中子吸收法硼浓度监测系统自动标定方法研究

代航阳，邓 圣，崔 璨，王璨辉，付国恩，王红波，踪训成，郭 燕

(中国核动力研究设计院 反应堆工程研究所，成都 610213)

0 引言

中子吸收法硼浓度监测系统[1-2]是核电站反应堆及一回路系统中硼浓度进行在线监测[3-6]研制的专用设备，可以精确监测核电站反应堆及一回路系统中的硼浓度[7]，同时还可以及时对硼稀释事故发出报警。为保证监测准确性，该设备需要在首次使用和每次核电站大修时进行标定。

目前，核电站硼浓度监测系统的标定过程[8-9]存在费时、费人、专业性要求高等问题。1)过程费时具体表现为：一次标定过程至少需要18小时连续不间断地进行；2)过程费人具体表现为：标定过程中至少需要两名操作人员不间断值守在二次测量设备处进行数据记录和参数调节；3)过程专业性要求高具体表现为：需要经过厂家培训、从事相关工作1年以上的人员手动标定。上述3点问题给标定工作增加了人工成本，降低了使用效率。

为降低人工成本，提高使用效率，相关技术人员提出了一种中子计数率自动标定方法[10]，通过预先设定的稳定时间阈值、温度波动范围阈值和计数率阈值确定系统状态稳定，在系统稳定的情况下自动记录中子计数率。该方法虽然实现了系数的自动标定，但不能完成控制参数(工作高压和甄别阈)的自动获取，无法完整地实现硼浓度监测系统的自动标定，并且自动标定方法中为了尽可能满足所有情况下工作状态稳定，其设定的稳定时间阈值相对传统手动标定时间更长，导致标定效率更低。因此，如何在时间短、人力少条件下，实现快速、精准、简便的硼浓度监测系统自动标定迫在眉睫。针对手动标定和现有自动标定的缺陷，本文提出一种适用于中子吸收法硼浓度监测系统的自动标定方法，解决了当前标定过程时间长、人力资源消耗大、专业要求高的问题，实现该设备快速和精简的自动标定，提高了定期标定的效率。

1 中子吸收法硼浓度监测系统

1.1 测量原理

(1)

式中，a、b、c为二次拟合系数，n为硼浓度为P时的中子计数率，P为硼浓度。

从上式中看出，硼浓度监测的准确性取决于拟合系数的准确性，而拟合系数通过硼浓度监测系统定期标定获得。该系统的定期标定过程包括控制参数标定和标定系数标定。

1.2 组成与功能

中子吸收法硼浓度监测系统包括探测装置[14-16]、标定装置、机柜、就地显示箱[17]及温度变送器箱，具体组成如图1所示。探测装置包括测量容器、中子源、中子探测器、温度探测器、聚乙烯屏蔽体及不锈钢箱体。标定装置为一个可移动的、带轮子的小车恒温水槽。标定装置包括循环泵、标定水箱、标定控制器、恒温设定及显示等。机柜为19吋标准机柜，其中包括工控机信号处理机箱、NIM信号处理机箱、显示器、键盘/鼠标及工具箱等。就地显示箱为一仪表架安装机箱，显示内容包括硼浓度和硼溶液温度。温度变送器箱将温度探测器输出的温度信号转换为4～20 mA的温度信号，仪表架安装。

图1 中子吸收法硼浓度监测系统组成示意图

该系统通过自身的探测装置与核取样回路连接,构成一个完整和独立的反应堆一回路系统硼浓度测量系统。探测装置内部安装有中子探测器和中子源，探测器探测中子源经过硼溶液吸收后的剩余热中子数，探测输出的脉冲信号计数率与探测器接收到的热中子数成正比。该系统通过对脉冲信号[18-20]进行采集，并建立中子计数率与硼浓度之间的数据处理模型，通过中子计数率计算出回路中的硼浓度。

该系统的工作高压和甄别阈分别由NIM信号处理机箱里的高压模块和脉冲放大模块提供。目前系统采用机械式电位器进行调节，需要操作员手动调节电位器控制高压和甄别阈。

1.3 手动标定试验方法

核电站运行一个大修周期(一般为12月或18个月)以后，随着一回路冷却剂中硼-10丰度和探测装置中中子源衰变的影响，中子吸收法硼浓度监测系统的测量精度往往会下降，这时就需要重新对该设备进行标定以满足实时监测的准确性要求。标定试验目标是重新获取中子脉冲信号采集设备的控制参数，重新获取设备的标定系数。其中控制参数获取方法具体包括坪曲线试验和阈曲线试验，标定系数获取方法具体包括标定试验和标定结果验证试验，标定试验方法流程如图2所示。

图2 标定试验方法流程图

坪曲线试验是通过手动调节高压模块的方式提升高压，从而获取不同高压数值下的计数率来绘制坪曲线，并通过数据分析得到探测器采集数据最稳定的高压坪区，作为探测器最终的工作高压范围。

阈曲线试验是通过手动调节脉冲放大模块的方式提升甄别阈，获取不同甄别阈数值下的计数率来绘制阈曲线，并通过数据分析得到脉冲放大器干扰信号最小甄别电压，作为脉冲放大器的甄别阈值。

标定试验是在重新获取工作高压和甄别阈后，开展的设备校准试验。在恒温恒湿条件下，通过在不同理论硼浓度下，手动记录若干组数据对(平均计数率&滴定硼浓度)，最终按照公式(1)的物理模型计算出二次拟合系数作为最新的标定系数。

标定结果验证试验是在标定系数更新后，验证设备测量精度的试验。在恒温恒湿条件和不同硼浓度测量点，比较硼浓度监测系统软件显示硼浓度与化学滴定硼浓度之间的误差，是否满足技术要求。

传统的手动标定试验方法在效率上较低，体现在时间消耗和人力使用。时间消耗主要体现在参数调整、硼浓度稳定；人力使用主要体现在标定过程全程职守和人工记录数据上。

2 中子吸收法硼浓度监测系统自动标定方案

中子吸收法硼浓度监测系统要实现自动标定分为两个步骤：控制参数自动获取和标定系数自动获取。

控制参数自动获取关键在于控制参数的自动调节，采用数字电位器替代机械式电位器的方式实现控制参数的自动调节。硬件方面，取消现有硼表设备控制参数的机械式调节电位器，增加数字电位器电路模块，同时增加一个串口转接模块，实现与硼表标定软件的远程通讯；软件方面，设计包含自动调节控制参数功能的坪曲线和阈曲线自动获取软件界面，开发控制数字电位器的串口通讯程序。该方案最终目标是自动调节中子探测器工作高压和脉冲放大器甄别阈，自动绘制坪曲线和阈曲线，自动获取标定后的工作高压和甄别阈；

标定系数自动获取关键在于中子计数率的自动判稳和记录，采用基于数据统计涨落的中子计数率稳定判定方法。该中子计数率稳定判定方法替代现有稳定阈值(稳定时间阈值、温度波动范围阈值和计数率阈值)判定方法，来实现中子计数率的稳定判定。首先，通过数据统计涨落计算采集到的一段计数率的基准值；其次，比较随后采集到的计数率与这个基准值的偏差，如果偏差小于设定的偏差阈值，则认为当前计数率已经稳定，硼溶液充分均匀；再次，如果偏差大于设定的偏差阈值，则认为当前计数率没有稳定，硼溶液未充分均匀，因此，需要继续等待直到当前计数率与上一数据段的基准值偏差在偏差阈值范围内，则可以判定计数率已经稳定，并自动记录有效中子计数率，并通过多组计数率与滴定硼浓度关系自动计算标定后的标定系数。

3 控制参数自动获取

控制参数自动获取关键在于控制参数的自动调节，坪阈曲线的自动绘制。其中，控制参数的自动调节通过硬件方法实现，坪阈曲线自动绘制通过软件方法实现。

3.1 工作高压自动获取

工作高压自动获取是通过坪曲线的自动获取得到。坪曲线自动获取技术包括以下几个部分：

3.1.1 程控高压设计

由于坪曲线的获取需要经常调节高压输出，所以要实现坪曲线的自动获取，首先要实现系统自动控制调节高压电源的输出。

目前系统的高压电源采用手动调节方式输出高压。要实现系统自身能够控制调节高压电源的输出，需要增加程控调节方式，即采用数字电位器[21]的高压输出调节方式。为了增加可靠性，在增加数字电位器的调节方式的同时，保留原有机械电位器，并通过在电路板上跳线方式进行调节方式的切换，由于电位器切换需要在高压电源断电情况下操作(冷切换)，设置跳线的方式是为了避免非专业人员操作而损坏高压电源。这种冗余的调节方式可保证即使某种调节方式失效后，仍能切换到另一种调节方式。另外，在高压电源的输出口增加保护电路，防止电位器失效导致的探测器损坏。程控高压电源信号流程如图3所示。

图3 程控高压电源信号流程图

通过调节变换驱动信号幅度达到调整输出高压的目的。主要部分由低压电源、延时缓升精密基准电源、取样电路、高频振荡器、误差放大器、驱动信号形成与幅度控制电路、功率变换器及过压过流保护电路等组成。

3.1.2 坪曲线自动获取软件设计

高压电源具备程控功能后，需要设计开发上层坪曲线自动获取程序软件。软件采用Labwindows/CVI开发工具开发。坪曲线自动获取软件是基于中子探测器坪特性测试程序步骤设计，步骤如图4所示。

图4 坪曲线自动获取流程图

主要包括：

1)首先设置定时计数时间、甄别阈等参数；

2)启动坪曲线获取程序，自动调节甄别阈至设定值，按照预设调节速率提升高压直至测量到计数值；

3)高压数值稳定后，开始定时计数，将计数结果保存并开始绘制坪曲线；

4)以50 V为间隔提升高压，稳定后计数，保存数据绘制曲线，检测该测试点与上一测试点之间的斜率，如果该斜率大于坪斜阈值，则表示高压未进入坪区，重复步骤4)；如果该斜率小于坪斜阈值，则表示高压进入坪区，进入5)；

5)以20 V为间隔提升高压，稳定后计数，保存数据绘制曲线，直到高压值大于高压设定上限值，高压调节会自动停止；

6)根据测得结果绘制坪曲线，选取工作高压，计算出坪长、坪斜。

3.2 甄别阈自动获取

甄别阈自动获取是通过阈曲线自动获取得到，阈曲线自动获取技术包括以下几个部分：

3.2.1 程控脉冲放大器设计

目前系统的脉冲主放大器的甄别阈压通过机械电位器进行调节，调节范围为0.3～10 V。为实现自动调节甄别阈，需要增加程控调节功能，即采用数字电位器的调节方式，保留原有机械电位器调节方式，这种冗余的方式可确保某一种调节方式失效后，仍可切换到另外一种调节方式。由于甄别阈调节方式切换不会对其他设备部件造成影响，可采用热切换方式，在面板设置选择开关进行控制方式的选择。程控脉冲放大模块信号流程如图5所示，由一级放大电路、增益细调电路、增益粗调电路、微分放大电路、基线恢复电路、直流恢复电路、甄别电路、脉宽固定电路、基准信号发生电路组成。实现了对中子脉冲信号的放大、甄别、成形，同时具有对甄别阈手动和程控双重调节功能。

图5 程控脉冲放大器信号流程图

3.2.2 阈曲线自动获取软件设计

脉冲放大器具备甄别阈程控调节功能后，需要开发设计上层的阈曲线自动获取软件，控制自动完成阈曲线的获取，软件采用Labwindows/CVI开发工具开发。阈曲线自动获取软件是基于放大器甄别阈测定程序步骤设计，步骤如图6所示。

图6 阈曲线自动获取流程图

主要包括：

1)设置定时计数时间、工作高压等参数；

2)启动阈曲线获取程序，自动调节高压至工作高压，设置甄别阈为最小值0.3 V；

4)以0.1 V为间隔提升甄别阈，稳定后计数，保存数据绘制曲线，直到甄别阈数值大于设定上限值，甄别阈调节会自动停止；

5)在绘制的阈曲线中找到拐点，自动选取工作时的甄别阈。

4 标定系数自动获取

中子吸收法硼浓度监测系统定期标定需要通过等温标定过程获得新的标定系数来标定设备。本文利用基于数据统计涨落的中子计数率稳定判定方法来实现自动标定及标定系数自动计算。标定系统自动获取方法包括以下几个部分：

1)高压自动调节：等温标定程序通过串行接口控制高压模块的数字电位器调节高压值。高压数值调节按照设定速率上升，直到坪曲线获取试验确定的工作高压为止。

2)甄别阈自动调节：等温标定程序通过串行接口控制脉冲放大模块的数字电位器调节甄别阈值至工作甄别阈为止。

3)中子计数率稳定的自动判定：等温标定程序根据数据统计涨落的计算结果确定计数率是否已经稳定，自动判定流程如图7所示。在每个等温标定试验点，溶液配置完成，启动定时计数后，开始如下过程判断：

图7 中子计数率稳定自动判定流程图

(1)通过数据统计涨落计算序号N-N+9这10个计数率的基准值；

拍《唐人街探案1》的时候，其实快高考了。当时我还没有复习得很充分，家里人都有点儿担心，看到一模成绩不差，我妈才放心让我去泰国拍戏，边拍边复习。大家收工去撸串的时候，我就一个人回酒店做卷子，他们去酒店游泳，我也在房间做卷子，后来前辈们都不约我出去了，看到我的第一句话总是“昊然啊，好好学习啊”。

(2)比较随后序号N+10与这个基准值的偏差，如果偏差小于设定的偏差阈值，则认为当前N+10计数率已经稳定，硼溶液充分均匀；

(3)如果偏差大于设定的偏差阈值，则认为当前计数率没有稳定，硼溶液未充分均匀；

(4)剔除掉序号N的计数率，重新计算N+1-N+10这10个计数率的基准值；

(5)再比较随后序号N+11与新的基准值的偏差，如果偏差小于设定的偏差阈值，则认为当前N+11计数率已经稳定，硼溶液充分均匀；

(6)如果偏差仍然大于设定的偏差阈值，则认为当前N+11计数率没有稳定，硼溶液未充分均匀，则需继续(4)～(5)的过程，直到计数率稳定为止。

4)标定曲线自动绘制：根据每个试点的稳定计数率结果和化学滴定值结果自动绘制标定曲线在等温标定程序界面上，并自动计算标定系数。

5)参数文件自动生成：标定完成后将标定系数生成参数设置文件，自动导入硼浓度监测设备测量软件中。

等温自动标定步骤如图8所示，主要包括：

图8 等温自动标定流程图

1) 设置标定参数，包括定时时间、基本采样点、工作高压、甄别阈、标定点数、标定温度、偏差阈值等参数；

2) 启动等温标定程序，自动调节高压和甄别阈至设定的工作值；

3) 化学人员完成硼溶液配制，并通知等温标定程序；

4)等温标定程序启动定时计数，根据基于数据统计涨落的中子计数率稳定判定方法判断计数结果是否稳定，不稳定则继续等待；

5)判定稳定后，记录平均计数率，并通知化学人员进行取样滴定；

6)化学人员滴定完成后将滴定值发送到等温标定程序，根据滴定值和平均计数率绘制标定曲线；

7)等温标定程序判定是否完成所有点标定，未完成则重复步骤3)～6)；

8)完成所有点标定后，自动计算出标定系数，生成参数设置文件，将参数设置文件导入硼浓度监测设备测量软件中即可完成标定。

5 自动标定方法应用结果及评价

5.1 试验装置搭建

为验证自动标定方法的实用性和可靠性，基于控制参数自动调节硬件改造和自动标定控制软件构建了标定试验装置。该装置是在原有中子吸收法硼浓度监测系统(结构如图1所示)基础上，在硬件和软件上进行了改造。硬件上，用程控高压模块和程控脉冲放大模块替换了原来的对应模块，如图9所示；软件上，在原有硼浓度测量软件中加入了坪阈曲线自动获取算法和标定系数自动获取算法，同时更新了标定试验界面，如图10所示。

图9 程控高压电源模块和程控脉冲放大模块

图10 基于自动标定方法的标定试验软件界面

5.2 应用结果及准确性分析

在标定试验装置搭建完毕，启动整个系统开始定期标定试验，试验可以分为坪曲线自动获取试验、阈曲线自动获取试验和标定系数自动获取试验三个部分。

1)坪曲线自动获取试验：通过界面上甄别阈设置将甄别阈设定为1.10 V，启动界面的坪曲线试验，系统自动完成坪曲线获取。试验数据见表1，坪曲线如图11所示，数据处理结果得到，坪长140 V，坪斜18.98%/100 V，工作高压770 V。坪曲线符合硼表所用中子探测器的坪曲线特性，测试数据合理，工作高压不超过高压限值，坪曲线自动获取测试结果满足硼表系统要求。

表1 坪曲线自动获取试验数据

图11 坪曲线图

2)阈曲线自动获取试验：通过界面上高压设置将高压设定为770 V，启动界面的阈曲线试验，系统自动完成阈曲线获取。试验数据见表2，阈曲线图见图12，数据处理得到，甄别阈为1.10 V。阈曲线符合脉冲放大器的阈曲线特性，测试数据合理，该阈压在获得有用中子计数率的同时，尽可能地剔除大多数噪声信号，阈曲线自动获取测试结果满足硼表系统要求。

表2 阈曲线自动获取试验数据

图12 阈曲线图

3)标定系数自动获取试验：启动界面标定试验，系统将高压和甄别阈设置为之前坪曲线和阈曲线获取的高压和甄别阈，试验人员按照试验程序依次完成20个点的标定。标定数据见表3。标定数据自动记录在界面中，数据处理得出标定系数如图10所示。随后进行了4 000 mg/L,1 600 mg/L，500 mg/L浓度点的验证，验证结果见表4, 最大相对偏差为0.46%，绝对偏差为4.82 mg/L，结果满足硼表系统测量精度的要求：≤±15 mg/L(0～1 000 mg/L)，≤±1.5%(≥1 000 mg/L)。

表3 标定系数自动获取试验数据

表4 测量精度验证试验数据

从试验结果来看，基于自动标定方法的硼表标定试验在工作高压、甄别阈和测量误差等方面的准确性得到了验证，完全满足硼表系统技术要求。

5.3 效率评价

经过硼浓度监测系统定期维护人员的实际操作，相比原来人员全程职守手动标定以及稳定状态下的自动标定，植入自动调节控制参数和自动判定计数率稳定方法的新型自动标定在工作效率上获得了极大的提高，具体对比数据如表5所示。

表5 新型自动标定方法与现有标定方法效率对比

6 结束语

为解决当前标定过程时间长、人力资源消耗大、专业要求高的问题，研究了一种核电站中子吸收法硼浓度监测系统的新型自动标定方法。该自动标定方法包括控制参数的自动获取和标定系数的自动获取。控制参数的自动获取利用控制参数的自动调节技术，由远程硼浓度监测设备测量软件输出的数字信号控制模拟控制参数的变化，自动绘制坪曲线和阈曲线，从而自动获取控制参数。标定系数的自动获取利用基于数据统计涨落的中子计数率稳定判定方法，采用当前计数率与统计涨落基准值不断比较的方式，判定满足偏差阈值的稳定计数率，并通过计数率与滴定硼浓度之间的数字关系计算标定系数。从自动标定方法的应用效果来看，标定试验过程能实现“一键自动标定”，自动获取工作高压、甄别阈和标定系数，实现了硼浓度监测系统快速、精简和准确的自动标定，提高了核电站硼浓度测量设备定期标定的效率。