CN2394296Y - 核反应堆数字化物理启动用监测装置 - Google Patents

Abstract

核反应堆数字化物理启动用监测装置属于核工程的控制和监测技术领域,包括中子探测组件、通用高低压电源以及与所说的中子探测组件相连,将探测信号进行处理的数据预处理单元。本实用新型结构简单,价格便宜,可利用分布式计算机控制系统的人机界面进行操作,使用方便、灵活。可充分利用分布式计算机控制系统的资源,进行计算、CRT显示、制表、绘图、打印等。

Description

核反应堆数字化物理启动用监测装置

本实用新型属于核工程的控制和监测技术领域，特别涉及用于核反应堆物理启动试验的监测系统的装置。

物理启动试验是核反应堆建成后正式运行前必做的重要试验。通过此试验核反应堆首次达到临界，为运行提供必要的数据。为了保证物理启动试验的安全可靠运行，必须采用物理启动监测系统，对中子注量率进行监测，并外推出临界棒位(或者是硼浓度，或者是燃料球数)。目前，核反应堆控制已进入数字化控制时代，新建的堆大部分采用计算机进行监控，如清华大学核能技术设计研究院设计和建造的10MW高温气冷实验堆，就是采用数字化仪表控制系统，其中的非安全级控制系统采用了北京和利时系统工程股份有限公司制造的分布式计算机系统进行控制。这为核反应堆物理启动用监测系统的数字化提供了技术前提。

已有的核反应堆物理启动用监测系统为模拟式、通用型，即由几个通用的模拟装置连接在一起构成一个通道，由两个或两个以上完全相同的通道共同组合成一套物理启动用监测系统。

这种模拟系统的每个通道含以下几个部分：探测器+通用高低压电源+通用定标器+记录仪。

这种模拟系统的不足表现在：其一，只能进行中子注量率监测，必须人工进行大量的记录和外推计算；其二，结构笨重，价格昂贵；其三，不能充分利用数字化仪表控制系统的资源。

本实用新型的目的在于为克服已有模拟系统的不足，研制出一种专用的数字化物理启动用监测装置，具有结构简单，造价低廉，使用方便，易学，有很强的灵活性等诸多优点，并且可充分地利用了核反应堆用的分布式计算机控制系统(简称DCS系统)软硬件资源，除了能进行常规的中子注量率监测外，可以在人机界面上直读数据，免去人工记录和计算之劳；可以在人机界面上列外推趋势表及绘制显示外推曲线，清楚形象实时地看到外推结果和趋势。

本实用新型提出一种核反应堆数字化物理启动用监测装置，包括中子探测组件、通用高低压电源，其特征在于，还包括与所说的中子探测组件相连，将探测信号进行处理的数据预处理单元。该中子探测组件将探测到的代表中子注量率的电脉冲信号输出给数据预处理单元；数据预处理单元输出标准脉冲信号给外接的分布式计算机控制系统(DCS)的脉冲量输入模块，并接受分布式计算机控制系统的模拟量输出模块和开关量输出模块输出的控制量。

本实用新型所说的数据预处理单元可由脉冲计数率电路、音响处理电路和自检电路三部分电路所组成的电路板插件；其中，所说的脉冲计数率电路的输入端与中子探测组件的输出端相连，所说的脉冲计数率电路的输出端与音响处理电路的输入端相连，所说的音箱连于该音响处理电路的输出端，所说的自检电路连于所说的脉冲计数率电路的输入端。所说的脉冲计数率电路是将经中子探测组件来的电脉冲进行放大、甄别和成形，去掉噪声，给出正比于中子注量的标准脉冲到外接的DCS系统和音响部分；音响处理电路部分是向系统运行人员提供正比于中子注量率的人耳可分辨的脉动音响(脉动数率≤5CPS)，为此对高中子注量率信号必须进行分频，不同的分频倍数对应于不同音调的输出音响信号。音箱将上述输出音响信号转变成脉动音响，这个信号的快慢表达中子注量率水平的高低，提供给运行人员；自检电路部分中由自检信号发生器给出方波自检信号供系统自检，自检信号与工作信号的切换由DCS系统控制模拟开关实现。本部分涉及到高频小信号处理，故对电源需有滤波处理。。

所说的脉冲计数率电路主要可由主放电路、甄别器、成形器所组成，其中，主放电路将经中子探测组件送来的脉冲信号线性放大为正脉冲；甄别器将来自主放的脉冲信号与甄别器的甄别电压相比后，产生甄别脉冲输出；甄别电压可调，通过选择甄别电压将γ脉冲和噪声甄别掉，甄别器输出的甄别脉冲的个数仅与中子个数有关；成形器，接受来自甄别器的甄别脉冲，将其成形为脉宽、幅度固定的标准脉冲，此标准脉冲分两路传输，一路经驱动器到DCS系统的脉冲输入通道，另一路到音响部分的分频器。

所说的音响处理电路主要可由分频器、分频选择器、脉宽发生器、音频信号发生器、音频信号选择器、与门和滤波电路所组成；其中，分频器是将来自脉冲部分成形器的标准脉冲实现分频；分频选择器由DCS系统控制实现分频倍率选择，通过选择的分频器保证其输出的数率≤5CPS，从而人耳能分辨；脉宽发生器是在接受分频选择器输出信号，输出相同频率的固定宽度的控制脉冲；音频信号发生器为了能听到悦耳声音，用其调制脉宽发生器输出脉冲；音频信号选择器是在DCS系统控制下选择音频信号发生器输出的音频信号频率(即音调)；与门和滤波电路是将音频信号发生器输出的音频信号和脉宽发生器输出的控制脉冲，通过“与”门运算，得到固定宽度的音频信号，经滤波电路去掉其低频闷声并分压后，通过J3经音响电缆输出音响信号给音箱。

所说的自检电路可由自检信号发生器与模拟开关所组成；其中，自检信号发生器给出1MHz(或100KHz)的方波自检信号供系统自检；模拟开关是控制自检信号与工作信号的切换。

本实用新型的电源部分包括：供给中子探测组件的正比计数管直流高压电源；供给高压和电子线路的低压电源及供给音箱、低压电源的交流220V电源。

本实用新型采用的中子探测组件可在市场上购置，它对核反应堆中子信号进行探测，形成具有较高信噪比和可远距离输出的电脉冲，输出给数据预处理单元。

本实用新型在对中子注量率监测的基础上，根据外推公式，利用分布式计算机控制系统对棒位(或硼浓度，或燃料球数)进行临界棒位(或临界硼浓度，或临界燃料球数)的外推，并将外推过程的数据列出外推趋势表和给出外推曲线。

本实用新型可以达到以下效果与性能：

第一，专用于核反应堆的物理启动监测，只需为现场控制站配上专用接口即可，因此结构简单，价格便宜；

第二，利用分布式计算机控制系统的人机界面进行操作，使用方便、灵活。

第三，可充分利用分布式计算机控制系统的资源，进行计算、CRT显示、制表、绘图、打印等。

附图简要说明：

图1为本实用新型的实施例总体结构示意图。

图2为本实施例的数据预处理电路中的脉冲计数率电路及自检电路原理图。

图3为本实施例的数据预处理电路中的音响处理电路原理图。

图4为本实施例的数据预处理电路中的电源滤波原理图。

图5为本实用新型用于核反应堆数字化物理启动用监测系统的总体结构示意图。

图6为本实用新型用于核反应堆数字化物理启动用监测系统的软件流程框图。

图7为本实用新型用于核反应堆数字化物理启动用监测系统的计算机屏幕操作画面示意图。

图8为本实用新型用于核反应堆数字化物理启动用监测系统的的计算机屏幕外推曲线示意图。

本实用新型的一种实施例，如图1～图8所示，下面结合各附图详细进行说明。

本实用新型的实施例总体结构如图2所示，其中右虚线框为外接的DCS系统与本实施例的连接关系，本实施例主要包括：

中子探测组件：由探测器、前置放大器及电缆组成。探测器：选用³He正比计数管，作用是将探测到的中子信号转变成电脉冲信号。前置放大器：将³He正比计数管给出的代表中子注量的电脉冲信号成形放大成约100mV的正脉冲输出，其输出阻抗为50Ω。电缆：约50m的两根同轴屏蔽电缆(阻抗50Ω)，一根将来自高压电源的高压供给探测器，一根为前置放大器低压和输出脉冲共用。

数据预处理部分：分为电路板插件和音箱，主要功能在由脉冲计数率电路、音响处理电路和自检电路三部分电路组成的电路板插件上实现。

电路板插件引出音响电缆到控制室内的音箱。各部分电路的组成及功能详细描述如下：

本实用新型实施例的数据预处理电路中的脉冲计数率电路原理如图2所示，其中包括：

主放：即图中所示的U₃、U₄，将经中子探测组件送来的脉冲信号线性放大为正脉冲，放大倍数可调；主放的输入阻抗与中子探测组件的输出电缆匹配。

甄别器：即图中所示的U₈，来自主放的脉冲信号与甄别器的甄别电压相比后，产生甄别脉冲输出；甄别电压可调，通过选择甄别电压将γ脉冲和噪声甄别掉，甄别器输出的甄别脉冲的个数仅与中子个数有关。

成形器：即图中所示的U₉，接受来自甄别器的甄别脉冲，将其成形为脉宽、幅度固定的标准脉冲，此标准脉冲分两路传输，一路经驱动器到外接的DCS系统的脉冲输入通道，另一路到音响部分的分频器。

本实用新型实施例的数据预处理电路中的自检部分电路原理也如图4所示，其中包括：

自检信号发生器：即图中所示的U₅、U₆、U₇，它给出1MHz(或100KHz)的方波自检信号供系统自检，

模拟开关：即图中所示的U₁，它控制自检信号与工作信号的切换。

本实用新型实施例的数据预处理电路中的音响处理电路如图5所示，其中包括：

分频器：即图中所示的U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄、U₁₅，它将来自脉冲部分成形器的标准脉冲实现分频。

分频选择器：即图中所示的U₁₆，它由外接的DCS系统控制实现分频倍率选择，通过选择的分频器保证其输出的数率≤5CPS，从而人耳能分辨。

脉宽发生器：即图中所示的U₁₇，接受分频选择器的输出信号，输出相同频率的固定宽度的控制脉冲。

④音频信号发生器：即图中所示的U₁₉，为了能听到悦耳声音，用其调制脉宽发生器输出脉冲。

⑤音频信号选择器：即图中所示的U₂₀，在外接DCS系统控制下选择音频信号发生器输出的音频信号频率(即音调)。

⑥与门和滤波电路：即图中所示的U₁₈、R₂₃、C₅、W₇，音频信号发生器输出的音频信号和脉宽发生器输出的控制脉冲，通过“与”门运算，得到固定宽度的音频信号，经滤波电路去掉其低频闷声并分压后，通过J3经音响电缆输出音响信号给音箱。

本实用新型实施例的数据预处理电路中的电路板插件引出音响电缆到设置在系统控制室内的音箱，其将来自插件中与门和滤波电路的正比于中子脉冲的不同音调的音响信号转变成脉动音响，这个信号的快慢表达中子注量率水平的高低，给在控制室内的运行人员提供音响信息。

另外，本实用新型实施例的数据预处理电路，因为涉及到高频小信号的处理，所以需要给电源滤波，电源滤波电路如图6所示。

本实施例的电源部分，如图2所示，包括：

高压电源：供给³He正比计数管直流高压(0～2KV可调)。

低压电源：供给电子线路电源5V，±12V和供给高压电源。

交流220V：供给音箱和低压电源。

其中高压电源和低压电源组装在核测系统柜中。

本实施例的性能指标如下：

中子探测器组件：³He正比计数管：灵敏度：200cps/nv；

灵敏区：1000mm；

外层屏蔽筒长度：1272mm；

探测器直径：65mm；

前置放大器：脉冲特性：幅度约100mV，宽度约0.5μs；

输出阻抗：50Ω；

最高脉冲计数率：10⁵cps；

电缆长度(分两段)：15米+35米(中间用转接头连接)；

高压电源：供³He正比计数管用。

电压：0～2 KV连续可调：

电流：保证³He正比计数管使用。

低压电源：供前置放大器和数据预处理部分的电路板插件用。

电压：+5V；

      +12V(二组)；

      -12V(二组)。

数据预处理部分的电路板插件：

放大倍数：25～100倍可调；

输入阻抗：50Ω；

甄别阈：0.8V～5V可调；

输出脉冲：最大计数率：10⁵cps；

幅度：TTL；

宽度：0.5μs；

输出音频信号：调制宽度：0.1s；

频率：400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz、1200Hz、

1400Hz，由来自DCS系统的控制信号选频。

中子注量率的监测范围：0～5×10²nV。

数据预处理部分的音箱：使用220V交流电源，自带功放和音响调节功能。

本实施例应用于10MW高温气冷实验堆物理启动用监测系统的总体构成如图5所示，该系统由分布式计算机控制系统DCS及由三个本实施例构成的完全相同的三个通道所组成。

DCS系统由现场控制站(I/O站)、操纵员站和网络组成。由I/O站与数据预处理部分联系，I/O站的主控模块完成控制、处理和通讯的功能，操纵员站实现操作画面的显示与会话和打印功能，网络实现DCS系统内部的通讯。

DCS系统使用北京和利时系统工程股份有限公司的HS2000型DCS系统。

其中硬件：选用DCS系统的以下模块与数据预处理部分的电路板插件进行信号联系，如图2中右虚线框所示，包括：

改进型HS2F61脉冲量输入输出功能板及其配套的HS2T62隔离型脉冲量输入输出调理板、HS2T30通用外接端子板：共同组成DCS系统I/O站的脉冲量输入模块，接受来自电路板插件的代表中子注量率的标准脉冲信号，送给主控模块2F80进行处理；

HS2F60开关量输入输出板及其配套的HS2T61光电隔离开关量输出调理板、HS2T30通用外接端子板：共同组成DCS系统I/O站的开关量输出模块，主控模块2F80通过该通道发送代表分频信息和控制信息的开关量输出给电路板插件。

HS2F45 D/A模拟量输出板及其配套的HS2T45模拟量输出调理板、HS2T30通用外接端子板：共同组成DCS系统I/O站的模拟量输出模块，主控模块2F80通过该通道发送代表甄别电压的模拟信号给电路板插件。

本系统软件功能要求：

1)显示：参数包括累积计数、计数率、加球数等参数

外推趋势表 包含外推燃料球操作的各种参数(如加球数、总球数、1/M，1/M＝N_i/N_io，其中N_io为初始平均计数率，N_i为平均计数率。)和计算结果(如每个计数管的外推临界球数、最小外推值、外推差值)

外推曲线 对应于三个计数管通道的外推曲线

2)控制：累积时间(0～300秒之间可选)

中子计数脉冲的甄别阈值(0.8～5V之间可选)

工作/自检状态切换

音响分频倍数 六种(1、2、20、200、2000、20000)分频倍数，可由系统自动完成也可手动控制。

加球数    (0～50000之间可选)

重新启动  从初始状态重新开始

重推      在同一点上再次外推

3)计算：外推燃料球数、最小外推值、外推差值和平均计数率

4)打印：实时的人机界面和外推曲线

本软件是在HS2000软件系统平台上开发的。HS2000软件系统包括现场控制站软件、操纵员站实时监控软件和工程师站组态软件。

本系统软件工作流程，如图6所示，包括以下步骤：

1)系统初始化，所有参数均为初始值，累积计数从零开始计数；

2)根据现场情况给出控制参数，即累积时间、中子计数脉冲的甄别阈值、工作/自检状态、音响分频倍数(手动控制状态下)；

3)系统自身根据设定的控制参数和巡检采集到的累积计数，计算平均计数率，平均计数率在每个累积时间间隔更新一次；

4)系统显示平均计数率；

5)确认参加运算的平均计数率；

6)根据外推值计算结果，人工输入反应性参数，即加球数；

7)利用人机会话确认反应性参数；

8)系统自身根据确认后的平均计数率和反应性参数计算外推值；

9)填写外推趋势表，画外推曲线；

10)根据是否需要打印进行打印。

本系统计算机屏幕操作画面，如图7所示，主要通过操纵员的CRT上实现。图中，画面分为左右两部分：右边是外推趋势表，可显示从第2点到第40点的外推趋势(第1点为初始值)；左边是控制和输入参量。左上方是与外推有关的实时参量(加球数、计数率、计数率初值)，左下方是控制参数(中子脉冲的甄别阈值、音响分频倍数、工作/自检状态的切换开关、累积时间)，左下角为“重新启动”键和“重推”键，按前键则从初始状态重新开始，按后键在同一点上再次外推。

此屏幕操作画面的操作顺序和方法如下：

1)首先，选择工作/自检状态，按工作/自检切换椭圆软键，该键即在工作和自检状态间切换。在工作状态，系统处理来自探测器组件的工作信号；在自检状态，系统用内部的自检方波检验各部分的性能。

2)确定甄别阈值，在“阈值输入”框内单击一下，选中该框，然后键入甄别阈值(可选一个0.8～5之间的值)，按回车键，再按“确认”软键，使该值生效。

3)确定一个累计时间，在“累计时间”框内单击一下，选中该框，然后键入累计时间值(可选一个1～300之间的值)，按回车键，再按“确认”软键，使该值生效。这时，“累积计数”栏中的值开始变化，每个累计时间过后，“计数率”栏中给出相应的平均计数率。

4)确定分频倍数控制，按“分频倍数”旁的手动/自动切换长方软键，该键即在手动分频和自动分频状态间切换。在自动分频状态，系统自动进行音响信号的分频；在手动分频状态，按“分频倍数”下的圆形软键，(选中时圆形软键变红，分频倍数值也变红)确定音响信号的分频倍数；在平均计数率小于10的情况下，只能手动分频。

5)确定外推参数：

I.在“加球数”框内单击一下，选中该框，然后键入添加燃料球数(可选一个1～50000之间的值)，按回车键，再按“球数确认”软键，则该值填入外推趋势表中的“加球数”栏中；

II.按“计数率”栏下的“确认”软键，确定外推趋势表中的“1/M”栏中的值。初次确认时，连按两下，按第一下时，“计数率”栏中的值填入“NI0”栏中，按第二下时，“计数率”栏中的值经计算转换为1/M，填入外推趋势表中的“1/M”栏中。以后只需按一次“确认”软键，外推趋势表中就填入一个1/M值，并给出其它外推参数。

6)重复5.I)和5.II)，外推趋势表中的值就一行行地登记，按外推趋势表左边的箭头软键，可进行外推趋势表的翻页。外推期间，可按步骤2)、3)、4)调整控制参数。

7)按“重推”软键，弹出选择画面，按选择画面中的“确认”软键后，则外推趋势表中的值维持在当前行不动，再进行步骤5)，重新外推。

8)按“重新启动”软键，弹拉出选择画面，按选择画面中的“确认”软键后，则外推趋势表中从第一行开始填写；

9)按SHIFT+F9，可看计算机屏幕外推曲线画面，如图8所示；

10)按SHIFT+F6，存储屏幕画面(即计算机屏幕操作画面或计算机屏幕外推曲线画面)，再按SHIFT+F8，打印屏幕画面，就可得到硬拷贝。

Claims (5)

1.一种核反应堆数字化物理启动用监测装置，包括中子探测组件、通用高低压电源，其特征在于，还包括与所说的中子探测组件相连，将探测信号进行处理的数据预处理单元。

2.如权利要求1所述的核反应堆数字化物理启动用监测装置，其特征在于，所说的数据预处理单元由脉冲计数率电路、音响处理电路及音箱和自检电路三部分电路所组成的电路板插件；其中，所说的脉冲计数率电路的输入端与中子探测组件的输出端相连，所说的脉冲计数率电路的输出端与音响处理电路的输入端相连，所说的音箱连于该音响处理电路的输出端，所说的自检电路连于所说的脉冲计数率电路的输入端。

3.如权利要求1所述的核反应堆数字化物理启动用监测装置，其特征在于，所说的脉冲计数率电路主要由依次电路相连的主放电路、甄别器、成形器所组成。

4.如权利要求1所述的核反应堆数字化物理启动用监测装置，其特征在于，所说的音响处理电路主要由由依次电路相连的分频器、分频选择器、脉宽发生器、音频信号发生器、音频信号选择器、与门和滤波电路所组成。

5.如权利要求1所述的核反应堆数字化物理启动用监测装置，其特征在于，所说的自检电路由自检信号发生器及与其相连的模拟开关所组成。

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