一种核电厂松动部件振动信号的处理方法及装置与流程

本发明属于核工程技术领域，尤其涉及一种核电厂松动部件振动信号的处理方法及装置。

背景技术：

核反应堆压力容器内部包括堆内构件和燃料组件，堆内构件主要由压紧组件、吊篮组件、堆芯下支承组件等组成，各组件中的部件和零件大部分通过螺钉、销钉等连接。尽管这些连接件在设计中采取了防松、防脱措施，但在反应堆长期连续运行条件下，因水流冲击和流致振动的影响，可能会使某些零件产生松动甚至脱落，从而在一回路中形成松脱部件。同时在施工、换料或维修时，也有在一回路系统内遗留金属件的可能性。设备发生部件松动，将使设备完整性受到破坏，影响其正常工作。松动部件脱落后，将随流道运动，撞击设备和器壁，使设备和器壁受损，严重时导致反应堆不能正常运行。因此，对反应堆冷却剂进行松动部件的振动监测十分重要。

技术实现要素：

本发明针对现有的核电厂仪控系统中采用低通或带通的滤波方法对松动部件监测系统采集到的含噪振动信号进行降噪的误报警率较高的问题，提供了一种核电厂松动部件振动信号的处理方法及装置。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种核电厂松动部件振动信号的处理方法，用于探测反应堆冷却剂系统中可能存在的松动部件，所述方法包括以下步骤：

S1、采集核电厂松动部件的实际含噪振动信号；

S2、根据所述含噪振动信号对其进行自相关运算，并分解获得振动信号的自相关函数、噪声的自相关函数、以及振动信号和噪声的互相关函数，实现对含噪振动信号的初步降噪处理；

S3、对经过自相关运算初步降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，得到小波降噪处理后的含噪振动信号，对所述小波降噪处理后的含噪振动信号逆变处理,以重构所述小波降噪处理后的含噪振动信号。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述步骤S1采集到的实际含噪振动信号为时间t时的第一路含噪振动信号x(t)和时间τ后的第二路含噪振动信号x(t+τ)。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述第一路含噪振动信号x(t)可表示为振幅为A、频率为f、初始相位为噪声信号为n(t)的正弦函数。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述步骤S2具体处理过程包括：

S21、使用自相关函数对所述含噪振动信号进行自相关运算；

S22、使用分解函数对所述自相关函数进行分解运算；

分解得到所述振动信号的自相关函数为R_S(τ)，所述振动信号和噪声的第一互相关函数为R_SN(τ)，所述振动信号和噪声的第二互相关函数R_NS(τ)，所述噪声的自相关函数为R_N(τ)；

S23、选取合适的所述τ值，降低所述振动信号和噪声的第一互相关函数、所述振动信号和噪声的第二互相关函数和所述噪声的自相关函数的函数值，得到所述初步降噪处理后的含噪振动信号；

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述步骤S3具体处理过程包括：

S31、对所述初步降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，将所述降噪处理后的含噪振动信号分解到不同的频带上，把分解得到的小波系数进行阈值处理，将低于阈值的小波系数置零，实现进一步降低噪声信号，得到小波降噪处理后的含噪振动信号；

S32、对所述小波降噪处理后的含噪振动信号进行小波逆变换处理，将频域信号逆变为时域信号，得到重构的振动信号。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述τ值的范围为[0，T]。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法中，所述降噪处理后的含噪振动信号可表示为关于延迟和频率的二元函数。

另一方面，本发明提供了一种核电厂松动部件振动信号的处理装置，所述装置包括：

信号采集模块，安装在核反应堆上，用于采集核电厂松动部件的实际含噪振动信号；

计算模块，连接所述信号采集模块，用于根据所述含噪振动信号对其进行自相关运算，并分解获得振动信号的自相关函数、噪声的自相关函数、以及振动信号和噪声的互相关函数，实现对含噪振动信号的初步降噪处理；

处理模块，连接所述计算分解模块，用于对经自相关运算初步降噪处理后的信号进行小波降噪处理，得到小波降噪处理后的含噪振动信号，并将所述降噪处理后的含噪振动信号进行逆变处理，以重构所述降噪处理后的含噪振动信号。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置中，所述信号采集模块包括压电式加速度传感器。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置中，所述压电式加速度传感器用于采集时间t时的第一路含噪振动信号x(t)，并在时间τ后采集第二路含噪振动信号x(t+τ)；所述第一路含噪振动信号x(t)可表示为振幅为A、频率为f、初始相位为噪声信号为n(t)的正弦函数。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置中，所述计算模块包括自相关运算模块、分解运算模块和降噪模块：

所述自相关运算模块用于对含噪振动信号进行自相关运算；

所述分解运算模块用于对所述自相关函数进行分解运算，得到所述振动信号的自相关函数为R_S(τ)，所述振动信号和噪声的第一互相关函数R_SN(τ)和第二互相关函数R_NS(τ)，所述噪声的自相关函数为R_N(τ)；

所述降噪模块用于降低所述振动信号和噪声的第一互相关函数、所述振动信号和噪声的第二互相关函数和所述噪声的自相关函数的函数值。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置中，所述处理模块包括小波降噪模块和逆变处理模块；所述小波降噪模块用于对所述降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，得到小波降噪处理后的含噪振动信号；所述逆变处理模块用于小波逆变换处理所述降噪处理后的含噪振动信号，将频域信号逆变为时域信号，得到重构的振动信号。

本发明的技术方案带来的有益效果是：

能够在强噪声干扰情况下，尽可能地消除叠加在这些被测信号上的各种噪声和干扰，确保采集到的振动信号可靠和稳定，为操纵员下一步操作提供判断依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法的流程图。

图2是图1中步骤S2的具体流程图。

图3是图1中步骤S3的具体流程图。

图4是本发明实施例二提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有的核电厂仪控系统中采用低通或带通的滤波方法对松动部件监测系统采集到的含噪振动信号进行降噪的误报警率较高的问题，本发明提供了一种核电厂松动部件振动信号的处理方法及装置，尽可能地消除叠加在这些被测信号上的各种噪声和干扰，通过对所采集的信号进行运算分解，并对分解后的信号进行降噪处理，得到处理后的信号再进行逆变处理以重构含噪振动信号、确保采集到的振动信号可靠和稳定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法，参见图1，该方法包括：

S1、采集核电厂松动部件的实际含噪振动信号。

具体地，需要采集两路含噪振动信号。在时间t时，采集第一路含噪振动信号x(t)。经过时间τ后，采集第二路含噪振动信号x(t+τ)。采集到的两路含噪振动信号来自同一个机械系统。它们之间存在一定内涵的物理联系。

第一路含噪振动信号x(t)可表示为：

其中，为待测振动信号，n(t)为噪声信号，A为振幅，ω＝2πf，f为频率，为初始相位。

相应地，第二路含噪振动信号x(t+τ)可表示为：

x(t+τ)＝s(t+τ)+n(t+τ) (9)

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法还包括：

S2、根据含噪振动信号对其进行自相关运算，并分解获得振动信号的自相关函数、噪声的自相关函数、以及振动信号和噪声的互相关函数。

具体地，步骤S2包括：S21、使用自相关函数对含噪振动信号进行自相关运算；S22、使用分解函数对所述自相关函数进行分解运算；S23、选取合适的函数(9)中的τ值，降低所述振动信号和噪声的第一互相关函数、所述振动信号和噪声的第二互相关函数和所述噪声的自相关函数的函数值，得到所述初步降噪处理后的含噪振动信号。

S21中使用的自相关函数为：

其中，x(t)为第一路含噪振动信号，x(t+τ)为第二路含噪振动信号。第一路含噪振动信号和第二路含噪振动信号为时域信号，自相关函数通过傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号。

将x(t)和x(t+τ)的函数代入到函数(10)中，可得到：

将上式展开，可以得到S22使用的分解函数：

其中，振动信号的自相关函数为是振动信号在时间t和t+τ时相似性的度量，仅与振动信号自身有关。信号和噪声互相关函数可分为振动信号和噪声的第一互相关函数和振动信号和噪声的第二互相关函数，振动信号和噪声的第一互相关函数为描述振动信号在时间t时和噪声信号在时间t+τ的相关程度。振动信号和噪声的第二互相关函数为描述振动信号在时间t+τ时和噪声信号在时间t的相关程度。噪声的自相关函数为是噪声信号在时间t和t+τ时相似性的度量，仅与噪声信号自身有关。

假设噪声为标准的高斯白噪声，则当时τ→∞，R_SN(τ)、R_NS(τ)和R_N(τ)均趋向于零值，因此可得理想状况下自相关函数由上式可见，理论上，经过信号一次自相关运算，就可以得到准确的频率信息和幅值信息。

在实际工程中，τ不可能趋向于无穷大，噪声的白化程度未必十分理想，从而导致，R_SN(τ)、R_NS(τ)和R_N(τ)的值不一定为零，因而需要选取合适的τ值，对R_SN(τ)、R_NS(τ)和R_N(τ)进行降噪处理。τ值的范围为[0，T]，尽可能选用大的τ值。降噪处理后新的噪声可视为n⁽¹⁾(τ)，那么降噪处理后的含噪振动信号可表示为：

与第一路含噪振动信号x(t)相比，经过自相关运算后，虽然相位信息丢失了，但是频率未发生变化，此时的幅值也和原来的幅值存在解析关系，因此通过频谱分析和相应的计算也可以得到原信号的频率信息和幅值信息。由于新产生的噪声n⁽¹⁾(τ)要比原来的噪声小，从而提高了信噪比。可以理解地是，自相关处理可进行多次，对强背景噪声信号进行多重自相关处理可以获得更好的滤噪功能。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理方法还包括：

S3、对经过自相关运算初步降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，得到小波降噪处理后的含噪振动信号，对所述降噪处理后的含噪振动信号进行逆变处理,以重构所述降噪处理后的含噪振动信号。

具体地，步骤S3包括：S31、对降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，将降噪处理后的含噪振动信号分解到不同的频带上，把分解得到的小波系数进行阈值处理，将低于阈值的小波系数置零，实现进一步降低噪声信号，得到小波降噪处理后的含噪振动信号；S32、对小波降噪处理后的含噪振动信号进行小波逆变换处理，将频域信号逆变为时域信号，得到重构的振动信号。

经过降噪处理后的含噪振动信号是关于延迟和多普勒的二元函数，由于τ和ω本身是不相关的，所以满足一维小波降噪的条件。

由于自相关运算通过傅立叶变换将含噪振动信号变换到频域，在通过低通滤波器进行滤波时，会遇到信号与噪声的频带相互重叠的现象，造成滤波效果变差，由此考虑引入小波降噪。

小波降噪实质是把信号分解到不同的频带上，把分解得到的小波系数进行阈值处理，将低于阈值的小波系数(代表噪声信号)置零，实现进一步降低噪声信号。阈值处理为现有技术，在此不再赘述。

小波降噪有着良好的时频特性，能够较好解决由于积分运算而产生滤波效果变差的问题，实现保护信号局部性和去除噪声之间的平衡，能够更好地降低信号噪声。

小波逆变换就是计算含噪振动信号的反函数，能够将频域信号逆变换为时域，最终得到时域的振动信号。

本实施例通过对含噪振动信号进行自相关处理、降噪处理、小波降噪处理、小波逆变换，尽可能地消除叠加在这些被测信号上的各种噪声和干扰，提高了信噪比。

实施例二

本发明还提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置，参见图2，该装置包括：信号采集模块1，安装在核反应堆上，用于采集核电厂松动部件的实际含噪振动信号。

信号采集模块1包括压电式加速度传感器11。可以理解地是，压电式加速度传感器11可以为多个。具体地，压电式加速度传感器11安装在核电厂的一回路压力边界上。一回路压力边界内可能存在一些金属物件，例如脱落的螺栓、螺钉等。这些脱落的部件会随着管道内液体的流动撞击到一回路边界上，撞击压力使得压电式加速度传感器11上的电容产生形变。电容受到压力后，电容的上下两极距离缩小，电荷发生改变而产生电流，因此能够采集到振动信号。

压电式加速度传感器11在时间t时采集第一路含噪振动信号x(t)。第一路含噪振动信号x(t)可表示为：

其中，为待测振动信号，n(t)为噪声信号，A为振幅，ω＝2πf，f为频率，为初始相位。

压电式加速度传感器11在时间τ后采集第二路含噪振动信号x(t+τ)。相应地，第二路含噪振动信号x(t)可表示为：

x(t+τ)＝s(t+τ)+n(t+τ) (15)

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置还包括：

计算模块2，连接信号采集模块1，用于根据含噪振动信号对其进行自相关运算，并分解获得振动信号的自相关函数、噪声的自相关函数、以及振动信号和噪声的互相关函数。

具体地，计算模块2包括自相关运算模块21、分解运算模块22和降噪模块23。

自相关运算模块21用于对含噪振动信号进行自相关运算，进行自相关运算使用的自相关函数为：

其中，x(t)为第一路含噪振动信号，x(t+τ)为第二路含噪振动信号。通过傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号。

自相关运算模块21会将第一路含噪振动信号x(t)的函数和第二路含噪振动信号x(t+τ)的函数代入到自相关函数中，得到：

接着，分解运算模块22会将函数(17)展开，得到分解函数：

其中，振动信号的自相关函数为是振动信号在时间t和t+τ时相似性的度量，仅与振动信号自身有关。信号和噪声互相关函数可分为振动信号和噪声的第一互相关函数和振动信号和噪声的第二互相关函数，振动信号和噪声的第一互相关函数为描述振动信号在时间t时和噪声信号在时间t+τ的相关程度。振动信号和噪声的第二互相关函数为描述振动信号在时间t+τ时和噪声信号在时间t的相关程度。噪声的自相关函数为是噪声信号在时间t和t+τ时相似性的度量，仅与噪声信号自身有关。

核电厂松动部件振动信号处理的相关人员可以选择尽可能大的τ值，通过降噪模块23对R_SN(τ)、R_NS(τ)和R_N(τ)进行降噪处理，提高了振动信号的信噪比。

本发明提供的一种核电厂松动部件振动信号的处理装置还包括：处理模块3，连接计算模块2，用于对经过自相关运算初步降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，得到小波降噪处理后的含噪振动信号，并将降噪处理后的含噪振动信号进行逆变处理，以重构降噪处理后的含噪振动信号。

具体地，处理模块3包括小波降噪模块31和逆变处理模块32。

小波降噪模块31将初步降噪处理后的含噪振动信号进行小波降噪处理，，将降噪处理后的含噪振动信号分解到不同的频带上，把分解得到的小波系数进行阈值处理，将低于阈值的小波系数置零，实现进一步降低噪声信号，得到小波降噪处理后的含噪振动信号。

逆变处理模块32将小波降噪处理后的含噪振动信号进行小波逆变换处理，具体来说就是计算含噪振动信号的反函数，将频域信号逆变为时域信号，得到重构的振动信号。

本实施例通过采集核电厂松动部件的实际含噪振动信号，对含噪振动信号进行运算，并对含噪振动信号进行降噪处理，能够大大降低核电厂仪控系统的误报警率。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。