基于多微处理器主从式核物位监测系统的研制

群控电梯目的层调度系统的设计蔡晓霞;俞立峰【摘要】针对现有群控系统在呼梯和调度上存在的候乘梯时间不明确、客流量分配不合理等弊端,提出了一种基于多目标调度算法和RS485多主从模式通讯技术的新型群控电梯目的层调度系统.该系统以德国奔克公司的bp304主板为电梯主控制系统,以群控模块为数据处理核心,以迪文公司的触摸屏为目的层呼梯装置,以轿厢通讯板为电梯运行状态收集器搭建而成.实验证明,新型群控系统能够明显改善系统的呼梯和调度性能.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2015(043)001【总页数】6页(P52-57)【关键词】群控电梯系统;RS485总线;同步;群控算法;目的层调度【作者】蔡晓霞;俞立峰【作者单位】绍兴职业技术学院机电工程学院,浙江绍兴312000;浙江工业职业技术学院计算机学院,浙江绍兴312000【正文语种】中文【中图分类】T273电梯作为一种重要的交通工具，在人们生活中得到了越来越广泛的应用，为了提升电梯执行效率，建筑物往往需要使用多台电梯来完成群控调度.群控是指用微机对集中排列的、共用层站召唤信号的多台电梯所进行的集中控制[1].群控电梯调度的实现要根据各台电梯的运行方向、轿厢当前位置、呼梯信号等因素来分析计算得出结果的[2].传统目的层呼梯方式是通过外召板和轿厢通讯板二次输入信号来得到的，这种方式存在着呼梯不简便、乘客候梯和乘梯时间不明确、客流量分配不合理等弊端[3]，因此目的层群控调度的优化越来越成为人们讨论和研究的重点.与外召板呼梯方式不同，目的层呼梯是指乘客在层站候梯时，通过触摸屏预约目的层，群控模块根据电梯群的运行状态和群控调度原则得出响应梯编号，并将结果信号告知主板，与此同时，触摸屏会显示信息提示乘客乘坐响应梯.这种控制方式成功地实现了触摸屏操作人性化、目的层预约明确化、群控调度合理化等目标.1.1 硬件平台简介本系统采用德国进口的奔克bp304主板作为主控制系统，bp304控制系统主要由数据输入输出I/O模块、驱动功率接触器、门控制接触器、井道信号系统、轿厢内应急照明单元、安全开关模块、提前开门及开门再平层模块等部分组成[4]，采用了3个32位工业级微处理器，增强了运行速度和性能，能最大限度支持64层8台电梯群控.1.2 群控系统结构设计典型的群控系统结构有星型和环型两种.电梯星型群控系统如图1所示，典型的群控系统有三菱群控系统和日立群控系统.电梯环型群控系统如图2所示，典型的群控系统有奥的斯群控系统和德国奔克群控系统.图1和图2中，每台电梯配有一个主控板，n台(n≥3)电梯配有k组外召板(1≤k≤n)，即每台电梯可以配有1组外召板，也可以多台电梯共用一组外召板；一组外召板的个数m等于楼层数.星型群控系统只有一个群控器，属于集中式控制，但是当群控器发生故障时，星型群控系统容易瘫痪.环型群控系统改变了集中控制模式，减小了群控系统整体瘫痪的概率，但是环型系统在电梯数量较多时，信息传递将严重滞后.星型和环型系统在可靠性、实时性、合理性方面均没有达到很好的效果.为了进一步优化群控系统，将一种基于目的层调度的新型群控技术运用于系统.新型群控系统框图如图3所示.新型群控系统的每台电梯配有一个主控板，每个主控板配有一个群控模块，群控模块不仅是所有功能模块的连接中心，还是所有功能模块的控制核心.n台(n≥3)电梯配有k组触摸屏(1≤k≤n).新型群控系统主要采用TTL和RS485两类通讯接口.群控模块通过TTL方式连接于主板的SP2接线端口，接收主板发送的数据帧并回复相应的数据帧.RS485总线一般默认为主从模式，在一主多从通讯中，主机发起请求，从机回应[5].但是在群控系统中，采用一主多从模式且当主机出现故障时，容易出现无主状态，导致通讯失败.因此，笔者把用于群控通讯的RS485“一主多从模”转换为“多主从”，即每个群控模块在各自规定的时间范围内成为主机，而其余群控模块便成为从机，群控模块的多主从模式如图4所示.其中：t1,t3,…,t(2n-1)为每个群控模块开始中断发送数据帧的规定时间点；t2,t4,…,t2n为每个群控模块中断发送数据帧的结束点；ts为一个群控模块发送一帧数据所需的时间；tf为一个模块发送结束至下个模块发送开始的时间间隔.1.3 群控系统的通讯时序同步分析群控通讯需要解决的是群控模块间的同步性问题.由于每个主芯片的时钟存在一定的差别，即使同时开启时钟计数，群控模块间的计数值也会不同，而且差值越来越大，此时，就需要通过同步来减小差值，在图4的t1时刻，1号群控模块开始发送，其余群控模块接收1号发送的数据；在t2时刻，1号群控模块发送完毕，与此同时，其余群控模块也几乎接收完成1号发送的数据.本系统设定同步时间点为群控模块接收完成后的时间，即为图4的t2，t4，t6，t2n.例如，当1号模块数据发送完成，即2-n号模块接收完成时，将时钟调整为t2，其余以此类推.这样能够有效防止总线信息的堵塞.群控模块间的同步可分为启动时同步和正常工作时同步两个阶段.启动时同步：上电启动时，每个群控模块需使能主芯片的串口接收中断，并检测RS485总线上是否有数据.如果在规定的时间内接收到总线数据，则表明电梯处于群控环境中，因此当其接收完成数据后进行通讯时序的同步；没有，则说明电梯处于非群控状态中，属单梯控制.正常工作时同步：群控通讯时，每个群控模块在其接收完成数据后进行同步.2.1 群控模块硬件电路设计群控模块的硬件组成元件主要有基于ARM内核的新唐M052LAN主芯片，B0505SDC/DC电平转换模块，SI8431A磁耦数字隔离芯片，两个TJA1050芯片，晶振、贴片电阻、贴片电容、二极管等.群控模块的正反面如图5所示.2.1.1 M052LAN主控制芯片基于ARM内核的新唐M052LAN为群控模块的主芯片，为LQFP48型封装[6]，它是整个群控模块的信息处理核心，主芯片电路如图6所示.2.1.2 TJA1050高速收发器TJA1050芯片为总线提供差动发送性能，为M052控制器提供差动接收性能，其原理如图7所示.在群控模块中，TJA1050的RXD和TXD和新唐M052LAN间接相连，CANL和CANH的两个引脚连接至外部设备.CANL和CANH的差分原理与RS485总线相差分原理相似，且TJA1050具有良好的电磁兼容性，未上电时，总线呈现无源特性，能较好地避免干扰.除此之外，MAX485等普通芯片的反向耐压为14 V左右，而TJA1050的反向耐压远远大于MAX485，为40 V，能避免误插对电路的毁坏.2.2 触摸屏界面设计新型触摸屏呼梯界面的内容包括：电梯编号、待响应楼层显示、1~9按键区、电梯运行方向、电梯当前层、按键10+~30+区.此界面除去了一般界面所带有的LOGO显示、MP3和动画播放等对电梯调度无关的信息，新增了电梯待响应楼层的显示等功能，界面整洁，内容清晰.触摸屏界面由Photoshop画图软件设计而成，如图8所示，同时楼层按键及界面显示均由DGUS配置工具配置完成.配置时需要给界面上的每个按键规划按键值返回的寄存器地址，也要给界面上的信息显示规划显示地址.最后编写OS汇编程序控制触摸屏工作.OS编写内容包括触摸屏回应群控模块的OS控制程序、触摸屏界面显示的OS控制程序、触摸屏按键值判断的OS控制程序.由于本系统使用触摸屏呼梯，触摸屏界面能够显示全部电梯的运行状况和待响应楼层的登记情况，因此每个候梯层可只安装一个触摸屏呼梯装置，乘客只需在入口处呼梯，完成呼梯后就可以根据显示结果前往响应梯前等候，此方式可在多电梯建筑中减少安装成本.2.3 群控调度算法的设计2.3.1 空闲状态的调度原则电梯系统具有非线性、不确定性、扰动性、不完备性和多目标性等特点，而群控系统需对多台电梯进行调配，更具复杂性[7].根据触摸屏呼梯特点制定了一些规则，群控电梯都处于空闲状态时，新型电梯群控系统的调度原则有：1) 群控电梯停在同一楼层且空闲时间相同，则编号最小的电梯优先响应；群控电梯停在同一楼层但空闲时间不同，则停靠时间最长的电梯优先响应.2) 群控电梯随机分布于不同楼层时，其响应规则是停在召唤层下方的电梯优先响应上行召唤，停在召唤层上方的群控电梯优先响应下行召唤.2.3.2 运行状态的调度原则电梯群控系统是一个多目标控制系统[8]，在运行时，需综合考虑乘客候梯时间、乘客乘梯时间、电梯能耗等指标，以达到电梯调度的最优化.1) 候梯时间函数候梯评价函数AWT(i)以候梯时的运行时间和停站时间来表示.候梯运行时间为轿厢从当前层到召唤层的时间用Tr表示，Tr视轿厢运行状态而定：当轿厢从空闲转为运行时，Tr还需考虑轿厢启动加速时间.候梯停站时间以轿厢在每层的停站时间Ts 和电梯到达候梯层所经过的停站数Ns(i)的乘积来表示，即2) 乘梯时间函数乘梯评价函数ART(i)主要以乘梯时的运行时间和停站时间来表示.乘梯运行时间为轿厢从召唤层到目的层的时间，以表示；乘梯停站时间以轿厢在每层的停站时间Ts和到达目的层所经过的楼层数(i)的乘积来表示，即3) 系统能耗函数电梯能耗来源有：启动能耗、减速能耗、开关门能耗等[9].总能秏可用启停能耗Cst表示，即其中Ns(i)为第i台电梯到达目的层所需要经过的停站楼层数.2.3.3 多目标调度算法的建立对乘客的平均候梯时间(AWT)、系统能耗(ERC)和平均乘梯时间(ART)等评价因素进行了综合考虑，并结合实际情况确定具体的权重系数，在此基础上实行合理派梯，其多目标调度的评价函数为其中：Wi为权重系数，需满足的约束条件为0≤Wi，W1+ W2+W3=1.权重系数组的选择代表了Wi在不同电梯乘运模式下各个评价指标的重要性.常见的电梯乘运模式有四种：空闲模式、层间模式、上班高峰模式，下班高峰模式.通常用于识别电梯系统处于哪一种乘运模式的方法有两种：一种是电梯工作时间选择，即不同的时间段对应不同的乘运模式；第二种是客流量选择，即根据电梯当前客流量选择合适的乘运模式.国内电梯系统多数采用的是第一种方法，该方法较为方便.3.1 实验平台实验平台由4个bp304主板，4个群控模块(每个主板配有1块)，4个轿厢通讯板构成(每个单梯配有1块)，1块触摸屏，24 V电源组成.实验开始前，首先需了解新型群控系统的运行参数.其中，电梯运行楼层数与所能达到的最高速度的关系如表1所示.由表1可知：电梯从静止开始运行1个楼层所能达到的最高速度为0.8 m/s；电梯从静止开始运行2个楼层所能达到的最高速度为1.34 m/s；电梯从静止开始运行3个或3个以上楼层所能达到的最高速度为2 m/s.在表1的基础上，对电梯运行n个楼层的运行时间进行测量，得出如表2所示的电梯运行楼层数与运行时间的关系，其中：运行时间包括启动加速时间，匀速运行时间和平层减速时间；当电梯运行楼层数为3个或3个以上时，每个楼层的匀速运行时间为1.5 s.电梯群控系统的其余运行参数如表3所示.电梯停站时间Ts由To，Np·Tt，Tc，Tw组成，由表3得Ts=8 s，此外还要设定轿厢启停能耗为50 kJ，匀速能耗30 kJ，启停时间为Ta=3.5 s.因此，对于运行着且在第n层无响应信号的电梯而言，则电梯从n楼运行至n+m楼的时间(除去第n楼的启动加速时间)为其中：Tm为电梯运行m楼的时间(包含启动加速时间和平层减速时间)；表1中Tcm为电梯运行m楼但不包括启动加速时的时间.为了得到更加合理的调度方案，还需要选择相应的交通流模式，为了方便实验，则设定权重系数W1+W2+W3=0.3.2 实验论证初始状态：A号梯当前层为6楼，有1个12楼的响应信号；B号梯当前层为10楼，有1个5楼的响应信号；C号梯当前层为15楼，处于空闲状态；D号梯当前层为1楼，处于空闲状态.电梯响应多个目的层信号的初始状态如表4所示.触摸屏呼梯信息：3楼触摸屏有1个9楼目的层信息；8楼有1个15楼目的层信息；16楼触摸屏有1个12楼目的层信息.响应分析：首先设平均候乘、梯时间评价函数的计算公式为由表4可总结出两种函数下的比较结果，如表5所示.由表6中可知:A号梯响应8楼触摸屏的15楼目的层信号；C号梯响应16楼触摸屏的12楼目的层信号；D号梯响应3楼触摸屏的9楼目的层信号.两种计算结果均为D号电梯响应时间最短(Trw(i)越小，说明候乘梯时间越短；S(i)越小，效果越好).经过多次实验测试，均由D号电梯优先响应信号.因此表明系统采用的控制方式实时性强，周期短，具有可行性和合理性.研究结果表明：触摸屏呼梯装置能够为乘客提供目的层呼梯选择，提醒乘客前往指定的电梯乘坐.其RS485“多主从”群控连接方式克服了原有星型和环型群控系统中的缺点，使模块的功能及接口能够得到合理的利用，提高了系统的实时性；本系统对群控信息的处理方式避免了电梯在运行过程中对楼层信息是否需要响应的误判断；针对电梯不同运行状态的调度原则在一定程度上增强了群控电梯的调度效率；系统通过将目的楼层相同或临近的电梯乘客聚集起来，以降低电梯停站次数，缩短乘客乘梯时间，减少系统能源消耗；无线技术能够减少电梯的安装费用，提高电梯的使用寿命和可靠性，更好地解决电气设备的兼容性[10].【相关文献】[1] 金晴川.电梯与自动扶梯技术词典[M].上海:上海大学出版社,2005:30-33.[2] 申辉阳，杨向宇.基于呼叫识别与屏蔽的电梯群控策略[J].电气传动，2012,42(9):56-60.[3] 付丽君,周崇.电梯群控系统的最优调度仿真[J].计算机仿真，2012，29(4)：264-267.[4] 宋涵.电梯群控系统智能控制的研究[D].杭州:浙江工业大学,2006:8-15.[5] 付丽君,周崇.电梯群控系统的最优调度仿真[J].计算机仿真,2012,29(4):263-367.[6] Nuvoton. NuMicroM051TM系列技术参考手册[M].台湾:新唐科技股份有限公司,2010.[7] 胡恒,鲁建厦,李英德.基于多群体并行遗传算法的混流混合车间模糊调度研究[J].浙江工业大学学报,2012,40(5):554-558.[8] 王遵彤，孙栋.分布式电梯群控系统多目标调度算法[J].控制理论与应用，2010，27(5)：602-608.[9] 卢菲,朱昌明,张鹏.永磁同步电机驱动的电梯能耗仿真模型研究[D].上海:上海交通大学,2011:1007-1015.[10] 陆欢佳,俞立,董齐芬，等.基于无线传感网的楼宇环境监测系统设计[J].浙江工业大学学报,2011,39(6):683-687.。

计算机三级（嵌入式系统开发技术）机试模拟试卷98(题后含答案及解析)题型有：1. 选择题 2. 填空题 3. 综合题选择题1．下面关于嵌入式处理芯片特点的叙述中，错误的是( )。

A．嵌入式处理芯片一般支持实时处理B．嵌入式处理芯片一般具有低功耗的特性C．嵌入式处理芯片有多种产品类型，但不包括微处理器D．嵌入式处理芯片一般集成了测试电路正确答案：C解析：嵌入式处理芯片一般支持实时处理，具有低功耗和可扩展性，集成了测试电路。

嵌入式处理芯片有多种产品类型，包括微处理器、数字信号处理器、微控制器和片上系统。

故此题选择C。

2．对于ARM处理器，以下属于数据处理类的指令助记符有( )。

①ADC ②ADD ③AND④CMP ⑤EOR ⑥MLA⑦MUL ⑧TST ⑨SWIA．①②④⑤⑦⑧B．①②③④⑤⑦⑧C．①②③④⑤⑥⑦⑧D．①②③④⑤⑥⑦⑨正确答案：C解析：选项中SWI是异常中断类指令，其余都是数据处理类的指令助记符。

故此题选择C。

3．下面与AMBA(Advanced Microcontroller Bus ArchitecttJre)有关的叙述中，错误的是( )。

A．AMBA是ARM公司公布的用于连接和管理片上系统中各功能模块的开放标准和片上互连规范B．AMBA规定了ARM处理器内核与处理器内部RAM、DMA以及高带宽外部存储器等快速组件的接口标准C．ARM处理器内核与外围端口及慢速设备接口组件的接口标准不包含在AMBA规范中D．AMBA有多个版本，性能随版本的发展而逐步提高正确答案：C解析：AMBA是ARM公司公布的总线协议，用于连接和管理片上系统(SoC)中功能模块的开放标准和片上互连规范。

标准规定了ARM处理器内核与处理器内部高带宽RAM、DMA以及高带宽外部存储器等快速组件的接口标准，也规定了内核与ARM处理器内部外围端口及慢速设备接口组件的接口标准。

AMBA 有多个版本，性能随版本的发展而逐步提高。

㊀第44卷㊀第2期2024年㊀3月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.44㊀No.2㊀㊀Mar.2024㊃辐射防护监测㊃反应堆中子通量测量用裂变电离室探测装置研制邱顺利1,肖㊀伟1,董进诚1,葛孟团1,翟春荣2,汤仲鸣2,周宇琳1,曾㊀乐1,刘海峰1,孙光智1,程㊀辉1,石先武2,刘文臻2(1.武汉第二船舶设计研究所,武汉430205;2.国核自仪系统工程有限公司,上海200233)㊀摘㊀要:为建立一套用于反应堆中子通量测量的监测装置,以实现核电站堆外核测量系统测量要求,研制了一种长灵敏区㊁宽量程㊁高灵敏度和强γ抑制能力的裂变电离室探测装置㊂同时对该裂变电离室探测装置的热中子灵敏度㊁高压坪特性㊁甄别特性和γ感应度等典型核性能指标进行了试验验证㊂试验结果表明,该裂变电离室综合性能能够满足AP1000系列核电站堆外核测量系统中间量程测量通道的应用需求㊂关键词:中子通量测量;堆外核测系统;裂变电离室;高压坪特性;热中子灵敏度中图分类号:TL81文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-12-19基金项目:大型先进压水堆及高温气冷堆核电站国家科技重大专项(2019ZX06002012)㊂作者简介:邱顺利(1992 ),男,2014年毕业于兰州大学核技术专业,2017年毕业于兰州大学核能与核技术工程专业,获硕士学位,工程师㊂E -mail:qsllzu2010@㊀㊀核电厂一般通过在反应堆压力容器周围布置若干个中子探测器来进行反应堆中子通量监测,进而推算出反应堆的实时功率,此即堆外核测系统㊂该系统将反应堆功率水平分为3个区段,即源量程㊁中间量程和功率量程,分别采用三种不同的热中子探测器,每两种相邻量程的探测器在测量范围上互为冗余㊂在三代核电如AP1000核电站中,裂变电离室用于堆外核测系统中间量程测量通道,用于监测反应堆10-6%RTP ~200%RTP(额定热功率)运行时的中子注量率[1-2]㊂裂变电离室具有测量范围宽㊁测量精度高㊁可靠性高㊁使用寿命长㊁具备事故后监测功能等优点㊂基于AP1000系列堆外核测系统中间量程测量通道工程应用需求,研制了一种裂变电离室探测装置,包括位于反应堆压力容器周围测量孔道内的裂变电离室探测器组件㊁位于安全壳内的四轴有机电缆㊁位于安全壳外的三轴有机电缆和位于辅助厂房的前置放大器,及其相关电缆连接器,用于反应堆正常运行工况和事故运行工况下的堆芯中子通量监测㊂1　裂变电离室探测器设计㊀㊀通常,裂变电离室包含一个收集极和一个高压极,收集极外壁和高压极内壁都镀有一层铀沉积层,即灵敏层㊂收集极和高压极为同轴圆柱形设置,在接近大气压的条件下用气体(常为氮氩混合物)填充其间的空间,并在两电极间施加电场㊂当中子在灵敏层引起裂变时,生成的裂变碎片很可能被弹射到气体中,引起气体电离㊂电离产生的电子和离子在电场的影响下向两极运动,并在收集极产生感生电荷,形成电流脉冲㊂裂变电离室结构如图1所示㊂图1中左侧表示两电极间裂变碎片沿着散射轨道电离气体产生的电子和离子漂移,空心圆和实心圆分别表示电子和离子,箭头显示它们分别漂移到相反的电极㊂铀层位于两个电极上,通常只有几微米厚,因为即使裂变碎片的能量很大,重离子通过致密铀化合物的范围也小于10μm㊂因此,尽管较厚的铀层会吸收更多的中子,但也导致大多数源自该铀层气体侧约8μm 以上的裂变碎片不会逃逸,因此其产生的影响没有机会被收集下来㊂最终,铀层厚度㊁裂变截面和灵敏区表面积都会限制裂变电离室的探测效率㊂由于裂变电离室在脉冲模式下具有一个更宽的脉冲频谱分布,导致其灵敏度范围可能较宽,最大灵敏度处于 α截止电压 U α,即α甄别特性曲线中计数率小于1时的甄别电压,裂变电离室最大中子计数灵敏度一般为0.6~0.8cm 2[1]㊂GB /T7164 2022规定,工作在脉冲模式下的裂变电离㊃431㊃邱顺利等:反应堆中子通量测量用裂变电离室探测装置研制㊀图1㊀裂变电离室结构原理图Fig.1㊀Schematic diagram of fission ionization chamber室推荐甄别电压为U n =1.1U α,因此,实际灵敏度比上述值更低㊂AP1000系列核电站对堆外核测系统裂变电离室的热中子灵敏度要求更高,需ȡ1.0cm 2,脉冲幅度需达到0.1pC 或者更高,增大了其设计难度㊂因此考虑从裂变电离室探测器的灵敏涂层厚度㊁工作气体和灵敏体积等关键因素出发进行裂变电离室结构设计㊂研究结果表明[3],探测器裂变材料的涂层厚度一般以不超过2mg /cm 2为宜㊂同时,铀膜的均匀性也是热中子灵敏度关键制约因素,故控制电极镀铀工艺至关重要㊂基于铀的自发衰变α粒子谱进行铀膜厚度定量测量[4]和铀与中子反应生成裂变碎片的量反推铀膜厚度的方法[5],搭建了一套灵敏涂层厚度分布测量装置,并对裂变电离室灵敏电极进行了抽样测量[6],其结果符合预期㊂采用在单原子分子气体中填充少量多原子分子气体的P10混合气体作为裂变电离室工作气体和增大灵敏电极面积的方式进一步增大其热中子灵敏度,如采用多电极结构㊁加长电极长度㊁在收集电极外表面和高压电极内表面均涂覆灵敏物质等㊂裂变电离室设计时,既要确保电离室对中子有足够高的灵敏度,又要控制电离室的电极结构,使绝大多数裂变碎片能完全沉积在灵敏腔体中,以获得足够高的脉冲输出㊂为了获得比较准确的理论值,需要对裂变碎片在裂变电离室中的运动径迹进行模拟计算㊂研究表明,热中子与235U 反应产生的裂变产物在填充气体中的射程,主要集中在9.5~10mm 之间,其中,质量较大的Cs 和Ba在10mm 附近,此即裂变电离室电极结构的较佳设计㊂此外,AP1000系列核电站堆外核测系统中间量程探测器耐事故环境要求较其他核电站更为苛刻,需经受4个月设计基准事故后化学/水淹浸没㊂探测器输出弱信号传输距离远,途经多个大型电机㊁阀门等大功率电气设备,同时距离其它系统的电缆较近,很容易受到干扰,在运核电站类似通道已出现多次闪发报警现象㊂为加强裂变电离室的抗干扰能力和耐恶劣环境性能,在常规同轴电离室结构外绝缘后增加外层承载结构,并设置减震结构㊁惰性氛围保护和多层密封防护,形成可靠的㊁耐受高温高压高湿强辐照环境的三同轴圆柱形全密封结构㊂综上,设计了一套长灵敏区(~900mm)㊁高压极内壁和收集极外壁均涂覆有高浓度裂变材料㊁外加密封保护承载体结构的裂变电离室,以满足AP1000电站堆外核测量系统中间量程探测器高灵敏度㊁宽测量范围㊁强抗干扰能力㊁耐受事故环境等要求㊂2㊀裂变电离室探测装置加工制造㊀㊀裂变电离室探测装置用于堆外核测量系统中间量程探测通道,主要包括裂变电离室探测器组件㊁电缆接线盒㊁前置放大器及其相关特殊电缆和连接器㊂裂变电离室探测器组件包括裂变电离室探测器㊁慢化体组件㊁延伸组件㊁安装支座组件和三同轴铠装电缆㊂探测器组件安装在反应堆外特定的钢衬孔道内,裂变电离室探测器输出与中子注量率呈正比的计数率或MSV (均方电压)信号(高中子注量率下,脉冲信号发生堆积重叠,产生直流电流分量,此时信号的相对均方根涨落值与采样时间内裂变反应发生次数的平方根成正比,利用坎贝尔法处理即可测量中子注量率[7]),经三同轴铠装电缆传输后在电缆接线箱内与高可靠四轴有机电缆连接,再经电气贯穿件输出至安全壳外的前置放大器进行计数率模式或MSV 信号处理,最后传送至核测仪表信号处理机柜的中间量程信号处理组件㊂裂变电离室探测装置组成结构如图2所示㊂㊃531㊃㊀辐射防护第44卷㊀第2期图2㊀裂变电离室探测装置测量结构示意图Fig.2㊀Structure diagram of fission ionization chamber detector2.1㊀探测器组件设计及制造㊀㊀裂变电离室探测器外依次装配慢化体和金属外壳,构成慢化体组件㊂慢化体完全覆盖裂变电离室灵敏区,并采用陶瓷绝缘材料将裂变电离室与金属外壳绝缘㊂工程安装时,慢化体组件由延伸组件和安装组件支撑,安装在探测器竖井内㊂各组件间采用连接结构件连接,并设置有便于快速对准的导向槽,以便于快速安装㊁拆卸㊂裂变电离室探测器组件的制造主要在于裂变电离室探测器的生产,按照相关标准工艺文件完成组装㊁铀膜镀覆㊁焊接㊁充气等关键工序,全程需在质量监督下完成㊂2.2㊀信号处理设计及制造㊀㊀裂变电离室探测装置的信号处理部分主要体现在前置放大器的设计㊂为了实现裂变电离室探测器跨越近9个量级的宽量程测量功能,前置放大器需工作在两种模式下:计数率模式和均方压(MSV)模式㊂低中子通量条件下,裂变电离室前置放大器将探测到的低通量中子脉冲信号进行初级放大并进行幅度甄别,滤除因γ辐射或射频干扰产生的脉冲信号,并将有效中子脉冲进行光电信号转换后,通过光纤传递给核测仪表信号处理机柜;高中子通量条件下,前置放大器将脉冲堆叠转换为电压有效值后输出均方电压信号,该模式可实现反应堆功率0.1%RTP ~200%RTP 的测量[1]㊂裂变电离室前置放大器电路主要由高压滤波㊁测试脉冲产生㊁一级放大及调节㊁二级放大㊁脉冲调理和MSV 处理电路组成,其原理框图如图3所示㊂通过脉冲调理电路可以将幅值低于阈值的脉冲过滤掉,并将幅值高于阈值的脉冲转换为光脉冲后通过光纤传递给核测仪表信号处理机柜㊂其次,当堆功率升高导致脉冲重叠时,通过MSV 处理电路将重叠的脉冲信号转换为与反应堆中子通量成正比的直流电平(均方电压)信号,传送至信号处理机柜后可实现堆功率的转化㊂此外,该前置放大器还设置了测试脉冲产生电路,由核测仪表信号处理机柜发送一测试使能信号后,可通过该电路产生的测试脉冲检测前置放大器功能的好坏㊂前置放大器采用一体化成型的铝合金箱体作为电路板封装盒体,采用全密封结构,便于电路板防潮㊁防霉隔离,并在盒体内部设置电磁屏蔽金属盒,用于封装前置放大电路板,降低外界干扰㊂前置放大器设计制造完成后,采用标准脉冲信号发生器输入模拟信号,验证前置放大器输出结果满足设计精度要求后,可与裂变电离室搭配进行核辐射性能试验㊂㊃631㊃邱顺利等:反应堆中子通量测量用裂变电离室探测装置研制㊀图3㊀前置放大电路原理图Fig.3㊀Schematic diagram of preamplifier circuit2.3㊀传输电缆制造㊀㊀裂变电离室探测装置信号传输电缆主要包括四同轴有机电缆㊁三同轴有机电缆及其配套接插件㊂三同轴电缆主要由中心导体㊁内外屏蔽层㊁绝缘层和外层护套等按照同一轴线加工制造而成,四同轴电缆在三同轴电缆基础上增加一导电屏蔽层㊂电缆制造按照标准生产工艺进行,需格外关注接插件与内外屏蔽层间的接触可靠性㊂3㊀裂变电离室探测装置测试3.1㊀热中子灵敏度试验㊀㊀热中子灵敏度是裂变电离室探测器的关键指标,本试验在中国计量科学研究院的热中子场㊀㊀㊀㊀㊀㊀参考辐射装置[8]上进行㊂该装置外场反射腔内参考中子注量率大于103cm -2㊃s -1,且具有较高的镉比(1433ʒ1)和较大的均匀区(70cm ˑ70cm),均匀性好于1%㊂对于本次灵敏区长度近900mm 的裂变电离室而言,封闭式反射腔内不具备试验条件,因此试验时将外场反射腔拉开,将待测裂变电离室置于反射腔与中子源均整透镜之间,并采用SP93He 探测器测试试验位置处的热中子注量率和均匀性,确保该处热中子场能够覆盖裂变电离室探测器灵敏区,保证试验的准确性㊂热中子场参考辐射装置如图4所示,该装置已经过CNAS 认证,认证报告编号:国基证(2002)第103号㊂图4㊀热中子场参考辐射装置示意图Fig.4㊀Schematic diagram of a thermal neutron radiation reference facility㊃731㊃㊀辐射防护第44卷㊀第2期㊀㊀裂变电离室探测器的热中子灵敏度采用比对法进行测试㊂将已知热中子灵敏度S m,u 的标准3He 计数管置于热中子场中,测量其输出计数率N m,u ,将待测裂变电离室置于同一位置,测量其输出计数率N m,s ㊂则待测裂变电离室探测器的热中子灵敏度可通过式(1)进行计算,试验结果列于表1㊂S m,s =S m,u ㊃N m,sN m,u(1)表1㊀裂变电离室热中子灵敏度测试结果Tab.1㊀Test results of thermal neutronsensitivity for fission ionization chamber3.2㊀高中子通量试验㊀㊀裂变电离室可测量的中子注量率可达1010cm -2㊃s -1以上,测量范围跨越数个数量级㊂因此,验证其关键核性能需在具备高中子通量试验条件的反应堆上进行㊂本次裂变电离室核性能试验在中国原子能科学研究院49-2游泳池式堆水平热柱孔道上进行,主要包括高压坪特性和甄别阈特性㊂热柱孔道深度约为3m,其热中子注量率与孔㊀㊀㊀㊀㊀道深度呈正相关分布㊂3200kW 功率下该热柱孔道内的中子注量率分布如图5所示㊂图5㊀原子能院49-2堆水平热柱孔道内中子注量率分布Fig.5㊀Distribution of neutron fluence rate inhorizontal channel of 49-2reactor3.2.1㊀高压坪特性㊀㊀裂变电离室高压坪特性测试布置如图6所示㊂将裂变电离室放置在49-2堆热柱孔道内,按照现场实际布线方式进行布线,信号经过前置放大器放大成形㊁处理后,由核测仪表信号处理机柜的信号测量装置读取数据㊂图6㊀裂变电离室高压坪特性试验布置图Fig.6㊀Layout of high voltage saturation characteristics test of fission ionization chamber㊀㊀将裂变电离室灵敏区中心置于距热柱孔道口约1.5m 处,反应堆功率稳定在约65kW,对应中子注量率约4.13ˑ106cm -2㊃s -1,测量裂变电离室计数率模式下的高压坪特性曲线,其试验结果如图7所示㊂由图7可知,裂变电离室计数率模式下的高压坪区范围为500~1000V,坪长ȡ500V,坪斜为1.98%/100VDC(直流电压)㊂将裂变电离室置于热柱孔道底部,并继续增大反应堆功率,使裂变电离室进入均方压(MSV)工作模式,直至反应堆满功率下(3200kW,对应中子注量率1.26ˑ1010cm -2㊃s -1),测试此时的裂变电离室MSV 模式高压坪特性,结果如图8所示㊂由其可知,裂变电离室MSV 模式下的高压坪区范围为500~1000V,坪长ȡ500V,坪斜为1.92%/100VDC㊂㊃831㊃邱顺利等:反应堆中子通量测量用裂变电离室探测装置研制㊀图7㊀裂变电离室计数率模式下高压坪特性试验结果Fig.7㊀Test results of high voltage saturationcharacteristics of the fission ionizationchamber at pulsemode图8㊀裂变电离室MSV 模式下高压坪特性试验结果Fig.8㊀Test results of high voltage saturation characteristicsof the fission ionization chamber at MSV mode3.2.2㊀甄别阈特性㊀㊀在无中子源和加工作高压时,测量裂变电离室计数率N 随甄别阈电压U 变化的曲线,得到裂变电离室的α甄别曲线㊂在有中子源和加工作高压时,测量裂变电离室计数率N 随甄别阈电压U 变化的曲线,得到裂变电离室的甄别阈曲线,作为裂变电离室特征曲线㊂裂变电离室甄别阈值曲线如图9所示,由测量曲线可得,该裂变电离室推荐甄别阈值U n =1.1U α=210mV [9]㊂3.3㊀γ感应度试验㊀㊀γ感应度在标准事故水平γ辐射试验装置上进行㊂试验时,将裂变电离室放置在标准γ辐射图9㊀裂变电离室甄别阈曲线Fig.9㊀The discrimination threshold curveof fission ionization chamber场下,施加工作电压,通过电流源表在探测器信号输出电缆端测量电离室输出的电流I o ,则裂变电离室的γ感应度S γ为:S γ=I oX㊃(2)式中,S γ为γ感应度,A ㊃Gy -1㊃h;I o 为输出电流,A;X ㊃为照射量率,Gy ㊃h -1㊂裂变电离室γ感应度测量结果如图10所示㊂经过计算,裂变电离室的γ感应度为S γ=7.57ˑ10-9A ㊃Gy -1㊃h㊂图10㊀裂变电离室γ感应度实验结果Fig.10㊀Test results of gamma sensitivityof fission ionization chamber3.4㊀试验小结㊀㊀表2列出了裂变电离室设计性能指标与工程应用指标的对比,可以看出该裂变电离室主要物理性能指标满足设计要求㊂㊃931㊃㊀辐射防护第44卷㊀第2期表2㊀裂变电离室性能指标Tab.2㊀Performance indicator fission ionization chamber4㊀结论㊀㊀结合AP1000系列核电站实际应用情况,搭建了一套适用于反应堆堆外核测量系统的裂变电离室探测装置,进行了裂变电离室探测器详细设计及探测装置加工制造,并结合国内现行试验条件和相关标准规定,对其进行了核性能试验验证㊂试验结果表明,该裂变电离室探测装置具有高压坪特性优㊁热中子灵敏度高和抗γ干扰能力强等特点,主要性能指标均能满足工程应用指标,可应用于AP1000系列反应堆堆外核测量系统中间量程测量通道,并可推广至其他电站反应堆堆外核测系统或船用核控系统㊂参考文献:[1]㊀杨天,陈科.AP1000电站堆外核测系统(NIS)中间量程(IR)的构成及信号处理特点详析[J].仪器仪表用户,2016,23(2):73-77.[2]㊀汤仲鸣,何文灏,李树成,等.AP1000与VVER1000堆外核测系统设计理念分析[J].核电子学与探测技术,2014,34(5):671-674.[3]㊀杨波.一种高灵敏度裂变室的研制[J].核电子学与探测技术,2012,32(5):587-589.[4]㊀王玫,温中伟,林菊芳,等.小型平板铀裂变电离室研制[J].核电子学与探测技术,2014,34(9):1128-1131.[5]㊀朱通华,刘荣,蒋励,等.裂变室镀层质量厚度的相对测量技术[J].核技术,2009,32(6):459-463.[6]㊀孙光智,任才,毛从吉,等.堆外核测量用裂变电离室铀膜均匀性研究[J].核技术,2019,42(9):090603.[7]㊀黄自平,钟明光,熊国华.基于坎贝尔定理的中子监测技术的研究[J].核电子学与探测技术,2013,33(9):1054-1056.[8]㊀杨竣凯,王平全,张辉,等.热中子参考辐射装置参数的实验测量[J].核技术,2021,44(11):62-68.[9]㊀北京核仪器厂.用于核反应堆的辐射探测器特性及其测试方法:GB/T7164 2004[S].北京:中国标准出版社,2004.Development of fission ionization chamber detector forreactor neutron flux measurementQIU Shunli1,XIAO Wei1,DONG Jincheng1,GE Mengtuan1,ZHAI Chunrong2,TANG Zhongming2, ZHOU Yulin1,ZENG Le1,LIU Haifeng1,SUN Guangzhi1,CHENG Hui1,SHI Xianwu2,LIU Wenzhen2(1.Wuhan Secondary Institute of Ships,Wuhan430205;2.State Nuclear Power Automation System Engineering Company,Shanghai200233) Abstract:In order to establish a monitoring device for reactor neutron flux measurement to meet the measurement requirements of ex-core nuclear measurement system,a fission ionization chamber detector with long sensitive region,wide range,high sensitivity and strongγ-suppression ability has been developed.At the same time,the thermal neutron sensitivity,high voltage plateau characteristic,screening threshold plateau characteristic andγsensitivity of the fission ionization chamber detector are tested and verified.The test results show that the comprehensive performance of the fission ionization chamber can meet the application requirements of the intermediate range measurement channel for ex-core nuclear measurement system of the AP1000series nuclear power plant.Key words:neutron flux measurement;nuclear instrumentation system;fission ionization chamber;high-voltage saturation characteristics;thermal neutron sensitivity㊃041㊃。

第40卷第4期 2020年7月核电子学与探测技术Nuclear Electronics &Detection TechnologyVol. 40 No. 4Jul.2020核电厂新型放射性气体监测系统构建刘巍，陈祥磊，施礼，沈明明，徐卫峰，代传波，刘海峰(武汉第二船舶研究设计所，武汉430064)摘要：为加强核电厂大气环境中放射性气体的监测，构建了一套配置P灵敏闪烁体探测器的新型放射性气体监测系统。

该系统可对核电厂大气环境中的放射性气体活度浓度进行实时在线监测，可及时 发现放射性排出流含量超标的气体。

测试结果表明：该系统的测量结果的变异系数为2. 44%;测量结 果与标称值的偏差不大于5%;探测装置探测效率为7.64%。

关键词：卩灵敏闪烁体探测器；放射性气体；核电厂保护中图分类号：TL75 +1，TL99 文献标志码：A文章编号：0258 —0934(2020)4 —0585 —04核电厂反应堆堆芯的燃料元件在正常运行 或破损时都不可避免有少量放射性裂变产物从 燃料元件的裂缝中渗透到一回路冷却剂中。

当一回路发生泄漏时，这些放射性的裂变产物就会通过各种相关的工艺途径进人大气环境中形 成放射性气态分布，而这种放射性气体会对工作人员造成严重的辐射伤害，具有较大的危害性。

使用探测装置对核电厂内部大气环境中 的放射性气体活度浓度进行实时在线监测，可 及时发现放射性排出流含量超标的气体，以便 采取安全应对措施，对于保护核电厂工作人员及周围居民身体健康，保护核电厂周边环境和保证核电厂安全运行均具有重要意义。

本文阐述了一种基于空气取样的核电厂新 型放射性气体监测技术。

该监测系统采用(3灵 敏闪烁体探测器，其外部采用铅作为屏蔽材料，有效屏蔽了环境辐射的干扰，采用高性能耦合收稿日期：2018 —12—10作者简介：刘巍（1986 —），男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事辐射防护及核技术应用研究。

光导和光电倍增管，并通过高精度滤波前置放大电路.能实时精确测量取样空间中的惰性气体活度浓度。