核測信號的主動降噪方法研究

徐建飛

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

用于堆芯功率監(jiān)測、放射性劑量監(jiān)測的核測儀表被廣泛應(yīng)用于核電站。核測信號一般都較為微弱。以壓水堆核電站中間量程中子通量測量儀表為例，其量程范圍為10-11～10-3A。微弱電流系統(tǒng)在核電站工程建設(shè)和運行階段一直深受噪聲問題的困擾[1]，由于噪聲問題導(dǎo)致的跳堆等內(nèi)部運行事件偶有發(fā)生。核測系統(tǒng)首次投運前，測量系統(tǒng)本底噪聲是否影響系統(tǒng)的可用性，是必不可少的一個環(huán)節(jié)。

某壓水堆核電廠在調(diào)試啟動階段的臨界前中間量程測量通道探頭噪聲檢查過程中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的噪聲信號。經(jīng)信號調(diào)理卡件放大后，噪聲峰峰值高達(dá)110 mV，頻率約50 Hz。如不處理，噪聲將會影響相關(guān)的倍增周期計算，進而影響機組臨界。該核電廠的堆外中子通量測量系統(tǒng)使用Rolls-Royce處理單元，并使用Schneider ElectricCC80型涂硼γ補償電離室作為中間量程探頭。

1 噪聲源定位

噪聲源的定位可以分理論分析、分區(qū)排查和對比定位三個步驟來執(zhí)行。

一般而言，大功率電氣設(shè)備、高壓電線等是主要的電磁干擾源[2]。但對于核電站中使用的微電流核測儀表而言，中低壓電氣設(shè)備、電纜等對微弱電流信號也會產(chǎn)生強大的干擾。核電常見干擾源類型可分為如下五類[3]。

①運行和啟動過程中的一次設(shè)備。

②中低壓電源轉(zhuǎn)換裝置及線路(針對微弱信號)。

③短路電流。

④高頻線路。

⑤核輻射。由于核輻射帶來的主要干擾形式是核爆產(chǎn)生的極強電磁脈沖，中間量程中子通量測量的整個通道都是可能的受擾對象。根據(jù)不同設(shè)備的分布情況，將整個通道分為三個部分：A區(qū)域，中子探頭及其連接電纜；B區(qū)域，貫穿件及及連接電纜；C區(qū)域，處理單元及連接電纜。

中間量程測量通道如圖1所示。

圖1 中間量程測量通道示意圖

根據(jù)噪聲頻率特點，50 Hz具有典型的工頻特征，可排除類型4、類型5這兩種噪聲。在每個獨立的區(qū)域，對剩余三類可能的干擾源進行了排查。

分區(qū)排查結(jié)果如表1所示。

表1 分區(qū)排查結(jié)果

排查結(jié)果顯示，有兩處220 VAC、50 Hz照明用電源電纜距離受擾信號電纜15 cm左右，可能造成本底噪聲的增大。另外，處理單元機柜內(nèi)供電的兩個冗余的48 V電源轉(zhuǎn)換模塊也可能是噪聲來源。對照明用電源電纜采取斷電對比方案。斷電前后，信號本底噪聲無明顯變化。柜內(nèi)冗余48 V電源轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)柜內(nèi)所有設(shè)備的供電，斷電后無法測量噪聲。因此，采用外接第三臺獨立48 V電源轉(zhuǎn)換模塊為整個處理單元供電，并使外接的48 V獨立電源模塊盡量遠(yuǎn)離受擾對象。然后，斷開柜內(nèi)48 V電源轉(zhuǎn)換模塊供電，進行對比試驗。斷電前后噪聲變化明顯，峰峰值降低至36 mV。根據(jù)斷電結(jié)果，可以明確噪聲來源為柜內(nèi)冗余的48 V電源轉(zhuǎn)換模塊。

2 有源降噪系統(tǒng)模型分析及降噪方案

降噪方案一般基于噪聲三要素(噪聲源、受擾對象和干擾路徑)進行相應(yīng)的方案優(yōu)化。在對象受低頻段電磁干擾的情況下，距離防護和屏蔽防護是降低干擾的主要途徑。但是以上兩種方案都需要增加系統(tǒng)占用的空間，改造難度大。

在不改變系統(tǒng)占用空間的情況下，這些防御式的被動降噪方案基本無法實施。因此，主動(有源)降噪成了唯一可行的選擇。傳統(tǒng)有源降噪(active noise control,ANC)能夠利用場的疊加原理，通過引入新的噪聲場，使之與原有的噪聲場相互作用，以達(dá)到降噪的目的[4]。ANC系統(tǒng)在聲場環(huán)境中已有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)有源降噪原理和電磁場干擾特點，繪制電磁場系統(tǒng)主動降噪結(jié)構(gòu)模型。主動降噪系統(tǒng)理論結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

圖2 主動降噪系統(tǒng)理論結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)穩(wěn)定后，殘差的表達(dá)式如下：

e(i)=d(i)+g(i)=s(i)+v(i)+[p(i)+

u(i)]wopt(i)h(i)

(1)

其中：

g(i)=[p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

最理想的降噪方案需要使最終殘差等于信號源，即：

e(i)=s(i)

v(i)= - [p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

根據(jù)經(jīng)驗，信號源幾乎不會對48 V電源轉(zhuǎn)換模塊的噪聲產(chǎn)生影響，所以可以使u(i)=0。由此可得：

v(i)= -p(i)wopt(i)h(i) = -g(i)

(2)

根據(jù)模型和現(xiàn)場實際進行分析，只要有一個相反相位的類似噪聲源，經(jīng)過相同的傳遞函數(shù)，即可對噪聲起到抑制甚至抵消作用。

堆外中子中間量程測量通道機柜供電線路如圖3所示。

圖3 機柜供電線路示意圖

由分析可知，噪聲來自兩個冗余供電的48 V電源轉(zhuǎn)換模塊。兩個電源轉(zhuǎn)換模塊上游電源完全相同，所以兩個電源轉(zhuǎn)化模塊產(chǎn)生的空間電磁波基本一致，幅值、頻率和相位相同。從傳遞函數(shù)的角度分析，兩個電源模塊平行對稱布置，且距離接近，可以近似為相同傳遞函數(shù)。受擾對象感受到的噪聲，是兩個電源轉(zhuǎn)化模塊產(chǎn)生的噪聲經(jīng)相同傳遞函數(shù)疊加的結(jié)果。由于電源模塊布置較近，那么可以近似為兩個電源轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)

生的噪聲反向疊加，這將起到主動降噪的效果。

電源模塊為220 V交流供電，兩臺電源適配器為同一電源輸入。將電源適配器2的輸入端3、4對調(diào)，將會使電源適配器2的輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電源適配器1輸入電源幅值相同、頻率相同、相位相反的輸入電源，從而使電源適配器2在理論上產(chǎn)生與電源適配器1近似相位相反的空間電磁波。

3 試驗驗證

按照理論分析結(jié)果，采用對比試驗的方法驗證分析結(jié)果。在不改變其他外部條件的情況下，使用同一試驗儀器，在主動降噪方案執(zhí)行前后分別測量信號噪聲1 min，并分別選擇1 min內(nèi)噪聲最大值進行對比分析。采用主動降噪方案處理前，工頻干擾噪聲幅值測試結(jié)果最大值為110 mV。采用主動降噪方案處理后，工頻干擾噪聲幅值測試結(jié)果平均值為31 mV，降噪有效率達(dá)78.1%。由此可見，噪聲幅值已降至可接受水平。該方案使核測系統(tǒng)中間量程噪聲高問題得以解決。

4 結(jié)束語

本文以某核電廠堆外中子通量測量通道噪聲問題為例，建立了電磁場干擾主動降噪模型，并依據(jù)模型進行分析，給出了一種可以廣泛用于同類電磁干擾的主動降噪方案。試驗表明，此方案的降噪有效率可達(dá)70%以上。整個方案采用有源降噪方法，方案簡單易行，可以作為被動式降噪方案,如屏蔽降噪、距離降噪的補充，為長期受電磁干擾困擾的核測儀表類微弱信號系統(tǒng)提供了新的降噪思路。