中子吸收法硼濃度監測系統自動標定方法研究

代航陽，鄧 圣，崔 璨，王璨輝，付國恩，王紅波，蹤訓成，郭 燕

(中國核動力研究設計院 反應堆工程研究所，成都 610213)

0 引言

中子吸收法硼濃度監測系統[1-2]是核電站反應堆及一回路系統中硼濃度進行在線監測[3-6]研制的專用設備，可以精確監測核電站反應堆及一回路系統中的硼濃度[7]，同時還可以及時對硼稀釋事故發出報警。為保證監測準確性，該設備需要在首次使用和每次核電站大修時進行標定。

目前，核電站硼濃度監測系統的標定過程[8-9]存在費時、費人、專業性要求高等問題。1)過程費時具體表現為：一次標定過程至少需要18小時連續不間斷地進行；2)過程費人具體表現為：標定過程中至少需要兩名操作人員不間斷值守在二次測量設備處進行數據記錄和參數調節；3)過程專業性要求高具體表現為：需要經過廠家培訓、從事相關工作1年以上的人員手動標定。上述3點問題給標定工作增加了人工成本，降低了使用效率。

為降低人工成本，提高使用效率，相關技術人員提出了一種中子計數率自動標定方法[10]，通過預先設定的穩定時間閾值、溫度波動范圍閾值和計數率閾值確定系統狀態穩定，在系統穩定的情況下自動記錄中子計數率。該方法雖然實現了系數的自動標定，但不能完成控制參數(工作高壓和甄別閾)的自動獲取，無法完整地實現硼濃度監測系統的自動標定，并且自動標定方法中為了盡可能滿足所有情況下工作狀態穩定，其設定的穩定時間閾值相對傳統手動標定時間更長，導致標定效率更低。因此，如何在時間短、人力少條件下，實現快速、精準、簡便的硼濃度監測系統自動標定迫在眉睫。針對手動標定和現有自動標定的缺陷，本文提出一種適用于中子吸收法硼濃度監測系統的自動標定方法，解決了當前標定過程時間長、人力資源消耗大、專業要求高的問題，實現該設備快速和精簡的自動標定，提高了定期標定的效率。

1 中子吸收法硼濃度監測系統

1.1 測量原理

(1)

式中，a、b、c為二次擬合系數，n為硼濃度為P時的中子計數率，P為硼濃度。

從上式中看出，硼濃度監測的準確性取決于擬合系數的準確性，而擬合系數通過硼濃度監測系統定期標定獲得。該系統的定期標定過程包括控制參數標定和標定系數標定。

1.2 組成與功能

中子吸收法硼濃度監測系統包括探測裝置[14-16]、標定裝置、機柜、就地顯示箱[17]及溫度變送器箱，具體組成如圖1所示。探測裝置包括測量容器、中子源、中子探測器、溫度探測器、聚乙烯屏蔽體及不銹鋼箱體。標定裝置為一個可移動的、帶輪子的小車恒溫水槽。標定裝置包括循環泵、標定水箱、標定控制器、恒溫設定及顯示等。機柜為19吋標準機柜，其中包括工控機信號處理機箱、NIM信號處理機箱、顯示器、鍵盤/鼠標及工具箱等。就地顯示箱為一儀表架安裝機箱，顯示內容包括硼濃度和硼溶液溫度。溫度變送器箱將溫度探測器輸出的溫度信號轉換為4～20 mA的溫度信號，儀表架安裝。

圖1 中子吸收法硼濃度監測系統組成示意圖

該系統通過自身的探測裝置與核取樣回路連接,構成一個完整和獨立的反應堆一回路系統硼濃度測量系統。探測裝置內部安裝有中子探測器和中子源，探測器探測中子源經過硼溶液吸收后的剩余熱中子數，探測輸出的脈沖信號計數率與探測器接收到的熱中子數成正比。該系統通過對脈沖信號[18-20]進行采集，并建立中子計數率與硼濃度之間的數據處理模型，通過中子計數率計算出回路中的硼濃度。

該系統的工作高壓和甄別閾分別由NIM信號處理機箱里的高壓模塊和脈沖放大模塊提供。目前系統采用機械式電位器進行調節，需要操作員手動調節電位器控制高壓和甄別閾。

1.3 手動標定試驗方法

核電站運行一個大修周期(一般為12月或18個月)以后，隨著一回路冷卻劑中硼-10豐度和探測裝置中中子源衰變的影響，中子吸收法硼濃度監測系統的測量精度往往會下降，這時就需要重新對該設備進行標定以滿足實時監測的準確性要求。標定試驗目標是重新獲取中子脈沖信號采集設備的控制參數，重新獲取設備的標定系數。其中控制參數獲取方法具體包括坪曲線試驗和閾曲線試驗，標定系數獲取方法具體包括標定試驗和標定結果驗證試驗，標定試驗方法流程如圖2所示。

圖2 標定試驗方法流程圖

坪曲線試驗是通過手動調節高壓模塊的方式提升高壓，從而獲取不同高壓數值下的計數率來繪制坪曲線，并通過數據分析得到探測器采集數據最穩定的高壓坪區，作為探測器最終的工作高壓范圍。

閾曲線試驗是通過手動調節脈沖放大模塊的方式提升甄別閾，獲取不同甄別閾數值下的計數率來繪制閾曲線，并通過數據分析得到脈沖放大器干擾信號最小甄別電壓，作為脈沖放大器的甄別閾值。

標定試驗是在重新獲取工作高壓和甄別閾后，開展的設備校準試驗。在恒溫恒濕條件下，通過在不同理論硼濃度下，手動記錄若干組數據對(平均計數率&滴定硼濃度)，最終按照公式(1)的物理模型計算出二次擬合系數作為最新的標定系數。

標定結果驗證試驗是在標定系數更新后，驗證設備測量精度的試驗。在恒溫恒濕條件和不同硼濃度測量點，比較硼濃度監測系統軟件顯示硼濃度與化學滴定硼濃度之間的誤差，是否滿足技術要求。

傳統的手動標定試驗方法在效率上較低，體現在時間消耗和人力使用。時間消耗主要體現在參數調整、硼濃度穩定；人力使用主要體現在標定過程全程職守和人工記錄數據上。

2 中子吸收法硼濃度監測系統自動標定方案

中子吸收法硼濃度監測系統要實現自動標定分為兩個步驟：控制參數自動獲取和標定系數自動獲取。

控制參數自動獲取關鍵在于控制參數的自動調節，采用數字電位器替代機械式電位器的方式實現控制參數的自動調節。硬件方面，取消現有硼表設備控制參數的機械式調節電位器，增加數字電位器電路模塊，同時增加一個串口轉接模塊，實現與硼表標定軟件的遠程通訊；軟件方面，設計包含自動調節控制參數功能的坪曲線和閾曲線自動獲取軟件界面，開發控制數字電位器的串口通訊程序。該方案最終目標是自動調節中子探測器工作高壓和脈沖放大器甄別閾，自動繪制坪曲線和閾曲線，自動獲取標定后的工作高壓和甄別閾；

標定系數自動獲取關鍵在于中子計數率的自動判穩和記錄，采用基于數據統計漲落的中子計數率穩定判定方法。該中子計數率穩定判定方法替代現有穩定閾值(穩定時間閾值、溫度波動范圍閾值和計數率閾值)判定方法，來實現中子計數率的穩定判定。首先，通過數據統計漲落計算采集到的一段計數率的基準值；其次，比較隨后采集到的計數率與這個基準值的偏差，如果偏差小于設定的偏差閾值，則認為當前計數率已經穩定，硼溶液充分均勻；再次，如果偏差大于設定的偏差閾值，則認為當前計數率沒有穩定，硼溶液未充分均勻，因此，需要繼續等待直到當前計數率與上一數據段的基準值偏差在偏差閾值范圍內，則可以判定計數率已經穩定，并自動記錄有效中子計數率，并通過多組計數率與滴定硼濃度關系自動計算標定后的標定系數。

3 控制參數自動獲取

控制參數自動獲取關鍵在于控制參數的自動調節，坪閾曲線的自動繪制。其中，控制參數的自動調節通過硬件方法實現，坪閾曲線自動繪制通過軟件方法實現。

3.1 工作高壓自動獲取

工作高壓自動獲取是通過坪曲線的自動獲取得到。坪曲線自動獲取技術包括以下幾個部分：

3.1.1 程控高壓設計

由于坪曲線的獲取需要經常調節高壓輸出，所以要實現坪曲線的自動獲取，首先要實現系統自動控制調節高壓電源的輸出。

目前系統的高壓電源采用手動調節方式輸出高壓。要實現系統自身能夠控制調節高壓電源的輸出，需要增加程控調節方式，即采用數字電位器[21]的高壓輸出調節方式。為了增加可靠性，在增加數字電位器的調節方式的同時，保留原有機械電位器，并通過在電路板上跳線方式進行調節方式的切換，由于電位器切換需要在高壓電源斷電情況下操作(冷切換)，設置跳線的方式是為了避免非專業人員操作而損壞高壓電源。這種冗余的調節方式可保證即使某種調節方式失效后，仍能切換到另一種調節方式。另外，在高壓電源的輸出口增加保護電路，防止電位器失效導致的探測器損壞。程控高壓電源信號流程如圖3所示。

圖3 程控高壓電源信號流程圖

通過調節變換驅動信號幅度達到調整輸出高壓的目的。主要部分由低壓電源、延時緩升精密基準電源、取樣電路、高頻振蕩器、誤差放大器、驅動信號形成與幅度控制電路、功率變換器及過壓過流保護電路等組成。

3.1.2 坪曲線自動獲取軟件設計

高壓電源具備程控功能后，需要設計開發上層坪曲線自動獲取程序軟件。軟件采用Labwindows/CVI開發工具開發。坪曲線自動獲取軟件是基于中子探測器坪特性測試程序步驟設計，步驟如圖4所示。

圖4 坪曲線自動獲取流程圖

主要包括：

1)首先設置定時計數時間、甄別閾等參數；

2)啟動坪曲線獲取程序，自動調節甄別閾至設定值，按照預設調節速率提升高壓直至測量到計數值；

3)高壓數值穩定后，開始定時計數，將計數結果保存并開始繪制坪曲線；

4)以50 V為間隔提升高壓，穩定后計數，保存數據繪制曲線，檢測該測試點與上一測試點之間的斜率，如果該斜率大于坪斜閾值，則表示高壓未進入坪區，重復步驟4)；如果該斜率小于坪斜閾值，則表示高壓進入坪區，進入5)；

5)以20 V為間隔提升高壓，穩定后計數，保存數據繪制曲線，直到高壓值大于高壓設定上限值，高壓調節會自動停止；

6)根據測得結果繪制坪曲線，選取工作高壓，計算出坪長、坪斜。

3.2 甄別閾自動獲取

甄別閾自動獲取是通過閾曲線自動獲取得到，閾曲線自動獲取技術包括以下幾個部分：

3.2.1 程控脈沖放大器設計

目前系統的脈沖主放大器的甄別閾壓通過機械電位器進行調節，調節范圍為0.3～10 V。為實現自動調節甄別閾，需要增加程控調節功能，即采用數字電位器的調節方式，保留原有機械電位器調節方式，這種冗余的方式可確保某一種調節方式失效后，仍可切換到另外一種調節方式。由于甄別閾調節方式切換不會對其他設備部件造成影響，可采用熱切換方式，在面板設置選擇開關進行控制方式的選擇。程控脈沖放大模塊信號流程如圖5所示，由一級放大電路、增益細調電路、增益粗調電路、微分放大電路、基線恢復電路、直流恢復電路、甄別電路、脈寬固定電路、基準信號發生電路組成。實現了對中子脈沖信號的放大、甄別、成形，同時具有對甄別閾手動和程控雙重調節功能。

圖5 程控脈沖放大器信號流程圖

3.2.2 閾曲線自動獲取軟件設計

脈沖放大器具備甄別閾程控調節功能后，需要開發設計上層的閾曲線自動獲取軟件，控制自動完成閾曲線的獲取，軟件采用Labwindows/CVI開發工具開發。閾曲線自動獲取軟件是基于放大器甄別閾測定程序步驟設計，步驟如圖6所示。

圖6 閾曲線自動獲取流程圖

主要包括：

1)設置定時計數時間、工作高壓等參數；

2)啟動閾曲線獲取程序，自動調節高壓至工作高壓，設置甄別閾為最小值0.3 V；

4)以0.1 V為間隔提升甄別閾，穩定后計數，保存數據繪制曲線，直到甄別閾數值大于設定上限值，甄別閾調節會自動停止；

5)在繪制的閾曲線中找到拐點，自動選取工作時的甄別閾。

4 標定系數自動獲取

中子吸收法硼濃度監測系統定期標定需要通過等溫標定過程獲得新的標定系數來標定設備。本文利用基于數據統計漲落的中子計數率穩定判定方法來實現自動標定及標定系數自動計算。標定系統自動獲取方法包括以下幾個部分：

1)高壓自動調節：等溫標定程序通過串行接口控制高壓模塊的數字電位器調節高壓值。高壓數值調節按照設定速率上升，直到坪曲線獲取試驗確定的工作高壓為止。

2)甄別閾自動調節：等溫標定程序通過串行接口控制脈沖放大模塊的數字電位器調節甄別閾值至工作甄別閾為止。

3)中子計數率穩定的自動判定：等溫標定程序根據數據統計漲落的計算結果確定計數率是否已經穩定，自動判定流程如圖7所示。在每個等溫標定試驗點，溶液配置完成，啟動定時計數后，開始如下過程判斷：

圖7 中子計數率穩定自動判定流程圖

(1)通過數據統計漲落計算序號N-N+9這10個計數率的基準值；

拍《唐人街探案1》的時候，其實快高考了。當時我還沒有復習得很充分，家里人都有點兒擔心，看到一模成績不差，我媽才放心讓我去泰國拍戲，邊拍邊復習。大家收工去擼串的時候，我就一個人回酒店做卷子，他們去酒店游泳，我也在房間做卷子，后來前輩們都不約我出去了，看到我的第一句話總是“昊然啊，好好學習啊”。

(2)比較隨后序號N+10與這個基準值的偏差，如果偏差小于設定的偏差閾值，則認為當前N+10計數率已經穩定，硼溶液充分均勻；

(3)如果偏差大于設定的偏差閾值，則認為當前計數率沒有穩定，硼溶液未充分均勻；

(4)剔除掉序號N的計數率，重新計算N+1-N+10這10個計數率的基準值；

(5)再比較隨后序號N+11與新的基準值的偏差，如果偏差小于設定的偏差閾值，則認為當前N+11計數率已經穩定，硼溶液充分均勻；

(6)如果偏差仍然大于設定的偏差閾值，則認為當前N+11計數率沒有穩定，硼溶液未充分均勻，則需繼續(4)～(5)的過程，直到計數率穩定為止。

4)標定曲線自動繪制：根據每個試點的穩定計數率結果和化學滴定值結果自動繪制標定曲線在等溫標定程序界面上，并自動計算標定系數。

5)參數文件自動生成：標定完成后將標定系數生成參數設置文件，自動導入硼濃度監測設備測量軟件中。

等溫自動標定步驟如圖8所示，主要包括：

圖8 等溫自動標定流程圖

1) 設置標定參數，包括定時時間、基本采樣點、工作高壓、甄別閾、標定點數、標定溫度、偏差閾值等參數；

2) 啟動等溫標定程序，自動調節高壓和甄別閾至設定的工作值；

3) 化學人員完成硼溶液配制，并通知等溫標定程序；

4)等溫標定程序啟動定時計數，根據基于數據統計漲落的中子計數率穩定判定方法判斷計數結果是否穩定，不穩定則繼續等待；

5)判定穩定后，記錄平均計數率，并通知化學人員進行取樣滴定；

6)化學人員滴定完成后將滴定值發送到等溫標定程序，根據滴定值和平均計數率繪制標定曲線；

7)等溫標定程序判定是否完成所有點標定，未完成則重復步驟3)～6)；

8)完成所有點標定后，自動計算出標定系數，生成參數設置文件，將參數設置文件導入硼濃度監測設備測量軟件中即可完成標定。

5 自動標定方法應用結果及評價

5.1 試驗裝置搭建

為驗證自動標定方法的實用性和可靠性，基于控制參數自動調節硬件改造和自動標定控制軟件構建了標定試驗裝置。該裝置是在原有中子吸收法硼濃度監測系統(結構如圖1所示)基礎上，在硬件和軟件上進行了改造。硬件上，用程控高壓模塊和程控脈沖放大模塊替換了原來的對應模塊，如圖9所示；軟件上，在原有硼濃度測量軟件中加入了坪閾曲線自動獲取算法和標定系數自動獲取算法，同時更新了標定試驗界面，如圖10所示。

圖9 程控高壓電源模塊和程控脈沖放大模塊

圖10 基于自動標定方法的標定試驗軟件界面

5.2 應用結果及準確性分析

在標定試驗裝置搭建完畢，啟動整個系統開始定期標定試驗，試驗可以分為坪曲線自動獲取試驗、閾曲線自動獲取試驗和標定系數自動獲取試驗三個部分。

1)坪曲線自動獲取試驗：通過界面上甄別閾設置將甄別閾設定為1.10 V，啟動界面的坪曲線試驗，系統自動完成坪曲線獲取。試驗數據見表1，坪曲線如圖11所示，數據處理結果得到，坪長140 V，坪斜18.98%/100 V，工作高壓770 V。坪曲線符合硼表所用中子探測器的坪曲線特性，測試數據合理，工作高壓不超過高壓限值，坪曲線自動獲取測試結果滿足硼表系統要求。

表1 坪曲線自動獲取試驗數據

圖11 坪曲線圖

2)閾曲線自動獲取試驗：通過界面上高壓設置將高壓設定為770 V，啟動界面的閾曲線試驗，系統自動完成閾曲線獲取。試驗數據見表2，閾曲線圖見圖12，數據處理得到，甄別閾為1.10 V。閾曲線符合脈沖放大器的閾曲線特性，測試數據合理，該閾壓在獲得有用中子計數率的同時，盡可能地剔除大多數噪聲信號，閾曲線自動獲取測試結果滿足硼表系統要求。

表2 閾曲線自動獲取試驗數據

圖12 閾曲線圖

3)標定系數自動獲取試驗：啟動界面標定試驗，系統將高壓和甄別閾設置為之前坪曲線和閾曲線獲取的高壓和甄別閾，試驗人員按照試驗程序依次完成20個點的標定。標定數據見表3。標定數據自動記錄在界面中，數據處理得出標定系數如圖10所示。隨后進行了4 000 mg/L,1 600 mg/L，500 mg/L濃度點的驗證，驗證結果見表4, 最大相對偏差為0.46%，絕對偏差為4.82 mg/L，結果滿足硼表系統測量精度的要求：≤±15 mg/L(0～1 000 mg/L)，≤±1.5%(≥1 000 mg/L)。

表3 標定系數自動獲取試驗數據

表4 測量精度驗證試驗數據

從試驗結果來看，基于自動標定方法的硼表標定試驗在工作高壓、甄別閾和測量誤差等方面的準確性得到了驗證，完全滿足硼表系統技術要求。

5.3 效率評價

經過硼濃度監測系統定期維護人員的實際操作，相比原來人員全程職守手動標定以及穩定狀態下的自動標定，植入自動調節控制參數和自動判定計數率穩定方法的新型自動標定在工作效率上獲得了極大的提高，具體對比數據如表5所示。

表5 新型自動標定方法與現有標定方法效率對比

6 結束語

為解決當前標定過程時間長、人力資源消耗大、專業要求高的問題，研究了一種核電站中子吸收法硼濃度監測系統的新型自動標定方法。該自動標定方法包括控制參數的自動獲取和標定系數的自動獲取?？刂茀档淖詣荧@取利用控制參數的自動調節技術，由遠程硼濃度監測設備測量軟件輸出的數字信號控制模擬控制參數的變化，自動繪制坪曲線和閾曲線，從而自動獲取控制參數。標定系數的自動獲取利用基于數據統計漲落的中子計數率穩定判定方法，采用當前計數率與統計漲落基準值不斷比較的方式，判定滿足偏差閾值的穩定計數率，并通過計數率與滴定硼濃度之間的數字關系計算標定系數。從自動標定方法的應用效果來看，標定試驗過程能實現“一鍵自動標定”，自動獲取工作高壓、甄別閾和標定系數，實現了硼濃度監測系統快速、精簡和準確的自動標定，提高了核電站硼濃度測量設備定期標定的效率。