基于仿真数据库的压力容器lpms质量估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核电站压力容器LPMS故障诊断技术领域，具体涉及基于仿真数据库 的压力容器LPMS质量估计方法。
【背景技术】
[0002] LPMS是核电站一回路基本的安全工具之一，对核电站的安全运行具有重大意义。 其中，松动件的质量估计是LPMS系统的基本功能之一。当松动件脱离、碰撞时准确估计出 其质量，继而判断松动件的类型和危害程度，为后续的故障诊断和排除提供依据。
[0003] 申请号为201410667958. 6的发明专利"一种基于数据匹配的LPMS质量估计方法" 通过建立数据库实现质量估计。该方法中质量估计的精度依赖于数据库样本数量，样本数 越大，估计结果越准确。然而，在实际核电站反应堆压力容器中，通过大量敲击实验建立数 据库的方法是不现实的，因为大量的敲击实验会对反应堆压力容器造成损伤。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于仿真数据库的压力容 器LPMS质量估计方法，在压力容器中仅需进行3~5组标定实验，即可准确估计跌落松动 件的质量。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 基于仿真数据库的压力容器LPMS质量估计方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1)，仿真数据库建立：
[0008] I. 1)在钢板上任意位置安装一个第一压电式加速度传感器；
[0009] 1. 2)用不同质量的钢球从不同高度坠落敲击钢板，通过第一压电式加速度传感器 采集冲击信号，记为Sniih (t)，其中m代表钢球质量，h代表坠落高度；
[0010] 1. 3)对冲击信号s_(t)进行傅里叶变换得到频谱，记为，计算公式为：
[0012] 1. 4)为了消除高频部分的冗余信息，选取截止频率f_，使频谱80%以上的能量 分布在频段[0, f_]中，截止频率f_设定在15kHz到20kHz之间；
[0013] 1. 5)对有效频段频谱，S^f) f彡f_，进行η阶多项式曲线拟合，记为
[0014] 阶次η反映拟合特性，η越大拟合曲线越能反映频谱的细节信息，反之，η越小拟合 曲线越能反映频谱的整体信息，阶次η设定在6到10之间；
[0015] 1. 6)将步骤1. 5)所得的所有信号.I^(J) ，作为样本组成质量估计仿真 数据库；
[0016] 步骤2)，质量标定：
[0017] 2. 1)在核电站反应堆压力容器上任意位置安装一个第二压电式加速度传感器，用 3~5个不同质量的钢球从同一高度坠落敲击压力容器壁，通过第二压电式加速度传感器 采集冲击信号，根据步骤1. 3)、1. 4)、1. 5)处理信号，得到标定信号，相比仿真数据库样本 而言，标定信号向低频偏移；
[0018] 2. 2)基于仿真数据库的标定信号质量估计，通过互相关函数实现：
[0020] P代表两组信号的相关系数，数学表达上是两组信号的协方差和两组信号标准差 之积的比值，其大小反映了两组信号的相似程度，具体数值为〇至1，式中协方差与标准差 的具体公式如下：
[0023] 根据上述公式求出标定信号与仿真数据库样本的匹配程度；
[0024] 假设仿真数据库包含aXbX c组样本，其中a代表钢球质量种类数，b代表坠落高 度种类数，c代表同一质量同一坠落高度试验重复次数，每组样本依次代入公式（2)，共进 行了 aXbXc次相关性计算，选取最大的aXc个相关系数，记为P1, P2, P3. .. Pax。，对应 样本的质量分别为Hi1, m2, m3· ·· maXc，那么，质量估计结果为：
[0026] 3~5组标定信号对应的估计质量记为Iiievapmevafmevan,]! = 3~5,对应的真 实质量记为Hirea1, mreaymrean，如步骤2. 1)所述，标定信号相对仿真数据库样本的频率 分布偏移导致质量估计产生误差，低频偏移会导致质量估计偏大，需要进行系数修正；
[0027] 2. 3)系数修正以提高质量估计准确率，通过最优化问题求解实现：
[0029] 上述公式表示最优系数α使3~5组标定实验的质量估计误差绝对值之和达到 最小；
[0030] 步骤3)，现场质量估计：
[0031] 在核电站反应堆压力容器上任意位置安装三个第三压电式加速度传感器进行 实时监测，当松动件坠落，第三压电式加速度传感器采集冲击信号，根据步骤1. 3)、1. 4)、 I. 5)、2. 1)得到基于仿真数据库的质量估计值，然后根据步骤2. 3)得到修正系数，修正结 果记为mres，
[0032] mres = a Xmeva (7)
[0033] 由于采用了三个第三压电式加速度传感器，得到三个质量估计结果，分别记为 mresp mresjP mres 3,剔除偏离平均值最大的结果，其编号为
[0035] 剩余两者的平均值作为最终的质量估计结果。
[0036] 所述的步骤2. 1)中碰撞的钢板和压力容器壁的几何形状影响冲击信号的频率分 布，碰撞的钢板和压力容器壁曲率半径越小，冲击信号中心频率越低，钢板等价为半径无限 大的球面，而压力容器近似为球面的一部分，因此，相比仿真数据库样本而言，标定信号向 低频偏移。
[0037] 本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
[0038] 本发明所提出的压力容器LPMS质量估计方法，建立在仿真数据库的基础上，仿真 数据库可通过钢板上大量敲击实验建立，在实际核电站反应堆压力容器仅需进行3~5组 标定实验以获取修正系数，避免了难以通过大量敲击实验直接建立压力容器数据库的难 题。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明钢板示意图。
[0040] 图2为本发明反应堆压力容器示意图。
[0041 ] 图3为本发明方法的流程图。
[0042] 图4为实施例中641g钢球从50cm高度坠落产生的冲击信号时域图。
[0043] 图5为实施例中图3所示时域信号对应的频谱。
[0044] 图6为实施例中图4所示频谱中的有效频段部分。
[0045] 图7为实施例中图5对应的多项式曲线拟合结果。
[0046] 图8为实施例中仿真数据库部分样本。
[0047] 图9 (a)为实施例中176g钢球从IOcm坠落敲击压力容器顶端产生的标定信号的 低频偏移现象，图9(b)为实施例中373g钢球从IOcm坠落敲击压力容器顶端产生的标定信 号的低频偏移现象，图9 (c)为实施例中641g钢球从IOcm坠落敲击压力容器顶端产生的标 定信号的低频偏移现象。
[0048] 图10为质量估计误差绝对值之和随修正系数的变化关系。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0050] 以松动部件模拟碰撞实验为实施例。实验中用于建立仿真数据库的钢板尺寸为 200cmX200cmX2cm，其示意图如图1所示。反应堆压力容器的模拟结构如图2所示，其顶 端用于本实施例质量估计实验。
[0051] 如图3所示，基于仿真数据库的压力容器LPMS质量估计方法，包括以下步骤：
[0052] 步骤1)，仿真数据库建立：
[0053] I. 1)在钢板上任意位置安装一个第一压电式加速度传感器，第一压电式加速度传 感器用502瞬干胶粘在钢板上；
[0054] 1. 2)用不同质量的钢球从不同高度坠落敲击钢板，通过第一压电式加速度传感器 采集冲击信号，记为Sniih (t)，其中m代表钢球质量，h代表坠落高度；
[0055] 在本实施例中，质量 m 分别为 110g、176g、227g、373g、509g、641g、877g、1400g、 250(^、400(^、600(^、1000(^和 1250(^，当111彡8778时，坠落高度11分别为10〇11、20〇11、30〇11、 40cm、50cm、60cm、70cm、80cm ;当 m 多 1400g 时，坠落高度 h 分别为 2. 5cm、5cm、7. 5cm、10cm、 12.5cm、15cm、17. 5cm、20cm，
[0056] 在本实施例中，m = 641g，h = 50cm时对应的冲击信号时域图如图4所示，
[0057] 1. 3)对冲击信号s_(t)进行傅里叶变换得到频谱，记为，计算公式为：
[0059] 在本实施例中，图4所示时域信号对应的频谱如图5所示，
[0060] 1. 4)为了消除高频部分的冗余信息，选取截止频率f_，使频谱80%以上的能量 分布在频段[0, f_]中，截止频率f_设定在15kHz到20kHz之间，在本实施例中选定为 18kHz ；
[0061] 在本实施例中，图5所示频谱中有效频段部分如图6所示，
[0062] 1. 5)对有效频段频谱，Sniih (f) f彡f_，进行η阶多项式曲线拟合，记为
[0063] 阶次η反映拟合特性，η越大拟合曲线越能反映频谱的细节信息，反