CN110488342A - 一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，所述系统包括自给能中子探测器，弱电流放大器，ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路，还包含自给能中子探测器与弱电流放大器之间连接的双屏蔽双芯电缆，以及各部分之间的信号传输线。其中双屏蔽双芯电缆和弱电流放大器差分输入可实现消除和减小空间电磁和本底电流的干扰。单片机对信号的两次数字动态补偿运算，大幅缩减了电流信号的中子通量动态变化的响应时间。实现对反应堆堆芯中子通量动态变化的准确和及时监测。

Description

一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统
技术领域
本发明属于反应堆堆芯中子通量探测技术领域，涉及一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统。
背景技术
一般在反应堆中，为实现反应堆功率控制和堆芯各器件累计辐照剂量监测，采用自给能探测器进行实时监测和测量。自给能中子探测器的输出电流一般是10-14～10-5A，电流较小，经堆芯外部的电子学放大电路进行放大输出到二次仪表进行监测。一般的弱电流放大器不能够满足对这种量级的放大需求，所采用的电子学放大电路和二次仪表的电流信号对中子通量变化的反应时间较长，一定程度上限制了对反应堆堆芯功率控制的及时性。
本申请发明人在实现本申请发明技术的过程中，发现上述探测技术存在如下技术问题：
现有的电子学放大电路及二次仪表的信号电流对反应堆堆芯中子通量变化的反应时间较长，存在导致对堆芯功率控制不够及时的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，解决了对10-14～10-5A量级的电流进行放大，同时实现缩短信号电流对反应堆中子通量变化的反应时间，提升对反应堆堆芯功率及时控制的功能。
通过在探测器后接入一个弱电流放大器和数字处理系统，其中数字处理系统由ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路构成，弱电流放大器对原始电流信号进行初次放大，ADC电路电流信号转化为数字信号，单片机进行二次数字动态补偿运算以补偿缩减电流信号的反应时间，双路DAC及放大电路分别对运算结果和弱电流放大信号进行模拟信号转换。其中，只要利用数字处理系统对信号进行处理以达到补偿缩减反应时间的目的，都是本申请的保护点。
其技术方案如下：
一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，包括自给能中子探测器(SPND)、弱电流放大器、数字处理系统、数据采集模块和上位计算机，所述数字处理系统包括ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路，所述自给能中子探测器与弱电流放大器之间采用双屏蔽双芯电缆连接，弱电流放大器采用差分输入方式，双路DAC及放大电路输出未进行两次数字动态补偿运算的信号和进行两次数字动态补偿运算的信号，ADC电路与单片机采用双路信号传输，单片机和双路DAC及放大电路采用双路信号传输。
进一步，所述自给能中子探测器包括收集体、绝缘体和发射体。
进一步，弱电流放大器采用高性能高阻抗的运算放大器，前端输入端采用差分输入方式消除探测器及传输线的共模干扰。
进一步，ADC电路将弱电流放大器放大电流进行数模转换，以便于单片机进行数字信号处理。
进一步，所述单片机对ADC处理后的数字信号首次进行动态补偿运算缩减信号的响应时间，进一步再进行二次数字信号动态补偿处理，再次缩减信号的响应时间，动态补偿方法有向前差分变换法，向后差分变换法，阶跃响应不变法以及双线性变换法等。
进一步，双路DAC及放大电路将单片机处理后的信号进行数模转换，以便于进行远距离传输和与后续信号处理电路通信。
本发明的有益效果：
1.采用高性能高阻抗弱电流放大器可满足对10-14～10-5A初始信号电流的放大功能，输入端采用差分输入的方式可减小γ信号电流及环境本底电流的影响；
2.采用双屏蔽双芯电缆消除空间电磁对自给能中子探测器信号电流的影响，并且补偿传输线物理变化对电流信号的干扰；
3.利用单片机数字电路对电流信号进行两次数字动态补偿运算，大大缩减信号电流对中子通量变化的响应时间，解决了自给能中子探测器中电流响应时间过长，控制不及时，不准确的问题；
4.采用双路DAC及放大电路，可为后续信号处理系统提供多种输入模式，并且为信号从堆芯到操控室的远距离传输提供技术支持。
附图说明
图1为本发明自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统的结构示意图；
图2为本发明自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统的模块设计框架图。
图中：1.Inconel600收集体；2.绝缘体；3.发射体；4.双屏蔽双芯电缆；5.电流表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
自给能中子探测器的探测原理图如图1所示，Inconel600收集体1内紧密嵌套Al2O3或MgO绝缘体2，绝缘体2内紧密嵌套Rh(V，Co，Pt等)发射体3，双屏蔽双芯电缆4与收集体1采用激光焊接，双屏蔽双芯电缆4中信号芯线与发射体1采用钎焊焊接。在双屏蔽双芯外壳与芯线之间连接电流表可测探测信号电流。反应堆堆芯的中子入射到探测器芯部的发射体3时，与发射体3发生吸收反应生成易发生β衰变的原子核，原子核发生β衰变发出电子以一定的概率穿过绝缘体2被收集体1收集到，从而在收集体1和芯部发射体3间形成电势差，在外接电流表5时形成电流。由于所形成的电流较弱，一般电子学放大电路对这一弱电流的放大并不稳定，降低探测器的可靠性。当反应堆堆芯的中子通量发生变化时，由于探测器芯部发射体原子核β衰变存在半衰期，所以信号电流对中子通量的变化会产生一定的反应时间，导致对堆芯中子通量这一关键数据的监测不够及时，造成计算堆芯各材料的累计辐照剂量、探测器自身燃耗不够准确，控制反应堆平稳运行难度加大。
本申请中的测量系统适用于自给能中子探测器对中子通量的测量，通过在探测器后接入一个弱电流放大器和数字处理系统，其中数字处理系统包含ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路构成，弱电流放大器对原始电流信号进行初次放大，ADC电路电流信号转化为数字信号，单片机进行二次数字动态补偿运算以补偿缩减电流信号的反应时间，双路DAC及放大电路分别对运算结果和弱电流放大信号进行模拟信号转换。其中，只要利用数字处理系统对信号进行处理以达到补偿缩减反应时间的目的，都是本申请的保护点。
为解决上述问题和实现上述功能，本申请提供一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的数字电路测量系统，所述系统主要包括：包括自给能中子探测器(SPND)，弱电流放大器，ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路，实现对自给能中子探测器原始信号的放大，模数转换，缩短响应时间的二次运算及处理后的信号的数模转换。
其中，自给能中子探测器(SPND)包括收集体、绝缘体和发射体。
其中，弱电流放大器采用高性能高阻抗的运算放大器，前端输入端采用差分输入方式消除探测器及传输线的共模干扰。
其中，ADC电路将弱电流放大器放大电流进行数模转换，以便于单片机进行数字信号处理。
其中，单片机对ADC处理后的数字信号首次进行动态补偿运算缩减信号的响应时间，进一步再进行二次数字信号动态补偿处理，再次缩减信号的响应时间，动态补偿方法有向前差分变换法，向后差分变换法，阶跃响应不变法以及双线性变换法等。
其中，双路DAC及放大电路将单片机处理后的信号进行数模转换，以便于进行远距离传输和与后续信号处理电路通信。
其中，所述系统还包括：自给能探测器与弱电流放大器之间进行信号传输采用双屏蔽双芯电缆，用以消除空间电磁干扰，补偿传输线物理变化对信号的影响。
另一方面，本申请还提供了一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的数字电路系统，所述系统为利用数字电路对自给能探测器中子信号电流进行二次处理以缩减电流信号的响应时间。
实施例1
如图2所示，自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统包括了自给能中子探测器(SPND)，弱电流放大器，ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路，通过以上方式进行连接的自给能中子探测器信号测量系统可实现电流信号对所监测堆芯中子通量变化的迅速响应。本发明的具体测量方式为：
将自给能中子探测器(SPND)放置于反应堆堆芯中，产生一个10-14～10-5A量级弱电流信号，这一弱电流信号经过双屏蔽双芯传输电缆，采用差分输入方式输入到弱电流放大器中，弱电流放大器对信号进行放大。
弱电流放大器输出的电流传输到ADC电路进行模数转换，转换的数字信号和未经模数转换的信号双路输入到单片机中进行处理。
当堆芯中子通量发生变化，自给能中子探测器由于自身探测特性信号电流的跟随变化会延迟，经模数转化的信号与未经模数转化的信号双路输入到单片机，单片机可采用向前差分变换法、向后差分变换法、阶跃响应不变法以及双线性变化法对模数转换信号进行两次数字补偿运算，实验测试中可将铑自给能中子探测器的延迟时间常数由60秒缩减到5秒内，可将钒自给能中子探测器的延迟时间常数有325.47秒缩减到5.2秒，大大减少信号对中子通量变化的延迟。未经模数转换的信号不进行处理，以便后续观测原始信号作对比。
单片机处理的数字信号和未经处理的信号双路传输到双路DAC及放大电路中，双路DAC及放大电路对处理的数字信号进行数模转换，未处理的信号不进行数模转换，以便作为原始信号作为对比。同时对两路信号再次进行放大，再通过信号传输电缆传输给后续信号处理系统。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例给出了自给能中子探测器在反应堆堆芯中子通量稳定时的探测过程。
图2为自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统包含自给能中子探测器(SPND)，弱电流放大器，ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路。
自给能中子探测器(SPND)置于反应堆堆芯探测孔道中，由于中子辐照产生10-14～10-5A量级弱电流信号，通过双屏蔽双芯传输电缆传输到堆外差分输入到弱电流放大器中进行初步放大。电流信号经放大后输入ADC电路进行模数转换，转换的数字信号和未经模数转换的信号双路输入到单片机中进行处理。
反应堆堆芯中子通量稳定时，自给能中子探测器信号电流稳定，经初步放大及ADC模数转换的信号稳定不波动。由于信号对中子通量未有延迟，单片机对稳定信号不进行数字补偿运算。未经模数转换的信号也不处理，两路信号直接输入到双路DAC及放大电路中。双路DAC仅对经数模转换的信号进行数模转换，未经模数转换的信号不进行数模转换。放大电路对两路模拟信号进行再次放大，再通过信号传输电缆输出给后续数据采集模块及上位计算机。
上述本申请中实施例的技术方案，相比现有技术，存在以下技术效果和优点：
本发明所采用高性能高阻抗弱电流放大器可实现对自给能中子探测器输出的10-14～10-5A量级弱电流进行准确放大。
进一步的，弱电流放大器所采用的差分输入方式减小了γ信号以及环境本底电流的干扰。
进一步的，所采用的双屏蔽双芯电缆可消除空间电磁对信号电流的干扰，用以消除空间电磁干扰，补偿传输线物理变化对信号的影响。
进一步的，采用单片机对信号进行两次数字动态补偿运算，极大地缩减了电流信号对所监测中子通量变化的响应时间，保证了测量系统对所监测中子通量动态变化的及时响应。
同时，采用双路DAC及放大电路对信号进行数模转换及二次放大，保证了信号的长距离传输及与后续信号处理系统的兼容性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：包括自给能中子探测器、弱电流放大器、数字处理系统、数据采集模块和上位计算机，所述数字处理系统包括ADC电路，单片机和双路DAC及放大电路，所述自给能中子探测器与弱电流放大器之间采用双屏蔽双芯电缆连接，弱电流放大器采用差分输入方式，双路DAC及放大电路输出未进行两次数字动态补偿运算的信号和进行两次数字动态补偿运算的信号，ADC电路与单片机采用双路信号传输，单片机和双路DAC及放大电路采用双路信号传输。
2.根据权利要求1所述的自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：所述自给能中子探测器包括收集体、绝缘体和发射体。
3.根据权利要求1所述的自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：弱电流放大器采用高性能高阻抗的运算放大器，前端输入端采用差分输入方式消除探测器及传输线的共模干扰。
4.根据权利要求1所述的自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：ADC电路将弱电流放大器放大电流进行数模转换，以便于单片机进行数字信号处理。
5.根据权利要求1所述的自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：所述单片机对ADC处理后的数字信号首次进行动态补偿运算缩减信号的响应时间，进一步再进行二次数字信号动态补偿处理，再次缩减信号的响应时间，动态补偿方法包括向前差分变换法，向后差分变换法，阶跃响应不变法以及双线性变换法、。
6.根据权利要求1所述的自给能中子探测器缩减信号响应时间的测量系统，其特征在于：双路DAC及放大电路将单片机处理后的信号进行数模转换，以便于进行远距离传输和与后续信号处理电路通信。
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