一種可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置的製作方法

2023-10-05 01:59:44

本發明涉及核電安全測量技術領域，尤其涉及一種可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置。

背景技術：

堆外核測量儀表系統（rpn）用分布於核電站反應堆壓力容器外的一系列中子探測器來連續監測反應堆功率、功率變化率和功率的軸向分布，，並對測得的各種信號加以顯示記錄，反饋反應堆裝料、停堆、啟動及功率運行時反應堆狀態的信息，是直接關係到反應堆安全的重要系統之一。

目前，核電廠rpn系統沒有專門的中子探測器信號仿真裝置來實現設備調試和故障診斷，影響核電廠安全穩定運行。因此，亟需一種中子探測器信號仿真裝置，能夠模擬產生核電站在啟堆、停堆以及穩定運行期間rpn中子探測器的輸出信號以及與rpn關聯的外部系統輸出信號，為rpn系統的設備調試、邏輯功能檢驗和故障檢測提供技術手段。

技術實現要素：

本發明實施例所要解決的技術問題在於，提供一種可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置，能夠模擬產生核電站在啟堆、停堆以及穩定運行期間rpn中子探測器的輸出信號以及與rpn關聯的外部系統輸出信號，為rpn系統的設備調試、邏輯功能檢驗和故障檢測提供技術手段。

為了解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置，所述裝置包括背板，以及均通過所述背板實現相互連接與通信的人機互動模塊、硼正比計數管探測器信號仿真模塊、補償電離室探測器信號仿真模塊、長電離室探測器信號仿真模塊、裂變室探測器信號仿真模塊、模擬量模塊、數字量模塊和控制通信模塊；其中，

所述人機互動模塊，用於獲取用戶輸入數據，並將所獲取到的用戶輸入數據相應的分配給所述硼正比計數管探測器信號仿真模塊、補償電離室探測器信號仿真模塊、長電離室探測器信號仿真模塊、裂變室探測器信號仿真模塊、模擬量模塊及數字量模塊；

所述硼正比計數管探測器信號仿真模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，仿真反應堆停堆期間和啟動初始階段中子通量位於第一預設變化範圍內時源量程探測器輸出的電壓脈衝周期信號或電壓脈衝定值信號；

所述補償電離室探測器信號仿真模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，仿真反應堆臨界以後到額定功率的10%pn階段中子通量位於第二預設變化範圍內時中間量程探測器輸出的電流周期信號或電流定值信號；

所述長電離室探測器信號仿真模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，仿真反應堆堆芯上下半部中子通量位於第三預設變化範圍內時功率量程探測器輸出的電流定值信號；

所述裂變室探測器信號仿真模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，仿真反應堆核功率小於預設閾值時中間量程探測器輸出的電流脈衝信號和/或仿真反應堆核功率大於或等於所述預設閾值時中間量程探測器輸出的電壓信號；

所述模擬量模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，對應模擬產生rpn外部的模擬量信號，並與rpn關聯的外部系統進行數據採集、功能運算及接口通訊；

所述數字量模塊，用於根據所述人機互動模塊所分配的相應數據，對應模擬產生rpn外部的數字量信號，並與rpn關聯的外部系統進行數據採集、功能運算及接口通訊；

所述控制通信模塊，用於控制所述裝置中各模塊之間的數據交換和傳輸。

其中，所述硼正比計數管探測器信號仿真模塊包括依序連接的第一光耦隔離器、第一單穩態觸發器、第一π型衰減網絡和第一高壓電容。

其中，所述補償電離室探測器信號仿真模塊包括依序連接的第一數模轉換器、第一低通濾波器和由運算放大器構成的第一電壓/電流轉換器。

其中，所述長電離室探測器信號仿真模塊由相同的六個電流定值信號模擬電路組成，且所述六個電流定值信號模擬電路之中三個用於仿真反應堆堆芯上半部，所述六個電流定值信號模擬電路之中另三個用於仿真反應堆堆芯下半部；其中，每一電流定值信號模擬電路均包括依序連接的第二數模轉換器、第二低通濾波器和由運算放大器構成的第二電壓/電流轉換器。

其中，所述裂變室探測器信號仿真模塊包括脈衝模式模擬電路和/或均方根模式模擬電路；其中，

所述脈衝模式模擬電路，用於仿真反應堆核功率小於所述預設閾值時中間量程探測器輸出的電流脈衝信號；所述脈衝模式模擬電路包括依序連接的第二光耦隔離器、第二單穩態觸發器、第二π型衰減網絡和第二高壓電容；

所述均方根模式模擬電路，用於仿真反應堆核功率大於或等於所述預設閾值時中間量程探測器輸出的電壓信號；所述均方根模式模擬電路包括依序連接的第三數模轉換器、第三低通濾波器和第三π型衰減網絡。

其中，所述模擬量模塊具有八路模擬量輸出通道和八路模擬量採集通道，且各路通道之間均使用光耦相互隔離；所述模擬量模塊的溫漂≤100ppm/°c，具有浪湧和靜電釋放保護功能。.

其中，所述數字量模塊具有十六路數字量量輸出通道和十六路數字量採集通道，且各路通道之間均使用光耦相互隔離；所述數字量模塊具有浪湧和靜電釋放保護功能。

其中，所述第一預設變化範圍為[10-1n/cm2·s，2*105n/cm2·s]；所述第二預設變化範圍為[2*102n/cm2·s，5*1010n/cm2·s]；所述第三預設變化範圍為[5*102n/cm2·s，5*1010n/cm2·s]。

其中，所述預設閾值為反應堆滿功率的10-2%。

其中，所述裝置中的背板、人機互動模塊、硼正比計數管探測器信號仿真模塊、補償電離室探測器信號仿真模塊、長電離室探測器信號仿真模塊、裂變室探測器信號仿真模塊、模擬量模塊、數字量模塊和控制通信模塊均內置於一可攜式機箱中且均為集成電路板；其中，所述硼正比計數管探測器信號仿真模塊、補償電離室探測器信號仿真模塊、長電離室探測器信號仿真模塊、裂變室探測器信號仿真模塊、模擬量模塊、數字量模塊和控制通信模塊均可熱插拔式安裝於所述背板上。

實施本發明實施例，具有如下有益效果：

1、本發明採用模塊化設計，可以集成在可攜式機箱內，具有易便攜、安裝工藝簡單、維護成本低等優點；

2、本發明不僅模擬核電站在啟堆、停堆以及穩定運行期間rpn不同種類中子探測器的輸出信號，為實驗室條件下和電廠現場環境下的rpn系統研發、設備運維、故障診斷等提供校驗信號，還仿真與rpn關聯的其他系統模擬量和開關量等信號，為rpn系統的設備調試、邏輯功能檢驗和故障檢測提供技術手段。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，根據這些附圖獲得其他的附圖仍屬於本發明的範疇。

圖1為本發明實施例提供的可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置的系統結構示意圖；

圖2為圖1中硼正比計數管探測器信號仿真模塊的系統結構示意圖；

圖3為圖2中硼正比計數管探測器信號仿真模塊周期信號產生的系統結構示意圖；

圖4為圖1中補償電離室探測器信號仿真模塊的系統結構示意圖；

圖5為圖4中補償電離室探測器信號仿真模塊周期信號產生的系統結構示意圖；

圖6為圖1中長電離室探測器信號仿真模塊的系統結構示意圖；

圖7為圖1中裂變室探測器信號仿真模塊的系統結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。

如圖1所示，為本發明實施例中，提供的一種可攜式的中子探測器信號動態仿真裝置，該裝置包括背板1，以及均通過背板1實現相互連接與通信的人機互動模塊2、硼正比計數管探測器信號仿真模塊3、補償電離室探測器信號仿真模塊4、長電離室探測器信號仿真模塊5、裂變室探測器信號仿真模塊6、模擬量模塊7、數字量模塊8和控制通信模塊9。

在本發明實施例中，背板1、人機互動模塊2、硼正比計數管探測器信號仿真模塊3、補償電離室探測器信號仿真模塊4、長電離室探測器信號仿真模塊5、裂變室探測器信號仿真模塊6、模擬量模塊7、數字量模塊8和控制通信模塊9均內置於一可攜式機箱中且均為集成電路板；其中，硼正比計數管探測器信號仿真模塊3、補償電離室探測器信號仿真模塊4、長電離室探測器信號仿真模塊5、裂變室探測器信號仿真模塊6、模擬量模塊7、數字量模塊8和控制通信模塊9均可熱插拔式安裝於背板1上。當然，可以理解的是，可攜式機箱前面板上設有觸控螢幕顯示、可以讀取控制通信模塊9處理後的數據，也可以通過觸控螢幕設置人機互動模塊2所需的用戶輸入數據。當然，也可以通過前面板的usb接口將測試數據導出分析，還可以將數據存儲到外部設備。其中，

人機互動模塊2，用於獲取用戶輸入數據，並將所獲取到的用戶輸入數據相應的分配給硼正比計數管探測器信號仿真模塊3、補償電離室探測器信號仿真模塊4、長電離室探測器信號仿真模塊5、裂變室探測器信號仿真模塊6、模擬量模塊7和數字量模塊8；

硼正比計數管探測器信號仿真模塊3，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，仿真反應堆停堆期間和啟動初始階段中子通量位於第一預設變化範圍內時源量程探測器輸出的電壓脈衝周期信號或電壓脈衝定值信號；

補償電離室探測器信號仿真模塊4，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，仿真反應堆臨界以後到額定功率的10%pn階段中子通量位於第二預設變化範圍內時中間量程探測器輸出的電流周期信號或電流定值信號；

長電離室探測器信號仿真模塊5，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，仿真反應堆堆芯上下半部中子通量位於第三預設變化範圍內時功率量程探測器輸出的電流定值信號；

裂變室探測器信號仿真模塊6，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，仿真反應堆核功率小於預設閾值時中間量程探測器輸出的電流脈衝信號和/或仿真反應堆核功率大於或等於所述預設閾值時中間量程探測器輸出的電壓信號；

模擬量模塊7，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，對應模擬產生rpn外部的模擬量信號，並與rpn關聯的外部系統進行數據採集、功能運算及接口通訊；

數字量模塊8，用於根據人機互動模塊2所分配的相應數據，對應模擬產生rpn外部的數字量信號，並與rpn關聯的外部系統進行數據採集、功能運算及接口通訊；

控制通信模塊9，用於控制裝置中各模塊之間的數據交換和傳輸。

應當說明的是，該裝置還包括給裝置中各模塊的低壓電源模塊10。

可以理解的是，硼正比計數管探測器信號仿真模塊3、補償電離室探測器信號仿真模塊4、長電離室探測器信號仿真模塊5、裂變室探測器信號仿真模塊6、模擬量模塊7和數字量模塊8通過人機互動模塊2上運行的軟體控制各自模塊執行各自定義的功能，同時實時監控各自模塊的狀態。人機互動模塊2上運行的軟體是自主開發的應用軟體，可以運行不同工作狀態模型來模擬不同的信號。比如，根據反應堆在不同工況下的運行狀態模型來控制相應的探測器信號仿真模塊輸出相應的仿真信號，以及模擬rpn系統外部系統輸出的模擬量信號和開關量信號，以達到模擬在反應堆不同工況下rpn系統的外部輸入環境的目的。

在本發明實施例中，如圖2所示，硼正比計數管探測器信號仿真模塊3包括依序連接的第一光耦隔離器31、第一單穩態觸發器32、第一π型衰減網絡33和第一高壓電容34。此時，由人機互動模塊2通過控制通信模塊9產生信號，並經過第一光耦隔離器31輸出脈衝信號，再經過型號為74ls123的第一單穩態觸發器32輸出ttl電平的脈衝信號，然後經過第一π型電阻衰減網絡33將脈衝的幅值降低，最終由第一高壓電容34隔離輸出電壓脈衝信號。應當說明的是，第一π型衰減網絡33採用本領域常用設計，由三個電阻形成。

硼正比計數管探測器信號仿真模塊3仿真反應堆停堆期間和啟動初始階段中子通量位於第一預設變化範圍內（如[10-1n/cm2·s，2*105n/cm2·s]）時源量程探測器輸出信號，該信號頻率為1hz～10mhz、幅值為1mv和脈寬為≤100ns。應當說明的是，硼正比計數管探測器信號仿真模塊3還可以根據反應堆停堆期間和啟動初始階段核功率的範圍來仿真源量程探測器輸出信號，如從10-9%fp到10-3%fp（fp滿功率）範圍內。

該信號不僅是靜態的電壓脈衝定值信號，也可以是動態的電壓脈衝周期信號，周期可自定義，如15s，30s，50s，100s，，且輸出精度小於1%。信號周期的設定具體請參見圖3來實現，預先對指數信號進行採樣，存儲在rom中，控制通信模塊9確定周期控制字和相位偏移量的初始值，時鐘信號上升沿觸發，相位累加，查找rom表中對應的頻率值，經過分頻器，輸出周期變化的脈衝信號。

在本發明實施例中，如圖4所示，補償電離室探測器信號仿真模塊4包括依序連接的第一數模轉換器41、第一低通濾波器42和由運算放大器構成的第一電壓/電流轉換器43。此時，由人機互動模塊2通過控制通信模塊9產生信號，並經過第一模數轉換器41輸出電壓信號，再經過第一低通濾波器42將高頻信號濾除，最終經過由第一電壓/電流轉換器43轉換成電流信號輸出。

補償電離室探測器信號仿真模塊4仿真反應堆臨界以後到額定功率的10%pn階段中子通量位於第二預設變化範圍內（如[2*102n/cm2·s，5*1010n/cm2·s]）時中間量程探測器輸出信號，該信號電流大小為10-11a～10-3a。應當說明的是，補償電離室探測器信號仿真模塊4也可以根據反應堆臨界以後到額定功率的10%pn階段核功率的範圍來仿真中間量程探測器輸出信號，如從10-6%fp到100%fp範圍內。

該信號不僅是靜態的電壓脈衝定值信號，也可以是動態的電壓脈衝周期信號，周期可自定義，如15s，30s，50s，100s，且輸出精度小於1%。信號周期的設定具體請參見圖5來實現，預先對指數信號進行採樣，存儲在rom中，控制通信模塊9確定周期控制字和相位偏移量的初始值，時鐘信號上升沿觸發，相位累加，查找rom表中對應的電流值，經過數模轉換器，輸出周期變化的電流信號。

在本發明實施例中，如圖6所示，長電離室探測器信號仿真模塊5由相同的六個電流定值信號模擬電路組成，且六個電流定值信號模擬電路之中三個用於仿真反應堆堆芯上半部，六個電流定值信號模擬電路之中另三個用於仿真反應堆堆芯下半部；其中，每一電流定值信號模擬電路均包括依序連接的第二數模轉換器51、第二低通濾波器52和由運算放大器構成的第二電壓/電流轉換器53。此時，由人機互動模塊2通過控制通信模塊9產生信號，並分別經過六路電流定值信號模擬電路中第二模數轉換器51輸出電壓信號，再經過第二低通濾波器52將高頻信號濾除，最終經過由運算放大器構成的第二電壓/電流轉換器53轉換成相應的六路電流信號輸出。

長電離室探測器信號仿真模塊5仿真反應堆堆芯上下半部中子通量位於第三預設變化範圍內（如[5*102n/cm2·s，5*1010n/cm2·s]）時功率量程探測器輸出的電流定值信號，該信號電流大小為10-6a～2*10-4a。應當說明的是，長電離室探測器信號仿真模塊5也可以根據反應堆核功率的範圍來仿真中間量程探測器輸出信號，如從10-1%fp到200%fp範圍內。

在本發明實施例中，如圖7所示，裂變室探測器信號仿真模塊6包括脈衝模式模擬電路61和/或均方根模式模擬電路62；其中，

脈衝模式模擬電路61，用於仿真反應堆核功率小於預設閾值（如10-2%fp）時中間量程探測器輸出的電流脈衝信號；該脈衝模式模擬電路61包括依序連接的第二光耦隔離器611、第二單穩態觸發器612、第二π型衰減網絡613和第二高壓電容614；

均方根模式模擬電路62，用於仿真反應堆核功率大於或等於預設閾值（如10-2%fp）時中間量程探測器輸出的電壓信號；均方根模式模擬電路62包括依序連接的第三數模轉換器621、第三低通濾波器622和第三π型衰減網絡623。

裂變室探測器信號仿真模塊6使用兩種工作模式，包括脈衝模式和均方根（msv）模式，具體如下：

（1）脈衝模式：此時，由人機互動模塊2通過控制通信模塊9產生信號，並經過第二光耦隔離器611輸出脈衝信號，再經過型號為74ls123的第二單穩態觸發器612輸出ttl電平的脈衝信號，然後經過第二π型衰減網絡613將脈衝的幅值降低，最終由第二高壓電容614輸出電流脈衝信號，該電流脈衝信號頻率為1hz～10mhz，脈寬為<100ns。

（2）msv模式：此時，由人機互動模塊2通過控制通信模塊9產生信號，並經過第三數模轉換器621輸出電壓信號，再經過第三低通濾波器622將高頻信號濾除，最終經過第三π型衰減網絡623將電壓信號的幅值降低輸出，該電壓信號電壓為160mvrms～5vrms，帶寬為30±5khz.。

在本發明實施例中，模擬量模塊7具有八路模擬量輸出通道和八路模擬量採集通道，且各路通道之間均使用光耦相互隔離；該模擬量模塊7的溫漂≤100ppm/°c，具有浪湧和靜電釋放保護功能。

模擬量模塊7具有ai/ao接口；其中，ai接口有八路模擬量採集通道，電壓範圍為[0，10]v，精度為0.1%，採樣速率為125ksps；電流範圍為[4，20]ma，精度為0.1%，採樣速率為125ksps；其中，ao接口有八路模擬量輸出通道，每一路可以根據要求配置輸出電流或輸出電壓，電壓範圍為[0，10]v，精度為0.1%，更新速度為125ksps滿量程；電流範圍為[4，20]ma，精度為0.1%，更新速度為125ksps滿量程。

在本發明實施例中，數字量模塊8具有十六路數字量輸出通道和十六路數字量採集通道，且各路通道之間均使用光耦相互隔離；該數字量模塊8具有浪湧和靜電釋放保護功能。

數字量模塊8具有di/do接口；其中，di接口有十六路數字量採集通道，使得數字量信號可經處理後由背板1的總線將信號傳遞到控制通信模塊9，且還可提供15v偏置電壓；do接口十六路數字量輸出通道，將總線開關量發送到繼電器輸出板卡，並通過回讀電路提供開關量的實時狀態，以及提供每路數字量輸出通道的自檢。

實施本發明實施例，具有如下有益效果：

1、本發明採用模塊化設計，可以集成在可攜式機箱內，具有易便攜、安裝工藝簡單、維護成本低等優點；

2、本發明不僅模擬核電站在啟堆、停堆以及穩定運行期間rpn不同種類中子探測器的輸出信號，為實驗室條件下和電廠現場環境下的rpn系統研發、設備運維、故障診斷等提供校驗信號，還仿真與rpn關聯的其他系統模擬量和開關量等信號，為rpn系統的設備調試、邏輯功能檢驗和故障檢測提供技術手段。。

以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。