钠中气泡噪声探测器原理简述

李明钊 张媛媛

0 概述

在钠冷快堆中，钠中气泡噪声探测器是蒸汽发生器事故保护系统的监测仪表之一，通过监测蒸汽发生器内气体（氢气）体积份额的变化，判断蒸汽发生器内部是否有泄漏发生，当测量信号超过报警阈值时形成蒸汽发生器泄漏报警信号，同时，钠中气泡噪声探测器需完成测量所在管道钠流量的功能。探测器管道与系统管道焊接安装，并需要保证系统压力边界完整性。

1 结构组成

钠中气泡噪声探测器主要由一次传感器、前置放大器、二次仪表组成，下文将分别对探测器各部分的工作原理与主要功能进行简述。

1.1 一次传感器

钠中气泡噪声探测器一次传感器的工作原理为：液态金属钠流经旋涡发生体后形成旋涡，当流体在垂直于磁场的钠管道中流动时切割磁力线，在与钠运动方向和磁力线方向相垂直的两电极上产生感应电动势；当钠中有气泡时（主要为氢气），流经旋涡发生体后形成的旋涡感应产生信号的频率和振幅不同。总而言之，一次传感器的主要功能是将流体的导电率转换成电信号。

其结构主要包括：旋涡发生体、磁钢组件、钠管道、电极及引线、支承定位组件、护罩、插座等组成。结构示意图如图1所示。

图1钠中气泡噪声探测器一次传感器结构示意图

1.1.1 旋涡发生体

旋涡发生体使管道内的流体产生涡流，增大信号波动幅度。

1.1.2 磁钢组件

磁钢组件是永磁式管道钠流量计的核心，一般由永磁体、磁极、磁轭（导磁体）组成，为测量信号的生成提供稳定磁场。

1.1.3 导管、电极及引线

磁力线、管轴线、电极轴线相互垂直。当液态钠从导管内流过时，液态钠切割磁力线，从而在电极上产生感应电动势。该感应电动势与钠流量成比例关系，只要建立电动势与钠流量间的关系式，便可通过测量感应电动势实现钠流量的测量。

1.1.4 支承定位组件

支承定位组件实现导管的固定支承，并防止导管的周向及径向运动，保证磁力线、管轴线、电极轴线相互垂直。

1.1.5 防护罩

防护罩实现对仪表的防护及散热功能。

1.1.6 插座

插座接线端子与电极引线焊接，将一次传感器生成的电压信号通过电缆传送至二次仪表。

1.2 前置放大器

由于一次传感器输出的噪声信号幅值很小，一般不超过1mV，对于小信号进行信号处理分析是非常困难的，微小的扰动噪声就会对信号产生的很大的影响。因此，采用前置放大器调节电信号的频率和振幅，通过对信号进行滤波放大使其满足二次仪表信号分析和处理的要求。

前置放大器对一次传感器的输出信号进行多级放大，实现对信号的去耦、滤波和放大功能，完成对一次传感器输出信号频率和振幅的调节。

1.3 二次仪表

当蒸汽发生器内发生泄漏，有钠水反应产生氢气时，在一次传感器输出的电信号中包括两部分的信号，一部分为氢气气泡产生的噪声信号，一部分为由钠在管道中的自然紊流、钠在局部和整个管道的波动而产生的本底信号。二次仪表的功能为，对经前置放大器放大后的输出信号进行频谱的处理分析，将噪声信号从本底信号中分离出来，并计算本底信号与噪声信号的功率谱密度比值。最后，将该比值与设定的蒸汽发生器泄漏报警阈值进行比较，判断是否给出报警信号；同时，二次仪表还承担计算气泡噪声探测器所在钠管道中钠流量的功能，并在二次仪表上显示计算得到的气泡噪声探测器所在管道中的钠流量值。

二次仪表结构框图如图2所示，对经过滤波放大的一次传感器输出电压信号进行频谱分析、计算通道钠流量、实现模数转换、显示输出频谱信号以及完成事故报警信号的输出。信号处理与分析方法将于下一节简析。

图2钠中气泡噪声探测器二次仪表结构框图

2 信号处理与分析

如上节所述，一次传感器的输出信号经过前置放大器放大后进入二次仪表，在二次仪表进行信号处理和分析，同时通过计算得到钠中气泡噪声探测器所在管道的钠流量。

2.1 信号处理方法

用于信号处理的方法主要采用傅里叶变换。傅里叶变换在信号处理中有着很广泛的应用，基础公式如公式（1）、（2）所示。在计算机计算中通常采用离散傅里叶变换，对连续信号x（t）采样并截断以得到有限长的离散序列，对这一序列作离散傅里叶变换，可以分析连续信号x（t）频谱的性质。但是，采样可能导致信号混叠和截断信号引起的频谱泄漏，可以通过选择适当的采样频率消减混叠，选择适当的序列长度并加窗可以抑制频谱泄漏

2.2 噪声信号分析方法

信号分析方法主要有均方根分析方法（RMS）、功率谱密度法（PSD）、二次平方法等。

均方根（RMS）法利用计算噪声信号的均方根值反映噪声信号的强弱，信号的RMS值随泄漏率的增加而增加，可以通过检测噪声信号的RMS值得骤然增加判断泄漏信号的产生。基础公式如公式（3）所示。

功率谱密度法是计算自相关函数的傅里叶-变化，再对功率谱进行分析得到幅值谱从而判断泄漏的发生。随机过程的自相关函数定义如公式（4）。

二次平方法是一种相对简单的非线性时域信号处理方法。二次平方法的系统方块图如图3所示。

图3二次平方法系统框图

图中可见，带通滤波和取平方各有两个环节。经过处理得一次传感器输出信号首先通过滤波器提取出主泄漏信号段，并且通过非线性放大器放大以提高过滤后的噪声信号。

2.3 流量计算方法

由钠中气泡噪声探测器一次传感器的结构分析，电极的布置示意图如图4所示。

图4钠中气泡噪声探测器电极布置示意图

一次传感器输出的感应电动势的大小用下式表示。

式中：

E—在液态钠中产生的感应电动势，V。

B—管道截面上的磁通量密度，T。

d—钠管道内径，m。

v—钠流速，m/s。

二次仪表的输入信号为电压值，可以通过公式计算气泡噪声探测器所在管道的钠流量值，并在二次仪表上完成显示功能。在二次仪表中，利用感应电势E计算出钠流体流速v，从而求得钠体积流量Q。

式中：Q单位为m3/s。

将流量Q的单位取作m3/h，输出信号E的单位取作mV，则式（8）可改写为下式：

在实际估算钠流量时，需要考虑钠管道管壁和液态钠的导电性引起的分流以及由高温引起的磁通量密度变化和钠管道壁热膨胀，实际应用时上式需要做一定程度的修正，在此不做详细讨论。

3 结语

钠中气泡探测器一次传感器通过旋涡发生体产生涡流，通过钠切割磁感线产生电信号，输出信号经前置放大器放大，之后由二次仪表进行数据处理与频谱分析，区分噪声信号与本地信号，最终判断是否给出泄漏报警，同时，根据输出电动势的值，钠中气泡噪声探测器还能完成计算所在管道流量的功能。在钠冷快堆中，钠中气泡噪声探测器被用来探测蒸汽发生器是否发生泄漏，具有重大意义，是重要的探测仪表，并有充分的发展前景。