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基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2011-09-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

為保證安全運(yùn)行和發(fā)生地震后對(duì)安全性能的評(píng)價(jià),根據(jù)有關(guān)法規(guī)的規(guī)定,核電站必須設(shè)置地震儀表,以檢測(cè)地面運(yùn)動(dòng)和抗震Ⅰ類構(gòu)筑物等的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

  應(yīng)用美國NI 公司 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)(包信號(hào)處理軟件)、先進(jìn)的PXI 技術(shù)和地震動(dòng)測(cè)量傳感器,研制成功了基于虛擬儀器的核電站系統(tǒng)。由于 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,豐富的數(shù)據(jù)表達(dá)方式和高效率,有力地支持和加快了系統(tǒng)的研制速度,在較短時(shí)間內(nèi),研制成功了核電站系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地震信號(hào)處理功能強(qiáng)大,信息表達(dá)豐富、多樣、人機(jī)界面友好。它的主要功能是,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震加速度隨時(shí)間變化過程,并判別真?zhèn)蔚卣穑?dāng)?shù)卣鹦盘?hào)超過報(bào)警閾值時(shí),顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出報(bào)警信號(hào);采集記錄地震加速度反應(yīng)時(shí)程數(shù)據(jù),計(jì)算基礎(chǔ)地面設(shè)備加速度響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜,并與理論設(shè)計(jì)響應(yīng)譜進(jìn)行比較,以驗(yàn)證抗震I 類構(gòu)筑物和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是否合理,或判別是否需要對(duì)某些物項(xiàng)實(shí)施地震后檢查。

  基礎(chǔ)地面設(shè)備地震動(dòng)測(cè)量原理

  設(shè)一基礎(chǔ)地面設(shè)備的單自由度模型如圖1所示:

基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)


基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  對(duì)上述方程(7)、(8)和(9),應(yīng)用兩階牛頓向前插值公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,最后獲得地面設(shè)備的加速度響應(yīng)譜曲線。

  按照ASME規(guī)范的規(guī)定,根據(jù)計(jì)算所得的加速度響應(yīng)譜曲線,按頻率± 15% 拓寬加速度響應(yīng)譜峰值點(diǎn),然后平行連接生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)響應(yīng)譜曲線。

核電站系統(tǒng)

  核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ,其主要功能為:

 ?。?)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震加速度隨時(shí)間的變化過程,并判別真?zhèn)蔚卣鹦盘?hào);當(dāng)?shù)卣鹦盘?hào)超過報(bào)警閾值時(shí)顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),供值班人員決策是否發(fā)布警報(bào)或者停堆;

  (2)采集、記錄基礎(chǔ)地面地震加速度反應(yīng)時(shí)程數(shù)據(jù),算出地面設(shè)備的加速度響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜,以了解和驗(yàn)證抗震Ⅰ類構(gòu)筑物和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是否合理,或判斷是否需要對(duì)某些物項(xiàng)實(shí)施震后檢查;

 ?。?) 顯示和打印采集到的地震加速度信號(hào)和分析獲得的數(shù)據(jù)、圖形,并存儲(chǔ)歸檔。

  系統(tǒng)構(gòu)成

  地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由美國NI 公司的6i、PXI-1010、PXIPCI18335、SCX1102,PXI3031E,MXI-3 、Signal Processing Suite、三軸向加速度傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、激光打印機(jī)構(gòu)成(圖3)。

基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

  ● 數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面板

  數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)面板見圖4 和圖5 。該系統(tǒng)平臺(tái)采用LabVIEW 的標(biāo)簽翻頁功能,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能一目了然,功能之間的相互關(guān)系層次清晰,選用方便。例如圖4 的面板所示,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正處在地震監(jiān)測(cè)功能下,此時(shí)正測(cè)量和顯示自由場(chǎng),- 15m 和11m各基礎(chǔ)地面三個(gè)方向上的加速度時(shí)程,同時(shí)顯示加速度的最大和最小值。圖5 顯示的是阻尼ξ為2%時(shí)的自由場(chǎng)、-15m和11m處基礎(chǔ)地面上的設(shè)備的計(jì)算地震加速度響應(yīng)譜(地震信號(hào)取自同濟(jì)大學(xué)地震試驗(yàn)臺(tái)模擬地震信號(hào))。

基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  由LabVIEW 和信號(hào)處理包完成的地震信號(hào)分析軟件主要功能是:地震信號(hào)的調(diào)理、采集、存儲(chǔ)、真?zhèn)蔚卣鸬呐卸ê蛨?bào)警;設(shè)備計(jì)算響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜的生成以及設(shè)計(jì)響應(yīng)譜與理論響應(yīng)譜的比較,最后輸出完整的地震數(shù)據(jù)文件。

下面舉例說明地震信號(hào)分析軟件中的聯(lián)合時(shí)頻分析和小波分析的應(yīng)用。

  ● 聯(lián)合時(shí)頻分析

  對(duì)于地震信號(hào)的分析,人們除了要知道地震發(fā)生時(shí)的地震動(dòng)加速度幅值和頻率外,還需要知道地震發(fā)生時(shí)期,地震動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化,也就是需要對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析,以得到地震動(dòng)頻率與時(shí)間的關(guān)系。我們應(yīng)用LabVIEW 的聯(lián)合時(shí)頻分析軟件包,使用同濟(jì)大學(xué)地震試驗(yàn)臺(tái)模擬地震信號(hào),得到了地震動(dòng)頻率—時(shí)間關(guān)系,圖6 至圖7 是用STFT 和ConeShaped 兩種算法得到的分析結(jié)果,從圖中可以看到,約在0-20 秒時(shí)間范圍內(nèi),地震動(dòng)中心頻率大約為1.5HZ,約在8 秒時(shí),地震動(dòng)頻率約為3.0Hz。

基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  ● 小波分析

  自1986 年以來,小波分析得到了迅速的發(fā)展,其應(yīng)用也逐漸地變得越來越廣泛,其在噪聲消除,微弱信號(hào)的提取和圖象處理等方面也取得超乎尋常的成果。顯然,小波分析也是地震信號(hào)分析的極為有用的工具.我們應(yīng)用LabVIEW 的“Wavelet and Filter BankDesign”軟件包,對(duì)上述地震信號(hào)作高通與低通濾波分解,圖8(a)是原始數(shù)據(jù),圖8(b)是重構(gòu)信號(hào),(c)是高通濾波后的信號(hào),(d)是低通濾波后的地震信號(hào)。應(yīng)用小波分析技術(shù),將信號(hào)中的高頻和低頻部分進(jìn)行“細(xì)化和放大”,低通濾波后的地震信號(hào)(d)更加清晰。

基于LabVIEW的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  結(jié)論

  本文應(yīng)用美國NI 公司的LabVIEW 和PXI 等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù),在較短時(shí)間內(nèi),研制成功了基于虛擬儀器的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集地震信號(hào)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理于一體,信號(hào)處理量大,數(shù)據(jù)表達(dá)直觀、多樣化。核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制成功,有力地支持了中國核電站的發(fā)展。



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