电子信息技术导论-第7章.

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1、电子信息技术导论电子信息技术导论 清华大学出版社 7.1核工程中的核电技术及先进控制技术概论 第7章电子信息技术在核工程中的应用 为持续发展我国的核电技术，提高国内核电的经济运行水平 、满足国内电力市场的需求，就必须研究开发具有更高安全性 和经济性的核电过程控制系统，加快实现核电国产化，因此采 用先进控制技术提高我国核电过程控制的自动化水平和管理水 平，对我国大力发展核电具有重要的现实意义。 7.1.1 国内外核电技术的现状与发展趋势 1954年7月世界上第一座核电站-苏联核电站开始发电， 开创了人类历史上和平利用原子能的新纪元，揭开了核能用 于发电的序幕。 近20年我国核电事业亦已起步并有了

2、很大的进展。秦山 、大亚湾核电站已经投运，并正在陆续兴建一些新的核电站 。计划到2015年装机电功率将达到30000MW，21世纪中期核 电站发电量将占总发电量20以上。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 第7章电子信息技术在核工程中的应用 核电技术主要体现在核电站下面的五大主要设备及其相关技术 。 核反应堆 蒸汽发生器 汽轮机装置 核电汽轮机的凝汽装置 核电汽轮机的汽水分离再热器 第7章电子信息技术在核工程中的应用 各国核电技术的发展趋势可归纳为： 改进堆芯设计一降低堆芯功能率密度，提高反应堆运行的安 全余量；采用高燃耗的先进燃料组件、加大装载量，以延长 燃料循环寿期；采用低中子泄漏的换料

3、方式，降低反应堆压 力容器的快中子注量，以延长电厂寿命。 考虑超设计基准事故改进专设安全设施，增加其独立性、 冗余度和多样性，或应用非能动的安全设施；进行严重事故 的概率和后果分析，配置严重事故下的检测仪表，并制定事 故处置规程；利用电厂设施，使电厂恢复到受控状态或减缓 严重事故后果。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 采用先进的仪表控制系统：应用数字式技术，提高故障自 诊断能力，改善人机界面，以提高系统的可靠性；应用一体 化技术，采用标准化和模块化设计，以降低造价和缩短安装 周期。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.1.2 国内外过程控制技术的现状及发展趋势 微机测控系统: 由传感器

4、、信号调理、输入接口、微机、输出接口和显示 报警装置等基本单元和组件构成。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 目前，国内外采用微机的过程控制技术和设备的研究主要中 在以下几个方面： 传感技术：将特定的非电参量如流量、压力、温度、位移、 速度、气体成分、声音和光谱等转换为电参量的器件就是传 感器。 输入通道技术：即将传感器采集到的各种信号如电压信号（ 包括mV级和v级）、电流信号、频率信号、开关信号和电阻 变化信号等通过调理、放大、整形、隔离等处理后输入到微 机的通道配置技术研究 第7章电子信息技术在核工程中的应用 输出通道技术：微机输出信号以控制外部设备的通道配置技 术，包括输出通道结构、隔

5、离、驱动、显示及语音等相关配 置技术。 总线接口技术：即各种在线检测模块、系统之间实现方便、 可靠的连接和信息传输的技术。 信号处理和软件开发技术：在线检测的最终目的是将检测对 象的各种状态信息量转换成容易识别的特征量，因此信号处 理是其核心。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 国内外过程控制技术和仪器设备的三个发展趋势和方向是 ：进一步地实现更高水平的 数字化、智能化 模块化、集成化 网络化和分布式检测 第7章电子信息技术在核工程中的应用 以微机为核心的测控系统大致有以下几种类型： （1）以单个控制器为核心的嵌入式测控系统（ECS） （2）以多台下位机与一台上位机之间进行通信的集散式测控

6、系统（DCS） （3）多控制器之间互连构成网络的现场总线测控系统（FCS） 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.2 核工程中的检测仪表和传感器 n 凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为 放射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表）。 n 同位素仪器仪表一般由放射源、核辐射探测器、电转换 器、二次仪表等几部分构成。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.2.1 检测仪表和传感器概况 n同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生的吸收、 散射或电离、激发等效应，获取有关物质的宏观、微观信息 。 n同位素仪表具有以下特点： 不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具； 可

7、在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高腐蚀性和高毒 性等情况下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控 制； 检测灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长； 可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制； 体积小、重量轻，便于携带和安装； 第7章电子信息技术在核工程中的应用 强度型同位素仪表大量采用了计算机技术的具体表现为： 密度计 物位计 厚度计 水份计 核子秤 第7章电子信息技术在核工程中的应用 强度型同位素仪表正朝着如下几个方面改进和完善： 提高可靠性，以适用恶劣工作环境的要求； 提高响应速度和测量精度，以确保产品质量； 仪表本身需能对各种因素的影响进行自动校正，以实现产品 过程的

8、最优化控制。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.2.2 探测器 探测器是同位素仪表的关键部件，它的作用是将射入其中的 并与被测参数有函数关系的核辐射转变为一个电信号，这个 电信号仍然与被测参量有着函数关系，并传输给下一级电路 。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 衡量辐射探测器的主要性能指标通常有下面四个： n 探测量子效率 n 响应度 n 分光响应 n 探测率 第7章电子信息技术在核工程中的应用 常用的探测器有： 闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、液 体闪烁计数器 气体探测器：电离室、正比计数器、盖革计数器等 半导体探测器：HPGe（高纯锗探测器）等 第7章电子信息技

9、术在核工程中的应用 图7.1 各种核探测器 第7章电子信息技术在核工程中的应用 （1）闪烁体探测器 n利用射线与物质发生光电效应等作用，常用闪烁晶体来探 测射线。 n常用的射线探测器主要分为闪烁体探测器和半导体探测器 。 n射线闪烁体探测器的探测效率高、价格较廉、使用方便， 所以在放射性现场测量中应用较广泛。同时闪烁体探测器受 温度影响较小，无需在低温下工作，存放方便。 n常用的半导体探测器因其价格昂贵、探测效率较低或使用不 便，使其在野外使用中受限。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 n闪烁探测器能量分辨率可小于10%（对0.661 MeV的射线） ，测量能量范围为30keV 3MeV，是

10、野外能谱仪常用的探 测器。 nNaI（ Tl）闪烁体（规格为：7575mm）作为射线探测 器较为合适 图7.2 NaI（Tl）晶体探测器内部结构 第7章电子信息技术在核工程中的应用 n基于NaI（Tl）探头的探测器是利用射线能激发NaI（Tl） 晶体发光的特性来工作的，它主要由NaI（Tl）晶体，光电 倍增管GDB 等主要部分组成（如图7.2，7.3），一般情况下 将NaI（Tl）晶体与光电倍增管和分压电路及射极跟随器组 合装在一个暗盒中，组成探头部分（如图7.2 左虚线框部分 ）。图7.4 是传统的便携型能谱仪机械结构示意图。 图7.3 NaI （ Tl ）闪烁能谱仪 图7.4 传统的便携型

11、能谱仪机械结构示意图 第7章电子信息技术在核工程中的应用 （2）气体探测器 是指以气体作为探测介质的辐射探测器。其基本工作原理是 当带电粒子穿过气体时使气体分子电离，所产生离子对数目 与粒子所损耗的能量有关。 电离室 电极一般为平行板型。当两电极间的电位差大到足 以使由辐射形成的离子对全部被电极所收集时，加在两极间 的电压称为该电离室的饱和电压。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 n正比计数管 在两个电极间施加的电压超过饱和电压时， 由于电场强度增加，造成由电离产生的电子有足够能量在气 体中进一步产生次级电离，甚至次级电离的电子又产生新的 离子对。这样由电极收集到的电荷远大于起始电离数，而且

12、 与电极间的电压有关，这就是气体放大作用，也就是正比计 数管的工作原理。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 n盖革-弥勒计数管 盖革-弥勒计数管简称盖革计数管（图 7.5），或GM计数管。其结构与正比计数管类似，但在阳极 丝周围有更强的电场。这时由入射粒子引起的电离沿着整个 阳极丝形成雪崩现象，而其输出电压脉冲的幅度与入射粒子 能量和性质无关。 n盖革计数管必须在管内加入少量猝息气体或用外加猝息电路 ，才能使其在一次放电后恢复到正常状态，而且经过 100微 秒左右的恢复时间才能对新的入射粒子进行计数，因而在使 用上受到一定的限制。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 图7.5盖革-米勒计数器

13、图 自猝灭流光计数管：当在计数管中猝息气体的比例很大而且在 大气压力下时，其放电方式与盖革放电有本质的区别。它只产 生局部的雪崩，故恢复时间远小于盖革计数管。同样可给出较 大幅度的输出脉冲，而且也与起始电离无关。其脉冲持续时间 只有数十纳秒。此外还可作成自猝灭流光室用于定位测量。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 （3）半导体探测器：HPGe（高纯锗探测器） n半导体探测器（semiconductor detector）是 以半导体材 料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅 ，其基本原理与气体电离室相类似，故又称固体电离室。 n半导体探测器的前身可以认为是晶体计数器。 n半导体

14、探测器有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进 入半导体探测器的灵敏区时，即产生电子-空穴对。在两极 加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动收集电极上 会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲。但在半导体探 测器中，入射粒子产生一个电子空穴对所需消耗的平均 第7章电子信息技术在核工程中的应用 能量为气体电离室产生一个离子对所需消耗的十分之一左右 ，因此半导体探测器比闪烁计数器和气体电离探测器的能量 分辨率好得多。半导体探测器的灵敏区应是接近理想的半导 体材料，而实际上一般的半导体材料都有较高的杂质浓度， 必须对杂质进行补偿或提高半导体单晶的纯度。通常使用的 半导体探测器主要有结型、面垒型、锂漂

15、移型和高纯锗（图 7.6）等几种类型。 7.6同轴型高纯锗（hpge）探测器 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.2.3 核仪器仪表 同位素仪表按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类 型可分为透射式同位素仪表、反散射式同位素仪表、电离式 仪表、同位素x荧光式仪表 。 放射源不断地放射出人们看不见的射线（、或射线） ，这种射线射到被测物上，一部分射线穿过被测物，一部分 射线由于和被测物质中的原子碰撞而发生散射。射线和某些 物质中的原子相遇时，还可能发生电离作用或激发作用。 穿透式仪表 利用射线穿过被测物的多少与被测物某参数的 关系而设计的仪表。有穿透式厚度计、穿透式密度计和穿透 式液位计

16、等。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 l反散射式仪表 利用射线的反散射与散射体某参数的关系而 设计的仪表。这种仪表有反散射式厚度计和散射式密度计等 。 l电离式仪表 利用射线对气体的电离作用而设计的仪表，这 种仪表有气体压力计、气体流量计、气体成份分析仪等。 l同位素x荧光式仪表 利用射线对物质的激发作用会产生特征 x射线的原理而设计的仪表，这种仪表主要有同位素x荧光分 析仪和同位素X荧光镀层厚度计。 l中子式仪表 利用中子源射出的中于与物质相互作用产生核 反应的原理而设计的仪表，用得较多的有中子湿度计。 第7章电子信息技术在核工程中的应用 7.3 核电过程控制的现场总线 n7.3.1 现场总线的定义及产生 n根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装 在制造或过程控制区域的现场装置与控制室内的自动控制装 置之间数字式、串行、多点通信的数据总线