申请/专利权人：合肥工业大学

申请日：2019-04-22

公开（公告）日：2020-07-03

公开（公告）号：CN109974944B

主分类号：G01M3/10(20060101)

分类号：G01M3/10(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.03#授权;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明为一种基于能量比值计算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。提出一次仪表输出信号基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号。一次仪表输出信号主要是由流量信号和气泡噪声信号组成。该信号处理方法处理过程为：计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线，由上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线，把基线从一次仪表输出的信号中剔除，得到流量信号；再分别计算流量信号的能量值和一次仪表输出信号的能量值，把流量信号的能量值作为分子，一次仪表输出信号的能量值作为分母，得到一次仪表输出信号的能量比值。用能量比值与设定的阈值进行比较，判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

主权项：1.一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法，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：针对一次仪表输出信号的特点，提出基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的钠流量的大小，气泡噪声信号的幅值在钠流量保持不变时与含气量成正相关的关系；因此，提出计算一次仪表输出信号中流量信号的能量作为分子，计算一次仪表输出信号的能量作为分母，计算分子与分母的比值得到一次仪表输出信号的能量比值；所谓信号的能量等于信号幅值的平方和；可见，在钠流量保持不变时，一次仪表输出信号中流量信号的能量大小是保持不变的，而一次仪表输出信号的能量大小却随着钠流量中含气量的增加而增大，因此，可以通过一次仪表输出信号的能量比值反映钠流量中是否含有气泡，实现判断蒸汽发生器是否发生泄漏的目的；通过引入比值的信号处理方法可以抵消磁场强度变化对信号幅值的影响，从而克服磁钢因受温度、辐照等影响而出现磁场强度发生变化的情况；由一次仪表输出信号的上包络线和下包络线的平均值求得到一次仪表输出信号的基线；当液态金属钠中不含气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较平缓，波动范围比较小，而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较剧烈，导致波动范围变大；基线的幅值和波动范围均与液态金属钠中含气量成正相关的关系，因此，使用基线表征气泡噪声信号。

全文数据：一种基于能量比值计算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，不但铀资源利用率高，而且核废料产出量小。液态金属钠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，是快堆中常用的冷却剂，将核反应释放的热量从堆芯带到堆芯外，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。蒸汽发生器作为热交换的设备，主要由多个并排的、厚度仅为几毫米金属传热管组成。传热管外部是温度很高的液态金属钠，压强为数个标准大气压，内部是高压水水蒸汽，压强为数百个标准大气压。传热管长期工作在高温、高压的恶劣条件下，可能会产生裂纹或者损坏，引发蒸汽发生器泄漏事故。蒸汽发生器发生泄漏时，传热管内的高压水水蒸气就喷射向传热管外的高温液态金属钠，引起剧烈的钠水反应。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，这又会加剧钠水反应的进行。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是否出现泄漏。人们针对蒸汽发生器泄漏所产生的各种现象，提出了若干种检测蒸汽发生器是否发生泄漏的方法。其中，电磁学检测蒸汽发生器泄漏技术是一种比较先进的技术，即采用电磁式涡街流量计探测流动的液态金属钠中是否含有钠水反应所产生的氢气泡，以此判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。与传统的微氢检测泄漏技术和声学检测泄漏技术相比，电磁学检测泄漏具有不受环境噪声影响、响应速度快和灵敏度高等特点。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。中国发明专利公布了一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法徐科军，许伟，吴建平等，一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法，申请号：201910156268.7，申请日：2019.03.01。该专利通过对一次仪表输出信号的极值点进行建模，得出一次仪表输出信号极大值点和极小值点的标准差均随着导电液体中含气量的增大而增大，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，根据一个计算周期内一次仪表输出信号峰峰值标准差的大小来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的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的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。本发明采用的实验装置与“一种基于峰峰值标准差的钠中气泡探测信号处理方法”专利中的实验装置相同。但是，提出一种新的钠中气泡探测信号处理方法，能够克服磁钢因受温度、辐照等影响而出现磁场强度发生变化的情况。本发明的关键技术在于：针对一次仪表输出信号的特点，提出了基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的钠流量的大小，气泡噪声信号的幅值在钠流量保持不变时与含气量成正相关的关系。因此，提出计算一次仪表输出信号中流量信号的能量作为分子，计算一次仪表输出信号的能量作为分母，计算分子与分母的比值得到一次仪表输出信号的能量比值。所谓信号的能量就是等于信号幅值的平方和。可见，在钠流量保持不变时，一次仪表输出信号中流量信号的能量大小是保持不变的，而一次仪表输出信号的能量大小却随着钠流量中含气量的增加而增大，因此，可以通过一次仪表输出信号的能量比值来反映钠流量中是否含有气泡，实现判断蒸汽发生器是否发生泄漏的目的。通过引入比值的信号处理方法可以抵消磁场强度变化对信号幅值的影响，从而克服磁钢因受温度、辐照等影响而出现磁场强度发生变化的情况。具体的实现方法是：计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线，由上包络线和下包络线的平均值得到一次仪表输出信号的基线，把基线从一次仪表输出的信号中剔除，剩下的信号就是流量信号。以2s的时间长度为一个计算周期，计算一次仪表输出信号的能量值，再计算该段时间内流量信号的能量值，利用流量信号的能量值除以一次仪表输出信号的能量值，得到一次仪表输出信号能量比值。对一个计算周期的数据滑动更新，每次更新0.5s的数据，即丢掉一个计算周期中前0.5s数据，并在末尾增加0.5s的新数据，再次计算一次仪表输出信号的能量比值。对计算出的能量比值信号进行滑动平均滤波，每次选取20个能量比值的结果，对选取的结果按照数值大小进行排序，选取中间的8个结果进行平均，作为最终的结果输出。对选取的20个能量比值结果进行滑动更新，每次滑动更新1点，再次计算滑动平均滤波结果输出。附图说明图1是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的对比图。图2是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的基线对比图。图3是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号中基线被剔除后得到的信号对比图。图4是计算一次仪表输出信号的能量比值的流程图。图5是二次仪表的主监控程序流程图。图6是基于能量比值的信号处理方法在DSP上执行的流程图。图7是基于能量比值计算的信号处理方法在钠流量实验中的验证结果。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输出信号的上包络线和下包络线均变化比较平缓。当流动的液态金属钠中有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化比较剧烈。如果把上包络线和下包络线的平均值定义为一次仪表输出信号的基线，那么，可以发现一次仪表输出信号中与流量相关的信号在围绕着基线上下波动。所以，可以认为一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的钠流量的大小，气泡噪声信号的幅值在钠流量保持不变时与含气量成正相关的关系。因此，提出计算一次仪表输出信号中流量信号的能量作为分子，计算一次仪表输出信号的能量作为分母，计算分子与分母的比值得到一次仪表输出信号的能量比值。可见，在钠流量保持不变时，一次仪表输出信号中流量信号的能量大小是保持不变的，而一次仪表输出信号的能量大小却随着钠流量中含气量的增加而增大，因此，可以通过一次仪表输出信号的能量比值反映钠流量中是否含有气泡，实现判断蒸汽发生器是否发生泄漏的目的。通过引入比值的信号处理方法可以抵消磁场强度变化对信号幅值的影响，从而克服磁钢因受温度、辐照等影响而出现磁场强度发生变化的情况。图1是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的对比图。该组曲线是在液态金属钠流量为5.5m3h时采集得到的，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，QL表示注气量的大小。可见，当液态金属钠中不含气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化比较平缓，而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号的上包络线和下包络线均变化比较剧烈。图2是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号的基线对比图。图中，横坐标表示时间，纵坐标表示幅值，QL表示注气量的大小。可见，当液态金属钠中不含气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较平缓，波动范围比较小，而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较剧烈，导致波动范围变大。基线的幅值和波动范围均与液态金属钠中含气量成正相关的关系，因此，使用基线表征气泡噪声信号。图3是同一钠流量、不同注气量下一次仪表输出信号中基线被剔除后得到的信号对比图。把基线从一次仪表输出信号中剔除的做法是使用一次仪表输出信号与基线进行相减。通过对比可以发现：当把不含气时一次仪表输出信号中的基线剔除后，得到的信号与一次仪表输出的信号相比几乎没发生变化，这是因为，此时一次仪表输出信号的气泡噪声信号非常小，可忽略不计，则一次仪表输出的信号就是流量信号。当把含气时一次仪表输出信号的基线剔除以后，得到的信号与流量信号非常接近。根据观察的结果，可以把一次仪表输出的信号看作是流量信号与气泡噪声之和。图4是计算一次仪表输出信号的能量比值的流程图。若电磁式涡街流量计一次仪表输出的信号为St，流量信号表示为qt，气泡噪声信号表示为bt，则St＝qt+bt1则一次仪表输出信号的能量比值ER为计算一次仪表输出信号能量比值的关键是计算气泡噪声信号，而气泡噪声信号又等于一次仪表输出信号上下包络线的平均值，因此，先要计算出一次仪表输出信号的上包络线和下包络线。对一次仪表输出信号的极大值点进行三次样条插值得到上包络线，同理，对一次仪表输出信号的极小值点进行三次样条插值得到下包络线。以计算上包络线为例，说明计算包络线的过程。设一次仪表的输出信号在[a,b]范围内，信号的极值点分别为y1，y2，…，yn，对应的横坐标分别为x1，x2，…，xn，则a＝x1x2…xn＝b。若函数Sx满足Sxi＝yii＝1,2,…,n，在每一个区间[xi,xi+1]i＝1,2,…,n-1内都是不高于三次的多项式，且在[a,b]上具有二阶连续导数时，称Sx为三次样条插值函数。假设Sx在每个子区间[xi,xi+1]上的表达式为：Sxi＝aix3+bix2+cix+dii＝1,2,…,n-13对于每一个子区间上的表达式中都有四个系数ai,bi,ci,di待定，并要使以式4～7成立Sxi＝yi,i＝1,2,…,n4Sxi-0＝Sxi+0,i＝2,3,…,n-15S′xi-0＝S′xi+0,i＝2,3,…,n-16S″xi-0＝S″xi+0,i＝2,3,…,n-17式4～7共给出了n+3n-2＝4n-6个式子，只能求解出4n-6个系数，而实际需要计算的系数个数为4n-1，因此，要唯一地确定三次插值函数，还要附加2个条件，称之为边界条件。本发明专利计算所使用的边界条件为：给定端点处的一阶导数值，S′x1＝y1′,S′xn＝yn′。Sx在[xi，xi]i＝1,2,…,n-1上是三次多项式，且二阶可导，则S″x在[xi，xi+1]上是一次多项式。设S″x在[xi，xi+1]i＝1,2,…,n-1两端点上的值已知，S″xi＝Mi，S″xi+1＝Mi+1，则其中，hi＝xi+1-xi，对S″x进行两次积分，可得到一个具有2个任意常数Ai和Bi的Sx表达式。对S″x求两次积分得hi＝xi+1-xii＝1,2,…,n-1，根据插值条件Sxi＝yi,Sxi+1＝yi+1可得由式8和式9得则将Ai代入9可得，则：因此可得对Sx求一次导数：Sx在区间[xi-1，xi]，[xi，xi+1]i＝2,3,…,n-1上的表达式不同，但要保证在节点处的连续性，需要Sx在xi左右导数相等，所以：S′ixi-0＝S′ixi+0，又因此：整理得：令则μiMi+2Mi+1-μiMi+1＝dii＝2,3,…,n-1。把边界S′x1＝y′1,S′xn＝y′n条件带入S′x得2M1+α1M2＝β1γnMn-+2Mn＝βn14其中，α1＝1，γn＝1，将方程写成矩阵的形式，方程组的系数矩阵是三角阵且对角占优阵，故存在唯一解，把求得的解带入Sx的表达式即可构造[a,b]上的函数，即包络线函数。把通过采用三次样条插值的方法计算出的上包络线记为Ut，下包络线记为Dt，则气泡噪声信号bt的计算公式为：根据式2计算一次仪表输出信号的能量比值。图5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，使能中断。2复位看门狗；查询数据是否等于指定的长度，若等于，则调用算法模块；若否，继续等待数据采集。3判断液晶刷新时间是否到了，若到了，将测量得到的结果通过液晶显示出来；若否，查询是否有按键标志位置位。若按键标志位置位了，则执行相应的按键操作子程序；若无按键动作，执行2。图6是基于能量比值的信号处理方法在DSP上执行的流程图，就是图5中的算法模块。为了保证计算包络线时，计算结果不受边缘效应所谓边缘效应是在利用三次样条插值求包络线时，由于不能确定两端点处的极值，使得拟合出的包络线有可能偏离实际的包络线的现象的影响，在DSP上实现时，每次选取3s的数据用于计算上包络线和下包络线，而计算能量比值时仅使用3s数据中间的2s数据，以克服边缘效应。具体执行过程为：1判断AD采集数据长度是否达到3s。当长度等于3s，计算数据的基线，即得到气泡噪声信号。2计算3s数据的流量信号。3取3s数据中间的2s数据计算能量比值。4判断计算出的能量比值的个数是否达到20个。若没有达到20个，则查看AD是否采集了新的0.5s的数据；若是，则对上一次计算所用的0.5s数据进行滑动更新，即取上一次3s数据中的后2.5s数据和新的0.5s数据重新组成3s数据，使用3s数据中间的2s数据计算能量比值，计算能量比值；否则，等待AD采集新的数据。若能量比值的个数达到了20个，对20个能量比值进行滑动平均滤波，具体做法是：对20个能量比值按照数值大小进行排序，选取中间的8个结果进行平均，作为最终的结果输出。5判断输出的结果是否小于设定的阈值，若是，说明蒸汽发生器发生了泄漏，立即发出报警信号，查看AD是否采集了新的0.5s的数据；否则，查看AD是否采集了新的0.5s的数据。6若数据采集完成，对上一次计算所用的3s数据进行滑动更新，使用3s数据中间的2s数据计算能量比值，并选取最新计算得到的20个能量比值进行滑动平均滤波，并输出结果，执行5。否则，等待AD采集新的数据。图7是基于能量比值计算的信号处理方法在钠流量实验中的验证结果。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算法处理输出结果。在研究检测蒸汽发生器泄漏技术时，人们更多的是采用注气的方法模拟蒸汽发生器的泄漏，以进行验证实验。注气实验选择的最小注气量为0.8Lmin，近似等于蒸汽发生器中水水蒸汽泄漏量为0.1gs时产生氢气的速率。可见，当蒸汽发生器没有泄漏时，不同钠流量下二次仪表输出的处理结果大于0.8，接近于1，而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能量比值结果会远离1，小于0.8。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。所谓的阈值是根据液态金属钠不含气时得到的能量比值范围推算出来的，即通过实验的方法得到液态金属钠不含气时的能量比值的范围，然后，根据液态金属钠不含气时能量比值范围内的最小值，保留一定的裕量，选取一个小于能量比值最小值的值作为阈值。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0.8，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能量比值和阈值的关系得到蒸汽发生器是否发生泄漏的信息。

权利要求：1.一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法，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：针对一次仪表输出信号的特点，提出基线的概念，并使用基线表征气泡噪声信号，则一次仪表输出信号主要由流量信号和气泡噪声信号组成，其中，流量信号的频率和幅值决定于流过一次仪表的钠流量的大小，气泡噪声信号的幅值在钠流量保持不变时与含气量成正相关的关系；因此，提出计算一次仪表输出信号中流量信号的能量作为分子，计算一次仪表输出信号的能量作为分母，计算分子与分母的比值得到一次仪表输出信号的能量比值；所谓信号的能量等于信号幅值的平方和；可见，在钠流量保持不变时，一次仪表输出信号中流量信号的能量大小是保持不变的，而一次仪表输出信号的能量大小却随着钠流量中含气量的增加而增大，因此，可以通过一次仪表输出信号的能量比值反映钠流量中是否含有气泡，实现判断蒸汽发生器是否发生泄漏的目的；通过引入比值的信号处理方法可以抵消磁场强度变化对信号幅值的影响，从而克服磁钢因受温度、辐照等影响而出现磁场强度发生变化的情况。2.如权利要求1所述的一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法，其特征在于：由一次仪表输出信号的上包络线和下包络线的平均值求得到一次仪表输出信号的基线；当液态金属钠中不含气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较平缓，波动范围比较小，而当液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号的基线变化比较剧烈，导致波动范围变大；基线的幅值和波动范围均与液态金属钠中含气量成正相关的关系，因此，使用基线表征气泡噪声信号。3.如权利要求1所述的一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法，其特征在于：计算一次仪表输出信号中流量信号的能量作为分子，计算一次仪表输出信号的能量作为分母，计算分子与分母的比值得到一次仪表输出信号的能量比值；所谓信号的能量等于信号幅值的平方和。4.如权利要求1所述的一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法，其特征在于：在DSP上实现时，为了保证计算包络线时，计算结果不受边缘效应的影响，在DSP上实现时，每次选取3s的数据用于计算上包络线和下包络线，而计算能量比值时仅使用3s数据中间的2s数据；具体执行过程如下所示：1判断AD采集数据长度是否达到3s；当长度等于3s，计算数据的基线，即得到气泡噪声信号；2取3s数据中间的2s数据计算能量比值；3判断计算出的能量比值个数是否达到20个；若没有达到20个，则查看AD是否采集了新的0.5s的数据；若是，则对上一次计算所用的0.5s数据进行滑动更新，即取上一次3s数据中的后2.5s数据和新的0.5s数据重新组成3s数据，计算能量比值，否则，等待AD采集新的数据；若能量比值的个数达到了20个，对20个能量比值进行滑动平均滤波，具体做法是：对20个能量比值进行排序，选取中间的8个结果进行平均，作为最终的结果输出；4判断输出的结果是否小于设定的阈值，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AD是否采集了新的0.5s的数据；5若数据采集完成，对上一次计算所用的3s数据进行滑动更新，并选取最新计算得到的20个能量比值进行滑动平均滤波，并输出结果，执行4；否则，等待AD采集新的数据。

百度查询： 合肥工业大学 一种基于能量比值计算的钠中气泡探测信号处理方法

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