CN105225433B - 一种核电站松动部件监测报警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电站松动部件监测报警系统，包括依次连接的加速度传感器、前置放大器、信号调理器、数据采集卡和数据分析诊断计算机；信号调理器包括模拟电子开关电路、信号监视单元、信号监听单元、加法电路和交直流信号分离电路；模拟电子开关电路的输入端接控制器接口、光耦隔离电路和浪涌保护电路，浪涌保护电路的输入端接电流激励电路和信号输入接口，交直流信号分离电路的信号输出端和加法电路的信号输入端依次接交流信号调理电路、增益调节旋钮和增益调理电路，交直流信号分离电路的信号输出端和加法电路的信号输入端之间还接直流信号调理电路；本发明还公开了一种核电站松动部件监测报警方法。本发明有效减小了误报漏报的概率。
Description
技术领域
本发明属于核电站松动部件监测技术领域，具体涉及一种核电站松动部件监测报警系统及方法。
背景技术
核电站回路冷却剂系统中零部件很多，松脱部件现象时有发现，其来源是运行时引起的零部件松动或脱落，也可能是在施工、换料或维修时遗留在系统内的零部件、工具等物件，尽可能早地发现松动件可避免或减轻回路系统部件发生与安全相关的损坏或故障，减小核电厂的经济损失，通过早期监测与诊断确定异常跌落物的大致方位和重量，使维修有目的地进行，从而减少计划外停堆，将核电厂检修人员的辐射剂量减到最小；传统的松动部件检测采用手动方式提供一套有计划的定期监测，用于探测是否存在松动件、通道校验和功能试验、以及确定监测系统的可运行性、校验、确定报警等级、观察传感器信号的变化趋势进行诊断等，操作复杂，检测周期长，发现问题迟缓，效率低；因此出现了自动方式的松动件的连续在线监测，当监测到的信号达到或超过预先规定的报警基准值时，数据采集系统才启动进行数据采集和分析，并通过报警装置向主控室运行值班人员提供声响和灯光报警；鉴于系统结构复杂，又在高温高压和辐照环境下，使松脱部件监测和诊断具体实施有一定难度，实施规范规定的数据信号调理要求难以满足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种核电站松动部件监测报警系统及方法，其设计新颖合理，电路调理精度高，监听监视效果好，实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：包括依次连接且用于对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测的加速度传感器、用于对加速度传感器输出的信号进行放大的前置放大器、用于对前置放大器输出的信号进行调理的信号调理器、用于信号采集的数据采集卡和用于数据分析诊断处理的数据分析诊断计算机，所述加速度传感器、前置放大器和信号调理器的数量均为多个；所述信号调理器包括模拟电子开关电路、信号监视单元、信号监听单元、加法电路和与模拟电子开关电路的输出端相接的交直流信号分离电路；所述模拟电子开关电路的输入端接有信号自检参考单元和信号检测保护单元，所述信号自检参考单元包括控制器接口和与控制器接口输出端相接的光耦隔离电路，所述信号检测保护单元包括电流激励电路、信号输入接口以及与电流激励电路的输出端和信号输入接口的输出端均相接的浪涌保护电路，所述控制器接口的输出端、光耦隔离电路的输出端和浪涌保护电路的输出端均与模拟电子开关电路输入端相接；所述交直流信号分离电路的第一信号输出端和加法电路的第一信号输入端之间依次接有交流信号调理电路、增益调节旋钮和增益调理电路，所述交直流信号分离电路的第二信号输出端和加法电路的第二信号输入端之间接有直流信号调理电路，所述加法电路的信号输出端接有信号输出接口；所述信号监视单元包括指示灯、示波器接口和与浪涌保护电路的输出端相接的信号跟随电路，所述指示灯的输入端和示波器接口的输入端均与信号跟随电路的输出端相接；所述信号监听单元包括信号放大电路和与信号放大电路的输出端相接的音箱，所述信号放大电路的输入端与信号跟随电路的输出端相接。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述电流激励电路包括恒流源芯片LM334，所述恒流源芯片LM334的第1管脚与+24V电源输出端相接，所述恒流源芯片LM334的第3管脚分两路，一路通过电阻R2与恒流源芯片LM334的第2管脚相接，另一路经二极管D1和电阻R5与恒流源芯片LM334的第2管脚相接；
所述浪涌保护电路包括放电管G1和放电管G2，所述放电管G1的阳极通过压敏电阻R33与所述信号输入接口和电阻R24的一端的连接端相接，电阻R24的另一端为浪涌保护电路的输出端且分两路，一路与二极管D1和电阻R5的连接端相接，另一路与二极管D6的阳极和二极管D10的阴极的连接端相接；二极管D6的阴极与二极管D12的阴极和稳压二极管D11的阴极的连接端相接，二极管D10的阳极与二极管D13的阳极和稳压二极管D11的阳极的连接端相接，二极管D12的阳极与二极管D13的阴极均接模拟地，放电管G1的阴极分两路，一路经放电管G2接大地，另一路经电阻R34接模拟地；电阻R34与模拟地的连接端经双向稳压二极管D14接大地。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述模拟电子开关电路包括多路模拟开关MAX319ESA，所述多路模拟开关MAX319ESA的第2管脚与浪涌保护电路的输出端相接，所述多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚为模拟电子开关电路的输出端。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述交直流信号分离电路包括运放LF356和运放U4，所述运放LF356的同相输入端经电容C8与模拟电子开关电路的输出端相接，运放LF356的第7管脚分两路，一路经电感L1与+12V电源输出端相接，另一路接滑动电阻R4的滑动端；滑动电阻R4的一个固定端与运放LF356的第1管脚相接，滑动电阻R4的另一个固定端与运放LF356的第5管脚相接，运放LF356的输出端经电阻R16与运放LF356的反相输入端相接，运放LF356的第4管脚经电感L4与-12V电源输出端相接，运放LF356的输出端为交直流信号分离电路的第一信号输出端；所述运放U4的同相输入端经电阻R21与多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚相接，运放U4的输出端与运放U4的反相输入端相接，运放U4的输出端为交直流信号分离电路的第二信号输出端。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述交流信号调理电路包括型号为LF253M的芯片U1，所述芯片U1的第3管脚经电阻R8和电阻R10与交直流信号分离电路的第一信号输出端相接，芯片U1的第1管脚分三路，一路经电阻R42和电阻R41接模拟地，另一路经电容C1与电阻R8和电阻R10的连接端相接，第三路经电阻R39和电阻R40与芯片U1的第5管脚相接；芯片U1的第2管脚与电阻R42和电阻R41的连接端相接，芯片U1的第7管脚分两路，一路经电阻R44和电阻R43接模拟地，另一路经电容C26与电阻R39和电阻R40的连接端相接，芯片U1的第6管脚与电阻R44和电阻R43的连接端相接；
所述增益调节旋钮包括六路旋钮开关S1，所述六路旋钮开关S1的六个静触点分别与电阻R6的一端、电阻R7的一端、电阻R9的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R15的一端相接；
所述增益调理电路包括型号为LF253M的芯片U2，所述芯片U2的第7管脚与电阻R3的一端相接，电阻R3的另一端和芯片U2的第6管脚的连接端均与所述电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R9的另一端、电阻R12的另一端、电阻R13的另一端和电阻R15的另一端的连接端相接，芯片U2的第5管脚经电阻R14接模拟地，所述芯片U2的第7管脚为增益调理电路的输出端。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述直流信号调理电路包括运放U5，所述运放U5的同相输入端经电阻R19和电阻R18与交直流信号分离电路的第二信号输出端相接，运放U5的输出端分两路，一路经电容C16与电阻R19和电阻R18的连接端相接，另一路与运放U5的反相输入端相接，所述运放U5的输出端为直流信号调理电路的输出端。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述加法电路包括运放U6，所述运放U6的同相输入端分两路，一路经电阻R17与增益调理电路的输出端相接，另一路经电阻R22与直流信号调理电路的输出端相接；运放U6的反相输入端经电阻R25接模拟地，运放U6的输出端经电阻R26与运放U6的反相输入端相接。
上述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述信号跟随电路包括运放U7，所述运放U7的同相输入端经电阻R30与浪涌保护电路的输出端相接，运放U7的输出端与运放U7的反相输入端相接；
所述信号放大电路包括型号为LF253M的芯片U3，所述芯片U3的同相输入端经电阻R1和电容C31与运放U7的输出端相接，芯片U3的输出端经电阻R35与芯片U3的反相输入端相接。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、有效减小了误报、漏报的概率的核电站松动部件监测报警方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及传输：加速度传感器对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测并将检测到的信号输出给前置放大器，前置放大器对加速度传感器输出的信号进行放大后输出给信号调理器，信号调理器对前置放大器输出的信号进行调理后输出给数据采集卡，数据采集卡按周期T采集信号调理器输出的信号并传输给数据分析诊断计算机；
步骤二、数据分析诊断计算机对数据采集卡采集到的数据进行分析诊断，得出诊断结果并进行相应的报警；具体过程为：
步骤201、进行一次判断，具体过程为：
步骤2011、数据分析诊断计算机持续接收数据采集卡采集到的信号，并将其接收到的每个信号的幅值与预先设定的触发阈值相比对，当比对到信号的幅值超过了预先设定的触发阈值时，数据分析诊断计算机通过数据采集卡采集幅值超过触发阈值的信号附近时间段t内的信号，并根据公式求取时间段t内信号的均方根值RMS；其中，n为时间段t内采集到的信号的总个数，且n的取值为自然数；S(i)为时间段t内采集到的第i个信号，且i的取值为1～n；幅值超过触发阈值的信号附近时间段t的取值方法为：在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻前取时间段t1，并在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻后取时间段t2，其中，t＝t1+t2，t1＝300T～1000T，t2＝5000T～10000T；
步骤2012、数据分析诊断计算机将时间段t内信号的均方根值RMS与预先设定的能量阈值相比对，当时间段t内信号的均方根值RMS大于等于能量阈值时，执行步骤203，否则，当时间段t内信号的均方根值RMS小于能量阈值时，执行步骤202；
步骤202、进行二次判断，具体过程为：
步骤2021、求取时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x，并根据公式对时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x与预先获得的标准信号的幅值概率密度函数y进行相关性分析，得到相关系数ρ；其中，Cov(x,y)为x与y的协方差，σx为x的标准差，σy为y的标准差；预先获得标准信号的幅值概率密度函数y的方法为：进行冲击测试试验获取一组核电站松动部件掉落产生的振动信号，记为标准信号，然后求取标准信号的幅值概率密度函数y；
步骤2022、将相关系数ρ与预先设定的相关系数阈值ρs进行比对，当ρ≥ρs时，执行步骤203，否则，当ρ<ρs时，返回步骤一；
步骤203、报警：数据分析诊断计算机显示报警信号，同时，指示灯显示报警，音箱发出同步撞击金属声，证实报警的确实性。
上述的方法，其特征在于：步骤一中信号调理器对前置放大器输出的信号进行调理后输出给数据采集卡的具体过程为：将模拟电子开关电路选通至信号检测保护单元，电流激励电路给浪涌保护电路一个激励信号，浪涌保护电路保护模拟电子开关电路不被高压大电流击穿，前置放大器输出的信号通过模拟电子开关电路接入交直流信号分离电路，交直流信号分离电路对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路，交流信号调理电路对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路进行增益调节，然后输出给加法电路，同时，直流信号调理电路对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路，加法电路对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的调理信号后输出给数据采集卡；
步骤一之前还需对信号调理器进行校验，具体过程为：通过控制器接口连接外部微控制器或计算机，将模拟电子开关电路选通至信号自检参考单元，使用光耦隔离电路保护模拟电子开关电路不被高压大电流击穿，控制器接口将外部微控制器或计算机发出的标准数据信号通过模拟电子开关电路接入交直流信号分离电路，交直流信号分离电路对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路，交流信号调理电路对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路进行增益调节，然后输出给加法电路，同时，直流信号调理电路对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路，加法电路对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的标准数据信号调理信号后输出给数据采集卡，数据采集卡再将标准数据信号调理信号传输给数据分析诊断计算机进行显示，工作人员通过比对标准数据信号与标准数据信号调理信号，实现对信号调理器的校验。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明核电站松动部件监测报警系统的结构简单，实现方便。
2、本发明的信号调理器通过设置多个BNC接口，使输入信号、输出信号以及示波器监视信号均能快捷方便的与外部设备连接，结构简单，成本低。
3、本发明的信号调理器通过设置模拟电子开关电路对信号自检参考单元和信号检测保护单元进行选通，在测试调理数据信息之前，模拟电子开关电路可选通信号自检参考单元，使用控制器或计算机发出的标准数据信号校验信号调理电路是否有偏差，保证测试的正常进行，当信号自检参考单元满足信号调理精度时，模拟电子开关电路可选通信号检测保护单元对实际信号进行调理，可靠稳定，使用效果好。
4、本发明的信号调理器通过设置交直流信号分离电路对原始信号进行交直流分离，接着对交流信号部分采用两级有源积分滤波电路，可保证滤除有效的频带区外的信号，同时采用反向放大电路、可避免大幅度信号失真问题并进行增益调节；对直流信号放大，再将调理后的交流信号与直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的调理信号，电路调理精度高，使用效果好。
5、本发明的信号调理器设计新颖合理，体积小，通过增益调节旋钮可方便调节交流信号放大缩小倍数，通过示波器、指示灯以及音箱可直观的提醒主控室运行值班人员，响应速度快，实用性强，便于推广使用。
6、本发明核电站松动部件监测报警方法的方法步骤简单，实现方便。
7、本发明的核电站松动部件监测报警方法，有效减小了误报、漏报的概率，在噪声与撞击信号幅值差异不明显，且存在与撞击信号形状类似的脉冲噪声等复杂背景噪声下，仍具有较好的稳定性。
8、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，电路调理精度高，监听监视效果好，有效减小了误报、漏报的概率，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明核电站松动部件监测报警系统的电路原理框图。
图2为本发明信号调理器的电路原理框图。
图3为本发明控制器接口的电路原理图。
图4为本发明光耦隔离电路的电路原理图。
图5为本发明模拟电子开关电路的电路原理图。
图6为本发明电流激励电路的电路原理图。
图7为本发明浪涌保护电路的电路原理图。
图8为本发明交直流信号分离电路的电路原理图。
图9为本发明交流信号调理电路的电路原理图。
图10为本发明信号跟随电路、指示灯、示波器接口和信号放大电路的电路连接关系示意图。
图11为本发明增益调节旋钮、增益调理电路、直流信号调理电路和加法电路的电路连接关系示意图。
图12为本发明核电站松动部件监测报警方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—控制器接口； 2—光耦隔离电路； 3—模拟电子开关电路；
4—交直流信号分离电路； 5—交流信号调理电路；
6—增益调节旋钮； 7—增益调理电路； 8—直流信号调理电路；
9—加法电路； 10—信号输出接口； 11—信号输入接口；
12—浪涌保护电路； 13—电流激励电路； 14—信号跟随电路；
15—指示灯； 16—示波器接口； 17—信号放大电路；
18—音箱； 19—加速度传感器； 20—前置放大器；
21—信号调理器； 22—数据采集卡； 23—数据分析诊断计算机。
具体实施方式
如图1所示，本发明的核电站松动部件监测报警系统，包括依次连接且用于对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测的加速度传感器19、用于对加速度传感器19输出的信号进行放大的前置放大器20、用于对前置放大器20输出的信号进行调理的信号调理器21、用于信号采集的数据采集卡22和用于数据分析诊断处理的数据分析诊断计算机23，所述加速度传感器19、前置放大器20和信号调理器21的数量均为多个；如图2所示，所述信号调理器21包括模拟电子开关电路3、信号监视单元、信号监听单元、加法电路9和与模拟电子开关电路3的输出端相接的交直流信号分离电路4；所述模拟电子开关电路3的输入端接有信号自检参考单元和信号检测保护单元，所述信号自检参考单元包括控制器接口1和与控制器接口1输出端相接的光耦隔离电路2，所述信号检测保护单元包括电流激励电路13、信号输入接口11以及与电流激励电路13的输出端和信号输入接口11的输出端均相接的浪涌保护电路12，所述控制器接口1的输出端、光耦隔离电路2的输出端和浪涌保护电路12的输出端均与模拟电子开关电路3输入端相接；所述交直流信号分离电路4的第一信号输出端和加法电路9的第一信号输入端之间依次接有交流信号调理电路5、增益调节旋钮6和增益调理电路7，所述交直流信号分离电路4的第二信号输出端和加法电路9的第二信号输入端之间接有直流信号调理电路8，所述加法电路9的信号输出端接有信号输出接口10；所述信号监视单元包括指示灯15、示波器接口16和与浪涌保护电路12的输出端相接的信号跟随电路14，所述指示灯15的输入端和示波器接口16的输入端均与信号跟随电路14的输出端相接；所述信号监听单元包括信号放大电路17和与信号放大电路17的输出端相接的音箱18，所述信号放大电路17的输入端与信号跟随电路14的输出端相接。
实际使用中，信号自检参考单元中的控制器接口1连接控制器或计算机，接收控制器或计算机发送的模拟信号作为标准数据信号，其中，控制器可以是ARM微控制器或DSP微控制器。
如图4所示，本实施例中，所述光耦隔离电路2包括型号为TLP521-1的隔离芯片U8。
如图3所示，本实施例中，所述控制器接口1包括连接端口P1，所述连接端口P1的第8管脚接+24V电源输出端，所述连接端口P1的第6管脚接隔离芯片U8的第1管脚，连接端口P1的第4管脚接控制器或计算机的模数转换信号输出端。
如图6所示，本实施例中，所述电流激励电路13包括恒流源芯片LM334，所述恒流源芯片LM334的第1管脚与+24V电源输出端相接，所述恒流源芯片LM334的第3管脚分两路，一路通过电阻R2与恒流源芯片LM334的第2管脚相接，另一路经二极管D1和电阻R5与恒流源芯片LM334的第2管脚相接。
如图7所示，本实施例中，所述浪涌保护电路12包括放电管G1和放电管G2，所述放电管G1的阳极通过压敏电阻R33与所述信号输入接口11和电阻R24的一端的连接端相接，电阻R24的另一端为浪涌保护电路12的输出端且分两路，一路与二极管D1和电阻R5的连接端相接，另一路与二极管D6的阳极和二极管D10的阴极的连接端相接；二极管D6的阴极与二极管D12的阴极和稳压二极管D11的阴极的连接端相接，二极管D10的阳极与二极管D13的阳极和稳压二极管D11的阳极的连接端相接，二极管D12的阳极与二极管D13的阴极均接模拟地，放电管G1的阴极分两路，一路经放电管G2接大地，另一路经电阻R34接模拟地；电阻R34与模拟地的连接端经双向稳压二极管D14接大地。
如图5所示，本实施例中，所述模拟电子开关电路3包括多路模拟开关MAX319ESA，所述多路模拟开关MAX319ESA的第2管脚与浪涌保护电路12的输出端相接，所述多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚为模拟电子开关电路3的输出端。
实际使用中，多路模拟开关MAX319ESA的第5管脚接隔离芯片U8的第4管脚，多路模拟开关MAX319ESA的第6管脚接隔离芯片U8的第3管脚，多路模拟开关MAX319ESA的第8管脚接连接端口P1的第4管脚。
如图8所示，本实施例中，所述交直流信号分离电路4包括运放LF356和运放U4，所述运放LF356的同相输入端经电容C8与模拟电子开关电路3的输出端相接，运放LF356的第7管脚分两路，一路经电感L1与+12V电源输出端相接，另一路接滑动电阻R4的滑动端；滑动电阻R4的一个固定端与运放LF356的第1管脚相接，滑动电阻R4的另一个固定端与运放LF356的第5管脚相接，运放LF356的输出端经电阻R16与运放LF356的反相输入端相接，运放LF356的第4管脚经电感L4与-12V电源输出端相接，运放LF356的输出端为交直流信号分离电路4的第一信号输出端；所述运放U4的同相输入端经电阻R21与多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚相接，运放U4的输出端与运放U4的反相输入端相接，运放U4的输出端为交直流信号分离电路4的第二信号输出端。
如图9和图11所示，本实施例中，所述交流信号调理电路5包括型号为LF253M的芯片U1，所述芯片U1的第3管脚经电阻R8和电阻R10与交直流信号分离电路4的第一信号输出端相接，芯片U1的第1管脚分三路，一路经电阻R42和电阻R41接模拟地，另一路经电容C1与电阻R8和电阻R10的连接端相接，第三路经电阻R39和电阻R40与芯片U1的第5管脚相接；芯片U1的第2管脚与电阻R42和电阻R41的连接端相接，芯片U1的第7管脚分两路，一路经电阻R44和电阻R43接模拟地，另一路经电容C26与电阻R39和电阻R40的连接端相接，芯片U1的第6管脚与电阻R44和电阻R43的连接端相接；
所述增益调节旋钮6包括六路旋钮开关S1，所述六路旋钮开关S1的六个静触点分别与电阻R6的一端、电阻R7的一端、电阻R9的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R15的一端相接；
所述增益调理电路7包括型号为LF253M的芯片U2，所述芯片U2的第7管脚与电阻R3的一端相接，电阻R3的另一端和芯片U2的第6管脚的连接端均与所述电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R9的另一端、电阻R12的另一端、电阻R13的另一端和电阻R15的另一端的连接端相接，芯片U2的第5管脚经电阻R14接模拟地，所述芯片U2的第7管脚为增益调理电路7的输出端。
如图11所示，本实施例中，所述直流信号调理电路8包括运放U5，所述运放U5的同相输入端经电阻R19和电阻R18与交直流信号分离电路4的第二信号输出端相接，运放U5的输出端分两路，一路经电容C16与电阻R19和电阻R18的连接端相接，另一路与运放U5的反相输入端相接，所述运放U5的输出端为直流信号调理电路8的输出端。
如图11所示，本实施例中，所述加法电路9包括运放U6，所述运放U6的同相输入端分两路，一路经电阻R17与增益调理电路7的输出端相接，另一路经电阻R22与直流信号调理电路8的输出端相接；运放U6的反相输入端经电阻R25接模拟地，运放U6的输出端经电阻R26与运放U6的反相输入端相接。
如图10所示，本实施例中，所述信号跟随电路14包括运放U7，所述运放U7的同相输入端经电阻R30与浪涌保护电路12的输出端相接，运放U7的输出端与运放U7的反相输入端相接；
所述信号放大电路17包括型号为LF253M的芯片U3，所述芯片U3的同相输入端经电阻R1和电容C31与运放U7的输出端相接，芯片U3的输出端经电阻R35与芯片U3的反相输入端相接。
实际使用中，运放U4、运放U5、运放U6和运放U7可使用集成在一片控制芯片中的四个运算放大器，所述控制芯片包括芯片LM224AJ。
具体实施时，所述信号输入接口11、示波器接口16和信号输出接口10均为BNC接口。
如图12所示，本发明的核电站松动部件监测报警方法，包括以下步骤：
步骤一、数据采集及传输：加速度传感器19对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测并将检测到的信号输出给前置放大器20，前置放大器20对加速度传感器19输出的信号进行放大后输出给信号调理器21，信号调理器21对前置放大器20输出的信号进行调理后输出给数据采集卡22，数据采集卡22按周期T采集信号调理器21输出的信号并传输给数据分析诊断计算机23；
步骤二、数据分析诊断计算机23对数据采集卡22采集到的数据进行分析诊断，得出诊断结果并进行相应的报警；具体过程为：
步骤201、进行一次判断，具体过程为：
步骤2011、数据分析诊断计算机23持续接收数据采集卡22采集到的信号，并将其接收到的每个信号的幅值与预先设定的触发阈值相比对，当比对到信号的幅值超过了预先设定的触发阈值时，数据分析诊断计算机23通过数据采集卡22采集幅值超过触发阈值的信号附近时间段t内的信号，并根据公式求取时间段t内信号的均方根值RMS；其中，n为时间段t内采集到的信号的总个数，且n的取值为自然数；S(i)为时间段t内采集到的第i个信号，且i的取值为1～n；幅值超过触发阈值的信号附近时间段t的取值方法为：在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻前取时间段t1，并在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻后取时间段t2，其中，t＝t1+t2，t1＝300T～1000T，t2＝5000T～10000T；具体实施时，触发阈值的取值为比例系数与背景噪声水平的乘积，选取冷态低功率运行状态下的背景噪声来确定背景噪声水平，能够避免漏报，由此可能产生的误报警可在二次判断中消除。
步骤2012、数据分析诊断计算机23将时间段t内信号的均方根值RMS与预先设定的能量阈值相比对，当时间段t内信号的均方根值RMS大于等于能量阈值时，执行步骤203，否则，当时间段t内信号的均方根值RMS小于能量阈值时，执行步骤202；具体实施时，能量阈值的取值为比例系数乘以质量范围内最大松动件撞击能量的均方根值，大于能量阈值可认为是强脉冲噪声引起的触发，不予报警，能量阈值的引入消除了大幅值的脉冲干扰，而幅值较小的脉冲干扰由二次判断中概率密度函数法消除。
步骤202、进行二次判断，具体过程为：
步骤2021、求取时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x，并根据公式对时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x与预先获得的标准信号的幅值概率密度函数y进行相关性分析，得到相关系数ρ；其中，Cov(x,y)为x与y的协方差，σx为x的标准差，σy为y的标准差；预先获得标准信号的幅值概率密度函数y的方法为：进行冲击测试试验获取一组核电站松动部件掉落产生的振动信号，记为标准信号，然后求取标准信号的幅值概率密度函数y；具体实施时，冲击测试试验采用一块钢板，并采用钢球从不同高度跌落至钢板上产生的振动信号进行试验。
步骤2022、将相关系数ρ与预先设定的相关系数阈值ρs进行比对，当ρ≥ρs时，执行步骤203，否则，当ρ<ρs时，返回步骤一；
本发明的二次判断利用松动部件撞击信号和背景噪声(包括脉冲干扰)的统计特征的差异进行报警，此处统计特征主要指幅值分布函数或者幅值概率密度函数，结合一次判断，有效减小了误报、漏报的概率，在噪声与撞击信号幅值差异不明显，且存在与撞击信号形状类似的脉冲噪声等复杂背景噪声下，仍具有较好的稳定性。
步骤203、报警：数据分析诊断计算机23显示报警信号，同时，指示灯15显示报警，音箱18发出同步撞击金属声，证实报警的确实性。
本实施例中，步骤一中信号调理器21对前置放大器20输出的信号进行调理后输出给数据采集卡22的具体过程为：将模拟电子开关电路3选通至信号检测保护单元，电流激励电路13给浪涌保护电路12一个激励信号，浪涌保护电路12保护模拟电子开关电路3不被高压大电流击穿，前置放大器20输出的信号通过模拟电子开关电路3接入交直流信号分离电路4，交直流信号分离电路4对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路5，交流信号调理电路5对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路7进行增益调节，然后输出给加法电路9，同时，直流信号调理电路8对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路9，加法电路9对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的调理信号后输出给数据采集卡22；
步骤一之前还需对信号调理器21进行校验，具体过程为：通过控制器接口1连接外部微控制器或计算机，将模拟电子开关电路3选通至信号自检参考单元，使用光耦隔离电路2保护模拟电子开关电路3不被高压大电流击穿，控制器接口1将外部微控制器或计算机发出的标准数据信号通过模拟电子开关电路3接入交直流信号分离电路4，交直流信号分离电路4对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路5，交流信号调理电路5对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路7进行增益调节，然后输出给加法电路9，同时，直流信号调理电路8对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路9，加法电路9对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的标准数据信号调理信号后输出给数据采集卡22，数据采集卡22再将标准数据信号调理信号传输给数据分析诊断计算机23进行显示，工作人员通过比对标准数据信号与标准数据信号调理信号，实现对信号调理器21的校验。
为了验证本发明能够产生的效果，采用一块长度和宽度均为2m、厚度为2cm的钢板做了冲击测试试验，在钢板的中间位置处划分了64个长度和宽度均为20cm的正方形区域作为敲击区域，并在钢板上均匀布设三个加速度传感器19，试验采用了质量分别为110g、176g、227g、373g、509g、641g、877g、1400g、2500g、4000g、6000g、10000g和12500g的钢球，从不同高度跌落至钢板，通过三个加速度传感器19实时检测钢球跌落到钢板上产生的振动信号，三个前置放大器20分别对三个加速度传感器19输出的信号进行放大后输出给三个信号调理器21，三个信号调理器21分别对三个前置放大器20输出的信号进行调理后输出给数据采集卡22，数据采集卡22按周期T采集信号调理器21输出的信号并传输给数据分析诊断计算机23，数据分析诊断计算机23对数据采集卡22采集到的数据进行分析诊断，验证本发明的可靠性和实用性。部分试验数据如下：
表1 110g钢球冲击测试试验报警结果记录表
表2 509g钢球冲击测试试验报警结果记录表
表3 4000g钢球冲击测试试验报警结果记录表
表4 12500g钢球冲击测试试验报警结果记录表
从以上的试验数据可以看出，所有试验均有效报警，且正确报警率为100％，验证了本发明的有效性和稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：包括依次连接且用于对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测的加速度传感器(19)、用于对加速度传感器(19)输出的信号进行放大的前置放大器(20)、用于对前置放大器(20)输出的信号进行调理的信号调理器(21)、用于信号采集的数据采集卡(22)和用于数据分析诊断处理的数据分析诊断计算机(23)，所述加速度传感器(19)、前置放大器(20)和信号调理器(21)的数量均为多个；所述信号调理器(21)包括模拟电子开关电路(3)、信号监视单元、信号监听单元、加法电路(9)和与模拟电子开关电路(3)的输出端相接的交直流信号分离电路(4)；所述模拟电子开关电路(3)的输入端接有信号自检参考单元和信号检测保护单元，所述信号自检参考单元包括控制器接口(1)和与控制器接口(1)输出端相接的光耦隔离电路(2)，所述信号检测保护单元包括电流激励电路(13)、信号输入接口(11)以及与电流激励电路(13)的输出端和信号输入接口(11)的输出端均相接的浪涌保护电路(12)，所述控制器接口(1)的输出端、光耦隔离电路(2)的输出端和浪涌保护电路(12)的输出端均与模拟电子开关电路(3)输入端相接；所述交直流信号分离电路(4)的第一信号输出端和加法电路(9)的第一信号输入端之间依次接有交流信号调理电路(5)、增益调节旋钮(6)和增益调理电路(7)，所述交直流信号分离电路(4)的第二信号输出端和加法电路(9)的第二信号输入端之间接有直流信号调理电路(8)，所述加法电路(9)的信号输出端接有信号输出接口(10)；所述信号监视单元包括指示灯(15)、示波器接口(16)和与浪涌保护电路(12)的输出端相接的信号跟随电路(14)，所述指示灯(15)的输入端和示波器接口(16)的输入端均与信号跟随电路(14)的输出端相接；所述信号监听单元包括信号放大电路(17)和与信号放大电路(17)的输出端相接的音箱(18)，所述信号放大电路(17)的输入端与信号跟随电路(14)的输出端相接；
所述电流激励电路(13)包括恒流源芯片LM334，所述恒流源芯片LM334的第1管脚与+24V电源输出端相接，所述恒流源芯片LM334的第3管脚分两路，一路通过电阻R2与恒流源芯片LM334的第2管脚相接，另一路经二极管D1和电阻R5与恒流源芯片LM334的第2管脚相接；
所述浪涌保护电路(12)包括放电管G1和放电管G2，所述放电管G1的阳极通过压敏电阻R33与所述信号输入接口(11)和电阻R24的一端的连接端相接，电阻R24的另一端为浪涌保护电路(12)的输出端且分两路，一路与二极管D1和电阻R5的连接端相接，另一路与二极管D6的阳极和二极管D10的阴极的连接端相接；二极管D6的阴极与二极管D12的阴极和稳压二极管D11的阴极的连接端相接，二极管D10的阳极与二极管D13的阳极和稳压二极管D11的阳极的连接端相接，二极管D12的阳极与二极管D13的阴极均接模拟地，放电管G1的阴极分两路，一路经放电管G2接大地，另一路经电阻R34接模拟地；电阻R34与模拟地的连接端经双向稳压二极管D14接大地。
2.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述模拟电子开关电路(3)包括多路模拟开关MAX319ESA，所述多路模拟开关MAX319ESA的第2管脚与浪涌保护电路(12)的输出端相接，所述多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚为模拟电子开关电路(3)的输出端。
3.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述交直流信号分离电路(4)包括运放LF356和运放U4，所述运放LF356的同相输入端经电容C8与模拟电子开关电路(3)的输出端相接，运放LF356的第7管脚分两路，一路经电感L1与+12V电源输出端相接，另一路接滑动电阻R4的滑动端；滑动电阻R4的一个固定端与运放LF356的第1管脚相接，滑动电阻R4的另一个固定端与运放LF356的第5管脚相接，运放LF356的输出端经电阻R16与运放LF356的反相输入端相接，运放LF356的第4管脚经电感L4与-12V电源输出端相接，运放LF356的输出端为交直流信号分离电路(4)的第一信号输出端；所述运放U4的同相输入端经电阻R21与多路模拟开关MAX319ESA的第1管脚相接，运放U4的输出端与运放U4的反相输入端相接，运放U4的输出端为交直流信号分离电路(4)的第二信号输出端。
4.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述交流信号调理电路(5)包括型号为LF253M的芯片U1，所述芯片U1的第3管脚经电阻R8和电阻R10与交直流信号分离电路(4)的第一信号输出端相接，芯片U1的第1管脚分三路，一路经电阻R42和电阻R41接模拟地，另一路经电容C1与电阻R8和电阻R10的连接端相接，第三路经电阻R39和电阻R40与芯片U1的第5管脚相接；芯片U1的第2管脚与电阻R42和电阻R41的连接端相接，芯片U1的第7管脚分两路，一路经电阻R44和电阻R43接模拟地，另一路经电容C26与电阻R39和电阻R40的连接端相接，芯片U1的第6管脚与电阻R44和电阻R43的连接端相接；
所述增益调节旋钮(6)包括六路旋钮开关S1，所述六路旋钮开关S1的六个静触点分别与电阻R6的一端、电阻R7的一端、电阻R9的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R15的一端相接；
所述增益调理电路(7)包括型号为LF253M的芯片U2，所述芯片U2的第7管脚与电阻R3的一端相接，电阻R3的另一端和芯片U2的第6管脚的连接端均与所述电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R9的另一端、电阻R12的另一端、电阻R13的另一端和电阻R15的另一端的连接端相接，芯片U2的第5管脚经电阻R14接模拟地，所述芯片U2的第7管脚为增益调理电路(7)的输出端。
5.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述直流信号调理电路(8)包括运放U5，所述运放U5的同相输入端经电阻R19和电阻R18与交直流信号分离电路(4)的第二信号输出端相接，运放U5的输出端分两路，一路经电容C16与电阻R19和电阻R18的连接端相接，另一路与运放U5的反相输入端相接，所述运放U5的输出端为直流信号调理电路(8)的输出端。
6.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述加法电路(9)包括运放U6，所述运放U6的同相输入端分两路，一路经电阻R17与增益调理电路(7)的输出端相接，另一路经电阻R22与直流信号调理电路(8)的输出端相接；运放U6的反相输入端经电阻R25接模拟地，运放U6的输出端经电阻R26与运放U6的反相输入端相接。
7.按照权利要求1所述的一种核电站松动部件监测报警系统，其特征在于：所述信号跟随电路(14)包括运放U7，所述运放U7的同相输入端经电阻R30与浪涌保护电路(12)的输出端相接，运放U7的输出端与运放U7的反相输入端相接；
所述信号放大电路(17)包括型号为LF253M的芯片U3，所述芯片U3的同相输入端经电阻R1和电容C31与运放U7的输出端相接，芯片U3的输出端经电阻R35与芯片U3的反相输入端相接。
8.一种利用如权利要求1所述的监测报警系统进行核电站松动部件监测报警的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及传输：加速度传感器(19)对核电站松动部件掉落产生的振动信号进行实时检测并将检测到的信号输出给前置放大器(20)，前置放大器(20)对加速度传感器(19)输出的信号进行放大后输出给信号调理器(21)，信号调理器(21)对前置放大器(20)输出的信号进行调理后输出给数据采集卡(22)，数据采集卡(22)按周期T采集信号调理器(21)输出的信号并传输给数据分析诊断计算机(23)；
步骤二、数据分析诊断计算机(23)对数据采集卡(22)采集到的数据进行分析诊断，得出诊断结果并进行相应的报警；具体过程为：
步骤201、进行一次判断，具体过程为：
步骤2011、数据分析诊断计算机(23)持续接收数据采集卡(22)采集到的信号，并将其接收到的每个信号的幅值与预先设定的触发阈值相比对，当比对到信号的幅值超过了预先设定的触发阈值时，数据分析诊断计算机(23)通过数据采集卡(22)采集幅值超过触发阈值的信号附近时间段t内的信号，并根据公式求取时间段t内信号的均方根值RMS；其中，n为时间段t内采集到的信号的总个数，且n的取值为自然数；S(i)为时间段t内采集到的第i个信号，且i的取值为1～n；幅值超过触发阈值的信号附近时间段t的取值方法为：在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻前取时间段t1，并在幅值超过触发阈值的信号的采样时刻后取时间段t2，其中，t＝t1+t2，t1＝300T～1000T，t2＝5000T～10000T；
步骤2012、数据分析诊断计算机(23)将时间段t内信号的均方根值RMS与预先设定的能量阈值相比对，当时间段t内信号的均方根值RMS大于等于能量阈值时，执行步骤203，否则，当时间段t内信号的均方根值RMS小于能量阈值时，执行步骤202；
步骤202、进行二次判断，具体过程为：
步骤2021、求取时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x，并根据公式对时间段t内采集到的信号的幅值概率密度函数x与预先获得的标准信号的幅值概率密度函数y进行相关性分析，得到相关系数ρ；其中，Cov(x,y)为x与y的协方差，σx为x的标准差，σy为y的标准差；预先获得标准信号的幅值概率密度函数y的方法为：进行冲击测试试验获取一组核电站松动部件掉落产生的振动信号，记为标准信号，然后求取标准信号的幅值概率密度函数y；
步骤2022、将相关系数ρ与预先设定的相关系数阈值ρs进行比对，当ρ≥ρs时，执行步骤203，否则，当ρ<ρs时，返回步骤一；
步骤203、报警：数据分析诊断计算机(23)显示报警信号，同时，指示灯(15)显示报警，音箱(18)发出同步撞击金属声，证实报警的确实性。
9.一种按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤一中信号调理器(21)对前置放大器(20)输出的信号进行调理后输出给数据采集卡(22)的具体过程为：将模拟电子开关电路(3)选通至信号检测保护单元，电流激励电路(13)给浪涌保护电路(12)一个激励信号，浪涌保护电路(12)保护模拟电子开关电路(3)不被高压大电流击穿，前置放大器(20)输出的信号通过模拟电子开关电路(3)接入交直流信号分离电路(4)，交直流信号分离电路(4)对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路(5)，交流信号调理电路(5)对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路(7)进行增益调节，然后输出给加法电路(9)，同时，直流信号调理电路(8)对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路(9)，加法电路(9)对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的调理信号后输出给数据采集卡(22)；
步骤一之前还需对信号调理器(21)进行校验，具体过程为：通过控制器接口(1)连接外部微控制器或计算机，将模拟电子开关电路(3)选通至信号自检参考单元，使用光耦隔离电路(2)保护模拟电子开关电路(3)不被高压大电流击穿，控制器接口(1)将外部微控制器或计算机发出的标准数据信号通过模拟电子开关电路(3)接入交直流信号分离电路(4)，交直流信号分离电路(4)对信号进行交直流分离后输出给交流信号调理电路(5)，交流信号调理电路(5)对信号中的交流信号部分进行滤波和放大后输出给增益调理电路(7)进行增益调节，然后输出给加法电路(9)，同时，直流信号调理电路(8)对信号中的直流信号部分进行滤波和放大后输出给加法电路(9)，加法电路(9)对其接收到的交流信号和直流信号进行叠加，得到带有偏置电压的标准数据信号调理信号后输出给数据采集卡(22)，数据采集卡(22)再将标准数据信号调理信号传输给数据分析诊断计算机(23)进行显示，工作人员通过比对标准数据信号与标准数据信号调理信号，实现对信号调理器(21)的校验。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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