基于小波包的快堆蒸汽發(fā)生器聲學(xué)泄漏檢測(cè)方法

1、清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002年第42卷第12期CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2002,Vol.42,No.1225/321655-1658基于小波包的快堆蒸汽發(fā)生器聲學(xué)泄漏檢測(cè)方法牛曉東,楊獻(xiàn)勇(清華大學(xué)熱能工程系,北京100084)摘要:發(fā)展聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)快堆蒸汽發(fā)生器中水/水蒸汽泄漏故障的早期檢測(cè)是快堆安全運(yùn)行的重要措施之一。該文從故障診斷領(lǐng)域中特征信號(hào)模式識(shí)別的應(yīng)用角度出發(fā),提出了采用基于小波包的能量譜特征及小波包系數(shù)的矩特征進(jìn)行泄漏信號(hào)的特征提取和泄漏故障診斷的基本方法,并利用清華大學(xué)液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)鈉回路上得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)

2、行了分析研究。結(jié)果表明,鈉水反應(yīng)泄漏信號(hào)的特征頻段在6kHz以下,正常信號(hào)和泄漏信號(hào)的處理結(jié)果表現(xiàn)出了明顯的差異,本方法可有效地判別出系統(tǒng)是否發(fā)生了泄漏,使得系統(tǒng)的靈敏度由200mL h-1提高到10mL h-1,可用于快堆蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽的泄漏檢測(cè)。關(guān)鍵詞:快堆;泄漏;聲學(xué)檢測(cè);小波包;特征提取中圖分類號(hào):TL329文章編號(hào):1000-0054(2002)12-1655-04文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A快堆核電站蒸汽發(fā)生器在運(yùn)行中可能發(fā)生水/水蒸汽泄漏事故。發(fā)展有效的信號(hào)處理方法,識(shí)別聲學(xué)泄漏,實(shí)現(xiàn)水/水蒸汽泄漏故障的早期檢測(cè),是快堆安全運(yùn)行的主要措施之一。對(duì)聲學(xué)泄漏探測(cè)系統(tǒng)采用的信號(hào)處理方法不盡相同

3、16,均基于傳統(tǒng)的Fourier變換,且較多依賴于信號(hào)特性的先驗(yàn)知識(shí)。而泄漏信號(hào)具有非平穩(wěn)性,使建立在平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論之上的Fourier變換不能完全適用。在本文研究的工況下只能檢測(cè)到泄漏率為200mL h以上的泄漏。本文將小波包變換引入快堆水/水蒸汽聲學(xué)泄漏探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理中,提出采用基于小波包的能量譜特征直觀地識(shí)別出泄漏的特征頻帶,然后定義特征頻帶上小波包系數(shù)的矩特征,通過(guò)設(shè)定閾值進(jìn)行泄漏故障的檢測(cè)。此方法進(jìn)一步提高了聲學(xué)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度,不需要信號(hào)特性的先驗(yàn)知識(shí),優(yōu)于傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法。-1Acousticleakdetectionbasedonwaveletpacketdecom

4、positionforLMFBRsteamgeneratorsNIUXiaodong,YANGXianyong(DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Thedetectionofwater/steamleaksinliquidmetalfastbreederreactors(LMFBR)isanimportantpartofthenuclearpowerplantsafetysystem.Thispaperdescribestheapplicationofsignalproc

5、essingmethodsusingwaveletpackettransformstoextractthekeyfeaturesfromanacousticleakdetectionsystemusingsignalidentification.Twodiagnosticmethodsdevelopedtorecognizetheleakarebasedontheenergyspectrumandthecoefficientmatrixbasedonwaveletpacketdecomposition.Thesemethodswereusedtoanalyzeexperimentaldataf

6、romthesodiumloopintheLiquidMetalLabinTsinghuaUniversity.Theresultsshowthatthefrequencybandofthesodium-waterreactionislessthan6kHzandthattherearedistinctdifferencesbetweennormalsignalsandfaultsignals.Themethodseffectivelyimprovethesensingabilityoftheacousticleakdetectionsystemfrom200mL h-1to10mL h-1.

7、Key:tbreederreactor(LM;leakage;1小波包分解原理小波分析方法是一種時(shí)間窗和頻率窗的形狀均可以改變,但時(shí)頻窗口面積不變的時(shí)頻局部化分析方法。小波包分析是在小波多分辨率分析基礎(chǔ)上構(gòu)成的一種更加精細(xì)的分析方法,它將頻帶進(jìn)行多層次劃分,并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征,自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶,使之與信號(hào)頻譜相匹配,從而提高了時(shí)-頻分辨率。圖1是小波包分解樹(shù)結(jié)構(gòu)圖,圖中以3層小波包分解為例。其中S節(jié)點(diǎn)代表原始信號(hào),Wij節(jié)點(diǎn)代表小波包分解系數(shù)序列,下標(biāo)(i,j)表示分解樹(shù)中的第i層(即尺度數(shù))的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)收稿日期:2002-01-28作者簡(jiǎn)介:牛曉東(1975-),男(漢),

8、北京,碩士研究生。E-mail:niuxiaodong99通訊聯(lián)系人:楊獻(xiàn)勇,教授,71656清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002,42(12)子樹(shù)的左節(jié)點(diǎn)代表分解的低頻分解部分,右節(jié)點(diǎn)代表高頻分解部分。將Wij進(jìn)行小波包反變換,得到各層分解系數(shù)的重構(gòu)信號(hào)Sij,重構(gòu)信號(hào)具有關(guān)系:S=S30+S31+S32+S33+S34+S35+S36+S37.功率譜密度。從圖2和圖3的時(shí)域波形上看,正常信號(hào)和泄漏信號(hào)幾乎無(wú)法區(qū)分,從頻譜圖上看,泄漏信號(hào)的頻率范圍較寬,但信號(hào)能量主要集中在中低頻段。能量是信號(hào)分析的重要物理量,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時(shí),系統(tǒng)不同頻率的信號(hào)能量分布將會(huì)有不同程度的改變,因此各頻率成分信號(hào)

9、的能量中包含著豐富的故障信息。圖1小波包分解示意圖從頻域看,若將原始信號(hào)中的最高頻率成分看作是1,則小波包分解是將信號(hào)按不同頻帶分割成多個(gè)窗口,某窗口內(nèi)的分解結(jié)果對(duì)應(yīng)信號(hào)在該頻帶內(nèi)的信息。表1表示三層小波包分解的按最高頻率歸一化的頻帶劃分。表1三層小波包分解的頻帶劃分WijW30W31W32W33歸一化頻帶0.0000.1250.1250.2500.2500.3750.3750.500WijW34W35W36W37歸一化頻帶0.5000.6250.6250.7500.7500.8750.8751.000圖2正常信號(hào)及其頻譜可見(jiàn),三層小波包分解將整個(gè)頻帶劃分為8段。小波包變換對(duì)小波多分辨率分析中

10、停止分解的中高頻段部分進(jìn)一步分解變細(xì),使分解在全頻域內(nèi)具有同樣高的頻率分辨率。這使得小波包變換具有小波變換和短時(shí)Fourier變換的雙重特點(diǎn),尤其適用于漸變性和與突變性共存的非平穩(wěn)信號(hào)的處理。圖3泄漏信號(hào)及其頻譜2基于小波包的診斷特征提取當(dāng)蒸汽發(fā)生器正常運(yùn)行,即沒(méi)有水/水蒸汽的泄漏發(fā)生時(shí),聲學(xué)泄漏探測(cè)系統(tǒng)采集的正常信號(hào)是系統(tǒng)的背景噪聲。背景噪聲主要來(lái)自鈉、水的流動(dòng)噪聲和蒸汽形成及流動(dòng)的噪聲。當(dāng)有泄漏發(fā)生時(shí),泄漏噪聲信號(hào)在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的換熱管束之間傳播,通過(guò)液態(tài)鈉傳到蒸汽發(fā)生器的器壁上,安裝在蒸汽發(fā)生器外壁上的加速度傳感器可將蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的各種噪聲傳送到信號(hào)接收系統(tǒng)。在泄漏信號(hào)中,鈉水反應(yīng)過(guò)程

11、中氫氣泡形成所產(chǎn)生的噪聲對(duì)信號(hào)的影響起主要作用。圖2是正常信號(hào)及其頻譜圖,圖3是泄漏信號(hào)小波包分析由于更能刻劃出信號(hào)的頻率分布,提供不同頻段上信號(hào)的構(gòu)成信息,也就更能反映出信號(hào)的能量變化。基于此,可采用小波包分解的能量譜作為泄漏診斷特征量,按照能量方式表示的小波包分解結(jié)果稱為能量譜。把不同頻段上信號(hào)的能量求解出來(lái),將這些能量值按順序排列形成特征向量,以供分析識(shí)別出泄漏信號(hào)的特征頻帶和進(jìn)行特征提取,這就是基于小波包變換提取能量特征的基本原理。此方法不需要系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)和信號(hào)特性的先驗(yàn)知識(shí),直接利用不同頻率成分能量的變化來(lái)診斷泄漏故障。以如圖1所示的三層小波包分解為例,設(shè)3層小波包分解系數(shù)為W3j

12、(k),其中j=0,1,7表示,牛曉東,等:基于小波包的快堆蒸汽發(fā)生器聲學(xué)泄漏檢測(cè)方法1657示該子空間分解系數(shù)的長(zhǎng)度。以小波包分解系數(shù)的平方和作為各子空間能量的標(biāo)志,各子空間能量E3j(j=0,1,7)為E3j=的研究結(jié)果,文中提取出對(duì)信號(hào)的突變比較敏感的小波包系數(shù)的一次矩 1、三次矩 3和穩(wěn)定性較好的二次矩 2作為泄漏檢測(cè)的特征量,矩特征 p(p=1,2,3)的定義為p=W3j(k) pMk=1M1Mk=1W3j(k) .2(1)以各子空間能量E3j(j=0,1,7)構(gòu)造特征向量.(3)=E30,E31,E32,E33,E34,E35,E36,E37.(2)為分析處理方便,取E=73泄漏信

13、號(hào)的分析與診斷清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)鈉回路聲學(xué)泄漏探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了蒸汽發(fā)生器正常和不同泄漏率情況下的實(shí)驗(yàn)研究。綜合考慮信號(hào)分解的頻帶劃分和計(jì)算量的大小,本文采用Haar小波對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解,圖4是正常信號(hào)的小波包分解結(jié)果,圖5是泄漏量為150mL h-1的泄漏信號(hào)的小波包分解結(jié)果。j=0E3j對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理,得到歸一化特征向量 。根據(jù)小波包能量譜分析結(jié)果,可以找到泄漏故障發(fā)生時(shí)能量明顯改變的頻帶,認(rèn)為該頻帶為泄漏信號(hào)的特征頻帶,可采用此頻帶的小波包分解系數(shù)構(gòu)造特征量,進(jìn)行泄漏故障的檢測(cè)。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖4正常信號(hào)小波包分解結(jié)果1658清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002,42(12)

14、根據(jù)式(2)計(jì)算正常信號(hào)和泄漏信號(hào)的歸一化特征向量 分別為: 正常=47.8,30.4,7.5,6.9,1.8,1.9,2.0,1.7, 泄露=62.7,25.2,5.4,3.6,1.2,0.8,0.6,0.4.比較特征向量 正常和 泄露可知,泄漏信號(hào)在W30的能量比正常信號(hào)有明顯的增強(qiáng)。采用此特征向量的確定方法,根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別求得各泄漏率信號(hào)的特征向量,結(jié)果表明,泄漏信號(hào)在W30的能量隨泄漏率的增大基本上具有增大的趨勢(shì),而在其它頻帶上的能量變化不明顯。信號(hào)的采樣頻率為90kHz,由表1可以求得每個(gè)頻帶的范圍,W30的頻帶范圍是05.625kHz,因此可以認(rèn)為鈉水反應(yīng)泄漏信號(hào)的特征頻段在

15、6kHz以下,這與文獻(xiàn)6認(rèn)為特征頻段在010kHz的低頻段的研究結(jié)果相符合。對(duì)于簡(jiǎn)單的確定系統(tǒng)是否發(fā)生泄漏的判別問(wèn)題,根據(jù)以上分析,因?yàn)樾盘?hào)的特征頻帶反映了系統(tǒng)泄漏最重要的信息,考慮采用信號(hào)在特征頻帶上的p(p=1,2,3)作為泄小波包分解結(jié)果W30的矩特征漏檢測(cè)的特征量,表2給出了各泄漏率信號(hào)矩特征的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將小波包分析應(yīng)用于信號(hào)處理中,分析了泄漏診斷特征的提取方法,提出了基于小波包的能量譜特征及小波包系數(shù)的矩特征進(jìn)行泄漏特征頻帶的識(shí)別和泄漏故障的檢測(cè)。研究表明,小波包分解結(jié)果的低頻窗口集中了泄漏信號(hào)的特征信息,鈉水反應(yīng)泄漏信號(hào)的特征頻帶在6kHz以下。本文提出的特征頻帶上的矩特征可以對(duì)系

16、統(tǒng)10mL h以上的泄漏進(jìn)行滿意的判別,使泄漏探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度有了較大提高,為快堆蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽的聲學(xué)泄漏檢測(cè)提供了一條有效途徑。參考文獻(xiàn)(References)1SrinivasanGS,SinghOmPal,PrabhakarR.LeaknoisedetectionandcharacterizationusingstatisticalfeaturesJ.AnnualsofNuclearEnergy,1999,27:3292343.HayashiK,ShinoharaY,WatanabeK.Acousticdetectionofin-sodiumwaterleaksusingtwice

17、squaringmethodJ.AnnualsofNuclearEnergy,1995,23:124931259.潘曉云,楊獻(xiàn)勇,羅銳,等.快堆蒸汽發(fā)生器聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)的研究.系統(tǒng)信號(hào)特性J.原子能科學(xué)技術(shù),1998,32(1):18.PANXiaoyun,YANGXianyong,LUORui,etal.Investigationonacousticleakdetectionmethodsinliquidmetalfastbreederreactorsteamgenerator.CharacteristicsofsignalsJ.AtomicEnergySciandTech,41998,3

18、2(1):18.(inChinese)潘曉云,楊獻(xiàn)勇,王洲.快堆蒸汽發(fā)生器聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)的研究.利用經(jīng)典濾波技術(shù)提取泄漏信號(hào)J.原子能科學(xué)技術(shù),1998,32(2):159163.PANXiaoyun,YANGXianyong,WANGZhou.Investigationonacousticleakdetectionmethodsinliquidmetalfastbreederreactorsteamgenerator.PickofleaksignalusingclassicalfilteringtechnologyJ.AtomicEnergySciandTech,1998,32(2):1595北京:清華大學(xué),1997.PANXiaoyun.ExperimentalInvestigationonAcousticLeakDetectioninLMFBRSteamGeneratorsbyNoiseSignalProcessingMethodsD.Beijing:TsinghuaUniversity,1997.(inChinese)6蔣冰.利用信號(hào)處理技術(shù)提高聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)的靈敏度D.北京:清華大學(xué),2000.JIANGBing.ImprovementofAcousticLeakDetectionforSodium-Wate