鈉中氣泡噪聲探測器原理簡述

李明釗 張媛媛

0 概述

在鈉冷快堆中，鈉中氣泡噪聲探測器是蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測儀表之一，通過監(jiān)測蒸汽發(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)測量信號超過報警閾值時形成蒸汽發(fā)生器泄漏報警信號，同時，鈉中氣泡噪聲探測器需完成測量所在管道鈉流量的功能。探測器管道與系統(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，下文將分別對探測器各部分的工作原理與主要功能進(jìn)行簡述。

1.1 一次傳感器

鈉中氣泡噪聲探測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)流體在垂直于磁場的鈉管道中流動時切割磁力線，在與鈉運(yùn)動方向和磁力線方向相垂直的兩電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；當(dāng)鈉中有氣泡時（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)生信號的頻率和振幅不同。總而言之，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。

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，增大信號波動幅度。

1.1.2 磁鋼組件

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

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)流過時，液態(tài)鈉切割磁力線，從而在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該感應(yīng)電動勢與鈉流量成比例關(guān)系，只要建立電動勢與鈉流量間的關(guān)系式，便可通過測量感應(yīng)電動勢實現(xiàn)鈉流量的測量。

1.1.4 支承定位組件

支承定位組件實現(xiàn)導(dǎo)管的固定支承，并防止導(dǎo)管的周向及徑向運(yùn)動，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)罩實現(xiàn)對儀表的防護(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通過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幅值很小，一般不超過1mV，對于小信號進(jìn)行信號處理分析是非常困難的，微小的擾動噪聲就會對信號產(chǎn)生的很大的影響。因此，采用前置放大器調(diào)節(jié)電信號的頻率和振幅，通過對信號進(jìn)行濾波放大使其滿足二次儀表信號分析和處理的要求。

前置放大器對一次傳感器的輸出信號進(jìn)行多級放大，實現(xiàn)對信號的去耦、濾波和放大功能，完成對一次傳感器輸出信號頻率和振幅的調(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，在一次傳感器輸出的電信號中包括兩部分的信號，一部分為氫氣氣泡產(chǎn)生的噪聲信號，一部分為由鈉在管道中的自然紊流、鈉在局部和整個管道的波動而產(chǎn)生的本底信號。二次儀表的功能為，對經(jīng)前置放大器放大后的輸出信號進(jìn)行頻譜的處理分析，將噪聲信號從本底信號中分離出來，并計算本底信號與噪聲信號的功率譜密度比值。最后，將該比值與設(shè)定的蒸汽發(fā)生器泄漏報警閾值進(jìn)行比較，判斷是否給出報警信號；同時，二次儀表還承擔(dān)計算氣泡噪聲探測器所在鈉管道中鈉流量的功能，并在二次儀表上顯示計算得到的氣泡噪聲探測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，對經(jīng)過濾波放大的一次傳感器輸出電壓信號進(jìn)行頻譜分析、計算通道鈉流量、實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示輸出頻譜信號以及完成事故報警信號的輸出。信號處理與分析方法將于下一節(jié)簡析。

圖2鈉中氣泡噪聲探測器二次儀表結(jié)構(gòu)框圖

2 信號處理與分析

如上節(jié)所述，一次傳感器的輸出信號經(jīng)過前置放大器放大后進(jìn)入二次儀表，在二次儀表進(jìn)行信號處理和分析，同時通過計算得到鈉中氣泡噪聲探測器所在管道的鈉流量。

2.1 信號處理方法

用于信號處理的方法主要采用傅里葉變換。傅里葉變換在信號處理中有著很廣泛的應(yīng)用，基礎(chǔ)公式如公式（1）、（2）所示。在計算機(jī)計算中通常采用離散傅里葉變換，對連續(xù)信號x（t）采樣并截斷以得到有限長的離散序列，對這一序列作離散傅里葉變換，可以分析連續(xù)信號x（t）頻譜的性質(zhì)。但是，采樣可能導(dǎo)致信號混疊和截斷信號引起的頻譜泄漏，可以通過選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率消減混疊，選擇適當(dāng)?shù)男蛄虚L度并加窗可以抑制頻譜泄漏

2.2 噪聲信號分析方法

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

功率譜密度法是計算自相關(guān)函數(shù)的傅里葉-變化，再對功率譜進(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簡單的非線性時域信號處理方法。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，帶通濾波和取平方各有兩個環(huán)節(jié)。經(jīng)過處理得一次傳感器輸出信號首先通過濾波器提取出主泄漏信號段，并且通過非線性放大器放大以提高過濾后的噪聲信號。

2.3 流量計算方法

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

圖4鈉中氣泡噪聲探測器電極布置示意圖

一次傳感器輸出的感應(yīng)電動勢的大小用下式表示。

式中：

E—在液態(tài)鈉中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，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為電壓值，可以通過公式計算氣泡噪聲探測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E計算出鈉流體流速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E的單位取作mV，則式（8）可改寫為下式：

在實際估算鈉流量時，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，實際應(yīng)用時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

鈉中氣泡探測器一次傳感器通過旋渦發(fā)生體產(chǎn)生渦流，通過鈉切割磁感線產(chǎn)生電信號，輸出信號經(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)分噪聲信號與本地信號，最終判斷是否給出泄漏報警，同時，根據(jù)輸出電動勢的值，鈉中氣泡噪聲探測器還能完成計算所在管道流量的功能。在鈉冷快堆中，鈉中氣泡噪聲探測器被用來探測蒸汽發(fā)生器是否發(fā)生泄漏，具有重大意義，是重要的探測儀表，并有充分的發(fā)展前景。