一种数字反应性仪的制作方法

本发明涉及反应堆在线核仪表、在线反应堆核数据测量领域，具体地，涉及一种具有与核电厂数字化仪控系统通信能力的反应性仪。

背景技术：

反应性是指示反应堆内部中子有效增值系数Keff对临界值的相对偏离量，是反应堆物理启动时反映反应堆运行情况的重要参数。它的准确测量对于反应堆的安全运行和发挥其经济效益有重要意义。反应性仪是直接测量反应堆反应性的唯一设备，也是核电厂反应堆物理启动及零功率物理实验的关键设备。

随着反应堆核测量技术和电子技术的发展，反应性仪的研制也有了较大进步。目前国内外有双通道可实现实时、在线测量的反应性仪，有用于压水堆零功率物理试验等温温度系数、控制棒价值测量的反应性仪，有可测多种参数和多样化显示记录的反应性仪等。但这些反应性仪均独立于核电厂数字化仪控系统之外，无法与数字化仪控系统(DCS)通信，无法实现同步实时读取数字化仪控系统的多个物理试验参数的功能。

现有的反应性仪一般仅通过测量探测器电流实现反应性测量，无法同时读取反应堆物理试验的多个参数，或者仅通过硬接线方式读取个别参数，无法实现大数据量的同步读取。反应堆零功率物理试验时，一般通过多笔记录仪实现反应性与其他物理参数的记录，但这种方法记录数据有限，且无法进行数字化处理。

现有的反应性仪为独立设备，无法与核电厂数字化仪控系统通信，不能获取物理试验过程中大量的试验参数，即不能使这些参数直接参与反应性计算、温度系数测量和棒价值测量等功能。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的反应性仪存在无法与数字化仪控系统通信，无法实现同步实时读取数字化仪控系统的多个物理试验参数，无法实现大数据量的同步读取的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种数字反应性仪，解决了现有的反应性仪存在无法与数字化仪控系统通信，无法实现同步实时读取数字化仪控系统的多个物理试验参数，无法实现大数据量的同步读取的技术问题，实现了数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统的网络通信，实现了同步读取多达256个物理试验数据，读取到的物理试验数据可以进行数字化处理和输出，保证了物理试验数据的同步读取和记录保存的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种数字反应性仪，所述数字反应性仪基于TCP/IP的Modbus通信协议与核电厂数字仪控系统进行网络通信，由数字反应性仪以固定通信协议封装，向核电厂数字仪控系统发出数据读取请求，核电厂数字仪控系统接收该请求后发出响应报文，数字反应性仪接收响应报文，读取需要的数据。

其中，基于应用层报文传输协议Modbus，实现网络连接客户机与服务器之间的通信，基于TCP/IP的Modbus协议封装格式为：MBAP报文头和协议数据单元；所述MBAP报文头用于识别Modbus应用数据单元，所述协议数据单元包括功能码和数据，功能码向核电厂数字仪控系统进行操作指示。

其中，数字反应性仪将通过Modbus通信读取到的1024个字节，通过每4个字节的强制类型转换，转换为256个浮点型数据，每个数据代表一个物理试验参数，物理试验参数包括：源量程中子通量、中间量程中子通量、功率量程中子通量、冷热腿平均温度、压力、水位、各组棒棒位。

其中，数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统Modbus通信采用读写保持寄存器方式，功能码为03，使用该功能码从核电厂数字化仪控系统中读保持寄存器连续块的内容；请求PDU指定了起始寄存器地址和寄存器数量，起始地址为0，读取寄存器数量为1024，读取数据类型为二进制；数字反应性仪以1秒1次的频率从核电厂数字化仪控系统读取数据。

其中，所述数字反应性仪由显示器、工控机、信号调理器和高压机箱四部分组成，所述数字反应性仪能够同时采集两路探测器电流信号和两路堆外核测电压信号，测量结果用于反应性计算。

其中，所述测量结果用于反应性计算具体为：数字反应性仪通过电缆采集探测器电流信号，通过逆动态法计算出反应性。

其中，反应性和中子通量的关系在点堆模型中由下列中子动力学方程确定：

式中：ρ—反应性，n—反应堆的平均中子密度，L—瞬发中子平均寿命，β—缓发中子有效份额，β_i—第i组缓发中子份额，C_i—第i组缓发中子发射体的密度，λ_i—第i组缓发中子发射体的衰变常数，i—缓发中子发射体组号，S—源项，M—缓发中子组数，dn为平均中子密度的微分值，dt为采样时间间隔，dC_i为第i组中子发射体密度的微分值，M为缓发中子组数，其中，由(1)和(2)式变换整理后得出反应性：

(3)式中I表示反应堆功率电流信号。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将数字反应性仪设计为：所述数字反应性仪基于TCP/IP的Modbus通信协议与核电厂数字仪控系统进行网络通信，由数字反应性仪以固定通信协议封装，向核电厂数字仪控系统发出数据读取请求，核电厂数字仪控系统接收该请求后发出响应报文，数字反应性仪接收响应报文，读取需要的数据的技术方案，通过分析核电厂数字化仪控系统的通信协议和数据协议，实现反应性仪与数字化仪控系统的网络通信功能，实现物理试验多个参数的实时、同步读取；同时将该功能整合在现有反应性仪功能中，实现从数字化仪控系统读取的大量试验参数直接参与到反应性计算、温度系数测量和棒价值测量等功能中；通过基于TCP/IP的Modbus通信方式，解决了数字反应性仪与数字化仪控系统无法通信交互的问题，实现了数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统的网络通信，实现了同步读取多达256个物理试验数据，并将这些物理参数直接应用于温度系数测量、棒价值测量等功能中；读取到的物理试验数据可以进行数字化处理和输出，保证了物理试验数据的同步读取和记录保存。

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；

图1是本申请中Modbus客户机/服务器模型示意图；

图2是本申请中Modbus TCP/IP在网络上进行Modbus请求或响应的封装示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种数字反应性仪，解决了现有的反应性仪存在无法与数字化仪控系统通信，无法实现同步实时读取数字化仪控系统的多个物理试验参数，无法实现大数据量的同步读取的技术问题，实现了数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统的网络通信，实现了同步读取多达256个物理试验数据，读取到的物理试验数据可以进行数字化处理和输出，保证了物理试验数据的同步读取和记录保存的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

参见图1-图2，反应性仪由显示器、工控机、信号调理器和高压机箱四部分组成。可同时采集两路探测器电流信号和两路堆外核测电压信号，测量结果用于反应性计算。同时反应性仪可通过以太网通信方式与核电厂数字仪控系统连接，实时读取多达256个物理试验参数，读取结果同时用于反应性、温度系数、棒价值等的计算。

反应性计算：

数字反应性仪通过电缆采集探测器电流信号，通过逆动态法计算出反应性。反应性和中子通量的关系在点堆模型中由下列中子动力学方程确定：

式中：ρ—反应性，n—反应堆的平均中子密度，L—瞬发中子平均寿命，β—缓发中子有效份额，β_i—第i组缓发中子份额，C_i—第i组缓发中子发射体的密度，λ_i—第i组缓发中子发射体的衰变常数，i—缓发中子发射体组号，S—源项，M—缓发中子组数，dn为平均中子密度的微分值，dt为采样时间间隔，dC_i为第i组中子发射体密度的微分值，M为缓发中子组数，其中，由(1)和(2)式变换整理后得出反应性：

(3)式中I表示反应堆功率电流信号。网络通信：

请参考图1，数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统(DCS)通信是基于TCP/IP上的Modbus报文传输协议。Modbus是OSI模型第7层上的应用报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络设备之间提供客户机/服务器通信。即设备连接在同一个TCP/IP以太网络上，如图2所示该模型基于4种报文类型：

Modbus请求——客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文；

Modbus证实——服务器侧接收的请求报文；

Modbus指示——服务器发送的响应报文；

Modbus响应——客户机侧接收的响应报文；

本发明中，数字反应性仪作为客户机，核电厂数字化仪控系统(DCS)作为服务器，由客户机以固定通信协议封装，向服务器发出数据读取请求，服务器接收该请求后发出响应报文，客户机接收响应报文，读取需要的数据。Modbus TCP/IP在网络上进行Modbus请求或响应的封装如图2所示，TCP/IP使用一种专用报文头来识别Modbus应用数据单元，将这种报文头成为MBAP报文头，其后为Modbus协议定义的一个与基础通信层无关的协议数据单元(PDU)，其中功能码向服务器指示将执行哪种操作。

数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统(DCS)Modbus通信采用的读保持寄存器方式，功能码为03，使用该功能码从DCS中读保持寄存器连续块的内容；请求PDU指定了起始寄存器地址和寄存器数量，起始地址为0，读取寄存器数量为1024，读取数据类型为二进制；数字反应性仪以1秒1次的频率从服务器读取数据。

读取物理试验参数参与计算：

数字反应性仪将通过Modbus通信读取到的1024个字节，通过每4个字节的强制类型转换，转换为256个浮点型数据，每个数据代表一个物理试验参数包括：源量程中子通量、中间量程中子通量、功率量程中子通量、冷热腿平均温度、压力、水位、各组棒棒位等；将这些物理参数应用于温度系数测量和棒价值测量过程。如棒价值测量中，与计算反应性同步读取棒位数据，经过修正因子计算即可得到控制棒积分价值和微分价值。

本发明被应用于田湾核电厂1#机组先进刻棒试验中，试验过程中将本发明的数字反应性仪通过网线与核电厂数字化仪控系统(DCS)连接，数字反应性仪以Modbus通信方式同步读取控制棒棒位数据。数字反应性仪通过电缆采集探测器电流信号，通过逆动态法计算反应性；将控制棒棒位、修正因子和计算反应性结合起来即得到测量控制棒积分和微分价值。

传统的反应性仪为独立设备，无法与核电厂数字化仪控系统通信，不能获取物理试验过程中大量的试验参数；本发明利用基于TCP/IP的Modbus通信协议，实现了数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统的网络通信，实现了大量物理试验数据的同步读取，并将读取到的试验数据直接应用于反应性计算、温度系数测量和棒价值测量等功能中，实现物理试验数据的数字化处理和记录输出。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将数字反应性仪设计为：所述数字反应性仪基于TCP/IP的Modbus通信协议与核电厂数字仪控系统进行网络通信，由数字反应性仪以固定通信协议封装，向核电厂数字仪控系统发出数据读取请求，核电厂数字仪控系统接收该请求后发出响应报文，数字反应性仪接收响应报文，读取需要的数据的技术方案，通过分析核电厂数字化仪控系统的通信协议和数据协议，实现反应性仪与数字化仪控系统的网络通信功能，实现物理试验多个参数的实时、同步读取；同时将该功能整合在现有反应性仪功能中，实现从数字化仪控系统读取的大量试验参数直接参与到反应性计算、温度系数测量和棒价值测量等功能中；通过基于TCP/IP的Modbus通信方式，解决了数字反应性仪与数字化仪控系统无法通信交互的问题，实现了数字反应性仪与核电厂数字化仪控系统的网络通信，实现了同步读取多达256个物理试验数据，并将这些物理参数直接应用于温度系数测量、棒价值测量等功能中；读取到的物理试验数据可以进行数字化处理和输出，保证了物理试验数据的同步读取和记录保存。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。