RTD熱電阻故障在線診斷工具的研發(fā)和應(yīng)用

張獻(xiàn)軍

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

RTD熱電阻故障在線診斷工具的研發(fā)和應(yīng)用

張獻(xiàn)軍

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

介紹了某核電廠RTD熱電阻故障在線診斷工具研發(fā)的目的和意義，描述了RTD熱電阻故障在線診斷工具的技術(shù)方案，及工具研發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等技術(shù)細(xì)節(jié);通過應(yīng)用實(shí)踐，證明了RTD熱電阻故障診斷工具能夠真實(shí)反映現(xiàn)場溫度探頭的故障，快速給出故障診斷結(jié)果。

熱電阻；故障在線診斷；惠斯通電橋

0 引言

當(dāng)核電站機(jī)組的RTD(resistance temperature detector，電阻溫度探測器)出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差等異?，F(xiàn)象時(shí)，必須快速定位故障，掌握故障原因，并根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，制定檢修方案，盡快解決重要故障，以確保機(jī)組安全。

無論是為了滿足核電機(jī)組運(yùn)行安全的需求，還是為了核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益的需要，如果有一種設(shè)備或者工具能夠?qū)TD熱電阻故障進(jìn)行在線診斷，就可以快速找出故障原因，為決策者提供數(shù)據(jù)和診斷信息，給處理設(shè)備故障贏得時(shí)間。為此，設(shè)計(jì)和制造了一種RTD熱電阻故障在線診斷工具。

1 RTD熱電阻故障在線診斷工具介紹

(1) RTD熱電阻故障在線診斷工具，采用惠斯通平衡電橋原理設(shè)計(jì)和編寫軟件控制程序、設(shè)計(jì)和組裝硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電阻值的采集和測量。

(2) 采用熱電阻回路階躍電流響應(yīng)時(shí)間的測試原理，采集并記錄小段時(shí)間內(nèi)熱電阻在階躍電流作用下的溫度(電阻值)隨時(shí)間變化趨勢的數(shù)據(jù)。

(3) 采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP網(wǎng)絡(luò))方法，通過BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，擬合完整的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出曲線。根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)擬合的完整趨勢，計(jì)算出被測設(shè)備的階躍電流的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定溫度預(yù)測值、精度和誤差，最終給出RTD熱電阻故障的診斷結(jié)果。

2 技術(shù)方案

根據(jù)熱平衡原理，當(dāng)被測系統(tǒng)的熱電阻回路中增加某一固定階躍電流時(shí)，熱電阻的電阻值(溫度)將隨著通入電流的時(shí)間增加而變化，直至被測系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，溫度趨于穩(wěn)定。從加入電流開始，到被測系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定的過程，是設(shè)備的階躍電流響應(yīng)時(shí)間趨勢。

當(dāng)被測系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，電阻值將維持在某一恒定值不變；但為確保溫度穩(wěn)定在1 ‰的精度范圍內(nèi)，需要長時(shí)間進(jìn)行在線測量；又因現(xiàn)場測量時(shí)間過長，原來的工作環(huán)境已有較大變化，導(dǎo)致測量所得的數(shù)據(jù)動態(tài)誤差較大。本研發(fā)設(shè)備在線測量時(shí)間短，測量數(shù)據(jù)動態(tài)誤差可在1 ‰以內(nèi)。

根據(jù)被測系統(tǒng)熱平衡原理，首先通過惠斯通平衡電橋原理測量得出一段時(shí)間(約2 min)內(nèi)的熱電阻階躍電流時(shí)間響應(yīng)趨勢曲線；然后，通過BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，擬合完整的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出曲線，計(jì)算獲得完整的設(shè)備響應(yīng)時(shí)間；再根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)擬合的完整趨勢，計(jì)算出被測設(shè)備的階躍電流的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定溫度預(yù)測值、精度和誤差；最后，通過單個(gè)設(shè)備的測量參數(shù)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，得出熱電阻診斷結(jié)論。

2.1 響應(yīng)時(shí)間測量原理

假設(shè)溫度傳感器的置入不會改變被測介質(zhì)溫度，傳感器本體溫度均勻，傳感器無熱輻射能量損失，可建立起溫度傳感器的熱平衡方程為：

式中：c為溫度傳感器比熱容，J/(kg·K)；m為溫度傳感器質(zhì)量，kg；T(t)為溫度傳感器本體溫度(平均體溫度)時(shí)間函數(shù)，K；t為時(shí)間變量，s；δ為溫度傳感器耗散系數(shù)，W/K；Tθ(t)為被測介質(zhì)溫度時(shí)間函數(shù)，K。

將式(1)寫為：

式中：τ為具有時(shí)間的量綱，稱為溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)，τ=cm/δ。

由式(2)可知，由于非零τ的存在，在有限的時(shí)間內(nèi)T(t)≠Tθ(t)，這是溫度測量動態(tài)誤差的數(shù)學(xué)根源。當(dāng)Tθ(t)=Tθ(常數(shù))，且T(t)=T0(t=0)，則有：

由式(3)可知：

由式(4)可知，當(dāng)[T(t)-T0]=0.632(Tθ-T0)時(shí)，t=τ。

由此得，溫度傳感器熱時(shí)間常數(shù)τ，是具有某初始溫度的溫度傳感器放入溫度恒定的介質(zhì)中后，溫度傳感器的溫度變化量由0達(dá)到介質(zhì)溫度與溫度傳感器初始溫度之差的63.2?%所用的時(shí)間，也就是此工具需要測得的熱電阻電流響應(yīng)時(shí)間。

同時(shí)式τ=cm/δ又表明：由于介質(zhì)因素的影響，一個(gè)溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)不是唯一的，此時(shí)需要在特定介質(zhì)環(huán)境條件下對熱時(shí)間常數(shù)值進(jìn)行測取。

2.2 熱電阻電加熱

通過恒定的直流電流對熱電阻進(jìn)行加熱，加熱電流最大值不得超過55?mA(在系統(tǒng)軟件中設(shè)定其最大加熱電流55?mA，防止誤操作導(dǎo)致電流過大燒毀現(xiàn)場熱電阻設(shè)備)。

2.3 熱電阻測量

采用三線制接線方法連接三線熱電阻溫度傳感器，使熱電阻為惠斯通電橋的一個(gè)橋臂。熱電阻的接線如圖1所示。

在測量前先斷開圖1中的限流電阻短路開關(guān)，使回路中直流恒定電流維持在1—2?mA；調(diào)節(jié)惠斯通電橋另一橋臂上的電位器，使差分放大器的輸出為0；此后閉合限流電阻短路開關(guān)，使回路中直流電流上升到30—50?mA，并保持恒定。在開關(guān)閉合的同時(shí)開始采集差分放大器的輸出，直到該輸出基本穩(wěn)定時(shí)斷開限流電阻短路開關(guān)，并停止采集。熱電阻響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖1 熱電阻接線

圖2 熱電阻響應(yīng)曲線

2.4 數(shù)值分析

對現(xiàn)場測量生成的各型感溫元件的溫度-時(shí)間平均值曲線進(jìn)行數(shù)值分析，得到各型感溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間τ，溫度-時(shí)間平均值曲線如圖3所示。

2.5 趨勢顯示

將生成的各個(gè)型號感溫元件的溫度-時(shí)間平均值曲線、分析得到的各個(gè)型號感溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間和相關(guān)參數(shù)在同一圖中顯示出來，可得到趨勢曲線，如圖4所示。

酮是一種常見的抗心律失常藥，可輕度非競爭性阻滯腎上腺素受體，但其在應(yīng)用時(shí)需注意劑量，以防止低血壓、心動過緩等不良反應(yīng)出現(xiàn)[10]。氯沙坦鉀片、胺碘酮作用于不同受體，可多方面協(xié)同發(fā)揮作用，提高療效[11-12]。本研究結(jié)果顯示，氯沙坦鉀片與胺碘酮在改善風(fēng)濕性心臟病患者心功能方面臨床效果顯著。另外，應(yīng)用這兩種藥物后，患者交感神經(jīng)興奮性增強(qiáng)，阻斷心肌重塑，促進(jìn)持續(xù)心肌活動[13]。

圖3 溫度-時(shí)間平均值曲線

圖4 趨勢曲線

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 工作原理

RTD熱電阻在線診斷工具工作原理如圖5所示。RTD熱電阻故障在線診斷工具采用惠斯通平衡電橋原理設(shè)計(jì)和編寫軟件控制程序、設(shè)計(jì)和組裝硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電阻值的采集和測量。圖5中，RTD傳感器的信號線(3芯)連接到RTD熱電阻在線診斷工具后，RTD測量分析軟件控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬輸出通道A01輸出控制電壓，使程控恒流源輸出電流I經(jīng)過信號線1和2傳給RTD傳感器。

圖5 RTD熱電阻在線診斷工具原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬輸入通道A11和A12分別采集到信號線上的電壓U12和U13。其中，U12的電壓包括2根信號線的電壓和RTD傳感器的電壓，U13的電壓包括1根信號線的電壓和RTD傳感器的電壓。因此，RTD傳感器的電壓URTD=2U13-U12。

根據(jù)公式RRTD=URTD/I，可以計(jì)算出RTD傳感器的電阻值。

3.2 測量實(shí)現(xiàn)

RTD熱電阻在線診斷工具由1臺測量主機(jī)和1臺筆記本電腦組成。

測量主機(jī)和筆記本電腦通過USB數(shù)據(jù)線連接。通過筆記本設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過USB傳入筆記本，再以專門的軟件繪制響應(yīng)時(shí)間趨勢曲線。

3.3 軟件描述

3.3.1 ??數(shù)據(jù)顯示界面左側(cè)是數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。包括以下3個(gè)頁面。(1)?[數(shù)據(jù)]頁面?？梢燥@示采集到的RTD電壓值和測量儀的輸出電流值。

(2)?[分析]頁面。給出數(shù)據(jù)頁面顯示曲線的分析結(jié)果;顯示測量得到的響應(yīng)時(shí)間。

(3)?[RTD信息]頁面。供測試人員輸入RTD相關(guān)信息。

3.3.2 ??測量控制和狀態(tài)顯示

界面右側(cè)是測量控制和狀態(tài)顯示區(qū)域。測量控制分為手動測量和自動測量。

(1)?手動測量時(shí)，由測試人員控制輸出電流。單擊[手動啟動]按鈕，啟動手動測量。在[輸出電流(mA)]數(shù)值輸入框中輸入需要輸出的電流值，單擊[更新]按鈕，RTD測量儀將輸出設(shè)定的電流值。單擊[輸出復(fù)位]按鈕，輸出電流將自動被修改為0。注意：每次修改[輸出電流(mA)]數(shù)值輸入框中的電流值后，必須單擊[更新]按鈕，測量儀的輸出電流才會改變。

(2)?自動測量時(shí)，需要事先設(shè)定基礎(chǔ)電流、基礎(chǔ)電流持續(xù)時(shí)間、加熱電流和加熱電流持續(xù)時(shí)間。單擊[自動啟動]按鈕，啟動自動測量。軟件將按照事先設(shè)定的電流值和持續(xù)時(shí)間，控制RTD測量儀的輸出電流。

持續(xù)時(shí)間達(dá)到后，軟件自動將輸出電流修改為0，同時(shí)停止自動測試。單擊[導(dǎo)入]按鈕，可以導(dǎo)入之前的測量數(shù)據(jù)，用于歷史數(shù)據(jù)查看。單擊[數(shù)據(jù)分析]按鈕，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前數(shù)據(jù)的分析。在[分析]頁面，給出分析結(jié)果，并且給出當(dāng)前顯示曲線的階躍響應(yīng)時(shí)間。狀態(tài)顯示區(qū)域顯示當(dāng)前輸出電流值、測試持續(xù)時(shí)間和狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)狀態(tài)欄會顯示當(dāng)前軟件的狀態(tài)。

4 RTD熱電阻在線診斷工具的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)采集和測量

在該核電廠1號機(jī)組第2次大修中，應(yīng)用RTD熱電阻在線診斷工具分別測量和采集發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)(GRH)10個(gè)相同型號、安裝位置類似的溫度測量變送器(MT)，即1GRH131/132/133 /134/313/338/345/315/311MT。為了排查電廠1號機(jī)組有故障現(xiàn)象的1GRH133MT，測試了4個(gè)相同型號、安裝環(huán)境類似的溫度測點(diǎn)，即1GRH131/ 132/133/134MT。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算軟件約計(jì)算2萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)反復(fù)學(xué)習(xí)和計(jì)算次數(shù)在10萬次以上，得出趨勢分析圖。根據(jù)分析圖發(fā)現(xiàn)，前10組的測量數(shù)據(jù)最大誤差雖然達(dá)到2?‰(在熱電阻突然接受到40?mA電流時(shí)，自身的熱效應(yīng)帶來擾動)，但也不會影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測計(jì)算結(jié)果。在數(shù)據(jù)最終誤差選取時(shí)，需要剔除那些偏差明顯較大的數(shù)據(jù)；當(dāng)輸入穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)誤差集中在±0.1?‰，可以滿足精度要求。

由于測量的4個(gè)溫度測點(diǎn)中，除有故障現(xiàn)象的1GRH133MT外，其余3個(gè)溫度測點(diǎn)的階躍電流響應(yīng)時(shí)間曲線基本一致，故以1GRH131MT數(shù)據(jù)作為該種型號正常階躍電流響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置回路電流為40?mA。

同時(shí)，為查找2號機(jī)組2GRH312/313/338/ 345MT溫度偏差大的問題原因做好數(shù)據(jù)判斷和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備，在電廠1號機(jī)組大修時(shí)測量相同功能位置，即相同安裝位置、相同型號的共6個(gè)溫度測點(diǎn)（1GRH312/313/338/345/315/311MT)的階躍電流響應(yīng)時(shí)間，作為后續(xù)2號機(jī)組相同工況有偏差的溫度探頭2GRH312/313/338/345MT的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 數(shù)據(jù)對比和分析

表1為1GRH133MT測量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對比，得知：

(1)?1GRH133MT響應(yīng)時(shí)間約6.2?s，而標(biāo)準(zhǔn)探頭響應(yīng)時(shí)間約9.5?s，比標(biāo)準(zhǔn)電阻快3.3?s；

(2)?1GRH133MT最大值約142.5?Ω，而標(biāo)準(zhǔn)探頭最大值約115.2?Ω，比標(biāo)準(zhǔn)電阻大27.3?Ω。

表1 1GRH133MT測量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.3 測量結(jié)論

根據(jù)4.2節(jié)中1GRH133MT與標(biāo)準(zhǔn)探頭的對比結(jié)果，1GRH133MT的響應(yīng)時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)探頭快，說明故障既不是現(xiàn)場系統(tǒng)原因，也不是溫度探頭安裝位置不到位引起的。因?yàn)槿绻且陨显?，現(xiàn)場安裝環(huán)境的熱導(dǎo)率將出現(xiàn)差異，其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該大于標(biāo)準(zhǔn)探頭的響應(yīng)時(shí)間。故診斷結(jié)論為：1GRH133MT探頭本身故障。

現(xiàn)場對1GRH133MT絕緣的連續(xù)性檢查，結(jié)果合格;結(jié)合探頭的故障現(xiàn)象，進(jìn)一步分析得出探頭本身故障是由于探頭內(nèi)部材料不純或者探頭老化導(dǎo)致，建議更換故障溫度探頭。

4.4 應(yīng)用總結(jié)

通過對故障探頭1GRH133MT進(jìn)行測量和分析，在理論和實(shí)測數(shù)據(jù)上證明了DCS上溫度顯示波動是由1GRH133MT熱電阻溫度探頭本身故障(由于探頭內(nèi)部材料不純或者探頭老化導(dǎo)致)，而非1GRH線棒系統(tǒng)故障的原因，并且給出更換故障溫度探頭的建議。

實(shí)踐證明RTD熱電阻故障診斷工具能夠如實(shí)反映現(xiàn)場溫度探頭的故障，并通過不同參數(shù)分析，判斷故障的類型，為現(xiàn)場故障原因定位指明方向。當(dāng)出現(xiàn)重要設(shè)備的熱電阻溫度異常時(shí)，能夠給出故障診斷結(jié)果，提供決策建議。

綜上所述，RTD熱電阻故障在線診斷工具在核電廠1號機(jī)組第2次大修中的應(yīng)用，不但達(dá)到研發(fā)的目的，同時(shí)為分析2號機(jī)組GRH系統(tǒng)線棒溫度偏差問題做好了準(zhǔn)備——完成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集。

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2017-03-02。

張獻(xiàn)軍(1983—)，男，工程師，主要負(fù)責(zé)核電站儀表和控制設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)工作，email：zhangxianjun@cgnpc.com.cn。