CN109781356B - 一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法，用于检测蒸汽发生器是否发生了泄漏。该信号处理方法处理过程为：二次仪表采集一次仪表输出的信号，进行计算。以选定的时间长度T_s作为一个计算周期；从一个计算周期的信号中找出最大值和最小值，并计算出信号的峰峰值，则得到一个计算周期的一个峰峰值。对上一次所使用的一个计算周期的信号滑动更新；再计算出一个峰峰值。若计算出的峰峰值的个数小于N，则继续计算新的峰峰值；若计算的峰峰值的个数达到N个时，计算N个峰峰值的标准差，并作为最终结果输出；与设定的阈值进行比较，判断蒸汽发生器是否发生了泄漏事故。

Description

一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法

技术领域

本发明涉及快堆中蒸汽发生器泄漏检测技术领域，特别是涉及一种使用电磁式涡街流量计检测流动的液态金属钠中是否含有蒸汽发生器泄漏而产生的氢气的方法。

背景技术

核电能源具有高效和清洁等优点，因此，被越来越多的国家重视和利用。快堆(快中子反应堆)是第四代核电技术产品，铀资源利用率高，核废料产出量小。液态金属钠是快堆中常用的冷却剂，具有中子吸收截面小、导热性好、常压下工作温度高、比热大、腐蚀性小和无毒等特点。液态金属钠流经快堆的堆芯，将核反应释放的热量带到堆芯外，加热水产生高温高压水蒸气，推动汽轮发电机组发电。液态金属钠与水在蒸汽发生器中进行热交换，所以，蒸汽发生器是快堆的重要设备之一。蒸汽发生器作为换热设备，主要由多个并排的金属传热管组成，传热管的厚度仅为几毫米。传热管内是温度很高的液态金属钠，压强为零点几兆帕斯卡。传热管外为高压水/水蒸汽，压强为十几兆帕斯卡。传热管由于长期工作在高温、高压的恶劣条件下，可能会产生裂纹或者损坏，这样传热管外的高压水/水蒸气就喷射向传热管内的高温液态金属钠，产生剧烈的钠水反应。钠水反应的生成物具有很强的腐蚀性，这将加速传热管的泄漏；钠水反应将导致温度和压力急剧上升，这又加剧了钠水反应。这样恶性循环，将造成严重的安全事故。所以，必须及时地检测蒸汽发生器内传热管的泄漏。

人们针对传热管泄漏所产生的各种现象，提出了若干种检测传热管是否泄漏的方法。其中，钠水反应在生成具有腐蚀性产物的同时，还产生大量的氢气。这些氢气会随着液态金属钠在钠流量管线中以气泡的形式流动。为此，人们提出采用电磁式涡街流量计检测流动的高温液态金属钠中有无气泡，来探测传热管是否发生了泄漏。

中国发明专利公布了一种探测液态金属钠中气体含量的装置及方法(张媛媛，杨建伟，崔国生等，一种探测液态金属钠中气体含量的装置及方法，申请号：201610048541.0，申请日：2016.01.25)。但是，该专利没有给出信号处理和二次仪表方面的关键技术细节。

中国发明专利公布了一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器(王刚,徐科军，邹明伟等，一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，申请号：201710708821.4，申请日：2017.08.17)。该专利利用频谱变换的方法求出信号的频率，并根据频率计算出一个信号周期的数据长度，取最新的相邻两个长度等于一个信号周期长度的数据，计算相关系数，对多个计算出的相关系数进行滤波和平均，与阈值进行比较，判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

中国发明专利公布了一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器(徐科军，王刚，许伟等，一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，申请号：201710708810.6，申请日：2017.08.17)。该专利利用频谱变换的方法分别提取出噪声信号和有效信号，并计算出信噪比，对多个信噪比的结果进行滤波和平均，与阈值进行比较，判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

发明内容

本发明仍然采用“一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器”和“一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器”专利中的电磁式涡街流量计一次仪表(主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成)，以及电磁式涡街流量计二次仪表(主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成)的硬件部分。但是，提出一种新的钠中气泡探测信号处理方法，有助于扩大钠中气泡噪声探测器可检测的钠流量范围。

本发明的关键技术在于：通过大量实验发现，当液态金属钠中没有气泡时，电磁式涡街流量计一次仪表输出信号的所有极大值(一次仪表输出信号波形类似于正弦波，所谓极大值就是一个信号周期中的最大值)的幅值比较接近，所有极小值(一次仪表输出信号波形类似于正弦波，所谓极小值就是一个信号周期中的最小值)的幅值也比较接近。

当液态金属钠中混入气泡后，一次仪表输出信号的极大值幅值的差异会随着混入气泡的增加而增大，极小值幅值的差异也会随着混入气泡的增加而增大。进一步研究发现，一次仪表输出信号极大值幅值的期望和标准差都随着液态金属钠中含气量的增加而增大，其中，标准差比期望受含气量的影响更为显著。由于期望作为幅值的平均值受液态金属钠流速的影响较大，而标准差主要反映幅值的波动性，所以，选择幅值的标准差作为判断液态金属钠中是否含气的依据。极大值和极小值的幅值受液态金属钠中气泡影响明显，则一个信号周期中极大值和极小值的差也会明显受液态金属钠中气泡的影响，且这个差值受影响的程度更大。因此，提出了基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法，即对于一次仪表输出的信号，计算出每个信号周期的峰峰值，再计算峰峰值的标准差。

具体的实现方法是：选择一个合适的时间长度作为一个计算周期，把要处理的信号以计算周期为基本单位等分成多个区间，即每一个区间信号的时间长度都等于一个计算周期；找到每个区间中信号的最大值(即多个周期信号所有极大值的最大值)和最小值(即多个周期信号所有极小值的最小值)，计算出每个区间信号的峰峰值(即多个周期信号的最大值和最小值的差)；再计算数个峰峰值的标准差，得到一个计算结果。为了保证在每个等分区间中极大值和极小值的个数都至少为两个及以上，在选择计算周期时，需要满足：一个计算周期的长度要大于被处理的一次仪表输出信号周期的两倍。当一次仪表的管道口径确定后，一次仪表输出信号周期的范围和液态金属钠的流量范围相对应，因此，通过调整一个计算周期的长度，可以调整液态金属钠的流量检测范围。

附图说明

图1时基于峰峰值标准差的钠中气泡探测方法的处理流程图。

图2是钠流量实验装置局部示意图。

图3是同一钠流量、不同注气量情况下一次仪表输出信号的时域图。

图4是同一钠流量、不同注气量情况下一次仪表输出信号的极大值和极小值分布图。

图5是对同一钠流量、不同注气量情况下一次仪表输出信号所有极大值进行正态拟合得到的曲线。

图6是二次仪表的软件组成框图。

图7是二次仪表的主监控程序流程图。

图8是基于峰峰值标准差的钠中气泡检测算法的流程图。

图9是基于峰峰值标准差的信号处理方法在不同钠流量、不注气时的验证结果。

图10是基于峰峰值标准差的信号处理方法在不同钠流量下最小注气时的验证结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：当流动的液态金属钠中不含气泡时，电磁式涡街流量计一次仪表的输出信号是频率与液态金属钠流速成正比的近似正弦波信号(称为流量信号)。此时，一次仪表输出信号的极大值的幅值比较接近，极小值的幅值也比较接近，即它们的幅值分布范围较小。而当流动的液态金属钠中含有气泡时，一次仪表的输出信号中除了流量信号以外，还包括由气泡造成的低频干扰信号。低频干扰信号的幅值是随机波动的，且波动范围和含气量成正相关的关系。此时，一次仪表输出信号的极大值的幅值相差变大，即幅值分布范围变大，且分布范围会随着含气量的增加而增大；一次仪表输出信号的极小值的幅值也符合这样的规律。因此，利用一次仪表输出信号幅值的标准差作为依据判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

图1是基于峰峰值标准差的钠中气泡探测方法的处理流程图。在基于DSP的二次仪表上实现时，具体处理流程如下：

(1)二次仪表采集一次仪表输出的信号，进行计算。以选定的时间长度T_s作为一个计算周期。

(2)从一个计算周期的信号中找出最大值和最小值，并计算出信号的峰峰值，则得到一个计算周期的一个峰峰值。

(3)对上一次所使用的一个计算周期的信号滑动更新。具体做法是：舍掉所使用信号中前一半的数据，并在末尾补充长度等于T_s/2的新数据，重新组成一个长度为T_s的信号，再计算出一个峰峰值。若计算出的峰峰值的个数小于N，则继续执行(3)。

(4)若计算的峰峰值的个数达到N个时，分别把它们记为Vpp1,Vpp2,Vpp3,…,VppN；计算N个峰峰值的标准差，并作为最终结果输出。N个峰峰值的期望EX和标准差Std计算公式分别如式(1)和式(2)所示。

(5)判断计算结果是否大于设定的阈值，若计算出的结果大于设定的阈值，则说明蒸汽发生器发生了泄漏，发出报警信号；若计算出的标准差不大于设定的阈值，对上一次所使用的一个计算周期的信号滑动更新。

(6)把最新计算出来的N个峰峰值结果分别记为Vpp1,Vpp2,Vpp3,…,VppN，再计算N个峰峰值的标准差，返回到(5)。

在基于峰峰值标准差的钠中气泡探测方法的处理过程中，当一次仪表的测量管的口径不变时，一个计算周期的选择是根据需要检测的液态金属钠的流量范围而定的。一个计算周期需要大于一次仪表输出信号最大周期的两倍，而一次仪表输出信号的周期范围与液态金属钠的流量范围相对应。液态金属钠的实时流量越小，一次仪表输出信号的周期就越大，因此，对于需要检测的液态金属钠的流量范围，可根据其流量下限计算出一次仪表输出信号周期的最大值，并依此选取一个计算周期。所以，一个计算周期的选择也决定了可检测液态金属钠的流量范围。计算标准差所需要使用的峰峰值的个数N决定了算法的响应时间，越小，算法响应速度越快。但是，N不宜过小，控制在10个及以上。

图2是钠流量实验装置局部示意图，主要由钠流管线、电磁式涡街流量计、永磁式钠流量计、电动执行阀、注气装置和上位机系统组成。其中，钠流管线中流动的是温度高达246℃的液态金属钠，从钠流入口进入管线。电磁式涡街流量计一次仪表部分安装在钠流管线中，把流动的液态金属钠的状态信息转换成电信号。永磁式钠流量计安装在钠流量管线中，用于读取钠流量管线中的实时钠流量大小。电动执行阀安装在钠流管线中，用于调整钠流量管线中的钠流量。注气装置包括高压氩气瓶、工业气体调压器、气体质量流量控制器、数字流量积算仪、单向阀和注气管。高压氩气罐内装有压缩的液态氩气。因为钠的化学性质非常活泼，所以，注入惰性气体氩气来模拟钠水反应生成的氢气。工业气体调压器采用高级双压的减压方式，最大进气压力为15MPa，最大出气压力为1.6MPa。工业气体调压器控制注气压强，在注气时控制注气压强为0.5MPa。气体质量流量控制器用于对气体的质量流量进行精密测量和控制。它的满量程测量误差小于±1％FS，非线性度误差小于±0.5％，重复性误差小于±0.2％，响应时间小于等于2s。数字流量积算仪显示瞬时流量和累积流量。气体质量流量控制器和数字流量积算仪用于调整和读取注气流量的大小，模拟蒸汽发生器实际泄漏大小。单向阀一端连接钠流管线，另一端连接注气管，防止液态金属钠流入注气管。注气管用于连接质量流量控制器上的出气口和单向阀，注气口A离旋涡发生体的距离约为3m。数据采集系统包括电磁式涡街流量计二次仪表、RS485适配器和笔记本电脑。电磁式涡街流量计一次仪表通过电极引出线接至电磁式涡街流量计二次仪表，输出信号被电磁式涡街流量计二次仪表放大、滤波并转换成数字信号，然后再通过RS485适配器上传到笔记本电脑进行数据保存。数据采集系统的采样率为1kHz。电磁式涡街流量计二次仪表主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成。其中，信号调理模块采用多级放大和多级滤波的电路结构，可以抑制高频噪声的影响，有效地提取出与流量相关的微弱的感应电势信号，满足后续处理电路的要求；数字信号处理与控制模块主要由DSP(数字信号处理器)芯片、外扩SARAM(单向访问随机存取存储器)、铁电、电源掉电检测、人机接口、RS485电路、开关量输出电路等主要电路模块组成。

图3是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的时域图。该组曲线是在液态金属钠流量为5.5m³/h时采集得到的，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，Q_L表示注气量的大小。可见，当液态金属钠中不含气泡时，一次仪表输出的信号就是近似正弦波的流量信号，而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号除了流量信号之外，还包含由气泡引入的低频干扰信号，低频干扰信号是随机波动的，且波动范围和含气量成正相关的关系。

图4是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的极大值和极小值的分布图。图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，Q_L表示注气量的大小。可见，当液态金属钠中不含气泡时，信号所有极大值的幅值比较接近，即分布范围比较窄，极小值也是如此。而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号的所有极大值的幅值相差变大，即分布范围变大，且分布范围会随着含气量的增加而增大，一次仪表输出信号的极小值的幅值也是如此。

图5是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号所有极大值进行正态拟合得到的曲线。图中，横坐标表示极大值信号的幅值，纵坐标表示极大值对应的频数。具体做法是：对要分析的电磁式涡街流量计一次仪表输出信号，找出该信号所有的极大值，组成一个新数组，计算该新数组的最小值和最大值，把由最小值和最大值构成数值区间进行100等分，计算落在每个区间内极大值的个数(即频数)，并以极大值的幅值为横坐标、频数为纵坐标画出频数直方图，然后，再对直方图进行正态曲线拟合。正态拟合曲线的形式为

式中，x表示极大值的幅值，f(x)表示极大值对应的频数，a代表系数，b代表期望，c代表标准差。可见，一次仪表输出信号极大值点的期望和标准差都随着注气量的增加而增大，其中，标准差比期望受注气的影响更显著。极小值也符合这样的规律。

图6是二次仪表的软件组成框图。软件设计采用模块化的设计方案，将完成特定功能的程序封装成一个个功能模块，便于系统的设计和维护。根据模块化的设计思想，二次仪表的主要软件模块有：主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块。主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表正常有序地工作。初始化模块包括DSP系统初始化、片上外设初始化和算法初始化。初始化模块对DSP芯片、GPIO(通用IO口)、片上外设和算法需要使用的参数变量进行初始化。看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”。算法模块对采集的数据进行处理，计算出标准差。人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等。中断模块包括A/D(模数转换)采样中断模块、定时器中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号并进行保存；定时器中断模块使用定时器进行定时，在定时器中断模块中主要完成开关量输出；RS485通讯模块实现二次仪表与笔记本电脑(上位机)之间的通讯。

图7是二次仪表的主监控程序流程图。(1)系统上电后，TMS320F28335DSP完成各种初始化工作，包括DSP系统初始化、看门狗配置、GPIO初始化、中断向量表初始化、片上外设初始化、仪表参数及算法模块初始化，然后，开启定时器以及A/D采样模块。(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口(McBSP)传输到TMS320F28335DSP，并实时存储到外扩SARAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理。(3)将DSP定时器的定时时间设置为20ms。在定时器中断模块中，为了保证信号采集中断的正确执行，先开中断嵌套；然后，查询数据长度是否等于指定的数据长度。若完成，则进行算法处理，得到标准差；同时，完成开关量输出；最后，进入按键扫描程序，查询按键是否被按下。(4)将测量得到的结果通过液晶显示出来，并判断是否有按键标志位置位。若有，则执行相应的按键操作子程序。重复(2)～(4)的过程，监测蒸汽发生器是否发生泄漏。

图8是基于峰峰值标准差的钠中气泡检测算法的流程图。在进行液态金属钠的验证实验时，使用的电磁式涡街流量计一次仪表的口径是DN40，液态金属钠的流量范围为1.7m³/h～6m³/h，与其对应的频率范围为10.1Hz～35Hz，因此，一个计算周期选择为200ms，计算峰峰值的个数选择为10。

(1)判断A/D采集数据长度是否达到200ms。当长度等于200ms，就计算200ms数据的最大值和最小值之差，即峰峰值。

(2)判断计算出的峰峰值结果个数是否达到10个；若没有达到10个，则查看A/D是否采集了新的100ms的数据；若是，则对上一次计算所用的200ms数据进行滑动更新，即取上一次200ms数据中的后100ms数据和新的100ms数据重新组成200ms数据，计算峰峰值，否则，等待A/D采集新的数据；若峰峰值个数达到了10个，则计算10个峰峰值的标准差。

(3)判断标准差是否大于设定的阈值，若是，说明蒸汽发生器发生了泄漏，立即发出报警信号；否则，查看A/D是否采集了新的100ms的数据。

(4)若数据采集完成，对上一次计算所用的200ms数据进行滑动更新，并选取最新计算得到的10个峰峰值结果计算标准差，执行(3)。否则，等待A/D采集新的数据。

图9是基于峰峰值标准差的信号处理方法在不同钠流量下、不注气时的验证结果。图中，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁式涡街流量计二次仪表计算并上传到上位机系统的标准差结果。可见，当流过电磁式涡街流量计一次仪表的液态金属钠中不含气时，基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法计算出的标准差的结果比较小。所谓的阈值是根据液态金属钠不含气时得到的标准差而推算出来的，即通过实验的方法得到液态金属钠不含气时的标准差的范围，然后，根据液态金属钠不含气时标准差范围内的最大值，保留一定的裕量，选取一个大于标准差最大值的值作为阈值。则根据上述阈值的选取办法，可以把本次实验结果的阈值选择为0.2，并设置进电磁式涡街流量计二次仪表，那么，就可以根据二次仪表计算出的标准差和阈值的关系得到蒸汽发生器是否发生泄漏的信息。

图10是基于峰峰值标准差的信号处理方法在不同钠流量下、最小注气时的验证结果，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示电磁式涡街流量计二次仪表计算并上传到上位机系统的标准差的结果。注气实验选择的最小注气量为0.8L/min，近似等于蒸汽发生器中水/水蒸汽泄漏量为0.1g/s时产生氢气的速率。可见，在蒸汽发生器最小泄漏量的情况下，不同钠流量下二次仪表计算得到的标准差结果会远大于设定的阈值，可以准确地判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

Claims (3)

1.一种基于峰峰值标准差的钠中气泡检测信号处理方法，在基于电磁式涡街流量计上实现，用于检测流动的液态金属钠中是否含有蒸汽发生器泄漏而产生的氢气，其特征在于：选择一个合适的时间长度作为一个计算周期，把要处理的信号以计算周期为基本单位等分成多个区间，即每一个区间信号的时间长度都等于一个计算周期；找到每个区间中信号的最大值，即多个周期信号所有极大值的最大值，找到每个区间中信号的最小值，即多个周期信号所有极小值的最小值，计算出每个区间信号的峰峰值，即多个周期信号的最大值和最小值的差；再计算数个峰峰值的标准差，得到一个计算结果，以判断液态金属钠中是否含气；

在基于DSP的二次仪表上实现时，具体处理流程如下：

(1)二次仪表采集一次仪表输出的信号，进行计算；以选定的时间长度T_s作为一个计算周期；

(2)从一个计算周期的信号中找出最大值和最小值，并计算出信号的峰峰值，则得到一个计算周期的一个峰峰值；

(3)对上一次所使用的一个计算周期的信号滑动更新；具体做法是：舍掉所使用信号中前一半的数据，并在末尾补充长度等于T_s/2的新数据，重新组成一个长度为T_s的信号，再计算出一个峰峰值；若计算出的峰峰值的个数小于N，则继续执行(3)；

(4)若计算的峰峰值的个数达到N个时，分别把它们记为Vpp1,Vpp2,Vpp3,…,VppN；计算N个峰峰值的标准差，并作为最终结果输出；N个峰峰值的期望EX和标准差Std计算公式分别如式(1)和式(2)所示；

(5)判断计算结果是否大于设定的阈值，若计算出的结果大于设定的阈值，则说明蒸汽发生器发生了泄漏，发出报警信号；若计算出的标准差不大于设定的阈值，对上一次所使用的一个计算周期的信号滑动更新；

(6)把最新计算出来的N个峰峰值结果分别记为Vpp1,Vpp2,Vpp3,…,VppN，再计算N个峰峰值的标准差，返回到(5)。

2.如权利要求1所述的一种基于峰峰值标准差的钠中气泡检测信号处理方法，其特征在于：当一次仪表测量管的口径不变时，一个计算周期的选择是根据需要检测的液态金属钠的流量范围而定的；一个计算周期需要大于一次仪表输出信号最大周期的两倍，而一次仪表输出信号的周期范围与液态金属钠的流量范围相对应；液态金属钠的实时流量越小，一次仪表输出信号的周期就越大，因此，对于需要检测的液态金属钠的流量范围，可根据其流量下限计算出一次仪表输出信号周期的最大值，并依此选取一个计算周期。

3.如权利要求1所述的一种基于峰峰值标准差的钠中气泡检测信号处理方法，其特征在于：计算标准差所需要使用的峰峰值的个数N决定了算法的响应时间，N越小，算法响应速度越快；但是，N不宜过小，控制在10个及以上。

Images