一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器制造技术

本发明专利技术为一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，由一次仪表和二次仪表组成；一次仪表主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成；液态金属钠流经漩涡发生体后会形成规律的漩涡，沿管道方向运动的漩涡切割位于漩涡发生体下游的恒定磁场会产生准谐波的输出信号，其频率和幅值均与液态金属钠的流速有关，而且频率是流速的线性函数；二次仪表对放大和滤波后的近似正弦波信号进行处理，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器
本专利技术涉及流量测量
，特别是涉及一种基于信噪比计算来监测液态金属中是否含有气泡的钠中气泡噪声探测器。
技术介绍
随着世界范围的能源供应日趋紧张，以及人们对全球变暖和可持续发展等问题的日益关注，核能必将在未来世界的发展中发挥举足轻重的作用。但是，核能具有放射性的特性，所以，核工业安全问题不容小觑。我国核能压水堆、快堆、聚变堆三步走发展战略中，快堆是其中重要的一步。与压水堆相比，快堆可以将燃料利用率大大提高。主流的快堆系统一般采用液态金属钠作为冷却剂，这是因为液态金属钠具有良好的传热性和流动性，高沸点、低熔点、泵送功率低，对热和辐射有良好的稳定性，在反应堆系统下不产生腐蚀，感生放射性低，中子俘获截面小等特点。但是，钠异常活泼，遇水即发生剧烈的化学反应，且会伴随着明火，极易发生爆炸。在反应堆中，水与冷却剂钠之间的换热设备为蒸汽发生器。在蒸汽发生器中，冷却剂钠在传热管外流动，水在传热管内流动，冷却剂钠把水加热成高温水蒸气推动汽轮机发电。由于水蒸气侧压力高，如果传热管壁出现漏洞或裂缝，水就会冲入冷却剂钠中，导致钠水反应的发生。钠水反应将产生大量的氢气和热量，反应所产生的氢气会严重影响钠的流动，导致蒸汽发生器内的压力急剧上升，高压会引起蒸汽发生器爆炸，产生严重的核安全事故。造成蒸汽发生器内传热管出现漏洞或裂缝的原因有：温度脉动引起的疲劳、焊接质量、传热管腐蚀泄漏和传热管应力变化等。鉴于钠水反应后果的严重性，国外主要采用探测仪表实时监测冷却剂钠中是否有气泡，以便及时发出报警信号，避免更为严重的事故发生。而国内快堆起步较晚，需要购买昂贵的国外探测仪表，用来保证核反应堆安全、可靠地运行。因此，研制具有自主知识产权的钠水反应探测仪表(又称钠中气泡噪声探测器)对我国核电技术的发展具有重要的意义。
技术实现思路
钠中气泡噪声探测器是蒸汽发生器事故保护系统的监测仪表之一，通过监测蒸汽发生器内气泡(氢气)体积份额的变化，判断蒸汽发生器内部是否出现泄漏。当由测量信号计算出的结果小于报警阈值时，产生蒸汽发生器泄漏报警信号；同时，钠中气泡噪声探测器具有测量所在管道液态金属钠流速的功能。国外研究的钠中气泡监测方法有基于测量冷却剂的导电率法、超声波法、伽马探测管道法和涡流探测法。其中，基于测量冷却剂导电率法的敏感度低，且只能给出被测管段整体的含气量信息；超声波法和伽马探测管道法在技术上非常复杂，所以使用的极少；涡流探测法灵敏度高，相对简单易行。为了能实时、有效地监测冷却剂钠中是否含有气泡，本专利技术提供一种属于涡流探测法的、基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器。本专利技术的技术方案是：基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器主要由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表输出的信号既有直流信号成分，又有交流信号成分，其中，交流信号的轮廓近似为正弦波，且直流信号的幅值远大于交流信号的幅值。通过分析和处理交流信号成分，来判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。由于一次仪表输出的交流信号幅值仅约为数十微伏，因此，采用多级放大和多级滤波的调理电路结构，以有效地提取出与流速相关的微弱的近似正弦波信号，以满足后续处理电路的要求。为了防止信号在放大的环节出现饱和现象，因此，采用了两级交流放大电路和去直流电路，以便仅仅提取交流信号成分。为了保证安全，蒸汽发生器安装的位置离变送器所在的控制室非常远，因此，在调理电路中加入了隔离放大电路，防止接地环路过大而引入环境中的噪声。一次仪表输出的信号中的交流信号成分是幅值和频率均与液态金属钠流速相关的近似正弦波信号，且频率是流速的线性函数。因此，可以计算由调理电路输出信号的频率得到液态金属钠的流速。通过分析和对比经调理电路输出的信号发现：当液态金属钠中无气泡时，一次仪表输出信号中的交流信号成分是非常规律且频率单一的似正弦波信信号；当液态金属钠中有气泡时，一次仪表输出信号中的交流成分中会出现低频噪声分量，且随着气泡含量的增加，低频噪声分量的幅值会随之增大。所以，可以对一次仪表输出信号进行分离，得到噪声信号和与流速相关的有效信号，并由有效信号与噪声信号计算出信噪比，通过信噪比来判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。钠中气泡噪声探测器对实时性要求较高，且每一个信噪比的计算都需要较多的数据，因此，采用数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F28335作为二次仪表的主控芯片。TMS320F28335DSP具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA(直接存储器存取)通道支持A/D(模/数转换)和McBSP(多通道缓冲串口)，其浮点运算单元让用户可以快速编写控制算法而无需在小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期。附图说明图1是基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器中一次仪表结构组成示意图。图2是基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器中二次仪表硬件组成框图。图3是隔离放大电路。图4是第一级交流放大电路。图5是八阶低通滤波电路。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是基于信噪比计算的信号处理方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的设计思想是：在一次仪表中，液态金属钠流经漩涡发生体后会形成有规律的漩涡。沿管道方向运动的漩涡切割位于漩涡发生体下游的恒定磁场时，会产生近似正弦波形式的输出信号，其频率和幅值均与液态金属钠的流速有关，而且频率是流速的线性函数。当流动的液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出的信号不再是近似正弦波形式的信号，而会发生畸变，这也是判断蒸汽发生器是否出现泄漏的依据。二次仪表对一次仪表输出的信号进行放大、滤波和转换，并采用计算信噪比的信号处理方法，识别出流动的液态金属钠中是否含有气泡。对一次仪表输出的信号分析发现：当流动的液态金属钠中不存在气泡时，一次仪表输出的信号去除直流分量后是频率单一的近似正弦波形式的信号，转换到频域中仅存在一个峰值，峰值对应的频率值代表了流过一次仪表的液态金属钠的流速。当流动的液态金属钠中存在气泡时，一次仪表输出的信号去除直流分量后，增加了低频噪声分量，且含气量越大，低频噪声分量的幅值越大，但是，频谱幅值最大的点依然是由钠的流速决定的。因此，信号处理的过程为：取固定长度点数的信号做快速傅里叶变换(FFT)，把信号从时域转换到频域，舍掉频域结果中的前4个数据，以去除直流偏置信号；根据频域中幅值最大点所对应的频率值，计算出液态金属钠的流速；在计算出的频域结果中，以最大值为中心，取前后连续、共15个数据(即以最大值为中心，前面取7个，后面取7个)的幅值之和作为有效信号，取15Hz以下的频谱幅值之和作为噪声信号，利用信噪比的计算公式计算出信噪比；对求取的多个信噪比进行中位值滤波；与设定的阈值进行比较，判断液态金属钠中是否含有气泡，实现钠中气泡的监测。图1是一次仪表的结构组成示意图，主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成。漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体型结构，处于磁场上游，位于磁场之外。由于液态金属钠温度高、化学性质活泼且大多数应用领域处于高辐射环境，所以，一次仪表的管道部分采用金属材料。磁钢主要由永磁体和磁轭组成，其中，永磁体为一次仪表提供稳定的磁场；磁轭起固定作用，同时，还可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：由一次仪表和二次仪表组成，既能监测蒸汽发生器内部是否发生泄漏，又能测量所在管道的钠流量；所述一次仪表由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成；漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体型结构，处于磁场上游，位于磁场之外；管道部分采用金属材料；磁钢主要由永磁体和磁轭组成，其中，永磁体为一次仪表提供稳定的磁场；磁轭起固定作用，同时，还可以减少漏磁；电极分为参考电极和工作电极，其中，参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外，是一次仪表输出信号的参考点；工作电极位于磁场内，与参考电极配合工作，输出沿管道方向运动的漩涡切割磁场时产生的电动势信号；电极的轴线、液态金属钠的流向和磁场方向两两垂直；漩涡发生体的轴线与磁场方向平行；所述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，对一次仪表输出的信号进行放大、滤波和转换，并采用基于信噪比计算的信号处理方法，识别出流动的液态金属钠中是否含有气泡。

【技术特征摘要】
1.一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：由一次仪表和二次仪表组成，既能监测蒸汽发生器内部是否发生泄漏，又能测量所在管道的钠流量；所述一次仪表由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成；漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体型结构，处于磁场上游，位于磁场之外；管道部分采用金属材料；磁钢主要由永磁体和磁轭组成，其中，永磁体为一次仪表提供稳定的磁场；磁轭起固定作用，同时，还可以减少漏磁；电极分为参考电极和工作电极，其中，参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外，是一次仪表输出信号的参考点；工作电极位于磁场内，与参考电极配合工作，输出沿管道方向运动的漩涡切割磁场时产生的电动势信号；电极的轴线、液态金属钠的流向和磁场方向两两垂直；漩涡发生体的轴线与磁场方向平行；所述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，对一次仪表输出的信号进行放大、滤波和转换，并采用基于信噪比计算的信号处理方法，识别出流动的液态金属钠中是否含有气泡。2.如权利要求1所述的一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：所述的信号调理采集模块采用多级放大和多级滤波的调理电路结构，主要由隔离放大、第一级交流放大、八阶低通滤波、第二级交流放大、去直流电路、A/D采样电路和无源晶振等电路模块组成，对一次仪表输出的信号进行放大、滤波、模数转换和数据传输；隔离放大电路减小接地环路耦合的噪声；第一级交流放大电路和第二级交流放大电路仅放大前级电路输出信号中的交流成分；八阶低通滤波电路衰减高频噪声，保留有用的近似正弦波信号。3.如权利要求1所述的一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：数字信号处理与控制模块主要由主控芯片TMS320F28335DSP、外扩静态随机存储器(SRAM)、铁电存储器、电源掉电监测、人机接口、RS485电路、脉冲输出电路和4～20mA输出电路等电路模块组成；为了能实时对数据进行处理，选用高速的数字信号处理器(DSP)作为主控芯片；由于DSP一次处理的数据量非常大，因此，需要外扩SRAM存储更多的数据和变量；铁电存储器是在发生意外掉电时对重要的数据信息进行存储，并在重新上电时恢复重要的数据信息；人机接口主要包括液晶和按键，其中，液晶显示处理结果，并与按键配合进行参数设置；RS485电路可以把采集的数据发送至上位机，使工作人员在调试时可以清楚地看到信号波形，方便信号的保存；脉冲输出电路和4～20mA电流输出电路可以传送流量信号。4.如权利要求1所述的一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：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，使二次仪表的软件系统实现正常有序的工作；初始化模块包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化和算法初始化；初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化程序中用到的参数变量；看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，王刚，许伟，邹明伟，汪春畅，慕长莉，邵春莉，吴建平，梁利平，黎翱，
申请(专利权)人：合肥工业大学，重庆川仪自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34