李明釗 張媛媛

0 概述

在鈉冷快堆中，鈉中氣泡噪聲探測(cè)器是蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀表之一，通過(guò)監(jiān)測(cè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)氣體（氫氣）體積份額的變化，判斷蒸汽發(fā)生器內(nèi)部是否有泄漏發(fā)生，當(dāng)測(cè)量信號(hào)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)形成蒸汽發(fā)生器泄漏報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，鈉中氣泡噪聲探測(cè)器需完成測(cè)量所在管道鈉流量的功能。探測(cè)器管道與系統(tǒng)管道焊接安裝，并需要保證系統(tǒng)壓力邊界完整性。

1 結(jié)構(gòu)組成

鈉中氣泡噪聲探測(cè)器主要由一次傳感器、前置放大器、二次儀表組成，下文將分別對(duì)探測(cè)器各部分的工作原理與主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1.1 一次傳感器

鈉中氣泡噪聲探測(cè)器一次傳感器的工作原理為：液態(tài)金屬鈉流經(jīng)旋渦發(fā)生體后形成旋渦，當(dāng)流體在垂直于磁場(chǎng)的鈉管道中流動(dòng)時(shí)切割磁力線，在與鈉運(yùn)動(dòng)方向和磁力線方向相垂直的兩電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)鈉中有氣泡時(shí)（主要為氫氣），流經(jīng)旋渦發(fā)生體后形成的旋渦感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)的頻率和振幅不同?？偠灾?，一次傳感器的主要功能是將流體的導(dǎo)電率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

其結(jié)構(gòu)主要包括：旋渦發(fā)生體、磁鋼組件、鈉管道、電極及引線、支承定位組件、護(hù)罩、插座等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1鈉中氣泡噪聲探測(cè)器一次傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 旋渦發(fā)生體

旋渦發(fā)生體使管道內(nèi)的流體產(chǎn)生渦流，增大信號(hào)波動(dòng)幅度。

1.1.2 磁鋼組件

磁鋼組件是永磁式管道鈉流量計(jì)的核心，一般由永磁體、磁極、磁軛（導(dǎo)磁體）組成，為測(cè)量信號(hào)的生成提供穩(wěn)定磁場(chǎng)。

1.1.3 導(dǎo)管、電極及引線

磁力線、管軸線、電極軸線相互垂直。當(dāng)液態(tài)鈉從導(dǎo)管內(nèi)流過(guò)時(shí)，液態(tài)鈉切割磁力線，從而在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與鈉流量成比例關(guān)系，只要建立電動(dòng)勢(shì)與鈉流量間的關(guān)系式，便可通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)鈉流量的測(cè)量。

1.1.4 支承定位組件

支承定位組件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的固定支承，并防止導(dǎo)管的周向及徑向運(yùn)動(dòng)，保證磁力線、管軸線、電極軸線相互垂直。

1.1.5 防護(hù)罩

防護(hù)罩實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的防護(hù)及散熱功能。

1.1.6 插座

插座接線端子與電極引線焊接，將一次傳感器生成的電壓信號(hào)通過(guò)電纜傳送至二次儀表。

1.2 前置放大器

由于一次傳感器輸出的噪聲信號(hào)幅值很小，一般不超過(guò)1mV，對(duì)于小信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理分析是非常困難的，微小的擾動(dòng)噪聲就會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的很大的影響。因此，采用前置放大器調(diào)節(jié)電信號(hào)的頻率和振幅，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大使其滿足二次儀表信號(hào)分析和處理的要求。

前置放大器對(duì)一次傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的去耦、濾波和放大功能，完成對(duì)一次傳感器輸出信號(hào)頻率和振幅的調(diào)節(jié)。

1.3 二次儀表

當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)發(fā)生泄漏，有鈉水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣時(shí)，在一次傳感器輸出的電信號(hào)中包括兩部分的信號(hào)，一部分為氫氣氣泡產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，一部分為由鈉在管道中的自然紊流、鈉在局部和整個(gè)管道的波動(dòng)而產(chǎn)生的本底信號(hào)。二次儀表的功能為，對(duì)經(jīng)前置放大器放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜的處理分析，將噪聲信號(hào)從本底信號(hào)中分離出來(lái)，并計(jì)算本底信號(hào)與噪聲信號(hào)的功率譜密度比值。最后，將該比值與設(shè)定的蒸汽發(fā)生器泄漏報(bào)警閾值進(jìn)行比較，判斷是否給出報(bào)警信號(hào)；同時(shí)，二次儀表還承擔(dān)計(jì)算氣泡噪聲探測(cè)器所在鈉管道中鈉流量的功能，并在二次儀表上顯示計(jì)算得到的氣泡噪聲探測(cè)器所在管道中的鈉流量值。

二次儀表結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，對(duì)經(jīng)過(guò)濾波放大的一次傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、計(jì)算通道鈉流量、實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示輸出頻譜信號(hào)以及完成事故報(bào)警信號(hào)的輸出。信號(hào)處理與分析方法將于下一節(jié)簡(jiǎn)析。

圖2鈉中氣泡噪聲探測(cè)器二次儀表結(jié)構(gòu)框圖

2 信號(hào)處理與分析

如上節(jié)所述，一次傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后進(jìn)入二次儀表，在二次儀表進(jìn)行信號(hào)處理和分析，同時(shí)通過(guò)計(jì)算得到鈉中氣泡噪聲探測(cè)器所在管道的鈉流量。

2.1 信號(hào)處理方法

用于信號(hào)處理的方法主要采用傅里葉變換。傅里葉變換在信號(hào)處理中有著很廣泛的應(yīng)用，基礎(chǔ)公式如公式（1）、（2）所示。在計(jì)算機(jī)計(jì)算中通常采用離散傅里葉變換，對(duì)連續(xù)信號(hào)x（t）采樣并截?cái)嘁缘玫接邢揲L(zhǎng)的離散序列，對(duì)這一序列作離散傅里葉變換，可以分析連續(xù)信號(hào)x（t）頻譜的性質(zhì)。但是，采樣可能導(dǎo)致信號(hào)混疊和截?cái)嘈盘?hào)引起的頻譜泄漏，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率消減混疊，選擇適當(dāng)?shù)男蛄虚L(zhǎng)度并加窗可以抑制頻譜泄漏

2.2 噪聲信號(hào)分析方法

信號(hào)分析方法主要有均方根分析方法（RMS）、功率譜密度法（PSD）、二次平方法等。

均方根（RMS）法利用計(jì)算噪聲信號(hào)的均方根值反映噪聲信號(hào)的強(qiáng)弱，信號(hào)的RMS值隨泄漏率的增加而增加，可以通過(guò)檢測(cè)噪聲信號(hào)的RMS值得驟然增加判斷泄漏信號(hào)的產(chǎn)生。基礎(chǔ)公式如公式（3）所示。

功率譜密度法是計(jì)算自相關(guān)函數(shù)的傅里葉-變化，再對(duì)功率譜進(jìn)行分析得到幅值譜從而判斷泄漏的發(fā)生。隨機(jī)過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)定義如公式（4）。

二次平方法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的非線性時(shí)域信號(hào)處理方法。二次平方法的系統(tǒng)方塊圖如圖3所示。

圖3二次平方法系統(tǒng)框圖

圖中可見(jiàn)，帶通濾波和取平方各有兩個(gè)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)處理得一次傳感器輸出信號(hào)首先通過(guò)濾波器提取出主泄漏信號(hào)段，并且通過(guò)非線性放大器放大以提高過(guò)濾后的噪聲信號(hào)。

2.3 流量計(jì)算方法

由鈉中氣泡噪聲探測(cè)器一次傳感器的結(jié)構(gòu)分析，電極的布置示意圖如圖4所示。

圖4鈉中氣泡噪聲探測(cè)器電極布置示意圖

一次傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小用下式表示。

式中：

E—在液態(tài)鈉中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V。

B—管道截面上的磁通量密度，T。

d—鈉管道內(nèi)徑，m。

v—鈉流速，m/s。

二次儀表的輸入信號(hào)為電壓值，可以通過(guò)公式計(jì)算氣泡噪聲探測(cè)器所在管道的鈉流量值，并在二次儀表上完成顯示功能。在二次儀表中，利用感應(yīng)電勢(shì)E計(jì)算出鈉流體流速v，從而求得鈉體積流量Q。

式中：Q單位為m3/s。

將流量Q的單位取作m3/h，輸出信號(hào)E的單位取作mV，則式（8）可改寫(xiě)為下式：

在實(shí)際估算鈉流量時(shí)，需要考慮鈉管道管壁和液態(tài)鈉的導(dǎo)電性引起的分流以及由高溫引起的磁通量密度變化和鈉管道壁熱膨脹，實(shí)際應(yīng)用時(shí)上式需要做一定程度的修正，在此不做詳細(xì)討論。

3 結(jié)語(yǔ)

鈉中氣泡探測(cè)器一次傳感器通過(guò)旋渦發(fā)生體產(chǎn)生渦流，通過(guò)鈉切割磁感線產(chǎn)生電信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，之后由二次儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與頻譜分析，區(qū)分噪聲信號(hào)與本地信號(hào)，最終判斷是否給出泄漏報(bào)警，同時(shí)，根據(jù)輸出電動(dòng)勢(shì)的值，鈉中氣泡噪聲探測(cè)器還能完成計(jì)算所在管道流量的功能。在鈉冷快堆中，鈉中氣泡噪聲探測(cè)器被用來(lái)探測(cè)蒸汽發(fā)生器是否發(fā)生泄漏，具有重大意義，是重要的探測(cè)儀表，并有充分的發(fā)展前景。