基于LabVIEW 和PXI技術(shù)的核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)

為保證核電站安全運行和發(fā)生地震后對核電站安全性能的評價，根據(jù)核電站有關(guān)法規(guī)的規(guī)定，核電站必須設(shè)置地震儀表，以檢測地面運動和抗震Ⅰ類構(gòu)筑物等的響應(yīng)運動。

應(yīng)用美國NI 公司LabVIEW 系統(tǒng)開發(fā)平臺(包信號處理軟件)、先進的PXI 技術(shù)和地震動測量傳感器，研制成功了基于虛擬儀器的核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)。由于LabVIEW 強大的數(shù)據(jù)處理能力，豐富的數(shù)據(jù)表達方式和高效率，有力地支持和加快了系統(tǒng)的研制速度，在較短時間內(nèi)，研制成功了核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)地震信號處理功能強大，信息表達豐富、多樣、人機界面友好。它的主要功能是，實時監(jiān)測地震加速度隨時間變化過程，并判別真?zhèn)蔚卣?，?dāng)?shù)卣鹦盘柍^報警閾值時，顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出報警信號;采集記錄地震加速度反應(yīng)時程數(shù)據(jù)，計算基礎(chǔ)地面設(shè)備加速度響應(yīng)譜和設(shè)計響應(yīng)譜，并與理論設(shè)計響應(yīng)譜進行比較，以驗證抗震I 類構(gòu)筑物和設(shè)備的抗震設(shè)計是否合理，或判別是否需要對某些物項實施地震后檢查。

基礎(chǔ)地面設(shè)備地震動測量原理

設(shè)一基礎(chǔ)地面設(shè)備的單自由度模型如圖1所示：

對上述方程(7)、(8)和(9)，應(yīng)用兩階牛頓向前插值公式進行數(shù)值計算，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，然后平行連接生成相應(yīng)的設(shè)計響應(yīng)譜曲線。

核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)

核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng) ，其主要功能為：

(1)實時監(jiān)測地震加速度隨時間的變化過程，并判別真?zhèn)蔚卣鹦盘?當(dāng)?shù)卣鹦盘柍^報警閾值時顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出聲光報警信號，供值班人員決策是否發(fā)布警報或者停堆;

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

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

系統(tǒng)構(gòu)成

地震監(jiān)測系統(tǒng)由美國NI 公司的LabVIEW6i、PXI-1010、PXIPCI18335、SCX1102,PXI3031E,MXI-3 、Signal Processing Suite、三軸向加速度傳感器、工業(yè)控制計算機、激光打印機構(gòu)成(圖3)。

數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)平臺

● 數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)面板

數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)平臺面板見圖4 和圖5 。該系統(tǒng)平臺采用LabVIEW 的標(biāo)簽翻頁功能，監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)正處在地震監(jiān)測功能下，此時正測量和顯示自由場，- 15m 和11m各基礎(chǔ)地面三個方向上的加速度時程，同時顯示加速度的最大和最小值。圖5 顯示的是阻尼ξ為2%時的自由場、-15m和11m處基礎(chǔ)地面上的設(shè)備的計算地震加速度響應(yīng)譜(地震信號取自同濟大學(xué)地震試驗臺模擬地震信號)。

由LabVIEW 和信號處理包完成的地震信號分析軟件主要功能是：地震信號的調(diào)理、采集、存儲、真?zhèn)蔚卣鸬呐卸ê蛨缶?設(shè)備計算響應(yīng)譜和設(shè)計響應(yīng)譜的生成以及設(shè)計響應(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分析軟件中的聯(lián)合時頻分析和小波分析的應(yīng)用。

● 聯(lián)合時頻分析

對于地震信號的分析，人們除了要知道地震發(fā)生時的地震動加速度幅值和頻率外，還需要知道地震發(fā)生時期，地震動頻率隨時間的變化，也就是需要對地震信號進行聯(lián)合時頻分析，以得到地震動頻率與時間的關(guān)系。我們應(yīng)用LabVIEW 的聯(lián)合時頻分析軟件包，使用同濟大學(xué)地震試驗臺模擬地震信號，得到了地震動頻率D時間關(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 秒時間范圍內(nèi)，地震動中心頻率大約為1.5HZ，約在8 秒時，地震動頻率約為3.0Hz。

● 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,對上述地震信號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，(c)是高通濾波后的信號，(d)是低通濾波后的地震信號。應(yīng)用小波分析技術(shù)，將信號中的高頻和低頻部分進行“細化和放大”，低通濾波后的地震信號(d)更加清晰。

結(jié)論

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