一种便携式的中子探测器信号动态仿真装置的制作方法

本发明涉及核电安全测量技术领域，尤其涉及一种便携式的中子探测器信号动态仿真装置。

背景技术：

堆外核测量仪表系统（rpn）用分布于核电站反应堆压力容器外的一系列中子探测器来连续监测反应堆功率、功率变化率和功率的轴向分布，，并对测得的各种信号加以显示记录，反馈反应堆装料、停堆、启动及功率运行时反应堆状态的信息，是直接关系到反应堆安全的重要系统之一。

目前，核电厂rpn系统没有专门的中子探测器信号仿真装置来实现设备调试和故障诊断，影响核电厂安全稳定运行。因此，亟需一种中子探测器信号仿真装置，能够模拟产生核电站在启堆、停堆以及稳定运行期间rpn中子探测器的输出信号以及与rpn关联的外部系统输出信号，为rpn系统的设备调试、逻辑功能检验和故障检测提供技术手段。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种便携式的中子探测器信号动态仿真装置，能够模拟产生核电站在启堆、停堆以及稳定运行期间rpn中子探测器的输出信号以及与rpn关联的外部系统输出信号，为rpn系统的设备调试、逻辑功能检验和故障检测提供技术手段。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种便携式的中子探测器信号动态仿真装置，所述装置包括背板，以及均通过所述背板实现相互连接与通信的人机交互模块、硼正比计数管探测器信号仿真模块、补偿电离室探测器信号仿真模块、长电离室探测器信号仿真模块、裂变室探测器信号仿真模块、模拟量模块、数字量模块和控制通信模块；其中，

所述人机交互模块，用于获取用户输入数据，并将所获取到的用户输入数据相应的分配给所述硼正比计数管探测器信号仿真模块、补偿电离室探测器信号仿真模块、长电离室探测器信号仿真模块、裂变室探测器信号仿真模块、模拟量模块及数字量模块；

所述硼正比计数管探测器信号仿真模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，仿真反应堆停堆期间和启动初始阶段中子通量位于第一预设变化范围内时源量程探测器输出的电压脉冲周期信号或电压脉冲定值信号；

所述补偿电离室探测器信号仿真模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，仿真反应堆临界以后到额定功率的10%pn阶段中子通量位于第二预设变化范围内时中间量程探测器输出的电流周期信号或电流定值信号；

所述长电离室探测器信号仿真模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，仿真反应堆堆芯上下半部中子通量位于第三预设变化范围内时功率量程探测器输出的电流定值信号；

所述裂变室探测器信号仿真模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，仿真反应堆核功率小于预设阈值时中间量程探测器输出的电流脉冲信号和/或仿真反应堆核功率大于或等于所述预设阈值时中间量程探测器输出的电压信号；

所述模拟量模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，对应模拟产生rpn外部的模拟量信号，并与rpn关联的外部系统进行数据采集、功能运算及接口通讯；

所述数字量模块，用于根据所述人机交互模块所分配的相应数据，对应模拟产生rpn外部的数字量信号，并与rpn关联的外部系统进行数据采集、功能运算及接口通讯；

所述控制通信模块，用于控制所述装置中各模块之间的数据交换和传输。

其中，所述硼正比计数管探测器信号仿真模块包括依序连接的第一光耦隔离器、第一单稳态触发器、第一π型衰减网络和第一高压电容。

其中，所述补偿电离室探测器信号仿真模块包括依序连接的第一数模转换器、第一低通滤波器和由运算放大器构成的第一电压/电流转换器。

其中，所述长电离室探测器信号仿真模块由相同的六个电流定值信号模拟电路组成，且所述六个电流定值信号模拟电路之中三个用于仿真反应堆堆芯上半部，所述六个电流定值信号模拟电路之中另三个用于仿真反应堆堆芯下半部；其中，每一电流定值信号模拟电路均包括依序连接的第二数模转换器、第二低通滤波器和由运算放大器构成的第二电压/电流转换器。

其中，所述裂变室探测器信号仿真模块包括脉冲模式模拟电路和/或均方根模式模拟电路；其中，

所述脉冲模式模拟电路，用于仿真反应堆核功率小于所述预设阈值时中间量程探测器输出的电流脉冲信号；所述脉冲模式模拟电路包括依序连接的第二光耦隔离器、第二单稳态触发器、第二π型衰减网络和第二高压电容；

所述均方根模式模拟电路，用于仿真反应堆核功率大于或等于所述预设阈值时中间量程探测器输出的电压信号；所述均方根模式模拟电路包括依序连接的第三数模转换器、第三低通滤波器和第三π型衰减网络。

其中，所述模拟量模块具有八路模拟量输出通道和八路模拟量采集通道，且各路通道之间均使用光耦相互隔离；所述模拟量模块的温漂≤100ppm/°c，具有浪涌和静电释放保护功能。.

其中，所述数字量模块具有十六路数字量量输出通道和十六路数字量采集通道，且各路通道之间均使用光耦相互隔离；所述数字量模块具有浪涌和静电释放保护功能。

其中，所述第一预设变化范围为[10^-1n/cm²·s，2*10⁵n/cm²·s]；所述第二预设变化范围为[2*10²n/cm²·s，5*10¹⁰n/cm²·s]；所述第三预设变化范围为[5*10²n/cm²·s，5*10¹⁰n/cm²·s]。

其中，所述预设阈值为反应堆满功率的10^-2%。

其中，所述装置中的背板、人机交互模块、硼正比计数管探测器信号仿真模块、补偿电离室探测器信号仿真模块、长电离室探测器信号仿真模块、裂变室探测器信号仿真模块、模拟量模块、数字量模块和控制通信模块均内置于一便携式机箱中且均为集成电路板；其中，所述硼正比计数管探测器信号仿真模块、补偿电离室探测器信号仿真模块、长电离室探测器信号仿真模块、裂变室探测器信号仿真模块、模拟量模块、数字量模块和控制通信模块均可热插拔式安装于所述背板上。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明采用模块化设计，可以集成在便携式机箱内，具有易便携、安装工艺简单、维护成本低等优点；

2、本发明不仅模拟核电站在启堆、停堆以及稳定运行期间rpn不同种类中子探测器的输出信号，为实验室条件下和电厂现场环境下的rpn系统研发、设备运维、故障诊断等提供校验信号，还仿真与rpn关联的其他系统模拟量和开关量等信号，为rpn系统的设备调试、逻辑功能检验和故障检测提供技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的便携式的中子探测器信号动态仿真装置的系统结构示意图；

图2为图1中硼正比计数管探测器信号仿真模块的系统结构示意图；

图3为图2中硼正比计数管探测器信号仿真模块周期信号产生的系统结构示意图；

图4为图1中补偿电离室探测器信号仿真模块的系统结构示意图；

图5为图4中补偿电离室探测器信号仿真模块周期信号产生的系统结构示意图；

图6为图1中长电离室探测器信号仿真模块的系统结构示意图；

图7为图1中裂变室探测器信号仿真模块的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种便携式的中子探测器信号动态仿真装置，该装置包括背板1，以及均通过背板1实现相互连接与通信的人机交互模块2、硼正比计数管探测器信号仿真模块3、补偿电离室探测器信号仿真模块4、长电离室探测器信号仿真模块5、裂变室探测器信号仿真模块6、模拟量模块7、数字量模块8和控制通信模块9。

在本发明实施例中，背板1、人机交互模块2、硼正比计数管探测器信号仿真模块3、补偿电离室探测器信号仿真模块4、长电离室探测器信号仿真模块5、裂变室探测器信号仿真模块6、模拟量模块7、数字量模块8和控制通信模块9均内置于一便携式机箱中且均为集成电路板；其中，硼正比计数管探测器信号仿真模块3、补偿电离室探测器信号仿真模块4、长电离室探测器信号仿真模块5、裂变室探测器信号仿真模块6、模拟量模块7、数字量模块8和控制通信模块9均可热插拔式安装于背板1上。当然，可以理解的是，便携式机箱前面板上设有触摸屏显示、可以读取控制通信模块9处理后的数据，也可以通过触摸屏设置人机交互模块2所需的用户输入数据。当然，也可以通过前面板的usb接口将测试数据导出分析，还可以将数据存储到外部设备。其中，

人机交互模块2，用于获取用户输入数据，并将所获取到的用户输入数据相应的分配给硼正比计数管探测器信号仿真模块3、补偿电离室探测器信号仿真模块4、长电离室探测器信号仿真模块5、裂变室探测器信号仿真模块6、模拟量模块7和数字量模块8；

硼正比计数管探测器信号仿真模块3，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，仿真反应堆停堆期间和启动初始阶段中子通量位于第一预设变化范围内时源量程探测器输出的电压脉冲周期信号或电压脉冲定值信号；

补偿电离室探测器信号仿真模块4，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，仿真反应堆临界以后到额定功率的10%pn阶段中子通量位于第二预设变化范围内时中间量程探测器输出的电流周期信号或电流定值信号；

长电离室探测器信号仿真模块5，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，仿真反应堆堆芯上下半部中子通量位于第三预设变化范围内时功率量程探测器输出的电流定值信号；

裂变室探测器信号仿真模块6，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，仿真反应堆核功率小于预设阈值时中间量程探测器输出的电流脉冲信号和/或仿真反应堆核功率大于或等于所述预设阈值时中间量程探测器输出的电压信号；

模拟量模块7，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，对应模拟产生rpn外部的模拟量信号，并与rpn关联的外部系统进行数据采集、功能运算及接口通讯；

数字量模块8，用于根据人机交互模块2所分配的相应数据，对应模拟产生rpn外部的数字量信号，并与rpn关联的外部系统进行数据采集、功能运算及接口通讯；

控制通信模块9，用于控制装置中各模块之间的数据交换和传输。

应当说明的是，该装置还包括给装置中各模块的低压电源模块10。

可以理解的是，硼正比计数管探测器信号仿真模块3、补偿电离室探测器信号仿真模块4、长电离室探测器信号仿真模块5、裂变室探测器信号仿真模块6、模拟量模块7和数字量模块8通过人机交互模块2上运行的软件控制各自模块执行各自定义的功能，同时实时监控各自模块的状态。人机交互模块2上运行的软件是自主开发的应用软件，可以运行不同工作状态模型来模拟不同的信号。比如，根据反应堆在不同工况下的运行状态模型来控制相应的探测器信号仿真模块输出相应的仿真信号，以及模拟rpn系统外部系统输出的模拟量信号和开关量信号，以达到模拟在反应堆不同工况下rpn系统的外部输入环境的目的。

在本发明实施例中，如图2所示，硼正比计数管探测器信号仿真模块3包括依序连接的第一光耦隔离器31、第一单稳态触发器32、第一π型衰减网络33和第一高压电容34。此时，由人机交互模块2通过控制通信模块9产生信号，并经过第一光耦隔离器31输出脉冲信号，再经过型号为74ls123的第一单稳态触发器32输出ttl电平的脉冲信号，然后经过第一π型电阻衰减网络33将脉冲的幅值降低，最终由第一高压电容34隔离输出电压脉冲信号。应当说明的是，第一π型衰减网络33采用本领域常用设计，由三个电阻形成。

硼正比计数管探测器信号仿真模块3仿真反应堆停堆期间和启动初始阶段中子通量位于第一预设变化范围内（如[10^-1n/cm²·s，2*10⁵n/cm²·s]）时源量程探测器输出信号，该信号频率为1hz～10mhz、幅值为1mv和脉宽为≤100ns。应当说明的是，硼正比计数管探测器信号仿真模块3还可以根据反应堆停堆期间和启动初始阶段核功率的范围来仿真源量程探测器输出信号，如从10^-9%fp到10^-3%fp（fp满功率）范围内。

该信号不仅是静态的电压脉冲定值信号，也可以是动态的电压脉冲周期信号，周期可自定义，如15s，30s，50s，100s，，且输出精度小于1%。信号周期的设定具体请参见图3来实现，预先对指数信号进行采样，存储在rom中，控制通信模块9确定周期控制字和相位偏移量的初始值，时钟信号上升沿触发，相位累加，查找rom表中对应的频率值，经过分频器，输出周期变化的脉冲信号。

在本发明实施例中，如图4所示，补偿电离室探测器信号仿真模块4包括依序连接的第一数模转换器41、第一低通滤波器42和由运算放大器构成的第一电压/电流转换器43。此时，由人机交互模块2通过控制通信模块9产生信号，并经过第一模数转换器41输出电压信号，再经过第一低通滤波器42将高频信号滤除，最终经过由第一电压/电流转换器43转换成电流信号输出。

补偿电离室探测器信号仿真模块4仿真反应堆临界以后到额定功率的10%pn阶段中子通量位于第二预设变化范围内（如[2*10²n/cm²·s，5*10¹⁰n/cm²·s]）时中间量程探测器输出信号，该信号电流大小为10^-11a～10^-3a。应当说明的是，补偿电离室探测器信号仿真模块4也可以根据反应堆临界以后到额定功率的10%pn阶段核功率的范围来仿真中间量程探测器输出信号，如从10^-6%fp到100%fp范围内。

该信号不仅是静态的电压脉冲定值信号，也可以是动态的电压脉冲周期信号，周期可自定义，如15s，30s，50s，100s，且输出精度小于1%。信号周期的设定具体请参见图5来实现，预先对指数信号进行采样，存储在rom中，控制通信模块9确定周期控制字和相位偏移量的初始值，时钟信号上升沿触发，相位累加，查找rom表中对应的电流值，经过数模转换器，输出周期变化的电流信号。

在本发明实施例中，如图6所示，长电离室探测器信号仿真模块5由相同的六个电流定值信号模拟电路组成，且六个电流定值信号模拟电路之中三个用于仿真反应堆堆芯上半部，六个电流定值信号模拟电路之中另三个用于仿真反应堆堆芯下半部；其中，每一电流定值信号模拟电路均包括依序连接的第二数模转换器51、第二低通滤波器52和由运算放大器构成的第二电压/电流转换器53。此时，由人机交互模块2通过控制通信模块9产生信号，并分别经过六路电流定值信号模拟电路中第二模数转换器51输出电压信号，再经过第二低通滤波器52将高频信号滤除，最终经过由运算放大器构成的第二电压/电流转换器53转换成相应的六路电流信号输出。

长电离室探测器信号仿真模块5仿真反应堆堆芯上下半部中子通量位于第三预设变化范围内（如[5*10²n/cm²·s，5*10¹⁰n/cm²·s]）时功率量程探测器输出的电流定值信号，该信号电流大小为10^-6a～2*10^-4a。应当说明的是，长电离室探测器信号仿真模块5也可以根据反应堆核功率的范围来仿真中间量程探测器输出信号，如从10^-1%fp到200%fp范围内。

在本发明实施例中，如图7所示，裂变室探测器信号仿真模块6包括脉冲模式模拟电路61和/或均方根模式模拟电路62；其中，

脉冲模式模拟电路61，用于仿真反应堆核功率小于预设阈值（如10^-2%fp）时中间量程探测器输出的电流脉冲信号；该脉冲模式模拟电路61包括依序连接的第二光耦隔离器611、第二单稳态触发器612、第二π型衰减网络613和第二高压电容614；

均方根模式模拟电路62，用于仿真反应堆核功率大于或等于预设阈值（如10^-2%fp）时中间量程探测器输出的电压信号；均方根模式模拟电路62包括依序连接的第三数模转换器621、第三低通滤波器622和第三π型衰减网络623。

裂变室探测器信号仿真模块6使用两种工作模式，包括脉冲模式和均方根（msv）模式，具体如下：

（1）脉冲模式：此时，由人机交互模块2通过控制通信模块9产生信号，并经过第二光耦隔离器611输出脉冲信号，再经过型号为74ls123的第二单稳态触发器612输出ttl电平的脉冲信号，然后经过第二π型衰减网络613将脉冲的幅值降低，最终由第二高压电容614输出电流脉冲信号，该电流脉冲信号频率为1hz～10mhz，脉宽为<100ns。

（2）msv模式：此时，由人机交互模块2通过控制通信模块9产生信号，并经过第三数模转换器621输出电压信号，再经过第三低通滤波器622将高频信号滤除，最终经过第三π型衰减网络623将电压信号的幅值降低输出，该电压信号电压为160mvrms～5vrms，带宽为30±5khz.。

在本发明实施例中，模拟量模块7具有八路模拟量输出通道和八路模拟量采集通道，且各路通道之间均使用光耦相互隔离；该模拟量模块7的温漂≤100ppm/°c，具有浪涌和静电释放保护功能。

模拟量模块7具有ai/ao接口；其中，ai接口有八路模拟量采集通道，电压范围为[0，10]v，精度为0.1%，采样速率为125ksps；电流范围为[4，20]ma，精度为0.1%，采样速率为125ksps；其中，ao接口有八路模拟量输出通道，每一路可以根据要求配置输出电流或输出电压，电压范围为[0，10]v，精度为0.1%，更新速度为125ksps满量程；电流范围为[4，20]ma，精度为0.1%，更新速度为125ksps满量程。

在本发明实施例中，数字量模块8具有十六路数字量输出通道和十六路数字量采集通道，且各路通道之间均使用光耦相互隔离；该数字量模块8具有浪涌和静电释放保护功能。

数字量模块8具有di/do接口；其中，di接口有十六路数字量采集通道，使得数字量信号可经处理后由背板1的总线将信号传递到控制通信模块9，且还可提供15v偏置电压；do接口十六路数字量输出通道，将总线开关量发送到继电器输出板卡，并通过回读电路提供开关量的实时状态，以及提供每路数字量输出通道的自检。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明采用模块化设计，可以集成在便携式机箱内，具有易便携、安装工艺简单、维护成本低等优点；

2、本发明不仅模拟核电站在启堆、停堆以及稳定运行期间rpn不同种类中子探测器的输出信号，为实验室条件下和电厂现场环境下的rpn系统研发、设备运维、故障诊断等提供校验信号，还仿真与rpn关联的其他系统模拟量和开关量等信号，为rpn系统的设备调试、逻辑功能检验和故障检测提供技术手段。。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。