一种基于信噪比计算的钠中气泡噪声探测器的制作方法

本发明涉及流量测量技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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。

本发明的技术方案是：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

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：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所产生的近似正弦波形式的感应电势信号。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。

图2是二次仪表硬件组成框图，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，信号调理采集模块主要由隔离放大电路、第一级交流放大电路、八阶低通滤波电路、第二级交流放大电路、去直流电路、a/d(模/数转换)采样电路和无源晶振电路模块组成，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信号。a/d采样电路把去直流电路输出的模拟信号转换成数字信号，并通过dsp(数字信号处理器)的多通道缓冲串口(mcbsp)传送给数字信号处理与控制模块中的dsp芯片。a/d采样电路使用的a/d芯片是一款24位σ-δ型a/d，采样速率可调，内部集成了低噪声可编程增益放大器和可编程数字滤波器，支持单端信号采集和差分信号采集，支持spi通讯，由无源晶振电路提供时钟信号。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。

图3是隔离放大电路，由隔离运放u1、电阻r1～r5、电容c1、c2和c4组成，对一次仪表输出的信号进行放大。隔离运放u1是变压器型隔离器件，隔离电压可以高达2000v。隔离放大电路的放大倍数是由电阻r4和r5决定的，等于1+r4/r5。隔离放大电路可以使接线更加灵活，不必严格区分两个输入端。

图4是第一级交流放大电路，主要由运放u2、电阻r6～r9、电容c3和电容c5组成，对隔离放电电路输出信号中的交流成分进行放大。运放u2选用的是op07，不但可以满足各项性能指标，而且功耗小、价格低。电容c3是钽电容，起到隔直通交的作用。交流信号放大的倍数由电阻r6和r7决定，等于-r7/r6。电阻r8和r9为运放u2的正相输入端提供一个偏置电压，防止信号出现失真。电容c5的容值较小，用于改变反馈网络的相移，以补偿运放相位的滞后，使放大电路工作更加稳定。第二级交流放大电路和第一级交流放大电路的电路结构相同。

图5是八阶低通滤波电路，主要由集成芯片u3、电阻r10～r12、电阻r14、滑动变阻器r13和电容c6～c8组成。集成芯片u3是一种使用十分方便、八阶低通椭圆型、开关电容滤波器。电阻r10和r11为输入信号提供基准，扩大信号输入范围。电容c8用于设置八阶低通滤波器的截止频率。八阶低通滤波电路的输出端通过滑动变阻器r13输出，可以方便地调节输出信号的幅值。

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，防止系统“死机”。算法模块对采集的数据进行处理，计算出流速和信噪比等信息。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采样中断模块、定时器0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0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20ma电流输出和脉冲输出；rs485通讯模块实现二次仪表与pc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，包括系统初始化、看门狗配置、gpio初始化、中断向量表初始化、仪表参数初始化等，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sram中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理。(3)将cpu定时器0的定时时间设置为20ms。在定时器0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，得到流速和信噪比等信息；同时，完成4～20ma电流输出和脉冲输出；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，对流速进行实时测量和监测蒸汽发生器是否发生泄漏。

图8是信噪比计算方法流程图。(1)判断a/d采集数据长度是否达到2048点。若长度刚好等于2048点，就调用fft函数对保存的2048点数据进行快速傅里叶变换，舍弃频域结果中的前4个数据，以去除直流偏置信号。然后，用冒泡排序方法找到频域结果中的最大值点。(2)以最大值点为中心，取前后连续、共15个数据的幅值之和作为有效信号，记为s；取15hz以下的频域结果的幅值之和作为噪声信号，记为n。(3)计算信噪比，其计算公式为r＝20log(s/n)，其中，r表示信噪比。(4)判断计算的信噪比个数是否达到了20个。若长度刚好等于20个，对计算的20个信噪比做中位值滤波，即根据这20个信噪比的大小进行排序，去掉其中最大的8个和最小的8个，对剩下的4个信噪比进行平均，然后输出结果。若没有，继续等待a/d采集数据，当a/d采集的数据更新了100个点时，取上一次参加运算的2048点中的后1948点与更新的100点重新组成2048点，再次计算信噪比，直到信噪比的个数达到20个。(5)判断输出的结果是否小于设定的阈值；若小于，且连续5次输出结果都小于设定的阈值，可以判断蒸汽发生器发生了泄漏，输出报警信号；否则，没有发生泄漏，不输出报警信号。所谓的阈值是通过实验的方法得出的用于判断蒸汽发生器是否发生泄漏的一个参考值。(6)每计算出一个信噪比，都与上一次参加运算的20个信噪比中的后19个点重新组成20个点，做中位值滤波，然后输出结果。