RTD熱電阻故障在線診斷工具的研發(fā)和應(yīng)用

張獻軍

(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、實現(xiàn)和應(yīng)用等技術(shù)細節(jié);通過應(yīng)用實踐，證明了RTD熱電阻故障診斷工具能夠真實反映現(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

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

無論是為了滿足核電機組運行安全的需求，還是為了核電站運行的經(jīng)濟效益的需要，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)備故障贏得時間。為此，設(shè)計和制造了一種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)計和編寫軟件控制程序、設(shè)計和組裝硬件設(shè)備，實現(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)時間的測試原理，采集并記錄小段時間內(nèi)熱電阻在階躍電流作用下的溫度(電阻值)隨時間變化趨勢的數(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)的學習和自適應(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，計算出被測設(shè)備的階躍電流的響應(yīng)時間、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，當被測系統(tǒng)的熱電阻回路中增加某一固定階躍電流時，熱電阻的電阻值(溫度)將隨著通入電流的時間增加而變化，直至被測系統(tǒng)達到熱平衡，溫度趨于穩(wěn)定。從加入電流開始，到被測系統(tǒng)最終達到穩(wěn)定的過程，是設(shè)備的階躍電流響應(yīng)時間趨勢。

當被測系統(tǒng)達到熱平衡時，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)，需要長時間進行在線測量；又因現(xiàn)場測量時間過長，原來的工作環(huán)境已有較大變化，導致測量所得的數(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間(約2 min)內(nèi)的熱電阻階躍電流時間響應(yīng)趨勢曲線；然后，通過BP網(wǎng)絡(luò)的學習和自適應(yīng)功能，擬合完整的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出曲線，計算獲得完整的設(shè)備響應(yīng)時間；再根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)擬合的完整趨勢，計算出被測設(shè)備的階躍電流的響應(yīng)時間、穩(wěn)定溫度預(yù)測值、精度和誤差；最后，通過單個設(shè)備的測量參數(shù)數(shù)據(jù)與標準進行對比，得出熱電阻診斷結(jié)論。

2.1 響應(yīng)時間測量原理

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)時間函數(shù)，K；t為時間變量，s；δ為溫度傳感器耗散系數(shù)，W/K；Tθ(t)為被測介質(zhì)溫度時間函數(shù)，K。

將式(1)寫為：

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

由式(2)可知，由于非零τ的存在，在有限的時間內(nèi)T(t)≠Tθ(t)，這是溫度測量動態(tài)誤差的數(shù)學根源。當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[T(t)-T0]=0.632(Tθ-T0)時，t=τ。

由此得，溫度傳感器熱時間常數(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?%所用的時間，也就是此工具需要測得的熱電阻電流響應(yīng)時間。

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

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)閉合的同時開始采集差分放大器的輸出，直到該輸出基本穩(wěn)定時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-時間平均值曲線進行數(shù)值分析，得到各型感溫元件的熱響應(yīng)時間τ，溫度-時間平均值曲線如圖3所示。

2.5 趨勢顯示

將生成的各個型號感溫元件的溫度-時間平均值曲線、分析得到的各個型號感溫元件的熱響應(yīng)時間和相關(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，阻斷心肌重塑，促進持續(xù)心肌活動[13]。

圖3 溫度-時間平均值曲線

圖4 趨勢曲線

3 方案實現(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)計和編寫軟件控制程序、設(shè)計和組裝硬件設(shè)備，實現(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，可以計算出RTD傳感器的電阻值。

3.2 測量實現(xiàn)

RTD熱電阻在線診斷工具由1臺測量主機和1臺筆記本電腦組成。

測量主機和筆記本電腦通過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個頁面。(1)?[數(shù)據(jù)]頁面。可以顯示采集到的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，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，需要事先設(shè)定基礎(chǔ)電流、基礎(chǔ)電流持續(xù)時間、加熱電流和加熱電流持續(xù)時間。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)時間，控制RTD測量儀的輸出電流。

持續(xù)時間達到后，軟件自動將輸出電流修改為0，同時停止自動測試。單擊[導入]按鈕，可以導入之前的測量數(shù)據(jù)，用于歷史數(shù)據(jù)查看。單擊[數(shù)據(jù)分析]按鈕，可實現(xiàn)當前數(shù)據(jù)的分析。在[分析]頁面，給出分析結(jié)果，并且給出當前顯示曲線的階躍響應(yīng)時間。狀態(tài)顯示區(qū)域顯示當前輸出電流值、測試持續(xù)時間和狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)狀態(tài)欄會顯示當前軟件的狀態(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)電機氫氣冷卻系統(tǒng)(GRH)10個相同型號、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號機組有故障現(xiàn)象的1GRH133MT，測試了4個相同型號、安裝環(huán)境類似的溫度測點，即1GRH131/ 132/133/134MT。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理，計算軟件約計算2萬個數(shù)據(jù)點，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學習和自適應(yīng)反復(fù)學習和計算次數(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)最大誤差雖然達到2?‰(在熱電阻突然接受到40?mA電流時，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)測計算結(jié)果。在數(shù)據(jù)最終誤差選取時，需要剔除那些偏差明顯較大的數(shù)據(jù)；當輸入穩(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個溫度測點中，除有故障現(xiàn)象的1GRH133MT外，其余3個溫度測點的階躍電流響應(yīng)時間曲線基本一致，故以1GRH131MT數(shù)據(jù)作為該種型號正常階躍電流響應(yīng)的標準，設(shè)置回路電流為40?mA。

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

4.2 數(shù)據(jù)對比和分析

表1為1GRH133MT測量數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)的對比，得知：

(1)?1GRH133MT響應(yīng)時間約6.2?s，而標準探頭響應(yīng)時間約9.5?s，比標準電阻快3.3?s；

(2)?1GRH133MT最大值約142.5?Ω，而標準探頭最大值約115.2?Ω，比標準電阻大27.3?Ω。

表1 1GRH133MT測量數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)

4.3 測量結(jié)論

根據(jù)4.2節(jié)中1GRH133MT與標準探頭的對比結(jié)果，1GRH133MT的響應(yīng)時間比標準探頭快，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。因為如果是以上原因，現(xiàn)場安裝環(huán)境的熱導率將出現(xiàn)差異，其響應(yīng)時間應(yīng)該大于標準探頭的響應(yīng)時間。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進行測量和分析，在理論和實測數(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。

實踐證明RTD熱電阻故障診斷工具能夠如實反映現(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。當出現(xiàn)重要設(shè)備的熱電阻溫度異常時，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號機組第2次大修中的應(yīng)用，不但達到研發(fā)的目的，同時為分析2號機組GRH系統(tǒng)線棒溫度偏差問題做好了準備——完成標準數(shù)據(jù)的采集。

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2017-03-02。

張獻軍(1983—)，男，工程師，主要負責核電站儀表和控制設(shè)備的運行和維護工作，email：zhangxianjun@cgnpc.com.cn。