1、清華大學(xué)學(xué)報(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)泄漏探測技術(shù)實現(xiàn)快堆蒸汽發(fā)生器中水/水蒸汽泄漏故障的早期檢測是快堆安全運(yùn)行的重要措施之一。該文從故障診斷領(lǐng)域中特征信號模式識別的應(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)金屬實驗室實驗鈉回路上得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)

2、行了分析研究。結(jié)果表明,鈉水反應(yīng)泄漏信號的特征頻段在6kHz以下,正常信號和泄漏信號的處理結(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。關(guān)鍵詞:快堆;泄漏;聲學(xué)檢測;小波包;特征提取中圖分類號:TL329文章編號:1000-0054(2002)12-1655-04文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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)展有效的信號處理方法,識別聲學(xué)泄漏,實現(xiàn)水/水蒸汽泄漏故障的早期檢測,是快堆安全運(yùn)行的主要措施之一。對聲學(xué)泄漏探測系統(tǒng)采用的信號處理方法不盡相同

3、16,均基于傳統(tǒng)的Fourier變換,且較多依賴于信號特性的先驗知識。而泄漏信號具有非平穩(wěn)性,使建立在平穩(wěn)隨機(jī)過程理論之上的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)泄漏探測系統(tǒng)的信號處理中,提出采用基于小波包的能量譜特征直觀地識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,通過設(shè)定閾值進(jìn)行泄漏故障的檢測。此方法進(jìn)一步提高了聲學(xué)泄漏檢測系統(tǒng)的靈敏度,不需要信號特性的先驗知識,優(yōu)于傳統(tǒng)的信號處理方法。-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間窗和頻率窗的形狀均可以改變,但時頻窗口面積不變的時頻局部化分析方法。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)被分析信號的特征,自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶,使之與信號頻譜相匹配,從而提高了時-頻分辨率。圖1是小波包分解樹結(jié)構(gòu)圖,圖中以3層小波包分解為例。其中S節(jié)點代表原始信號,Wij節(jié)點代表小波包分解系數(shù)序列,下標(biāo)(i,j)表示分解樹中的第i層(即尺度數(shù))的第j個節(jié)點。每個收稿日期:2002-01-28作者簡介: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(自然科學(xué)版)2002,42(12)子樹的左節(jié)點代表分解的低頻分解部分,右節(jié)點代表高頻分解部分。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Sij,重構(gòu)信號具有關(guān)系:S=S30+S31+S32+S33+S34+S35+S36+S37.功率譜密度。從圖2和圖3的時域波形上看,正常信號和泄漏信號幾乎無法區(qū)分,從頻譜圖上看,泄漏信號的頻率范圍較寬,但信號能量主要集中在中低頻段。能量是信號分析的重要物理量,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時,系統(tǒng)不同頻率的信號能量分布將會有不同程度的改變,因此各頻率成分信號

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,若將原始信號中的最高頻率成分看作是1,則小波包分解是將信號按不同頻帶分割成多個窗口,某窗口內(nèi)的分解結(jié)果對應(yīng)信號在該頻帶內(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正常信號及其頻譜可見,三層小波包分解將整個頻帶劃分為8段。小波包變換對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Fourier變換的雙重特點,尤其適用于漸變性和與突變性共存的非平穩(wěn)信號的處理。圖3泄漏信號及其頻譜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,即沒有水/水蒸汽的泄漏發(fā)生時,聲學(xué)泄漏探測系統(tǒng)采集的正常信號是系統(tǒng)的背景噪聲。背景噪聲主要來自鈉、水的流動噪聲和蒸汽形成及流動的噪聲。當(dāng)有泄漏發(fā)生時,泄漏噪聲信號在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的換熱管束之間傳播,通過液態(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接收系統(tǒng)。在泄漏信號中,鈉水反應(yīng)過程

11、中氫氣泡形成所產(chǎn)生的噪聲對信號的影響起主要作用。圖2是正常信號及其頻譜圖,圖3是泄漏信號小波包分析由于更能刻劃出信號的頻率分布,提供不同頻段上信號的構(gòu)成信息,也就更能反映出信號的能量變化?；诖?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。把不同頻段上信號的能量求解出來,將這些能量值按順序排列形成特征向量,以供分析識別出泄漏信號的特征頻帶和進(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)和信號特性的先驗知識,直接利用不同頻率成分能量的變化來診斷泄漏故障。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)泄漏檢測方法1657示該子空間分解系數(shù)的長度。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,文中提取出對信號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、號的分析與診斷清華大學(xué)實驗鈉回路聲學(xué)泄漏探測系統(tǒng)進(jìn)行了蒸汽發(fā)生器正常和不同泄漏率情況下的實驗研究。綜合考慮信號分解的頻帶劃分和計算量的大小,本文采用Haar小波對采集的信號進(jìn)行3層小波包分解,圖4是正常信號的小波包分解結(jié)果,圖5是泄漏量為150mL h-1的泄漏信號的小波包分解結(jié)果。j=0E3j對特征向量進(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)生時能量明顯改變的頻帶,認(rèn)為該頻帶為泄漏信號的特征頻帶,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。根據(jù)對實驗數(shù)據(jù)圖4正常信號小波包分解結(jié)果1658清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2002,42(12)

14、根據(jù)式(2)計算正常信號和泄漏信號的歸一化特征向量 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,泄漏信號在W30的能量比正常信號有明顯的增強(qiáng)。采用此特征向量的確定方法,根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)分別求得各泄漏率信號的特征向量,結(jié)果表明,泄漏信號在W30的能量隨泄漏率的增大基本上具有增大的趨勢,而在其它頻帶上的能量變化不明顯。信號的采樣頻率為90kHz,由表1可以求得每個頻帶的范圍,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。對于簡單的確定系統(tǒng)是否發(fā)生泄漏的判別問題,根據(jù)以上分析,因為信號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的矩特征漏檢測的特征量,表2給出了各泄漏率信號矩特征的實驗數(shù)據(jù),將小波包分析應(yīng)用于信號處理中,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別和泄漏故障的檢測。研究表明,小波包分解結(jié)果的低頻窗口集中了泄漏信號的特征信息,鈉水反應(yīng)泄漏信號的特征頻帶在6kHz以下。本文提出的特征頻帶上的矩特征可以對系

16、統(tǒng)10mL h以上的泄漏進(jìn)行滿意的判別,使泄漏探測系統(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)泄漏探測技術(shù)的研究.系統(tǒng)信號特性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)泄漏探測技術(shù)的研究.利用經(jīng)典濾波技術(shù)提取泄漏信號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.利用信號處理技術(shù)提高聲學(xué)泄漏探測技術(shù)的靈敏度D.北京:清華大學(xué),2000.JIANGBing.ImprovementofAcousticLeakDetectionforSodium-Wate