摘要：核測(cè)量系統(tǒng)是核電廠最重要的測(cè)量系統(tǒng)之一，對(duì)于保證反應(yīng)堆安全平穩(wěn)運(yùn)行起著極其重要的作用。核測(cè)量系統(tǒng)中使用的裂變室可以輸出正比于中子通量的脈沖電流信號(hào)，反應(yīng)堆的核功率正比于中子通量，故通過(guò)測(cè)量脈沖電流信號(hào)可以得到反應(yīng)堆的核功率值。本文應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集模塊ADLINK PCI-9846，針對(duì)裂變室輸出的脈沖電流信號(hào)，提出了一種基于坎貝爾理論的數(shù)字化脈沖信號(hào)處理方法，并利用LabVIEW進(jìn)行了初步研究。研究結(jié)果表明：該方法可以較好地對(duì)裂變室輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)字化的核測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)有一定的理論和工程價(jià)值。

1. 引言

核測(cè)量系統(tǒng)是核電廠最重要的測(cè)量系統(tǒng)之一，對(duì)于保證反應(yīng)堆安全平穩(wěn)運(yùn)行起著極其重要的作用，用于向核電站的其他儀表與控制系統(tǒng)（I&C系統(tǒng)）提供反應(yīng)堆功率水平信息。

中子通量對(duì)反應(yīng)堆功率變化的響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)），所以普遍用來(lái)監(jiān)測(cè)堆的熱功率。由于堆芯內(nèi)環(huán)境條件十分嚴(yán)酷，一般中子探測(cè)器難以長(zhǎng)期工作，核電廠通常把中子探測(cè)器置于反應(yīng)堆壓力容器外，測(cè)量由堆芯泄漏出來(lái)的中子，所以也稱(chēng)為堆外中子測(cè)量系統(tǒng)，其注量率水平較堆內(nèi)的要低三個(gè)數(shù)量級(jí)。

核測(cè)量系統(tǒng)必須全程監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆的功率水平，從次臨界冷停堆狀態(tài)到特定的超功率狀態(tài)，最大200%，其中中子通量的變化范圍達(dá)10個(gè)量級(jí)以上。如此寬的測(cè)量范圍，同時(shí)又要保證一定的測(cè)量精度，采用一套測(cè)量裝置是難以實(shí)現(xiàn)的。通常，核測(cè)量系統(tǒng)將10個(gè)量級(jí)的中子通量測(cè)量范圍分為三個(gè)區(qū)段進(jìn)行，即源量程、中間量程和功率量程，相鄰的兩個(gè)測(cè)量區(qū)段間至少有一個(gè)量級(jí)的重疊搭界。相應(yīng)于三個(gè)測(cè)量區(qū)段分別設(shè)置三種測(cè)量子系統(tǒng)，即源量程測(cè)量子系統(tǒng)、中間量程測(cè)量子系統(tǒng)和功率量程測(cè)量子系統(tǒng)。

早在上世紀(jì)六十年代,國(guó)外開(kāi)始了寬量程中子測(cè)量技術(shù)的研究,研究中應(yīng)用裂變室可以實(shí)現(xiàn)較寬范圍內(nèi)中子通量的監(jiān)測(cè)，在中子通量水平比較低時(shí)，輸出脈沖形式的電信號(hào)，脈沖的頻率與中子通量水平成正比；隨著中子通量水平的提高，脈沖信號(hào)彼此之間相互疊加，裂變室的輸出信號(hào)是具有一定頻率的脈動(dòng)直流電信號(hào)，根據(jù)坎貝爾理論，此時(shí)信號(hào)的均方根值與中子通量水平成正比，也與反應(yīng)堆核功率成正比；當(dāng)中子通量進(jìn)一步提高時(shí)，前置放大電路有可能飽和，改用電流檢測(cè)法。

本文基于坎貝爾理論,對(duì)數(shù)字化寬量程中子測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初步研究。在LabVIEW環(huán)境下，通過(guò)使用高速數(shù)據(jù)采集模塊（ADLINK PCI-9846）采集模擬的裂變室輸出信號(hào)，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，并根據(jù)坎貝爾理論間接地測(cè)量出模擬的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)率值,該數(shù)值代表了核反應(yīng)堆功率水平。

2. 數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)

2.1. 數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

基于模擬電子技術(shù)的寬量程核測(cè)量裝置中某些固有的缺陷和不足，長(zhǎng)期未能得到很好解決，主要有：

（1）電路復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的信號(hào)處理算法，可靠性差；

（2）長(zhǎng)期運(yùn)行漂移嚴(yán)重，測(cè)量穩(wěn)定性差，例如應(yīng)用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的均方根值計(jì)算電路因?yàn)槠骷臏仄?、噪聲等原因，?jì)算結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)較高的精度；

（3）易受到噪聲和電磁干擾，功率或周期信號(hào)不穩(wěn)定是保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作的主要原因之一。

（4）小型化十分困難。傳統(tǒng)模擬技術(shù)的核測(cè)量裝置體積龐大；

（5）脈沖與坎貝爾測(cè)量方式線(xiàn)性度不同，搭接困難。

與傳統(tǒng)模擬核測(cè)量裝置比較，數(shù)字化核測(cè)量裝置具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）數(shù)字化處理裝置由于信號(hào)傳遞等功能都由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有速度快，精度高，抗噪音和干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

（2）數(shù)字處理技術(shù)使得高級(jí)信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)成為可能，從而允許我們?cè)诟叩木壬弦种聘蓴_，噪聲，漂移等影響，提高測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性；

（3）使用單一的測(cè)量方式，數(shù)字化后統(tǒng)一進(jìn)行處理，線(xiàn)性度統(tǒng)一。

（4）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口可以方便實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)字化I&C系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和控制室）設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

因此，進(jìn)行基于坎貝爾理論的數(shù)字化寬量程中子測(cè)量技術(shù)研究具有重要意義。

2.2. 數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成，分別是前置放大電路和數(shù)字化信號(hào)處理系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

前置放大電路中包含對(duì)裂變室輸出信號(hào)進(jìn)行脈沖放大的電路。脈沖放大電路的設(shè)計(jì)要求有較寬的頻帶和較低的放大倍數(shù)，以保證小脈沖信號(hào)的正確放大并防止小脈沖疊加信號(hào)放大后的輸出飽和。

信號(hào)處理系統(tǒng)使用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由信號(hào)處理單元（CPU單元）、高速模擬信號(hào)采集單元（高速AD單元）和信號(hào)輸出單元組成，信號(hào)處理單元控制其他兩個(gè)單元的運(yùn)行。高速AD單元在信號(hào)處理單元的控制下以20MHz的采樣頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的采集，采集結(jié)果以數(shù)組的方式輸入信號(hào)處理單元；信號(hào)處理單元的軟件應(yīng)用濾波、積分等信號(hào)處理算法計(jì)算信號(hào)的均方根值；信號(hào)處理單元的計(jì)算結(jié)果通過(guò)信號(hào)輸出單元輸出，可以是數(shù)值顯示的形式，也可以是電壓/電流信號(hào)的形式。

下面詳細(xì)介紹本研究中的數(shù)字化處理系統(tǒng)。

3. 高速數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率提高對(duì)于數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理具有重要的意義。首先，高速采樣可以區(qū)別間隔很小的脈沖，從而獲得更多的波形信息，提高對(duì)波形的甄別能力。其次，高速采樣可以有效減少背景噪聲，文獻(xiàn)記載采樣頻率到達(dá)信號(hào)頻率的十倍時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)信噪比接近最佳信噪比。

出于對(duì)性能的綜合考慮，高速數(shù)據(jù)采集模塊采用凌華科技PCI-9846（如圖2），它具有高速、大緩存和高精度的諸多優(yōu)點(diǎn)。PCI-9846為4通道16位40MS/s采樣數(shù)字化儀，專(zhuān)為輸入信號(hào)頻率高達(dá)20MHz的高頻和高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)而設(shè)計(jì)。模擬輸入范圍可以通過(guò)編程設(shè)置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量為512MB的板載內(nèi)存，擺脫了PCI總線(xiàn)的約束，使之能儲(chǔ)存更長(zhǎng)時(shí)間的波形。PCI-9846配備了四個(gè)高線(xiàn)性度的16位A/D轉(zhuǎn)換器，4通道同步單端模擬輸入，每通道采樣率最高40 MS/s。PCI-9846的SSI（系統(tǒng)同步接口）還可以實(shí)現(xiàn)多模塊間的同步。

圖2 PCI9846板卡

4. 數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

本文用于對(duì)脈沖信號(hào)處理的數(shù)字處理系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：脈沖信號(hào)采集及預(yù)處理模塊、脈沖計(jì)數(shù)模塊和均方根值模塊。

4.1. 脈沖信號(hào)采集及預(yù)處理模塊

該模塊的目的是從采集卡中讀取脈沖信號(hào)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理。實(shí)際工程中，裂變室的輸出信號(hào)取決于中子通量，低水平時(shí)表現(xiàn)為離散的脈沖信號(hào)，其分布為泊松分布。因此，對(duì)采樣周期有一定要求，周期過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致反應(yīng)速度過(guò)慢，失去控制意義，同時(shí)高頻時(shí)單個(gè)脈沖采樣點(diǎn)過(guò)少；周期過(guò)短可能導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)漲落過(guò)大，影響精度。綜上考慮，本課題在不同的頻段使用不同的采樣周期。

由采樣定理可知，若連續(xù)信號(hào)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為，對(duì)抽樣時(shí)，若保證采樣頻率滿(mǎn)足，那么可由恢復(fù)出，即保留了全部信息。實(shí)際對(duì)抽樣時(shí)，首先要了解的最高截止頻率，以確定應(yīng)選取的抽樣頻率。當(dāng)用采樣頻率對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，信號(hào)中 以上的頻率不是消失了，而是對(duì)稱(chēng)的映象到了以下的頻帶中，并且和以下的原有頻率成分疊加起來(lái)。實(shí)際工程中，為了留有一定性能余量，常取的3到5倍。由上文可知，當(dāng)中子計(jì)數(shù)率為時(shí)，原本離散的脈沖信號(hào)已開(kāi)始混疊，表現(xiàn)為脈沖和直流的疊加，也即基于坎貝爾理論的測(cè)量法由此而始。本課題使用的ADLINK PCI-9846板卡最高采樣速率為40M兆每秒，不但可以完全滿(mǎn)足采樣定理要求，而且留有很大裕量。

對(duì)于信號(hào)處理，必須考慮的一個(gè)問(wèn)題就是濾波。數(shù)字濾波由程序?qū)崿F(xiàn)，采用的數(shù)字濾波方法如下：

峰值剔除濾波：一般認(rèn)為，隨機(jī)干擾一起的測(cè)量誤差應(yīng)該遵循正態(tài)分布，偏離均值三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值可以認(rèn)為是異常值。舍去如上異常值后進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果更接近于真實(shí)值。

4.2. 脈沖計(jì)數(shù)模塊

 將帶入得

通過(guò)改變a的值，就能控制誤差的大小，達(dá)到準(zhǔn)確的要求；由于采樣周期僅為10ms，實(shí)際應(yīng)用中輸出的滯后可以忽略不計(jì)。

上述所得中子通量再經(jīng)如下計(jì)算即可得反應(yīng)堆熱功率：

堆芯內(nèi)任一點(diǎn)處的單位體積功率：

為宏觀裂變截面，為堆芯處的中子通量密度，如只考慮熱中子引起的核裂變，則反應(yīng)堆功率P為：

5. 基于LabVIEW的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的的高速發(fā)展及在測(cè)量技術(shù)上的應(yīng)用，對(duì)測(cè)量裝置提出了更高的要求，在這種背景下，1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司NI提出了虛擬儀器VI的概念。同傳統(tǒng)技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具如下特點(diǎn)：

（1）高性能

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全繼承了現(xiàn)有pc技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。同時(shí)，由于信號(hào)傳遞幾乎全部是在軟件中實(shí)現(xiàn)，所以在很大程度上排除了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

（2）高擴(kuò)展性

由于即使pc機(jī)也擁有遠(yuǎn)勝于儀器內(nèi)部處理能力，使得應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析成為可能，從而使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器使得我們不再受限于當(dāng)前的硬件中，虛擬儀器只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。

（3）無(wú)縫集成

虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著軟件在功能上不斷地趨于復(fù)雜，通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。

本文研究中應(yīng)用LabView技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“虛擬”的數(shù)字化寬量程核測(cè)量系統(tǒng)，并應(yīng)用LabView提供的軟件模塊完成了測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，如圖4，以研究和驗(yàn)證合適的數(shù)字信號(hào)處理算法。

圖4 均方根模塊與脈沖計(jì)數(shù)模塊

本文的研究過(guò)程中，使用脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬核測(cè)系統(tǒng)中數(shù)字化處理單元的輸入信號(hào)，即裂變室輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大單元放大后的信號(hào)。因?yàn)槊}沖信號(hào)發(fā)生器無(wú)法模擬脈沖信號(hào)疊加后的情形，下文的研究?jī)H限于對(duì)脈沖信號(hào)的處理。

在研究過(guò)程中，使用1kHZ脈沖電流信號(hào)作為基準(zhǔn)，分別測(cè)試了100--100kHZ脈沖信號(hào)的基于坎貝爾理論的處理結(jié)果，并計(jì)算了其方差。如果知道1kHZ脈沖對(duì)應(yīng)的的中子通量值，則由頻率與均方根值成正比即可知測(cè)試頻率對(duì)應(yīng)的中子通量。

表1 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果分析表明，本文提出的基于坎貝爾理論的數(shù)字信號(hào)處理算法可以有效的實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)率的測(cè)量。

6. 結(jié)論

相比模擬系統(tǒng)，數(shù)字化核測(cè)系統(tǒng)具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，線(xiàn)性度統(tǒng)一等優(yōu)勢(shì)，是核測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文基于高速數(shù)據(jù)采集模塊ADLINK PCI-9846，利用LabVIEW，針對(duì)裂變電離室輸出的脈沖電流信號(hào)，基于坎貝爾理論提出了一種數(shù)字化的脈沖信號(hào)處理方式法，并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：該方法可以較好地對(duì)裂變電離室輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，并較準(zhǔn)確地測(cè)量出反應(yīng)堆核功率。

本文的成果是對(duì)數(shù)字化寬量程中子測(cè)量技術(shù)進(jìn)行的初步研究，還有許多深入細(xì)致的工作有待進(jìn)一步完成。