CN105784785A - 基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统 - Google Patents

基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统。该系统包括：布置于棒束通道内的8贴片电极，用于控制电阻层析成像激励测量模式的开关阵列，用于提供精确正弦波电流的激励源，用于接收控制指令和发送数据的通信系统，用于系统间同步的触发信号产生电路。本发明通过对每一个棒束通道单独使用电阻层析成像，然后通过多通道频率复用的方式保证反应堆棒束通道两相流测量的精度，具有原理简单，可靠，能够有效探测棒束通道内部两相流分布的特点。

Description

基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统
技术领域
本发明属于两相流监测技术领域。
背景技术
电阻层析成像(ElectricalResistanceTomography，ERT)是根据被探测区域内部物质各异，其体现的电阻不同，从而实现被探测区域的测量。在实际测量中，需要先向被探测区域注入电流，然后通过布置在周边的电极测量电势，如果被探测区域物质变化，就会导致电极上测量的电势大小变化。通过测量电极上电势的变化就可以反推被探测区域的物质分布。该方法具有非侵入、速度快、系统简单、成本低等优势，被广泛应用在医学检测和两相流测量领域。
由于ERT方法的测量电极布置在被探测区域的周边，所以其测量精度存在着中心区域偏低的问题。对于普通的探测区域，可以通过增加一定的电极数或通过权重因子来提高中心区域的分辨率。例如，现有技术公开的一个装置就是通过32个电极来测量圆管通道内部的两相流分布。但是由于棒束通道中心区域大部分为棒束，使用传统的边界电极方法无法满足棒束通道测量精度的要求。因此本发明通过在每一个棒束通道布置8贴片电极，结合多通道频率复用的方法解决反应堆棒束通道ERT测量精度低的问题。
另外，目前电阻层析成像装置大部分使用FPGA、DSP、ARM等处理器和可编程逻辑器件，其系统复杂。
发明内容
本发明的目的是解决因棒束通道中心区域存在若干棒束，导致测量精度达不到要求的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于:包括贴片电极组、电阻层析成像模块、数据采集卡和计算机；
每一个贴片电极组包括八片贴片电极；核反应堆棒束通道内具有n×m个棒束，n和m均为大于或等于2的自然数；这些棒束中，每相邻的四根棒束的中间形成一个单棒束通道，每个单棒束通道配置一个贴片电极组，每根棒束面向单棒束通道的一侧贴有两片电极；
每个贴片电极组对应一个电阻层析成像模块；
所述电阻层析成像模块包括信号源和电阻层析成像控制电路；
每个贴片电极组均通过线缆与电阻层析成像电路连接；
所述信号源产生激励电压信号，通过电阻层析成像控制电路转换成激励电流信号，并加载到一个贴片电极组中的两个电极；
之后，电阻层析成像控制电路测量各个电极上的边界电压信号，将其送入到采集卡中；所述计算机通过采集卡得到信号，通过图像重建算法，实时获取棒束通道两相流的分布。
进一步，所述电阻层析成像控制电路(ERT)包括用于提供激励电流信号的压控电流源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制测量电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心。
采用高精度的电压激励电流源，用于为ERT测量系统提供精确的电流激励信号。可以使用具有宽频带视频运算放大器，保证信号噪声低、输出电流频率能快速跟随输入电压信号频率变化。该电流源接收外部电压信号源产生的精确电压信号，并输出精(度)确激励电流信号。
采用高速的门阵列电路，用于完成ERT激励测量模式的控制。可以使用两块快速门控芯片实现。其中一块芯片用于控制激励电流信号加载到测量电极上，另外一块芯片用于选择需要采集的测量电极。这两块芯片具有纳秒级别的控制速度，保证电极的选择速度能够满足ERT测量要求的速度。
所述逻辑控制的控制核心为微信号处理器MSP430，其用于完成门控电路的控制指令产生、数据/命令通信、同步触发信号产生。
进一步，所述压控电流源由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成Howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器。
进一步，门阵列由4个单刀8掷开关组成，其中两个开关用于控制激励电流源加载的电极，另外两个开关用于控制测试输出信号连接的电极；测量边界电压的电极同时连接在4组开关上，输出的电极电压通过仪表放大器转换成单端信号输出。
进一步，n和m均为大于或等于2的自然数；单棒束通道数量大于或等于1(如图中的3×3棒束，单棒束通道数量为4)；每个单棒束通道对应的贴片电极组和电阻层析成像模块同时工作，通过频率复用来实现同时测量；然后将多个单棒束通道的成像结果组合，完成整个棒束通道区域的测量。多个单棒束通道成像结果的组合是通过控制电路之间的同步触发信号完成图像同步的。
本发明的技术效果在于：
1)通过单棒束通道的测量，保证棒束通道的测量精度满足两相流测量精度的要求。
2)通过频率复用和触发同步，保证整个棒束通道区域都能够实现两相流的测量。
3)可以使用MSP430，保证ERT控制系统拥有低功耗、低成本的优势。
4)通过使用快速门阵列电路，保证ERT的激励测量速度能够满足系统需求。
5)通过使用视频运算放大器构建压控电流源，保证输出电流信号的频率和精度满足ERT测量系统的要求。
附图说明
图1是本发明设计的一种核反应堆棒束通道电阻层析成像系统原理框图。如图1所示，本发明所设计的一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流探测系统，在实际应用当中，包括固定在每个棒束上的8贴片测量电极、用于控制8贴片的激励测量模式以及同步触发信号的ERT控制电路、用于提供激励电压信号的信号源、用于进行数据采集的采集卡和用于进行图像重建的计算机。其中，8贴片电极只用于探测单棒束通道内部的两相流分布，多个通道同时进行测量，从而完成整个棒束区域的两相流分布测量。多个通道是通过频率复用完成同时测量的，且多个通道的控制电路之间是通过同步触发信号来实现测量同步并保证数据处理的同步。每一个棒束通道需要使用一个控制电路，对于9棒束形成的4通道则需要4个ERT控制电路。信号源用于提供电压形式的激励信号，该信号通过ERT控制电路的压控电流源转换成电流形式的激励信号。数据采集卡用于采集测量电极上的电势信息，同时采集每个ERT控制电路的同步触发信号，便于后期的图像重建和数据同步。计算机需要完成两个任务，一是利用采集卡得到的边界电压数据，通过图像重建算法，实时获取棒束通道两相流的分布；二是对ERT控制电路进行配置，设置合适的采集模式和参数。
实际使用中，信号源产生激励电压信号，通过ERT控制电路转换成激励电流信号。ERT控制电路将激励电流信号加载在8电极中的2个电极上。由于棒束通道内部两相流分布的不同，在边界电极上会产生不同的电势。ERT控制电路再将各个电极上的电压信号送入到采集卡中，采集卡实时的采集电极上的电压信息和同步触发信号，并将所有信息发送给计算机。计算机再通过各种图形重建算法，将实时采集到的边界电压信息转换成直观的两相流成像图。
图2是本发明设计的一种电阻层析成像控制电路原理框图。如图2所示，本发明所设计的一种用于核反应堆棒束通道ERT的控制电路。该电路包括用于提供激励电流信号的压控电流源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制测量电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心。压控电流源接收信号源输入的正弦波电压信号后，输出同频的正弦波电流信号。该信号一方面通过仪表放大器AD8429转换成电压信号输出到采集卡，另一方面直接送入到门阵列的输入端，通过门阵列输出到测量电极上。送入到采集卡的激励信号被直接输入到计算机，使用数字的方法对电极信号进行相位解调。门阵列由两块ADG726芯片组成，其中一个芯片接收激励电流信号，按照控制核心的控制指令将激励电流信号加载在不同的电极上；另外一个芯片用于将不同电极上的电压信号分时的输入到采集卡。这两个门控芯片的控制都由控制核心直接控制。通信模块使用串口完成ERT控制电路的控制命令和数据的传输。计算机可以通过串口将激励测量模式、测量间隔时间等参数发送给ERT控制电路，从而实现控制ERT激励测量方式的目的。同时ERT控制电路可以将一些参数数据通过串口发送给计算机。控制核心使用微信号处理器MSP430，具有低功耗、低成本、功能强大的特点，能够同时完成通信和激励测量模式控制的任务。MSP430在设计中与其他功能模块的连接方式如下：
1)P8.0-P8.7连接控制激励电流信号的芯片ADG726，与其地址选通接口A0-A4，片选信号CSA、CSB，使能信号WR、EN连接，用于控制ADG726的门阵列。
2)P9.0-P9.7连接控制测量信号的芯片ADG726，与其地址选通接口A0-A4，片选信号CSA、CSB，使能信号WR、EN连接，用于控制ADG726的门阵列。
3)UCA0TXD、UCA0RXD分别与MAX232芯片相连，用于与计算机通信。
图3是本发明设计的一种精确电压控制电流源原理图。如图3所示，本发明设计了一款精确的电压控制电流源。该电路由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成Howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器，其一方面可以保证输出端电压返回到输入端，另一方面可以避免输入端电流源的波动影响输出电压，从而提高压控电流源的精度。本电路的输出电流与输入电压的关系为：
I L = V i R 5
其中Vi为输入的电压，在本系统中由信号源提供。IL为压控电流源的输出电流。从公式中可以看到输出电流只由输入电压Vi和电阻R5决定，但是前提是必须要求电阻R2与R7相等，R3与R4相等。由电路可知，压控电流源的输出电流为：
I L = ( R 3 + R 4 ) R 2 - ( R 2 + R 7 ) R 3 ( R 3 + R 4 ) R 2 R 5 · V 0 + R 7 R 2 · V i R 5
在该式子中V0为Howland电路中运算放大器输出的电压，Vi为电路的输入电压。为了保证IL只与R5和Vi相关，首先要求R7等于R2，此时为了消除V0对IL的影响，则还需要R3与R4相等。在实际设计中选择R2、R3、R4与R7均相等为10K欧姆的电阻，而R5则选择1K的电阻。这些电阻全部选择1％的精度。经过计算可知，该电路输出电流的误差为1％。由于输入电压信号为正弦波，其幅度为5V，输出电流信号的幅度为5mA，误差则为0.05mA，能够满足系统要求。
另外，在压控电流源的设计过程中，选择具有高达140MHz频带宽度的运算放大器AD811，其压摆率为2500V/us，从而保证输出电流信号的频率能够根据输入电压芯片快速变化。
图4是本发明设计的一种电阻层析成像开关阵列原理框图。如图4所示，本发明设计了一款专门用于控制ERT激励测量模式的门阵列。该门阵列由4个单刀8掷开关组成，其中两个开关用于控制激励电流源加载的电极，另外两个开关用于控制测试输出信号连接的电极。测量边界电压的电极同时连接在4组开关上，输出的电极电压通过仪表放大器转换成单端信号输出。在实际使用中，该部分的门阵列由芯片ADG726提供。ADG726是一款包含两个单独的单刀16掷开关的芯片。使用该芯片可以为单棒束通道提供最多16电极的测量接口，能够进一步提供ERT测量的精度。在实际电路中，两块ADG726芯片的连接方式是：
1)两个芯片的SIA、SIB(I＝1～16)接口一一对应相连，并与外部电极相连。
2)用于控制激励信号输出的ADG726芯片的DA接口接激励电流源正极，DB接口接激励电流源负极。
3)用于控制测量信号输入的ADG726芯片的DA、DB接口分别接仪表放大器的正负输入口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，包括贴片电极组、电阻层析成像模块、数据采集卡和计算机；
每一个贴片电极组包括八片贴片电极；核反应堆棒束通道内具有n×m个棒束，n和m均为大于等于2的自然数；参见图1，存在3×3个棒束。这些棒束中，每相邻的四根棒束的中间形成一个单棒束通道(图1中存在四个单棒束通道)。
每个贴片电极组对应一个电阻层析成像模块；
所述电阻层析成像模块包括信号源和电阻层析成像控制电路(ERT)；
作为优选，本实施例公开一种低功耗、低成本的电阻层析成像控制电路(如图2所示)。其包括用于提供激励电流信号的压控电流源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制测量电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心。其中，所述压控电流源(参见图3)由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成Howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器。门阵列(参见图4)由4个单刀8掷开关组成，其中两个开关用于控制激励电流源加载的电极，另外两个开关用于控制测试输出信号连接的电极；测量边界电压的电极同时连接在4组开关上，输出的电极电压通过仪表放大器转换成单端信号输出。
每个贴片电极组均通过线缆与电阻层析成像电路连接；
所述信号源产生激励电压信号，通过电阻层析成像控制电路转换成激励电流信号，并加载到一个贴片电极组中的两个电极；
由于每一个棒束通道需要使用一个控制电路，实施例中，对于9棒束形成的4通道则需要4个ERT控制电路。信号源用于提供电压形式的激励信号，该信号通过ERT控制电路的压控电流源转换成电流形式的激励信号。数据采集卡用于采集测量电极上的电势信息，同时采集每个ERT控制电路的同步触发信号，便于后期计算机的图像重建和数据同步。
计算机则需要完成两个任务，一是利用采集卡得到的边界电压数据，通过图像重建算法，实时获取棒束通道两相流的分布；二是对ERT控制电路进行配置，设置合适的采集模式和参数。值得说明的是，本实施例公开的方案中，不使用棒束区域边界的电极来对棒束通道两相流进行成像，而是对每个单棒束通道使用8贴片电极进行成像。同时对多个单棒束通道进行成像，最后将所有的成像结合在一起，即完成整个棒束区域的测量。多个单棒束通道同时成像是通过频率复用完成的。其成像结果的组合是通过控制电路之间的同步触发信号完成图像同步的。

Claims (5)

1.一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于:包括贴片电极组、电阻层析成像模块、数据采集卡和计算机；
每一个贴片电极组包括八片贴片电极；核反应堆棒束通道内具有n×m个棒束，n和m均为大于或等于2的自然数；这些棒束中，每相邻的四根棒束的中间形成一个单棒束通道，每个单棒束通道配置一个贴片电极组，每根棒束面向单棒束通道的一侧贴有两片电极；
每个贴片电极组对应一个电阻层析成像模块；
所述电阻层析成像模块包括信号源和电阻层析成像控制电路；
每个贴片电极组均通过线缆与电阻层析成像电路连接；
所述信号源产生激励电压信号，通过电阻层析成像控制电路转换成激励电流信号，并加载到一个贴片电极组中的两个电极；
之后，电阻层析成像控制电路测量各个电极上的边界电压信号，将其送入到采集卡中；所述计算机通过采集卡得到信号，通过图像重建算法，实时获取棒束通道两相流的分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于：所述电阻层析成像控制电路包括用于提供激励电流信号的压控电流源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制测量电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心；所述逻辑控制的控制核心为微信号处理器MSP430。
3.根据权利要求2所述的一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于：所述压控电流源由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成Howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器。
4.根据权利要求2所述的一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于：门阵列由4个单刀8掷开关组成，其中两个开关用于控制激励电流源加载的电极，另外两个开关用于控制测试输出信号连接的电极；测量边界电压的电极同时连接在4组开关上，输出的电极电压通过仪表放大器转换成单端信号输出。
5.根据1～4任意一项权利要求所述的一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，其特征在于：n和m均为大于2的自然数；单棒束通道数量大于或等于4；
每个单棒束通道对应的贴片电极组和电阻层析成像模块同时工作，通过频率复用来实现同时测量；然后将多个单棒束通道的成像结果组合，完成整个棒束通道区域的测量。
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