一种对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪及反应性修正方法

技术领域

本发明涉及反应堆监测技术，具体涉及一种用于实时测量反应堆偏离临 界状态程度的反应性仪及反应性修正方法。

背景技术

核反应堆启动实验和功率运行阶段，都需要由反应性仪监测反应堆临界状 态，反应堆信号的采集是否全面、数据处理是否准确直接决定了反应性仪测量 的精度,同时硬件架构设计是否合理也直接影响反应性仪的可靠性及实用性。

目前应用在核电站的国内外反应性仪可以分为以下三种结构:

1.计算机主板、显示器和信号采集板卡等整体封装结构,虽外观简洁,但体 积庞大,功能也较简单,代表产品有早期压水堆电站配备的三菱、G·M、法玛通 和西门子等公司的反应性仪,国产反应性仪的早期型号也属于此架构。

2.信号采集机柜加计算机结构,信号采集机柜内放置有采集核反应堆的脉 冲信号、电压信号和电流信号的专用仪表,信号采集精度高,功能全面,缺点是结 构复杂，体积庞大而笨重，不易存放与维护。代表产品是西屋在国内AP1000堆 型上销售的最新反应性仪。

3.数据处理器、信号调理器和便携工控机结构,此结构中数据处理器和信 号调理器或单独封装为一个机箱内,或与便携工控机封装在一起,由于便携工控 机本身仍是主板结构的计算机,无法达到笔记本电脑的轻便,同时数据处理器和 信号调理器在信号的处理中多次变换,引入较大误差和不稳定性。微电流测量这 一反应性仪关键技术中，采用放大器自行搭建电流-电压变换电路，再由电压转 换为电流值，同时牵涉手动量程切换，其精度和重复性都较差，影响工作效率， 更影响了反应堆参数的准确获取和验证。代表产品为国产反应性仪的二代三代 型号。

现有反应性仪在反应堆信号采集方面无法实现全量程自动监测,核反应堆 的脉冲信号、电压信号和电流信号分段计算反应性,量程间需要手动切换,无法 给出核反应堆连贯的通量水平数据。尤其在快中子堆中,落棒试验要跨度电流量 程与脉冲量程,现有反应性仪不能满足需要。

另外，在反应堆功率水平较高，中子源强较低的情况下，在反应性数据处 理中可以不考虑源项修正，但在反应堆功率较低，源强较大时，外源对反应性 计算影响较大，需要考虑源项修正。传统的反应性仪不带有源项修正功能，在 一些物理实验中，如控制棒价值测量中，在中子通量水平较低时，由于外源的 影响，导致反应性处理结果不太准确。

反应堆物理试验中，反应性相关实验数据的获取具有多样性和临时多变特 点，获取方式主要分为信号采集和人工记录两种方式。信号采集的弊端是接口 复杂须事先兼容，并对原系统有干扰风险,等待安全审批和接线许可费时费力； 人工记录方式的缺点是浪费科研人力，容易发生人为失误，数据动态变化无法 记录完全等。同时,与反应堆状态密切相关的棒位、温度和硼浓度等信息以常见 的电压方式采集,信号多次转换带来较大误差,当面向于动态刻棒等新功能时, 无法符合要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服以往反应性仪在信号获取、反应性计算以及便携 方面的不足，提供一种可对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪及反应 性修正方法。

本发明的技术方案如下：一种对反应堆信号全量程自动监测的便携反应 性仪，包括通过USB通讯电缆相连接的反应堆信号输入部分和便携电脑，所 述的反应堆信号输入部分通过数据接口与反应堆仪控系统连接，反应堆信号 输入部分包括用于采集通量脉冲信号的定时计数器电路、用于采集各种电压信 号的电压采集电路、用于将电压信号转换为数字信号的模/数转换电路，以及USB 总线模块；所述的反应堆信号输入部分还与微电流测量单元通过数据总线连 接，所述的微电流测量单元连接中子探测器；所述的便携电脑内设有反应性仪 软件，所述的反应性仪软件接收反应堆信号输入部分传送的数据并进行反应性 运算，同时反应性仪软件将代表核功率水平的通量脉冲和通量电压数据进行归 一化运算,实现核功率水平的脉冲和电压量程覆盖。

进一步，如上所述的对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪，其 中，所述的反应堆信号输入部分还与用于拍摄仪控系统仪表图像的摄像装置 相连接，摄像装置所拍摄的仪表图像通过反应堆信号输入部分传输到便携电 脑的图像识别软件，图像识别软件通过识别算法读出仪表显示值。

进一步，如上所述的对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪，其 中，所述的微电流测量单元包括一台或多台静电计、静电计端总线转换电路、 反应性仪端总线转换电路，所述的静电计通过静电计端总线转换电路连接到数 据总线上；所述的静电计端总线转换电路将通讯控制口的数据流转换为差分总 线,保证数据传输的可靠性和传输距离；所述的反应性仪端总线转换电路一端连 接差分总线,另一端连接反应堆信号输入部分的USB总线模块,与反应堆信号 输入部分进行数据双向传输，实现微电流的精确采集和自动切换量程。

进一步，如上所述的对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪，其 中，所述的便携电脑内设置的反应性仪软件利用两参数符合的方法，直接计算 出源项，并对反应性进行源项修正。

一种采用上述反应性仪对反应性进行监测和修正的方法，包括：

通过反应堆信号输入部分采集表征反应堆状态的相关信号，将信号转换为 反应堆状态的对应值,然后通过USB通讯与便携电脑进行数据传输，便携电脑接 收数据并进行反应性的计算，在实时数据处理中通过两参数符合法首先计算出 当前的有效中子源强,然后用此源强进行具有源项修正的反应性计算，具体如 下：

反应性仪输入代表核功率水平的计数率n（t）,从与空间无关的点堆模型出 发得到：

$\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}n\left(t\right)=\frac{\Lambda }{{\beta }_{\mathrm{eff}}}\frac{\mathrm{dn}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+n\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{{-\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]-\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

其中：

ρ（t）为t时刻反应性；

n（t）为t时刻单位时间内全堆中子在测量系统引起的计数；

β_eff为缓发中子有效份额；

Λ为中子每代时间；

λ_i为第i组缓发中子先驱核衰变常数；

a_i=β_ieff/β_eff为第i组缓发中子相对份额；β_ieff为第i组缓发中子有效份额；

Q为外中子源强度；

γ_s为外中子源的相对价值；

ε为中子探测器效率；

m是缓发中子先驱核组数；

t′为积分项内的自变量，区别于t；

反应堆的初始条件为:

$\frac{\mathrm{dn}\left(0\right)}{\mathrm{dt}}=0,\frac{{\mathrm{dc}}_i\left(0\right)}{\mathrm{dt}}=0,$此时，$c_i\left(0\right)=\frac{{\beta }_{\mathrm{ieff}}}{{\mathrm{\Lambda \lambda }}_i}n\left(0\right);$

式（1）中，忽略项，可得：

$n\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]=\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}n\left(t\right)+\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}---\left(2\right)$

令$R\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]---\left(3\right)$

式（3）的积分用求和代替，设道宽(积分用求和代替时的步长)为ΔT，道与 道间n（t）的变化按折线近似，计算式（3）求和号内的积分，并用R_i，j表示

$R_{i,j}=a_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{j=1}{\overset{j}{\Sigma }}\underset{(j-1)\mathrm{\Delta T}}{\overset{\mathrm{j\Delta T}}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]---\left(4\right)$

i为缓发中子组数取值1到m中的值；

j的含义为积分用求和代替时，按道宽将时间轴t分割为1到j份；

令$E_i=e^{{-\lambda }_i\mathrm{\Delta T}},F_i={\lambda }_i\mathrm{\Delta T},G_i=a_i(1-\frac{1-E_i}{F_i}),H_i=a_i(E_i-\frac{1-E_i}{F_i}),$

由式（4）得到递推关系式：

R_i，j=R_i，j-1E_i+G_in_j-H_in_j-1                       （5）

其中，R_i，0=a_in₀

引入的反应性变化结束之后，ρ（t）为常数，令

$R_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_{i,j},X=n_j,Y=n_j-R_j,A=\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}},B=\frac{\rho }{{\beta }_{\mathrm{eff}}}$

则式（2）可写为

Y=A+BX                 （6）

使用式（6）进行线性最小二乘拟合得到系数A和B，由A可得到有效中子 源强Q′=εγ_sQ，B是以β_eff为单位的反应性，

由（6）式可得：

$\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}=1-\frac{1}{n\left(t\right)}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_{i,j}-\frac{1}{n\left(t\right)}A---\left(7\right)$

由式（7）,代入有效中子源强A,逐点计算与每一时刻相对应的瞬时反应性 值，即得到经过源项修正的结果。

本发明的有益效果如下：本发明提供了反应性计算中的源项修正功能，提 高了反应堆功率水平低、外源影响较大的情况下反应性计算的精度。将反应性 仪精简为信号输入和电脑两个主要部分，两部分间采用USB通讯具有可靠性高 及支持热插拔等优点，使反应性仪搬运灵活，便于携带，可灵活应用于在线测 量和离线处理等各个场合。同时为反应性仪软件提供高精度的微电流采集途径， 具有自动切换量程功能，可以完成反应堆功率的大量程监测，实现工业级仪表 的可靠性和重复性，减少反应性监测误差。图像识别获取堆运行参数的方式无 须事先接入系统信号和人工职守，无须调试，可以实现对反应堆仪表系统进行 大量数据采集，尤其适用于难以轻易介入的核级仪表系统，方便了反应性测量 试验的开展，即防止人为失误也有利于核系统安全。

附图说明

图1为本发明的便携反应性仪的系统组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的对反应堆信号全量程自动监测的便携反应性仪，包括通 过USB通讯电缆相连接的反应堆信号输入部分和便携电脑，所述的反应堆信 号输入部分通过数据接口与反应堆仪控系统连接。反应堆信号输入部分包括 用于采集通量脉冲信号的定时计数器电路、用于采集各种电压信号的电压采集 电路、用于将电压信号转换为数字信号的模/数转换电路，以及USB总线模块。 所述的反应堆信号输入部分还与微电流测量单元通过数据总线连接，所述的微 电流测量单元连接中子探测器。所述的便携电脑内设有反应性仪软件，所述的 反应性仪软件接收反应堆信号输入部分传送的数据并进行反应性运算，利用两 参数符合的方法，直接计算出源项，并对反应性进行源项修正；同时反应性仪 软件将代表核功率水平的通量脉冲和通量电压数据进行归一化运算,实现核功 率水平的脉冲和电压量程覆盖。两参数符合法为公知技术，Y=a*X+b形式的最小 二乘拟合，即两参数符合。

本发明的反应性仪软件具有源项修正功能。传统的反应性仪工作时，通过 解点堆动态方程的方法得到实时的反应性,点堆动态方程中的源项参数需要利 用其他方法测量给出。本反应性仪利用两参数符合的方法，可以直接计算出源 项，并对反应性进行源项修正，在核功率水平较低时，可以得到更准确的反应 性值。

反应性仪采用USB通讯将反应堆信号输入部分与便携电脑相连接的通讯方 式，将反应性仪精简为两个主要部分，即反应堆信号输入部分和便携电脑部分， 两个部分间采用USB通讯电缆连接。反应堆信号输入部分含有计数与模拟量采 集卡,同时完成脉冲采集、电压采集等功能,通过软件可以将脉冲和电压量程自 动切换,在两个量程的重叠段，进行归一化运算，将两个量程的数据换算为一 列连续的通量数据。

来自反应堆核测系统(仪控系统一部分)的表征反应堆状态的相关信号(通 量脉冲、温度电压、压力电压等),首先由设计的反应堆信号输入部分采集，其 中脉冲信号由定时计数器电路记录为一定时间间隔的脉冲个数,电压由模/数转 换电路转换为数字,这些数据在内部转换为反应堆状态的对应值,然后通过USB 通讯与电脑进行数据传输，电脑中的反应性仪软件接收数据并进行反应性等参 数的运算，同时反应性仪软件将代表核功率水平的通量脉冲和通量电压数据进 行归一化运算,实现核功率水平的脉冲和电压量程覆盖。还可以通过USB通讯向 信号输入部分发出指令，执行输出自检信号等操作。图1中的脉冲、电压及微 电流产生电路即用于实现自检信号的输出，类似于信号发生器的功能，其实 现方式属于本领域的公知技术。

微电流测量单元选择支持通讯控制的成品静电计,一般提供的通讯控制口 为RS232串口或GPIB口,本发明设计的静电计端总线转换电路，将通讯控制口 的数据流转换为差分总线,保证了数据传输的可靠性和传输距离,设计的反应性 仪端总线转换电路一端接差分总线,另一端接USB通讯,与反应性仪进行数据双 向传输，实现微电流的精确采集和自动切换量程，数据通讯方式直接读取电流 值，电流量程间切换通过软件控制自动切换,同时与脉冲量程拟合为全量程连续 的通量数据。

本发明采用了一种通过图像数值识别技术以非介入方式获取棒位等核仪表 显示值的系统，只须将摄像头置于感兴趣仪表的前方，即可将数值或指针显示 值识别并记录为数据，数据精度高,避免了信号模数转换带来的误差,满足动态 刻棒等新功能对棒位等反应堆参数的准确性和实时性的要求。识别流程为:摄 像头拍摄到的图像可以是核电站仪控系统中的数字式显示仪表、指针式仪表或 光柱式仪表等任何可以人眼观测的仪表显示画面,首先在这些画面中进行感兴 趣区确定,然后输入仪表显示类型,软件根据仪表显示类型的不同来确定标定 及识别算法,然后再输入显示量程起始值,同时输入当前仪表显示值进行标定, 标定后即可实时识别仪表显示变化,给出对应数值,供反应性仪计算。具体的识 别算法根据仪表显示类型来选取，数字式仪表识别算法可利用类似于车牌识别 的图像识别技术来实现，指针式仪表或光柱式仪表的识别算法核心是图像比对， 可利用现有的图像比对方法来实现。

实施例

如图1所示，来自核测系统源量程通道的脉冲信号由定时计数器采集为一 定时间间隔的计数数据，来自反应堆仪控系统的通量、温度、棒位和硼浓度等 相关监测信号作为电压输入，由电压采集电路进行采集、滤波等处理，然后这 些采集到的数据在USB驱动程序支持下发送到USB总线，另一端连接的便携电 脑接收到数据后，将这些原始数据记录为硬盘文件，并将代表核功率水平的脉 冲计数和电压进行量程覆盖运算及归一化处理，在两个量程的重叠段，进行归 一化运算，将两个量程的数据换算为一列连续的通量数据，从而得到适合动态 刻棒等试验的全量程通量数据。同时反应性仪软件实时计算反应性并输出，并 执行结果的显示存档等操作，利用USB的热插拔特性，电脑中的反应性仪软件 可以脱离信号输入部分，对存档数据进行离线处理，详细研究等。

微电流测量单元包括一台或多台高精度静电计、静电计端总线转换电路、 反应性仪端总线转换电路三个主要部分，其中静电计选择市面上的现有产品， 并支持数据通讯控制（可以是串口、GPIB口、以太网或USB任意一种），静电计 通过静电计端总线电路接到总线上，总线为全双工通讯，支持长距离传输，近 距离情况可以省略总线转换，通过接口直接连接。反应性仪端总线转换电路主 要是完成差分总线与电脑USB的转换，在软件控制下，进行数据读取和发送量 程切换等命令，实现静电计设定、微电流的采集和自动切换量程等操作，最终 将电流值无损传送给反应性计算核心。

在本实施例中，将摄像头放置于感兴趣仪表的前方，如附近有多个显示表 头，只要在视野内都可以进行同时识别，计算机首先获取摄像头的动态图像， 图像识别软件将动态图像的每帧进行感性趣区锁定，确认表头位置和类型，然 后通过识别算法读出仪表显示值，此方式识别的核仪表显示值除提供给反应性 计算软件外，还可以记录为硬盘数据文件，网络服务器软件同时运行。需要用 到识别数据的其他待调试核仪器或反应堆试验仪器连接到本系统所在局域网， 作为客户端向网络服务软件发出请求并获得相应数据。

本发明通过反应堆信号输入部分采集表征反应堆状态的相关信号，将信号 转换为反应堆状态的对应值,然后通过USB通讯与便携电脑进行数据传输，便携 电脑接收数据并进行反应性的计算，在实时数据处理中通过两参数符合法首先 计算出当前的有效中子源强,然后用此源强进行具有源项修正的反应性计算，具 体如下：

反应性仪输入由定时计数器测得的代表核功率水平的计数率n（t）,从与空 间无关的点堆模型出发得到：

$\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}n\left(t\right)=\frac{\Lambda }{{\beta }_{\mathrm{eff}}}\frac{\mathrm{dn}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+n\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{{-\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]-\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

其中：

ρ（t）为t时刻反应性；

n（t）为t时刻单位时间内全堆中子在测量系统引起的计数；

β_eff为缓发中子有效份额；

Λ为中子每代时间；

λ_i为第i组缓发中子先驱核衰变常数；

a_i=β_ieff/β_eff为第i组缓发中子相对份额；β_ieff为第i组缓发中子有效份额；

Q为外中子源强度；

γ_s为外中子源的相对价值；

ε为中子探测器效率；

m是缓发中子先驱核组数；

t′为积分项内的自变量，区别于t；

反应堆的初始条件为:

$\frac{\mathrm{dn}\left(0\right)}{\mathrm{dt}}=0,\frac{{\mathrm{dc}}_i\left(0\right)}{\mathrm{dt}}=0,$此时，$c_i\left(0\right)=\frac{{\beta }_{\mathrm{ieff}}}{{\mathrm{\Lambda \lambda }}_i}n\left(0\right);$

式（1）中，忽略项，可得：

$n\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]=\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}n\left(t\right)+\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}---\left(2\right)$

令$R\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{a}_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]---\left(3\right)$

式（3）的积分用求和代替，设道宽(积分用求和代替时的步长)为ΔT，道与 道间n（t）的变化按折线近似，计算式（3）求和号内的积分，并用R_i，j表示

$R_{i,j}=a_i{e}^{-{\lambda }_{i}t}[\underset{j=1}{\overset{j}{\Sigma }}\underset{(j-1)\mathrm{\Delta T}}{\overset{\mathrm{j\Delta T}}{\int }}{\lambda }_{i}n\left(t^{\prime }\right)e^{{\lambda }_i{t}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }+n\left(0\right)]---\left(4\right)$

i为缓发中子组数取值1到m中的值；

j的含义为积分用求和代替时，按道宽将时间轴t分割为1到j份；

令$E_i=e^{{-\lambda }_i\mathrm{\Delta T}},F_i={\lambda }_i\mathrm{\Delta T},G_i=a_i(1-\frac{1-E_i}{F_i}),H_i=a_i(E_i-\frac{1-E_i}{F_i}),$

由式（4）得到递推关系式：

R_i，j=R_i，j-1E_i+G_in_j-H_in_j-1          （5）

其中，R_i，0=a_in₀

引入的反应性变化结束之后，ρ（t）为常数，令

$R_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_{i,j},X=n_j,Y=n_j-R_j,A=\frac{{\mathrm{ϵ\gamma }}_{s}Q}{{\beta }_{\mathrm{eff}}},B=\frac{\rho }{{\beta }_{\mathrm{eff}}}$

则式（2）可写为

Y=A+BX           （6）

使用式（6）进行线性最小二乘拟合得到系数A和B，由A可得到有效中子 源强Q′=εγ_sQ，B是以β_eff为单位的反应性，

由（6）式可得：

$\frac{\rho \left(t\right)}{{\beta }_{\mathrm{eff}}}=1-\frac{1}{n\left(t\right)}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_{i,j}-\frac{1}{n\left(t\right)}A---\left(7\right)$

由式（7）,代入有效中子源强A,逐点计算与每一时刻相对应的瞬时反应性 值，即得到经过源项修正的结果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。