一种基于信号熵的钠中气泡检测方法

本发明属于快堆中蒸汽发生器泄漏检测，特别是涉及一种基于电磁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产生的氢气。

背景技术：

1、目前，核电技术已经发展到第四代。基于第四代核电技术的快中子反应堆(简称为“快堆”)将可将铀资源的利用率由当前的1％提高到60％以上，极大地提高了铀资源利用率。液态金属钠是快堆中常用的冷却剂，液态金属钠与水的热交换在蒸汽发生器中进行。所以，蒸汽发生器是快堆的重要设备之一。但是，由于长期工作在高温、高压的恶劣条件下，蒸汽发生器会产生裂纹或者损坏，出现介质泄漏。蒸汽发生器发生泄漏时，传热管内的高压水/水蒸气会喷射到传热管外的高温液态金属钠中，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。泄漏引起的钠水反应是快堆发展近70年依然没有进入商用阶段的一个重要影响因素。因此，在蒸汽发生器泄漏初期及时检测泄漏产生情况具有重要的意义。

2、当前主要有三种检测蒸汽发生器泄漏的技术：液态金属钠中氢浓度检测泄漏技术、声学检测泄漏技术和电磁学检测泄漏技术。其中，微氢检测技术的灵敏度最高，但响应时间长，检测设备相对复杂；声学检测技术响应时间快，检测设备简单，但灵敏度低；涡街电磁感应原理检测技术灵敏度较高、响应速度快、检测设备简单。

3、2019年，许伟、徐科军等人开展了钠中气泡探测器测量实验，研究了基于涡街感应原理的钠中气泡探测器的传感器工作原理、钠中气泡探测器变送器硬件电路的研制和数据采集实验。该团队从传感器输出信号的时域以及频域的角度，提出了多种信号处理方法。

4、文献“peak-to-peak standard deviation based bubble detection method insodium flow with electromagnetic vortex flowmeter”(xu w,review ofscientificinstruments，2019，第90卷)该论文从传感器输出信号的幅值角度出发，研究了峰峰值标准差的信号处理方法判断钠液中是否含有气泡。但是，该方法需要传感器永磁体在长期的高温辐射的工作条件下，保持磁场强度恒定。否则，变化的磁场会影响传感器输出信号的幅值，进而影响峰峰值标准差、影响判定结果。

5、文献“bubble detection in sodium flow using evfm and correlationcoefficient calculation”(xu w,annals of nuclear energy，2019，第129卷)该文献提出了基于相关系数的钠中气泡探测信号处理方法。该方法通过比较传感器输出信号中，两个相邻周期信号的相似性，以此来判定钠液中是否含有气泡。但是，当注汽量一定时，钠流速增大，传感器输出信号的信噪比增强，相邻两个周期信号之间的相关性增强。因此，该方法不能选择一个固定的阈值来判定不同流速下，钠液中是否含有气泡。

6、文献“signal processing method of bubble detection in sodium flowbased on inverse fourier transform to calculate energy ratio”(xu w,annals ofnuclear energy，2019，第129卷)提出了基于频率波动系数的钠中气泡探测信号处理方法。该方法从频域的角度，提出了一种固定阈值的方法。该方法虽然在阈值的选取上没有受到磁场强度变化和钠流速的影响，但是该方法在小注汽量时的判定结果较差，在大流速小注汽量时几乎无法判定。然而，在实际工程要求中，希望在微小泄露时就可以及时检测出钠中含有气泡，提前预警。

7、文献“signal processing method based on energy ratio for detectingleakage of sg using evfm”(xu w,nuclear engineering and technology，2020，第52卷)提出了基于能量比值的钠中气泡探测信号处理方法。该方法通过计算传感器输出信号的上包络线和下包络线的平均值，得到传感器输出信号的基线，论文中将此基线认定为气泡噪声信号曲线，用传感器输出信号减去气泡噪声信号得到流量信号，然后计算能量比。但是，该方法算法计算复杂，不利于在线系统的实时实现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有电磁涡街流量计信号处理方法判定效果差，不能进行微小泄漏有效检测的问题，提出了一种基于信号熵的电磁涡街流量计信号处理方法，实现了不同钠流速不同泄漏量的有效判定，解决了微小泄漏条件下判定效果差的问题。

2、本发明提出的基于信号熵的钠中气泡探测信号处理方法，其主要特征包括：为了确保样本数量的足够，同时确保算法的响应时间，每次选择用1秒数据(采样频率1000)，根据传感器输出信号幅值序列分布对传感器输出信号进行分段，计算流量信号在每段幅值区间的概率，然后，基于熵的原理，计算信号熵。

3、本发明的具体实施过程如下：

4、(1)选择获取时域信号的点数1000，计算每秒流量信号的幅值范围、将幅值区间等分为6段，计算流量信号在6段幅值区间的概率，按照熵的计算公式计算。熵的计算公式如下：

5、

6、其中p(xi)为一段信号的时域序列x(n)＝[x(1),x(2),.....x(n)]，按照规定的分段数进行分段后，每一段的数据出现的概率。n为数据长度，ns为分段总数。

7、(2)对选择1000个数据点进行滑动更新，即丢掉前500个数据点，并在结尾新增500个数据点，重新组成1000个数据点，计算数据更新后对应的熵，并把计算结果再保存到熵数组中。

8、(3)按照上述步骤重复计算，得到各段的信号熵值。

9、(4)当计算出所有的熵结果后，对得到的熵进行中位值滤波。中位值滤波的具体步骤是：选择连续的15个熵结果进行排序，去掉最小的3个和最大的3个结果，对中间的9个熵求平均值，并作为最终的熵计算结果。对选择的15个做滑动平均滤波的熵进行滑动更新，既丢掉第一个熵，并在结尾新添加一个熵，重新组成15个熵进行中位值滤波。

10、(5)根据得到的信号熵值，选择合适的阈值来判断。

技术特征：

1.一种基于信号熵的钠中气泡检测方法，其特征在于：根据传感器输出信号的幅值分布，将幅值区间等分为6段，计算流量信号在6段幅值区间的概率，然后，计算流量信号熵，最后，选择合理的阈值作为钠中是否含有气泡的依据。

2.如权利要求1所述的一种基于信号熵的钠中气泡检测方法，其特征在于：

技术总结
本发明为一种基于信号熵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泄漏，确保整个核电站安全运行。首先，计算每秒流量信号的幅值范围、将幅值区间等分为6段，计算流量信号在6段幅值区间的概率。然后，计算流量信号熵。对多段信号的信号熵结果进行滑动中值滤波处理，得到最后的结果与阈值进行比较，判定蒸汽发生器是否发生泄漏。通过实验结果表明，该方法能有效的进行微小泄漏的判定。

技术研发人员：梁利平,陈丞,许伟,徐科军,张军
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14