CN113436766B - 一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，涉及核测量仪表系统领域，解决了电子噪声较高，非程控绘制甄别特性曲线，应用局限的问题。本发明包括用于输出到控制柜(16)的多重冗余保护组，每个保护组设置有测量通道，中子探测器(1)将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分，调理部分用于转换电信号为脉冲信号放大后以光隔离的形式发送至处理部分；处理部分采集放大输出的脉冲信号后通过通讯模块(10)输出至控制柜(16)，处理部分和控制柜(16)用于对反应堆功率水平、功率变化和功率分布的连续监测。本发明控制灵活、数据处理能力强、稳定性优。

Description

一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备

技术领域

本发明涉及核测量仪表系统，具体涉及一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备。

背景技术

核电厂堆外核仪表系统通过安装在反应堆压力容器外的一系列中子探测器来测量堆芯泄漏的中子注量率，探测器测得的脉冲/电流信号送到系统保护机柜进行调理和处理，实现对反应堆功率水平、功率变化和功率分布的连续监测，为操纵员提供在堆芯装/卸料、停堆、启堆和功率运行期间反应堆的状态信息，并在中子注量率高和中子注量率快变化时触发反应堆紧急停堆。堆外核仪表系统设备是核电厂的关键设备。

目前，随着核电厂仪表与控制系统设备的数字化发展趋势，堆外核仪表系统设备也广泛应用了数字化技术，相关的资料可以见2015年3月发表于《核电子学与探测器技术》中的《堆外核测量系统的数字化设计》，以及2013年申请的专利《基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统》。现有数字化堆外核仪表系统(堆外核测量系统)主要是将原模拟仪表有关信号处理的部分用数字化技术实现，并采用了并行总线技术以及数字通讯技术，具备数字化设备的基本特征。

这些数字化堆外核仪表系统设备存在三点不足：一是设备数字部分电子噪声较高，为了不影响设备的微弱信号测量，必须额外提高数字部分的品质；二是数字化技术的深度不足，还存在手动调节的布置，不能程控绘制甄别特性曲线；三是数字化技术应用范围存在局限，部分采用堆外核仪表系统信号的专用设备功能，在核仪表系统数字化后可以集成在本系统中，而现有的数字化核仪表系统未考虑这些功能，典型的如反应性计算。

因此，有必要以数字化为核心理念，研发一套核电厂堆外核仪表系统设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：电子噪声较高，非程控绘制甄别特性曲线，应用局限；

本发明提供了解决上述问题的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，包括用于输出到控制柜的多重冗余保护组，每个保护组设置有测量通道，测量通道设置有安装在反应堆压力容器外的中子探测器，还包括调理部分和处理部分；

中子探测器将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分，调理部分用于转换电信号为脉冲信号放大后以光隔离的形式发送至处理部分；

处理部分采集放大输出的脉冲信号后通过通讯模块输出至控制柜，处理部分和控制柜用于对反应堆功率水平、功率变化和功率分布的连续监测。

所述调理部分包括调理低压电源、放大、高压；中子探测器将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分，调理低压电源向调理部分提供低压，放大将中子探测器输出的电信号放大后转换为脉冲信号，以光隔离的形式发送至处理部分，对应不同类型的中子探测器，放大采用不同的测量方案，高压为中子探测器提供工作电源高压，高压输出值可根据处理部分的控制值调节。当放大为脉冲类型，进行放大的信号的甄别阈值根据处理部分的控制值调节。

所述处理部分包括频率采集、开关量采集、模拟量采集、处理、通讯模块、模拟量输出、开关量输出、维护模块和处理低压电源；处理低压电源向处理部分提供低压，处理部分包括处理，处理通过总线与其他处理部分的设备实现数据交互，所述频率采集用于采集放大输出的脉冲信号，并通过总线发送至处理单元，开关量采集用于采集外部或调理部分的开关量信号，模拟量采集用于采集外部或高压采样的信号，通讯模块用于将处理的结果以及处理部分内的设备信息发送至控制柜，模拟量输出用于输出外部接口所需的电流信号或电压信号，开关量输出用于输出外部接口所需的干触点信号，维护模块在设备维护状态工作，使用人员通过维护模块实现对处理的控制。所述处理部分的总线通讯采用PCI-E总线形式，所述处理部分的总线为串行通讯总线。

还包括仅在设备维护或定期试验期间接入的试验信号源和维护设备，试验信号源用于模拟各类中子探测器输出的信号，并维护设备的控制实现连续输出，试验信号源的信号送入放大进行设备测量能力检查；维护设备是数字设备，维护设备采用网络通讯的方式通过维护模块与处理实现数据交互，维护设备用于人员使用进行数据查看或设备控制，维护设备同时控制试验信号源。

处理部分采用自诊断技术用于对处理部分内的各个设备进行安全在线自诊断，包括利用电子开关，在预定时间动作，由仪表检查外部的激励响应，判断通道或部件是否正常；并将检查结果上报至处理，由处理将故障信息发送至控制柜显示。

与现有数字化堆外核仪表系统设备相比，除了具有数字化设备控制灵活、数据处理能力强、稳定性优等特点外，本发明在调理部分、处理方法和设备状态自诊断等方面实现突破，具体如下的优点和有益效果：

(1)实现调理部分与处理部分的全光隔离架构，调理部分的测量信号以光脉冲信号的方式送入处理部分。这种架构的优点在于：第一、光隔离的方式切断了处理部分对调理部分的干扰路径，核仪表系统设备测量对象是微弱信号(幅度约为1mV的微弱脉冲信号或1pA级的电流信号)，其调理部分容易受到电磁干扰，相比于电磁隔离的方式，光隔离的方式不会接受到反射的噪声，降低了处理部分对调理部分的干扰。第二、TTL电平脉冲信号的抗干扰能力强、并且受温度等环境因素影响小，测量具有稳定性。第三、脉冲信号采集的精度高，现有高速脉冲采集设备，采用上升沿捕捉的方式，对于1MHz的信号，误差可小于±1Hz。该架构的具体实现途径是：对于脉冲型信号，对脉冲信号进行放大、整形后，采用光隔离器件实现TTL电平脉冲信号的光隔离传输。对于相对较大的电流型信号，采用电流转频率技术，将电流信号转换为频率信号(固定周期的脉冲信号)，再采用光隔离器件实现TTL电平频率信号的光隔离传输。对于相对较小的电流型信号，采用电流转电压、电压转频率技术，将电流信号转换为频率信号(固定周期的脉冲信号)，再采用光隔离器件实现TTL电平频率信号的光隔离传输。对于模拟量信号，利用线性光隔离芯片HCNR201实现模拟量信号的光隔离。对于开关量信号，利用高速光隔离芯片实现开关量信号的光隔离。

(2)采用PCI-E串行总线架构实现数字化堆外核仪表系统设备。并行总线架构，将所有的板卡挂在同一总线下，一旦单个模块的总线接口异常，容易导致该总线上所有的设备数据交互异常，某模块的总线输出控制端不能保持高阻状态时，会将总线上相关的信号线强制置位。采用串行总线架构，由于模块间的串行总线均有单独的线路，即便单个模块异常，仍然不影响系统的其他模块工作。该架构提高了数字化核仪表系统设备的可用性和可维护性。

(3)处理部分采用自诊断技术，诊断覆盖率超过90％。处理部分的模块按照功能安全相关标准，实现在线自诊断。具体是利用电子开关，在预定时间动作，由仪表检查外部的激励响应，判断通道或部件是否正常。在线自诊断每48小时完成一个周期的检查，并将检查结果上报至处理，由处理将故障信息发送至控制柜显示。

(4)可实现闭环的自动检测。维护设备与处理和试验信号源间采用数字通讯实现数据交互，试验信号由维护设备发出，经过试验信号源、放大、频率采集、处理和维护模块，最终送回维护设备。维护设备可根据收集的数据进行自动数据符合，实现一键测试。结合在线自诊断功能，能够实现本设备范围内的全通道功能性能检测。

(5)具备反应性计算的功能。传统反应性仪需要利用堆外核仪表系统的探测器信号，使用专用反应性仪进行反应性计算。本设备考虑了反应性计算对采样时间、采样长度和采样连续性等要求，将数据送入控制柜，由控制柜实现反应性计算，满足核电厂对反应性计算的需求，简化了核电厂相关的系统设计。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的堆外核仪表系统设备组成关系示意图。

图2为本发明的单个保护组堆外核仪表系统设备组成关系示意图。

图3为本发明的堆外核仪表系统设备工作模式信号测量流程示意图。

图4为本发明的堆外核仪表系统设备维护模式精度检定流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、中子探测器；2、调理低压电源；3、处理低压电源；4、放大；5、高压；6、频率采集；7、开关量采集；8、模拟量采集；9、处理；10、通讯模块；11、模拟量输出；12、开关量输出；13、维护模块；14、试验信号源；15、维护设备；16、控制柜。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

堆外核仪表系统设备采用多重冗余保护组的方式。根据系统设置不同，每个保护组又分为多个测量通道，现有核电厂通常分为源量程测量通道、中间量程测量通道和功率量程测量通道。核电厂堆外核仪表系统设备包括各量程中子探测器源量程、中间量程和功率量程、核测量柜、控制柜、试验信号源和维护设备。其中，信号源和维护设备仅在设备维护期间使用。

进一步堆外核仪表系统设备的组成如附图2所示，本发明的堆外核仪表系统设备共有16部分组成，具体包括中子探测器1、调理低压电源2、处理低压电源3、放大4、高压5、频率采集6、开关量采集7、模拟量采集8、处理9、通讯模块10、模拟量输出11、开关量输出12、维护模块13、试验信号源14、维护设备15和控制柜16。其中，调理低压电源2、放大4、高压5构成了堆外核仪表系统设备的调理部分；频率采集6、开关量采集7、模拟量采集8、处理9、通讯模块10、模拟量输出11、开关量输出12、维护模块13构成了堆外核仪表系统设备的处理部分。

中子探测器1将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分。

调理低压电源2向调理部分提供低压。放大4将中子探测器输出的电信号放大后转换为脉冲信号，以光隔离的形式发送至处理部分，对应不同类型的中子探测器，放大采用不同的测量方案。高压5为中子探测器提供工作电源高压，高压输出值可根据处理部分的控制值调节。如果放大为脉冲类型，其甄别阈值可根据处理部分的控制值调节。

处理部分的总线通讯采用PCI-E总线形式，该总线为串行通讯总线。处理低压电源3向处理部分提供低压。处理9是处理部分的核心，其通过总线与其他处理部分实现数据交互，对堆外核仪表系统的各计算要求进行处理。频率采集6用于采集放大输出的脉冲信号，将其结果通过总线发送至处理单元。开关量采集7用于采集外部或调理部分的开关量信号。模拟量采集8用于采集外部或高压采样的信号。通讯模块10用于将测量结果以及设备信息发送至控制柜。模拟量输出11用于输出外部接口所需的电流信号或电压信号。开关量输出12用于输出外部接口所需的干触点信号。维护模块13在设备维护状态工作，使用人员通过维护模块实现对处理的控制。处理部分采用自诊断技术，诊断覆盖率超过90％。

控制柜16是本系统的显示控制设备，其接收本系统内各通讯模块发送的设备信息，在本地具备一定的显示和控制功能。

还包括仅在设备维护或定期试验期间接入的试验信号源14和维护设备15，试验信号源14用于模拟各类中子探测器输出的信号，可根据维护设备的控制实现连续输出，其信号送入放大进行设备测量能力检查。维护设备15是数字设备，其采用网络通讯的方式通过维护模块与处理模块实现数据交互，方便使用人员进行数据查看或设备控制，维护设备同时控制试验信号源。

堆外核仪表系统设备具有工作模式和维护模式两种，由于数字化设备的控制功能丰富，以两个事例描述工作模式和维护模式。

以信号测量为例，堆外核仪表系统设备工作模式的流程示意图见附图3。高压向中子探测器提供工作电源，中子探测器的输出信号经放大后，转换为脉冲信号通过光隔离器件输出至频率采集，频率采集通过总线将数据发送至处理，处理对测量信号进行运算、比较和转换，通过总线将数据发送至模拟量输出、开关量输出和通讯模块，通讯模块将通讯数据发送至控制柜。当外部有模拟量输入和开关量输入时，设备通过模拟量采集和开关量采集获取数据。

以精度检定为例，堆外核仪表系统设备维护模式的流程示意图见附图4。维护设备通过维护模块与处理间实现数据交互，在维护模式下，维护设备根据使用人员的设定，向试验信号源发送测试指令，试验信号源将测试指令转换为模拟中子探测器的信号送入放大，放大将该信号转换为脉冲信号通过光隔离器件输出至频率采集，频率采集通过总线将数据发送至处理，处理对测量信号进行运算、比较和转换，通过总线将数据发送至模拟量输出、开关量输出和通讯模块。处理部分的数据全部送入维护设备，维护设备可通过自动符合测试结果。由于设备具有在线自诊断功能，在处理发送的数据一定的前提下，可以认为本设备的输出功能及性能正常。

本发明的堆外核仪表系统设备可满足现行核电厂某一号、M310等堆型的应用需求。通过实堆考核，堆外核仪表系统设备具有稳定测量的能力，功能丰富，人机友好，操作便捷。

实施例1：以本堆型为例；如附图1-4所示，本发明的堆外核仪表系统设备共有16部分组成，具体包括中子探测器1、调理低压电源2、处理低压电源3、放大4、高压5、频率采集6、开关量采集7、模拟量采集8、处理9、通讯模块10、模拟量输出11、开关量输出12、维护模块13、试验信号源14、维护设备15和控制柜16。其中，调理低压电源2、放大4、高压5构成了堆外核仪表系统设备的调理部分；频率采集6、开关量采集7、模拟量采集8、处理9、通讯模块10、模拟量输出11、开关量输出12、维护模块13构成了堆外核仪表系统设备的处理部分。

中子探测器1将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分。

调理低压电源2向调理部分的模块提供低压。

高压5为中子探测器提供工作电源高压，高压输出值经过分压后将高压采样值送入模拟量采集，高压输出值由根据处理部分的模拟量输出进行控制。处理可通过开关量输出对高压进行关断操作。

放大4将中子探测器输出的微弱脉冲信号放大后转换为脉冲信号，经过甄别比较后输出脉冲信号，该脉冲信号经过光隔离器件发送至处理部分。其甄别阈值可根据处理部分的模拟量输出进行调节。

处理低压电源3向处理部分的模块提供低压。

处理9是处理部分的核心，其通过总线与其他处理部分实现数据交互，对堆外核仪表系统的各计算要求进行处理。

频率采集6用于采集放大输出的脉冲信号，将其结果通过总线发送至处理单元。

开关量采集7用于采集外部或调理部分的开关量信号，将其结果通过总线发送至处理单元。

模拟量采集8用于采集外部或调理部分的模拟量信号，将其结果通过总线发送至处理单元。

模拟量输出11用于输出外部接口所需的电流信号或调理部分所需的电压信号。

开关量输出12用于输出外部接口所需或调理部分所需的干触点信号。

通讯模块10用于将测量结果以及设备信息发送至控制柜。

维护模块13在设备维护状态工作，使用人员通过维护模块实现对处理的控制。

控制柜16是本系统的显示控制设备，其接收本系统内各通讯模块发送的设备信息，在本地具备一定的显示和控制功能。

试验信号源14用于模拟各类中子探测器输出的信号，可根据维护设备的控制实现连续输出，其信号送入放大进行设备测量能力检查。

维护设备15是数字设备，其采用网络通讯的方式通过维护模块与处理模块实现数据交互，方便使用人员进行数据查看或设备控制，维护设备同时控制试验信号源。

当源量程测量通道处于工作模式时，试验信号源和维护设备断开。设备通电后，处理模块根据预存的结果，将源量程测量通道的信号源输入状态置为中子探测器信号输入，控制高压输出和甄别阈值电压。高压向中子探测器提供工作电源。源量程中子探测器的输出信号经放大后，先通过甄别比较将幅度较低的信号或噪声滤除，高于甄别阈值的脉冲信号驱动光隔离器件形成光脉冲信号，光脉冲信号在光隔离器件内转换为电脉冲信号，该信号输出至频率采集。频率采集将一段时间内的脉冲信号数量累计，将脉冲计数值通过总线将数据发送至处理。处理根据脉冲计数值得到计数率信号，将一组计数率信号用于计算倍增周期，并将计数率信号与预存的阈值进行比较，通过总线将计数率信号、倍增周期和阈值比较信号分别发送至模拟量输出、开关量输出和通讯模块。模拟量输出将计数率信号和倍增周期以4mA～20mA的方式发送至外部。开关量输出将阈值比较结果发送至外部。通讯模块将通讯数据发送至控制柜。当外部需要切除源量程高压时，该信号首先进入开关量采集，开关量采集通过总线将该信号发送至处理，由处理控制开关量输出输出高压切除信号，该信号进入高压时，闭锁高压输出。

当源量程测量通道处于维护模式时，试验信号源和维护设备接入。设备通电后，处理模块维护设备的控制信息，将源量程测量通道的信号源输入状态置为试验信号源信号输入，控制调整高压输出和甄别阈值电压。维护设备通过维护模块与处理间实现数据交互，在维护模式下，维护设备根据使用人员的设定，向试验信号源发送测试指令，试验信号源将测试指令转换为模拟中子探测器的脉冲信号送入放大，放大将该信号转换为脉冲计数通过光隔离器件输出至频率采集，频率采集通过总线将数据发送至处理，处理对测量信号进行运算、比较和转换，通过总线将数据发送至模拟量输出、开关量输出和通讯模块。处理部分的数据全部送入维护设备，维护设备可通过自动符合测试结果。当绘制坪特性曲线时，信号源输入状态置为中子探测器信号输入，控制改变高压输出值，测量计数率值，根据高压输出值和计数率值绘制坪特性曲线。当绘制甄别特性曲线时，信号源输入状态置为中子探测器信号输入，控制改变甄别阈电压输出值，测量计数率值，根据甄别阈电压输出值和计数率值绘制坪特性曲线。

本实施例的堆外核仪表系统设备达到的主要指标如下：

1源量程通道精度

计数率: 小于输出量程的5％

倍增时间: 小于输出量程的5％

高压: 小于满刻度的1.5％

2中间量程通道精度

电流: P≤10％FP时小于输出量程的5％

P>10％FP时小于输出量程的2％

倍增时间: 小于输出量程的5％

高压及补偿电压: 小于满刻度的1.5％

3功率量程通道精度

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，包括用于输出到控制柜（16）的多重冗余保护组，每个保护组包括源量程测量通道、中间量程测量通道和功率量程测量通道，每一种类型的检测通道设置有安装在反应堆压力容器外的中子探测器（1）；还包括调理部分和处理部分；

中子探测器（1）将探测的中子信号转换为电信号送入调理部分；所述调理部分包括放大（4），所述放大（4）用于将中子探测器输出的电信号放大后转换为脉冲信号，并将脉冲信号以光隔离的形式发送至处理部分；对应不同类型的中子探测器，放大（4）采用不同的测量方案；

处理部分采集放大输出的脉冲信号后通过通讯模块（10）输出至控制柜（16），处理部分和控制柜（16）用于对反应堆功率水平、功率变化和功率分布的连续监测；

处理部分包括频率采集、开关量采集、模拟量采集、处理、通讯模块、模拟量输出、开关量输出、维护模块和处理低压电源；

处理低压电源向处理部分提供低压，处理部分包括处理，处理通过总线与其他处理部分的设备实现数据交互，频率采集用于采集放大输出的脉冲信号，并通过总线发送至处理单元，开关量采集用于采集外部或调理部分的开关量信号，模拟量采集用于采集外部或高压采样的信号，通讯模块用于将处理的结果以及处理部分内的设备信息发送至控制柜，模拟量输出用于输出外部接口所需的电流信号或电压信号，开关量输出用于输出外部接口所需的干触点信号，维护模块在设备维护状态工作，使用人员通过维护模块实现对处理的控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述调理部分包括调理低压电源（2）和高压（5）；调理低压电源（2）向调理部分提供低压；高压（5）为中子探测器提供工作电源高压，高压输出值可根据处理部分的控制值调节。

3.根据权利要求2所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，当放大为脉冲类型，进行放大的信号的甄别阈值根据处理部分的控制值调节。

4.根据权利要求2所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述处理部分包括频率采集（6）、开关量采集（7）、模拟量采集（8）、处理（9）、通讯模块（10）、模拟量输出（11）、开关量输出（12）、维护模块（13）和处理低压电源（3）；

处理低压电源（3）向处理部分提供低压，处理部分包括处理（9），处理（9）通过总线与其他处理部分的设备实现数据交互，所述频率采集（6）用于采集放大（4）输出的脉冲信号，并通过总线发送至处理单元，开关量采集（7）用于采集外部或调理部分的开关量信号，模拟量采集（8）用于采集外部或高压采样的信号，通讯模块（10）用于将处理（9）的结果以及处理部分内的设备信息发送至控制柜（16），模拟量输出（11）用于输出外部接口所需的电流信号或电压信号，开关量输出（12）用于输出外部接口所需的干触点信号，维护模块（13）在设备维护状态工作，使用人员通过维护模块（13）实现对处理（9）的控制。

5.根据权利要求1所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述处理部分的总线通讯采用PCI-E总线形式，所述处理部分的总线为串行通讯总线。

6.根据权利要求2所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，还包括仅在设备维护或定期试验期间接入的试验信号源（14）和维护设备（15）。

7.根据权利要求6所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述试验信号源（14）和维护设备（15）与中子探测器（1）物理隔离，所述试验信号源（14）和维护设备（15）与控制柜（16）采用光隔离设置。

8.根据权利要求7所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述试验信号源（14）用于模拟各类中子探测器输出的信号，并维护设备（15）的控制实现连续输出，试验信号源（14）的信号送入放大（4）进行设备测量能力检查；

维护设备（15）是数字设备，维护设备（15）采用网络通讯的方式通过维护模块（13）与处理（9）实现数据交互，维护设备（15）用于人员使用进行数据查看或设备控制，维护设备（15）同时控制试验信号源（14）。

9.根据权利要求4所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，处理部分采用自诊断技术用于对处理部分内的各个设备进行安全在线自诊断，包括利用电子开关，在预定时间动作，由仪表检查外部的激励响应，判断通道或部件是否正常；

并将检查结果上报至处理（9），由处理（9）将故障信息发送至控制柜（16）显示。

10.根据权利要求1-9任意一条所述的一种用于核电厂的堆外核仪表系统设备，其特征在于，所述堆外核仪表系统设备用于测量幅度约为1mV的微弱脉冲信号或1pA级的电流信号。

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