理算法,可靠性差;
    (2)长期运行漂移严重,测量稳定性差,例如应用模拟技术实现的均方根值计算电路因为器件的温漂、噪声等原因,计算结果难以实现较高的精度;
    (3)易受到噪声和电磁干扰,功率或周期信号不稳定是保护系统误动作的主要原因之一。
    (4)小型化十分困难。传统模拟技术的核测量装置体积庞大;
    (5)脉冲与坎贝尔测量方式线性度不同,搭接困难。

    与传统模拟核测量装置比较,数字化核测量装置具有很多明显的优势:

    (1)数字化处理装置由于信号传递等功能都由计算机实现,具有速度快,精度高,抗噪音和干扰性强等优点;
    (2)数字处理技术使得高级信号处理算法的实现成为可能,从而允许我们在更高的精度上抑制干扰,噪声,漂移等影响,提高测量的精确性和稳定性;
    (3)使用单一的测量方式,数字化后统一进行处理,线性度统一。
    (4)通过标准网络接口可以方便实现与其他数字化I&C系统(如控制系统、保护系统和控制室)设备的数据通信。
    因此,进行基于坎贝尔理论的数字化宽量程中子测量技术研究具有重要意义。

    2.2. 数字化核测量系统结构

    数字化核测量系统由两部分组成,分别是前置放大电路和数字化信号处理系统。


    图1 数字化核测量系统结构示意图

    前置放大电路中包含对裂变室输出信号进行脉冲放大的电路。脉冲放大电路的设计要求有较宽的频带和较低的放大倍数,以保证小脉冲信号的正确放大并防止小脉冲叠加信号放大后的输出饱和。

    信号处理系统使用数字化技术实现,由信号处理单元(CPU单元)、高速模拟信号采集单元(高速AD单元)和信号输出单元组成,信号处理单元控制其他两个单元的运行。高速AD单元在信号处理单元的控制下以20MHz的采样频率实现对输入信号的采集,采集结果以数组的方式输入信号处理单元;信号处理单元的软件应用滤波、积分等信号处理算法计算信号的均方根值;信号处理单元的计算结果通过信号输出单元输出,可以是数值显示的形式,也可以是电压/电流信号的形式。

    下面详细介绍本研究中的数字化处理系统。

    三、高速数据采集模块

    数据采集系统的采样频率提高对于数字化核测量系统的信号处理具有重要的意义。首先,高速采样可以区别间隔很小的脉冲,从而获得更多的波形信息,提高对波形的甄别能力。其次,高速采样可以有效减少背景噪声,文献记载采样频率到达信号频率的十倍时,数字系统信噪比接近最佳信噪比。

    出于对性能的综合考虑,高速数据采集模块采用凌华科技PCI-9846(如图2),它具有高速、大缓存和高精度的诸多优点。PCI-9846为4通道16位40MS/s采样数字化仪,专为输入信号频率高达20MHz的高频和高动态范围的信号而设计。模拟输入范围可以通过编程设置为±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配备了容量为512MB的板载内存,摆脱了PCI总线的约束,使之能储存更长时间的波形。PCI-9846配备了四个高线性度的16位A/D转换器,4通道同步单端模拟输入,每通道采样率最高40 MS/s。PCI-9846的SSI(系统同步接口)还可以实现多模块间的同步。


    图2 PCI-9846板卡

    四、数字化核测量系统的软件架构

    本文用于对脉冲信号处理的数字处理系统由三个模块组成:脉冲信号采集及预处理模块、脉冲计数模块和均方根值模块。

    4.1. 脉冲信号采集及预处理模块

    该模块的目的是从采集卡中读取脉冲信号,并进行简单的数字信号处理。实际工程中,裂变室的输出信号取决于中子通量,低水平时表现为离散的脉冲信号,其分布为泊松分布。因此,对采样周期有一定要求,周期过长可能导致反应速度过慢,失去控制意义,同时高频时单个脉冲采样点过少;周期过短可能导致统计涨落过大,影响精度。综上考虑,本课题在不同的频段使用不同的采样周期。

    由采样定理可知,若连续信号是有限带宽的,其频谱的最高频率为,对抽样时,若保证采样频率满足,那么可由恢复出,即保留了全部信息。实际对抽样时,首先要了解的最高截止频率,以确定应选取的抽样频率。当用采样频率对一个信号进行采样时,信号中以上的频率不是消失了,而是对称的映象到了以下的频带中,并且和以下的原有频率成分叠加起来。实际工程中,为了留有一定性能余量, 常取的3到5倍。由上文可知,当中子计数率为时,原本离散的脉冲信号已开始混叠,表现为脉冲和直流的叠加,也即基于坎贝尔理论的测量法由此而始。本课题使用的ADLINK PCI-9846板卡最高采样速率为40M兆每秒,不但可以完全满足采样定理要求,而且留有很大裕量。

    对于信号处理,必须考虑的一个问题就是滤波。数字滤波由程序实现,采用的数字滤波方法如下:

    峰值剔除滤波:一般认为,随机干扰一起的测量误差应该遵循正态分布,偏离均值三倍标准差的数值可以认为是异常值。舍去如上异常值后进行运算,其结果更接近于真实值。

    4.2. 脉冲计数模块

    该模块的目的是检测一段时间内的个数(如图3)。


    图3 脉冲电流信号

    该模块采用检测上升/下降沿的方式实现:连续监测到若干个高于/低于阈值的电压,就视为检测到一个脉冲。

    4.3. 均方根值模块

    由坎贝尔理论和核反应堆工程原理可知,一定条件下脉冲频率与均方根值成正比,而中子计数率与反应堆功率成正比,即通过检测均方根即可测得反应堆功率。只需利用如下公式:

    即可得到"预期"的频率,如果该频率与脉冲计数模块得出的频率近似,则说明均方根测量法是可行的。

    数字化信号处理的基本要求就是准确快速,为保证速度,充分发挥高速采样板卡的性能,每10ms作为一个周期计算一次均方根,但随之而来的问题是,由于脉冲信号的随机性,如此短的时间内采样数据的涨落很大,为消除此问题,采用了加权算法:

    为第i次的输出均方根值,为前一次的输出均方根值,为第i次的均方根值。 由上式可得出,

    设每次由于统计涨落带来的误差为:

    带入得

    通过改变a的值,就能控制误差的大小,达到准确的要求;由于采样周期仅为10ms,实际应用中输出的滞后可以忽略不计。
    上述所得中子通量再经如下计算即可得反应堆热功率:
    堆芯内任一点处的单位体积功率:

    为宏观裂变截面,为堆芯处的中子通量密度,如只考虑热中子引起的核裂变,则反应堆功率P为:

    五、基于LabVIEW的系统实现

    由于微电子技术、软件技术的的高速发展及在测量技术上的应用,对测量装置提出了更高的要求,在这种背景下,1986年美国国家仪器公司NI提出了虚拟仪器VI的概念。同传统技术相比,虚拟仪器技术具如下特点:

    (1)高性能

    虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的,所以完全继承了现有pc技术的优点,包括功能超卓的处理器和文件I/O,在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。同时,由于信号传递几乎全部是在软件中实现,所以在很大程度上排除了环境干扰和系统误差的影响。此外,不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

    (2)高扩展性

    由于即使pc机也拥有远胜于仪器内部处理能力,使得应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析成为可能,从而使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失,而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器使得我们不再受限于当前的硬件中,虚拟仪器只需更新计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。

    (3)无缝集成

    虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着软件在功能上不断地趋于复杂,通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,将多个测量设备集成到单个系统,减少了任务的复杂性。

    本文研究中应用LabView技术快速实现了一个"虚拟"的数字化宽量程核测量系统,并应用LabView提供的软件模块完成了测量系统的软件设计和开发,如图4,以研究和验证合适的数字信号处理算法。


    图4 均方根模块与脉冲计数模块

    本文的研究过程中,使用脉冲信号发生器来模拟核测系统中数字化处理单元的输入信号,即裂变室输出信号经过前置放大单元放大后的信号。因为脉冲信号发生器无法模拟脉冲信号叠加后的情形,下文的研究仅限于对脉冲信号的处理。

    在研究过程中,使用1kHZ脉冲电流信号作为基准,分别测试了100--100kHZ脉冲信号的基于坎贝尔理论的处理结果,并计算了其方差。如果知道1kHZ脉冲对应的的中子通量值,则由频率与均方根值成正比即可知测试频率对应的中子通量。

    计算结果分析表明,本文提出的基于坎贝尔理论的数字信号处理算法可以有效的实现脉冲信号计数率的测量。

    六、结论

    相比模拟系统,数字化核测系统具有精度高,抗干扰能力强,线性度统一等优势,是核测系统的发展方向。本文基于高速数据采集模块ADLINK PCI-9846,利用LabVIEW,针对裂变电离室输出的脉冲电流信号,基于坎贝尔理论提出了一种数字化的脉冲信号处理方式法,并进行了仿真研究。仿真结果表明:该方法可以较好地对裂变电离室输出的脉冲信号进行处理,并较准确地测量出反应堆核功率。

    本文的成果是对数字化宽量程中子测量技术进行的初步研究,还有许多深入细致的工作有待进一步完成。

    七、参考文献

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    [7] 陈小军,李宝祥,李凯.数字化核测仪表的设计与算法分析[J].核电子学与探测技术2003(3):163-166

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