一种传感器响应时间测量方法

摘要

本发明涉及传感器响应时间测试技术领域，尤其涉及一种传感器响应时间测量方法。包括：采集传感器输出的噪声信号；在频域分析所述噪声信号的频域延时，在时域分析所述噪声信号的时域延时；将所述频域延时和所述时域延迟中的最大值作为传感器的响应时间；其中，所述噪声信号满足正态分布。上述技术方案采用频域分析方法和时域分析方法两种独立的方式对传感器的噪声信号进行分析，通过比较时域和频域响应时间的结果确定最终的响应时间。可有效地定期检查传感器的实际性能，提前识别潜在的传感器性能降级，避免因传感器性能降级导致的安全系统误动作/拒动作，从而保证核电厂关键参数的测量准确可靠，系统安全、经济运行。

权利要求

1.一种传感器响应时间测量方法，其特征在于，包括：采集传感器输出的噪声信号；

在频域分析所述噪声信号的频域延时，在时域分析所述噪声信号的时域延时；

将所述频域延时和所述时域延迟中的最大值作为传感器的响应时间；

其中，所述噪声信号满足正态分布；

所述采集传感器输出的噪声信号包括：首先滤除所述传感器输出信号中的直流分量，其次通过低通滤波以消除所述传感器输出信号中的无关噪声分量；

所述在频域分析所述噪声信号的频域延时包括：对所述噪声信号进行傅里叶变换以获取所述噪声信号的功率谱密度曲线Y（f）；

基于功率谱密度曲线Y（f）拟合获取频域传递函数H（f）；

基于所述频域传递函数H（f）获取频域斜坡响应；

将所述频域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的频域延时；

所述在时域分析所述噪声信号的时域延时包括：对所述噪声信号使用功率谱密度AR模型计算功率谱密度PSD；

基于计算的功率谱密度PSD获取时域传递函数H（z）；

基于所述时域传递函数H（z）获取时域斜坡响应；

将所述时域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的时域延时。

2.根据权利要求1所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于：所述采集传感器输出的噪声信号的过程中，采样频率大于200Hz。

3.根据权利要求2所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于：所述滤除所述传感器输出信号中的直流分量中，采用高通滤波器或者直流偏置计滤除所述传感器输信号中的直流分量。

4.根据权利要求1所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于：所述噪声信号的频谱包含未衰减部分、转折点部分和衰减过渡部分。

5.根据权利要求1所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于，所述的对所述噪声信号进行傅里叶变换以获取所述噪声信号的功率谱密度曲线Y（f）过程中：采用周期图法利用傅里叶变换计算所述噪声信号的功率密度曲线Y（f）。

6.根据权利要求1所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于，所述的基于功率谱密度曲线Y（f）拟合频域传递函数H（f）的过程中：采用拟合函数 进行拟合，以确定参数a、b、c、i的值；

其中，a、b、c、i为所述拟合函数的拟合参数，f为频率。

7.根据权利要求1所述的一种传感器响应时间测量方法，其特征在于，所述的基于计算的功率谱密度PSD获取时域传递函数H（Z）是指：基于计算的功率普密度 确定公式中的参数p和参数ak的值；

基于参数p和ak确定传递函数 ；

其中，ak为P阶的第k个系数、 为自回归模型偏差、Z为Z变化算子。

说明书

一种传感器响应时间测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器响应时间测试技术领域，尤其涉及一种传感器响应时间测量方法。

背景技术

[0002] 核电厂的控制系统和安全系统主要依靠过程仪表提供用于确认电厂安全性和效率的可靠信息。因此，需要在电厂寿期内按预定的间隔验证这类仪器仪表的性能。因此，需要按照预定的时间间隔测量核电厂控制系统和安全系统中传感器件的响应时间。

发明内容

[0003] 本发明为解决上述技术问题提供一种传感器响应时间的测量方法。

[0004] 一种传感器响应时间测量方法，其特征在于，包括：

[0005] 采集传感器输出的噪声信号；

[0006] 在频域分析所述噪声信号的频域延时，在时域分析所述噪声信号的时域延时；

[0007] 将所述频域延时和所述时域延迟中的最大值作为传感器的响应时间；

[0008] 其中，所述噪声信号满足正态分布。

[0009] 上述技术方案采用频域分析方法和时域分析方法两种独立的方式对传感器的噪声信号进行分析，通过比较时域和频域响应时间的结果确定最终的响应时间。可有效地定期检查传感器的实际性能，提前识别潜在的传感器性能降级，避免因传感器性能降级导致的安全系统误动作/拒动作，从而保证核电厂关键参数的测量准确可靠，系统安全、经济运行。

[0010] 作为优选，所述采集传感器输出的噪声信号的过程中，采样频率大于200Hz。

[0011] 作为优选，所述采集传感器输出的噪声信号包括：首先滤除所述传感器输出信号中的直流分量，其次通过低通滤波以消除所述传感器输出信号中的无关噪声分量。

[0012] 作为优选，所述滤除所述传感器输出信号中的直流分量中，采用高通滤波器或者直流偏置计滤除所述传感器输信号中的直流分量。

[0013] 作为优选，所述噪声信号的频谱包含未衰减部分、转折点部分和衰减过渡部分。

[0014] 作为优选，所述在频域分析所述噪声信号的频域延时包括：对所述噪声信号进行傅里叶变换以获取所述噪声信号的功率谱密度曲线Y（f）；基于功率谱密度曲线Y（f）拟合获取频域传递函数H（f）；基于所述频域传递函数H（f）获取频域斜坡响应；将所述频域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的频域延时。

[0015] 作为优选，所述的对所述噪声信号进行傅里叶变换以获取所述噪声信号的功率谱密度曲线Y（f）过程中：采用周期图法利用傅里叶变换计算所述噪声信号的功率密度曲线Y（f）。

[0016] 作为优选，所述的基于功率谱密度曲线Y（f）拟合频域传递函数H（f）的过程中：采用拟合函数  进行拟合。

[0017] 作为优选，所述在时域分析所述噪声信号的时域延时包括：对所述噪声信号使用功率谱密度AR模型计算功率谱密度PSD；基于计算的功率谱密度PSD获取时域传递函数H（z）；基于所述时域传递函数H（z）获取时域斜坡响应；将所述时域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的时域延时。

[0018] 作为优选， 所述的基于计算的功率谱密度PSD获取时域传递函数H（Z）是指：基于计算的功率普密度   确定公式中的参数p和参数ak的值； 基于参数p和ak确定传递函数   。

[0019] 本发明的有益效果如下：

[0020] 采用频域分析方法和时域分析方法两种独立的方式对传感器的噪声信号进行分析，通过比较时域和频域响应时间的结果确定最终的响应时间。频域分析方法和时域分析方法之间存在差异，他们的数据分析和计算过程完全独立，但是两种方式计算的功率谱密度几乎一致，确保了频域和时域功率谱密度计算的正确性。

附图说明

[0021] 图1本发明实施例一的传感器响应时间测量方法流程图。

[0022] 图2本发明实施例一的噪声信号的产生系统示意图。

[0023] 图3本发明实施例一的频域斜坡响应曲线。

[0024] 图4本发明实施例一的时域斜坡响应曲线。

具体实施方式

[0025] 这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。 除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。 将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

[0026] 噪声分析技术是监测核电厂处于运行时，诸如液位变送器等传感器对水/汽系统中存在的自然扰动（噪声）做出的响应。这些波动通常产自于系统水流、泵搅浑引起的涡动，随机的堆芯热量传递和其它自然发生现象。噪声分析技术也能用于热电偶和中子探测器等传感器的响应时间实验，下面以液位变送器的响应时间测量方法为例对本发明的传感器响应时间测量方法进行描述。本发明的噪声分析方法主要包含下述技术点：采集满足正态分布的噪声信号；在时域通过功率谱密度的自回归（AR）模型进行分析；在频域通过离散信号的快速傅立叶变换（FFT）计算功率谱密度进行分析，噪声分析流程详见图1。下面实施例一以液位变送器的响应时间测量方法为例对本发明方法的实施进行详细描述。

[0027] 实施例一

[0028] 液位变送器可以等效为一个线性系统，噪声源作为输入，经过液位变送器产生噪声输出信号，本实施例是通过液位变送器输出的噪声信号进行分析，获取液位变送器的等效传递函数模型，从而获取变送器的延时特性。

[0029] 本实施例的响应时间测量方法包括步骤：

[0030] 一． 采集传感器输出的噪声信号

[0031] 噪声分析对信号的要求较高，液位变送器可以等效为一个低通滤波器，变送器安装到现场之后，其频率响应也随之确定，液位变送器的响应时间和其衰减频率有关系，衰减频率越大，响应时间越快，反之响应时间越慢。如果噪声信号相对于变送器的固有频率为一窄带过程（噪声源频率小于变送器固有频率），采集到的信号体现为噪声信号本身的频响特性，无法获取真实液位变送器的频率响应。只有噪声信号相对于变送器的固有频率为宽带过程时（噪声源频率大于变送器固有频率），才能得到液位变送器真实的频率响应。窄带过程可以用来对液位变送器的响应时间进行评估，窄带过程计算出的响应时间大于液位变送器真实的响应时间，只要窄带过程计算出的响应时间满足安全分析的要求，那么液位变送器的响应时间必然满足安全分析的要求，因此噪声分析是保守的响应时间测试方法，噪声信号要满足以下要求：

[0032] 1）噪声信号强度足够强，其噪声信号的频率分布带宽足够宽。即要求噪声信号的频谱包含未衰减、转折点、及衰减过渡三个部分。

[0033] 2）噪声信号为一随机白噪声，其幅值概率分布满足正态分布，不能单调增大或者单调减小。

[0034] 3）噪声信号为一个随机过程，数据采集时，采集信号的时间必须足够长，确保采集的数据包含了随机信号的所有状态即采集到的信号为各态经历过程。

[0035] 三门核电1/2号机组需要测量响应时间的液位变送器共计32块，该仪表用用来测量CMT的液位，CMT为专设安全设施，在机组正常运行期间，液位处于稳定水平，无足够强度的噪声源，无法激励液位变送器的频率响应。如图2所示为本实施例的噪声信号的产生系统示意图。将测量管1通过两个隔离阀2与CMT连通，以将CMT内的液体引入到测量管1中。本实施例的液位变送器安装在测量管1中用于检测测量管1中液体的液位。测量管1的顶部安装有排气阀11，底部通过疏水阀12连接有过滤减压阀3。开启疏水阀12，通过过滤减压阀3可以向测量管1中输入空气，空气被注入到测量管1中引起测量管中的液位波动从而产生噪声。本实施例中基于图2所示噪声信号产生系统采集传感器输出的噪声信号方法如下：

[0036] 首先开启隔离阀向测量管1中注入15%-20%液位的液体，随后开启水水阀将压缩空气引入到测量管1中导致测量管1中液位产生波动，通过调节过滤减压阀3，维持测量管1中液位波动在35%-45%之间，从而确保信号强度足够大之后，开始采集液位变送器的输出信号。自然界的白噪声信号频率一般在100Hz以内，信号的采样频率需要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于信号最大频率的2倍（即200Hz），才能避免信号混叠现象。本实施例中的采样频率为2000Hz，采集时间约15分钟，采集大致9843040个数据。

[0037] 在采集液位变送器的输出信号时，首先需要滤除变送器输出信号中的直流分量，其次通过低通滤波以消除变送器输出信号中的无关噪声分量。具体的，可以采用高通滤波器或者直流偏置计滤除变送器输出信号中的直流分量。

[0038] 二． 在频域分析所述噪声信号的频域延时，在时域分析所述噪声信号的时域延时[0039] 1. 频域分析噪声信号的频域延时

[0040] 频域分析基于傅立叶变换对噪声信号进行分析，通过对采集的信号进行离散快速的傅立叶变换（FFT），再根据傅立叶变换计算出功率谱密度PSD。离散信号的傅立叶变换和功率谱密度存在一一对应关系。功率谱密度分析是基于频域信号能量的分析，现场采集的电压信号随时间变化为时域信号，通过傅立叶变换转换之后变为频域信号。

[0041] 液位变送器等效为一个线性系统，噪声源经过线性系统输出为采集到电压信号。假设现场噪声源信号为x（t），变送器的等效的线性系统传递函数为h（t），噪声源的输出信号为y（t），输入信号经过函数的响应过程为卷积运算，噪声源通过变送器的响应过程数学表达式为：

[0042]                                           （1）

[0043]                   （2）

[0044] 其中：

[0045] “*”运算为卷积运算；

[0046] “×”为乘积运算；

[0047] t为时间。

[0048] 根据卷积定理，时域卷积在频域存在乘积关系为：

[0049]                                       （3）

[0050] 其中：

[0051] X(f)为x（t）的傅立叶变换；

[0052] H(f)为h（t）的傅立叶变换；

[0053] Y(f)为y（t）的傅立叶变换；

[0054] f为频率。

[0055] 本实施例中，频域分析噪声信号的频域延时具体包括：

[0056] A．对所述噪声信号进行傅里叶变换以获取所述噪声信号的功率谱密度曲线Y（f）。为了提高计算处理数据的能力，本实施例采用周期图法利用傅里叶变换计算功率谱密度曲线Y（f）。将采集的数据分为30组，通过快速傅立叶变换函数FFT获取了噪声数据的单边功率谱密度数据及分布曲线。

[0057] B．基于功率谱密度曲线Y（f）拟合频域传递函数H（f）。建立适当的数学模型：

[0058]

[0059] 使用曲线拟合工具cftool基于上述拟合函数H（f）的公式完成功率谱密度曲线的拟合。在时域的延时体现在频域为衰减滞后，响应时间的主要特征体现在功率谱密度从不衰减到衰减的转折点处，因此在曲线拟合过程中，要确保低频段的拟合效果。在拟合完成后，根据拟合结果返回的特征参数，得到传递函数H（f）。

[0060] C．基于所述频域传递函数H（f）获取频域斜坡响应。变换器的响应时间主要用于停堆或者专设功能的安全事件分析，在事故工况下，参数变化接近于斜坡响应。使用单位斜坡信号作为传递函数的输入，获取斜坡响应曲线（如图3所示），根据斜坡输入和斜坡输出之间的时间差计算响应时间。

[0061] D．将所述频域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的频域延时。在电厂的安全分析报告中，对响应时间的最大允许时间有明确要求。在变送器斜坡响应0.5秒以前的位置，存在较大的延时，在事故工况下，无法确定液位下降或者上升的速度，如果液位变化速度过快时，可能存在较大的延时，因此基于保守考虑，对斜坡响应和斜坡输入进行偏差运算，利用matlab中的max函数获取斜坡响应的最大的延时时间，分别作为变送器频域和时域的响应时间。由于2阶或者2阶以上传递函数存在震荡环节（如图3中0-0.2s时间段），因此在计频域延时时，某一时间段应该包括震荡环节在内，从而使得计算频域延时时，能够选取到包括震荡环节在内的最大的时间延时。本实施例中，由于1.5秒上斜坡响应和斜坡输入之间的时间偏差已经稳定，因此选取的是0-1.5S时间段内的最大延时作为噪声信号的频域延时，在图3中幅值为0.798处，其延时为0.901s-0.798s=0.103s。

[0062] 2. 时域分析噪声信号的时域延时

[0063] 使用AR模型功率谱密度函数，直接对步骤一获取的噪声信号求取功率谱密度。具体为：

[0064] A．首先采用功率谱密度AR模型计算功率谱密度   获取功率谱密度曲线。

[0065] B．将AR模型计算的功率谱密度和频域功率谱密度Y（f）进行比较，两者之间偏差可接受时，可确定参数p和ak的值。然后基于拟合的参数p和ak确定时域传递函数：

[0066]  。

[0067] C．基于频域传递函数H（z）获取时域斜坡响应。本实施例中分两步获取获取斜坡响应：首先通过拟合函数为   进行拟合以获取阶跃响应函数。随后，对阶跃响应函数进行积分，获取时域斜坡响应。

[0068] D．将所述时域斜坡响应的某一时间段内的最大延时作为所述噪声信号的时域延时。在电厂的安全分析报告中，对响应时间的最大允许时间有明确要求。在变送器斜坡响应0.5秒以前的位置，存在较大的延时，在事故工况下，无法确定液位下降或者上升的速度，如果液位变化速度过快时，可能存在较大的延时，因此基于保守考虑，对斜坡响应和斜坡输入进行偏差运算，利用matlab中的max函数获取斜坡响应的最大的延时时间，分别作为变送器频域和时域的响应时间。由于2阶或者2阶以上传递函数存在震荡环节（如图4中0-0.2s时间段），因此在计算时域延时时，某一时间段应该包括震荡环节在内，从而使得计算时域延时时，能够选取到包括震荡环节在内的最大的时间延时。本实施例中，由于1.5秒上斜坡响应和斜坡输入之间的时间偏差已经稳定，因此选取的是0-1.5S时间段内的最大延时作为噪声信号的时域延时，在图4中幅值为100处，其延时为0.954s-0.854s=0.1s。

[0069] 三．将所述频域延时和所述时域延迟中的最大值作为传感器的响应时间[0070] 频域和时域的响应时间结果之间存在差异，无论时域和频域都是基于功率谱密度进行响应时间计算，通过变送器的等效传递函数模型对其响应时间进行估计，两种方法计算的结果都是完全独立的，无法确定哪个结果更接近于液位变送器真实的响应时间，基于保守考虑，选择频域和时域响应时间中的较大者。

[0071] 频域传递函数H（f）的模型为傅立叶变换，时域的传递函数模型H（z）为Z变换，传递函数模型完全独立，使得功率谱密度计算结果存在差异。但是两种方式计算的功率谱密度几乎一致，AR模型功率谱密度对频域计算的功率谱密度进行了验证，确保了频域和时域功率谱密度计算的正确性。

[0072] 申请人基于上述方法根据现场采集的1400万个数据，使用噪声分析算法计算CMT A磁浮子液位变送器响应时间结果详见下表：

[0073]

[0074] 噪声分析获取的仪表响应时间，验收准则为0.2s，测量结果满足验收准则的要求。

[0075] 虽然描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。