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作者
主要作者 : 喬寧　李鐸　熊華勝，清華大學核能與新能源技術研究院， 北京 100084

應用領域

核反應堆核測量系統

挑戰

    核測量系統必須全程監測核反應堆的功率水平，其中中子通量的變化范圍達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的。通常，核測量系統將10個量級的中子通量測量范圍分為三個區段進行。傳統模擬核測系統存在精度差，線性度不統一等問題，數字化核測量系統具有高速高精度，數據鏈接方便等優勢，是未來核測量的發展的方向。

解決方案

    本文基于坎貝爾理論,對數字化寬量程中子測量技術進行初步研究。在LabVIEW環境下，通過使用高速數據采集模塊（ADLINK PCI-9846）采集模擬的裂變室輸出信號，應用數字處理技術對采集的信號進行相關處理，并根據坎貝爾理論間接地測量出模擬的脈沖信號計數率值,該數值代表了核反應堆功率水平。計算結果分析表明，本文提出的基于坎貝爾理論的數字信號處理算法可以有效的實現脈沖信號計數率的測量。
  關鍵詞：數字化核測量系統，坎貝爾理論，高速采樣

摘要
   
    核測量系統是核電廠最重要的測量系統之一，對于保證反應堆安全平穩運行起著極其重要的作用。核測量系統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堆的核功率值。本文應用高速數據采集模塊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字化脈沖信號處理方法，并利用LabVIEW進行了初步研究。研究結果表明：該方法可以較好地對裂變室輸出的脈沖信號進行處理，對數字化的核測量系統的研發有一定的理論和工程價值。

一、引言

    核測量系統是核電廠最重要的測量系統之一，對于保證反應堆安全平穩運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（I&C系統）提供反應堆功率水平信息。

    中子通量對反應堆功率變化的響應速度快（毫秒級），所以普遍用來監測堆的熱功率。由于堆芯內環境條件十分嚴酷，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，其注量率水平較堆內的要低三個數量級。

    核測量系統必須全程監測核反應堆的功率水平，從次臨界冷停堆狀態到特定的超功率狀態，最大200%，其中中子通量的變化范圍達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的。通常，核測量系統將10個量級的中子通量測量范圍分為三個區段進行，即源量程、中間量程和功率量程，相鄰的兩個測量區段間至少有一個量級的重疊搭界。相應于三個測量區段分別設置三種測量子系統，即源量程測量子系統、中間量程測量子系統和功率量程測量子系統 。

    早在上世紀六十年代,國外開始了寬量程中子測量技術的研究,研究中應用裂變室可以實現較寬范圍內中子通量的監測，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，也與反應堆核功率成正比；當中子通量進一步提高時，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,對數字化寬量程中子測量技術進行初步研究。在LabVIEW環境下，通過使用高速數據采集模塊（ADLINK PCI-9846）采集模擬的裂變室輸出信號，應用數字處理技術對采集的信號進行相關處理，并根據坎貝爾理論間接地測量出模擬的脈沖信號計數率值,該數值代表了核反應堆功率水平。

  二、數字化核測量系統

  2.1. 數字化核測量系統的優點

    基于模擬電子技術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）電路復雜，難以實現先進的信號處理算法，可靠性差；
（2）長期運行漂移嚴重，測量穩定性差，例如應用模擬技術實現的均方根值計算電路因為器件的溫漂、噪聲等原因，計算結果難以實現較高的精度；
（3）易受到噪聲和電磁干擾，功率或周期信號不穩定是保護系統誤動作的主要原因之一。
（4）小型化十分困難。傳統模擬技術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。
與傳統模擬核測量裝置比較，數字化核測量裝置具有很多明顯的優勢：
（1）數字化處理裝置由于信號傳遞等功能都由計算機實現，具有速度快，精度高，抗噪音和干擾性強等優點；
（2）數字處理技術使得高級信號處理算法的實現成為可能，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定性；
（3）使用單一的測量方式，數字化后統一進行處理，線性度統一。
（4）通過標準網絡接口可以方便實現與其他數字化I&C系統（如控制系統、保護系統和控制室）設備的數據通信。

    因此，進行基于坎貝爾理論的數字化寬量程中子測量技術研究具有重要意義。

2.2. 數字化核測量系統結構

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

圖1 數字化核測量系統結構示意圖

    前置放大電路中包含對裂變室輸出信號進行脈沖放大的電路。脈沖放大電路的設計要求有較寬的頻帶和較低的放大倍數，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。

    信號處理系統使用數字化技術實現，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的采樣頻率實現對輸入信號的采集，采集結果以數組的方式輸入信號處理單元；信號處理單元的軟件應用濾波、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果通過信號輸出單元輸出，可以是數值顯示的形式，也可以是電壓/電流信號的形式。

下面詳細介紹本研究中的數字化處理系統。

三、高速數據采集模塊

    數據采集系統的采樣頻率提高對于數字化核測量系統的信號處理具有重要的意義。首先，高速采樣可以區別間隔很小的脈沖，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，文獻記載采樣頻率到達信號頻率的十倍時，數字系統信噪比接近最佳信噪比。

    出于對性能的綜合考慮，高速數據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點。PCI-9846為4通道16位40MS/s采樣數字化儀，專為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動態范圍的信號而設計。模擬輸入范圍可以通過編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量為512MB的板載內存，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（系統同步接口）還可以實現多模塊間的同步。
 

圖2 PCI-9846板卡

四、數字化核測量系統的軟件架構

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

4.1. 脈沖信號采集及預處理模塊

    該模塊的目的是從采集卡中讀取脈沖信號，并進行簡單的數字信號處理。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，周期過長可能導致反應速度過慢，失去控制意義，同時高頻時單個脈沖采樣點過少；周期過短可能導致統計漲落過大，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。數字濾波由程序實現，采用的數字濾波方法如下：

       峰值剔除濾波：一般認為，隨機干擾一起的測量誤差應該遵循正態分布，偏離均值三倍標準差的數值可以認為是異常值。舍去如上異常值后進行運算，其結果更接近于真實值。

4.2. 脈沖計數模塊

      該模塊的目的是檢測一段時間內的個數（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：連續監測到若干個高于/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，而中子計數率與反應堆功率成正比，即通過檢測均方根即可測得反應堆功率。只需利用如下公式：

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

    數字化信號處理的基本要求就是準確快速，為保證速度，充分發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性，如此短的時間內采樣數據的漲落很大，為消除此問題，采用了加權算法：

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，

設每次由于統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，達到準確的要求 ；由于采樣周期僅為10ms，實際應用中輸出的滯后可以忽略不計。

上述所得中子通量再經如下計算即可得反應堆熱功率：

堆芯內任一點 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，則反應堆功率P為：

五、基于LabVIEW的系統實現

    由于微電子技術、軟件技術的的高速發展及在測量技術上的應用，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。同傳統技術相比，虛擬儀器技術具如下特點：
（1）高性能
    虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全繼承了現有pc技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。同時，由于信號傳遞幾乎全部是在軟件中實現，所以在很大程度上排除了環境干擾和系統誤差的影響。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。
（2）高擴展性
    由于即使pc機也擁有遠勝于儀器內部處理能力，使得應用計算機直接參與測試信號的產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中消失，而由計算機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前的硬件中，虛擬儀器只需更新計算機或測量硬件，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整個系統。
  （3）無縫集成
    虛擬儀器技術從本質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雜，通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。

    本文研究中應用LabView技術快速實現了一個"虛擬"的數字化寬量程核測量系統，并應用LabView提供的軟件模塊完成了測量系統的軟件設計和開發，如圖4，以研究和驗證合適的數字信號處理算法。

圖4 均方根模塊與脈沖計數模塊

    本文的研究過程中，使用脈沖信號發生器來模擬核測系統中數字化處理單元的輸入信號，即裂變室輸出信號經過前置放大單元放大后的信號。因為脈沖信號發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，分別測試了100--100kHZ脈沖信號的基于坎貝爾理論的處理結果，并計算了其方差。如果知道1kHZ脈沖對應的的中子通量值，則由頻率與均方根值成正比即可知測試頻率對應的中子通量。
 

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

六、結論

    相比模擬系統，數字化核測系統具有精度高，抗干擾能力強，線性度統一等優勢，是核測系統的發展方向。本文基于高速數據采集模塊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字化的脈沖信號處理方式法，并進行了仿真研究。仿真結果表明：該方法可以較好地對裂變電離室輸出的脈沖信號進行處理，并較準確地測量出反應堆核功率。

      本文的成果是對數字化寬量程中子測量技術進行的初步研究，還有許多深入細致的工作有待進一步完成。

七、參考文獻

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