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摘要：XX试验装置在线式增殖周期及反应性实时测量系统建立在PXI硬件平台上，采用Labview8.0进行应用软件开发。实时完成增殖-反应性、反应堆功率及周期-反应性的测量和数据处理。实时测量系统计数率通道的脉冲采集模块接收来自核测量系统的放大甄别整形后的方波脉冲信号，通过数据处理程序计算出增殖-反应性。实时测量系统功率通道的可编程电流表直接采集10B电离室的微电流信号，并进行滤波和数据拟合，完成功率、周期-反应性测量。基于PXI硬件平台的在线式增殖周期及反应性实时测量系统采用硬件定时采集，信号采集单元与计算单元独立运行，保证了反应堆周期计算的准确性和及时性。
关键词：实时测量系统 增殖-反应性 周期-反应性
PXI硬件规范的全称为PCI eXtension for Instrumentation，是cPCI硬件规范的继承。PXI硬件规范对PXI设备的机械结构、电气结构等作了严格的规定，保证了PXI系统具有抗震动、电磁兼容性好、性能可靠等优点。
反应堆周期是核反应堆工程中的一个非常重要的概念，是核反应堆控制和保护系统中的一个十分重要的参数。周期太短表示反应堆内中子通量或功率水平增长太快。如果周期超过整定值，就需要触发保护系统紧急停堆动作，关闭反应堆。在核反应堆工程中，通常使用倍周期反映核反应堆功率水平的变化情况。在核反应堆启动和功率提升过程中，通过限制反应堆的倍周期来控制反应性。
1 系统测量原理
1.1 中子增殖-反应性算法
中子增殖定义为核增殖系统对中子源的放大倍数。这里采用的数学表达式为：
N0-无外源情况时，核装置在某一固有装量下探测器测得的本底计数（率）。
N1-核装置在某一中间固有装量下探测器的计数（率）；
M1-核装置在某一中间固有装量下的中子增殖；
N-测量点处探测器测得的计数（率）；
M-为测量点中的中子增殖；
测得中子增殖M后，可由下式得出以元（$）为单位的负反应性，
式中C是与系统特征参数相关的常数
在“点堆”模型下，系统超缓发临界的反应性为一定值时，设初始时刻无外源情况下系统内中子密度（功率）为，则t时刻系统内中子密度可由动态方程导出为：
XX试验装置需要对反应性引入后的暂态过程进行研究，中子密度（3）式中的暂态分量不能忽略，根据物理计算结果，仅考虑其中2个主要暂态分量。假设探测器对中子通量的响应是线性的，则由（3）式可得：
式中，I（t）为探测器的输出电流，C为常数，即为渐进周期。
2 系统设计
在线式增殖周期及反应性实时测量系统包括一套物理员测量设备、一套副物理员测量设备和一套值班长监控计算机。两套测量设备和值班长监控计算机通过网关进行访问。
物理员测量设备和副物理员测量设备硬件配置相同：包括PXI机箱、PXI控制器、脉冲计数模块、可编程电流表、GPIB通讯模块以及显示器。脉冲计数模块与甄别放大器相连，实现中子探测器脉冲计数的测量；可编程电流表采集10B电离室的微电流信号，并将测量结果通过GPIB通讯模块传输到PXI控制器。PIX控制器自带RS485接口，实现与温度测量模块和棒位测量模块进行通讯，获取各位置温度值和控制棒棒位。
在线式增殖周期及反应性实时测量系统的组成框图如图1所示。
可编程电流表用于采集10B电离室的微电流信号，用于反应堆功率及渐进周期的测量计算。可编程电流表选用吉士利公司的Keithley6485，Keithley6485可编程电流表的主要参数：
（1）各档位精度指标。
（2）通讯方式： IEEE488（GPIB）；
（3）读数速度： 900次读数/秒；
（4）存储容量： 2500个读数。
3 软件算法
3.1 增殖-反应性软件实现
在进行中子增殖-反应性测量时，首先测量反应堆某一固有装量下探测器测得的无源本底计数和有源本底计数。然后按照1/ 3原则逐步加入反应性，
图2通过对有效测量数据的处理可以得到当前状态的中子计数率。从而进一步得到中子增殖M和负反应性
3.2周期-反应性软件实现
渐进周期拟合结果的精确性影响因素包括：电流采样值的实时性，电流采样值的精度和拟合算法。在软硬件综合设计阶段，从如下几个方面进行优化。
首先，采样数组的实时性主要须保证微电流采样值采样时刻的精确性。通过设置采样频率和采样数据个数，Keithley6485可编程电流表可以测量到一组电流值及其测量时刻，其中测量时刻是以可编程电流表的测量启动时刻为基准的，在就需要硬件定时器板卡对测量时刻数组进行同步处理，从而保证电流采样数据的实时性。软件流程如图3所示
其次，可编程电流表在同一档位下的测量值精度和线性都比较好，但是不同档位之间存在一定波动，为避免换档数值波动引起拟合结果误差增大，周期-反应性软件中根据换档数据阶跃情况对换档后的数据进行平滑处理，或者对换档前后的数据分段拟合。
最后，渐进周期的拟合算法需要有良好的收敛性，由于XX试验装置微电流随时间变化的理论函数为多项指数函数，在拟合算法选择上就须采用非线性拟合算法。考虑到中子通量测量结果的统计涨落，在进行数据拟合之前需要对微电流数组进行预处理，包括采用数字滤波来降低统计涨落的影响、对微电流数组进行比例放大，减小数据拟合中舍入误差对拟合精度的影响。该软件的拟合程序后台调用Matlab计算程序，使用其非线性指数拟合算法XX算法实现拟合。该拟合算法具有良好的收敛性，根据微电流函数模型，电流值表达式中的只有一个正指数项，在程序中对拟合结果进行相应的限制，这样就可以得到收敛准确的拟合结果。
4系统界面及运行试验
4.1 增殖-反应性程序
增殖-反应性程序界面的最上部为功能菜单，左侧上部为温度显示，左侧中部为当前计数测量结果，左侧下部为测量步骤控制；界面中间的上部为高压状态显示和外推临界结果显示，界面中间为外推临界记录表格和外推临界曲线；界面右侧为副物理员测量通道当前测量结果。软件界面如图4 所示。
4.2 反应堆周期-反应性计算程序
反应堆周期-反应性计算程序对反应堆功率测量数据进行处理，得到反应堆的渐进周期和反应性，程序界面如图5所示。
点击渐进周期拟合界面左上角原始数据路径按钮，选择需要进行拟合的测量数据。测量数据文件以时间～电流曲线的形式显示在原始数据窗口，曲线颜色为红色，电流换档位置用绿色方点标出。
选择界面左上部测量档位的某一档位，程序自动确定拟合数据的左右边界。用户可以键盘输入或鼠标点选修改左右边界。选定周期拟合数据左右边界后，点击确定。
设置周期初值，周期初值的第一项为渐进周期预估值。模拟信号试验表明，预估值的准确性要求不高：当渐进周期为50s时，选择10s或100s的周期初值，最后计算结果的偏差小于0.5%。拟合完成后，拟合结果显示在右侧并且自动记录在数据拟合记录表中。
重复选择测量数据段，拟合计算不同测量段的测量数据。对不同测量段的数据汇总处理可以得到试验装置的反应性。
5 结语
在线式增殖周期及反应性实时测量系统已在XX试验装置的若干试验中得到了应用。实验结果表明，该系统具有测量精度高、响应快、分辨率高、使用方便、工作稳定可靠等优点。在反应堆外推临界试验及提升功率试验中起到了重要的作用。在试验过程中，软件直观全面地显示了测量参数及设备状态，试验人员通过该系统非常方便地实现了反应堆参数的测量和计算，有助于XX试验装置反应性相关测量实验研究的开展。
