Диагностика технического состояния проточных датчиков в составе измерительных каналов систем автоматизированного химического контроля АЭС

ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРОТОЧНЫХ ДАТЧИКОВ В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ХИМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АЭС

, , ,

», Сосновый Бор, Россия

Современный этап развития систем химического контроля (СХК) на объектах атомной энергетики связан с решением задачи интегрирования технических и инструментальных средств химического анализа в единый комплекс автоматизации контроля состояния технологического объекта управления (ТОУ) [1].

Ранее было показано [2], что структурная надежность СХК в составе АСУ ТП АЭС лимитируется качеством первичных измерительных преобразователей - проточных датчиков состава технологических сред (ПДСС). Задачу оперативной оценки технического состояния средств физико-химических измерений (СФХИ) с проточными датчиками в реальных условиях эксплуатации можно отнести к одной из главных нерешенных проблем организации и автоматизации химического контроля на объектах атомной энергетики.

В настоящее время в СХК для оценки состояния ИК с ПДСС обычно предусматривается контроль только по внешним факторам влияния, предельные значения которых устанавливаются эксплуатационной документацией на СФХИ (по температуре, расходу и давлению среды в гидравлическом тракте ПДСС, уровню внешних электромагнитных и электростатических полей и т. п.). С другой стороны, как показывает эксплуатационный опыт, значимую долю в потоке отказов ПДСС составляют отказы, связанные с деградацией элементов измерительной гальванической ячейки, используемой в качестве электрохимического первичного преобразователя (ЭХПП).




На сегодняшний день авторам известен единственный, предлагаемый на рынке, проточный датчик с интегрированной системой оперативной диагностики состояния ЭХПП, разработанный одной из авторитетных фирм в области аналитического приборостроения «Меттлер-Толедо» [3]. Это свидетельствует о том, что задача оперативного диагностирования состояния ЭХПП является актуальной и с точки зрения наиболее авторитетных производителей СФХИ.

Разработка соответствующих средств диагностики ПДСС является особенно актуальной для случаев:

– реализации СХК с большим числом измерительных каналов (ИК);

– включения в состав СХК ИК с датчиками состава высокорадиоактивных технологических сред.

Отсутствие или низкая эффективность оперативного контроля технического состояния ПДСС в указанных случаях приводит к неоправданно высокой численности, либо к повышенным дозозатратам персонала, обеспечивающего обслуживание и ремонт средств нижнего уровня СХК.

Осложняющим обстоятельством для разработки процедур диагностики технического состояния является объективно низкая контролепригодность ПДСС с ЭХПП [4]. Свойства ЭХПП, как правило, не позволяют применять для их текущего тестирования методы с использованием внешних генераторов электрических сигналов во избежание выхода из строя вследствие поляризационных эффектов на элементах схем формирования измерительного тока.

Следует отметить также, что контроль технического состояния ПДСС только по результатам периодической калибровки ИК не может считаться достаточно оперативным и полным. Последнее определяется следующими обстоятельствами:




– при калибровке ПДСС без демонтажа с пробоотборных линий их техническая исправность сама по себе является одним из условий, выполнение которых обязательно при проведении процедур метрологического обслуживания ИК [5];

– для наименее надежных элементов ПДСС (сенсоров, электролитических контактов и т. п.) вероятность сбоя и/или полного отказа в течение межкалибровочного интервала является высокой;

– зарождение неисправности ПДСС и ее развитие от периодических сбоев до полного внезапного отказа может развиваться в течение неопределенного интервала времени без значимого влияния на показатели точности ИК, оцененные при выполнении калибровки;

– раннее обнаружение развивающейся неисправности ПДСС (по возможности, до ее проявления в виде метрологического отказа) дает дополнительную возможность контроля и управления надежностью СХК в эксплуатационных условиях.

При выборе принципиальных технических решений, направленных на обеспечение контролепригодности ПДСС в эксплуатационных условиях, предпочтение следует отдавать методам оценки параметров состояния ЭХПП, отражающих их объективные физические свойства. В качестве одного из главных критериев эффективности метода оперативного контроля исправности при его выборе целесообразно рассматривать возможность решения задачи диагностирования технического состояния ЭХПП без усложнения аппаратной структуры ИК в составе СХК. При проведении оперативного контроля технического состояния ПДСС без демонтажа с линии важным источником информации о состоянии ЭХПП могут являться характеристики выходного сигнала, обусловленные электрохимическими свойствами его составных частей.




В настоящей работе с целью построения процедуры диагностирования технического состояния ПДСС в режиме рутинной эксплуатации на пробоотборных линиях предлагается использовать методы, основанные на сравнении расчетных оценок текущих и стандартизованных для нормального состояния характеристик выходного сигнала ЭХПП.

Предлагаемая процедура диагностирования технического состояния ПДСС в режиме рабочих измерений строится на следующих основных положениях:

– физическую модель измерительной цепи типовых ПДСС с ЭХПП всегда можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, включающей гальванические источники ЭДС, активные и реактивные сопротивления;

– при эксплуатации ПДСС элементы его электрической схемы подвержены воздействию целого ряда внешних и внутренних факторов влияния (таких как изменение температуры, расхода и давления измеряемой среды, внешние электромагнитные поля, отложение взвесей, износ, старение и др.), флуктуации которых могут приводить к случайной вариации номинальных значений характеристик составляющих частей ЭХПП;

– входной сигнал датчика – , под которым понимается значение концентрации определяемого компонента в контролируемой среде, протекающей через «объём» датчика, является функцией непрерывно изменяющейся независимой переменной t (время) и может быть представлен в виде суммы детерминированной составляющей и случайной составляющей z(t):

(1)

– технологически-значимое изменение концентраций контролируемых показателей качества водных технологических сред происходит на временных интервалах от десятков минут до нескольких часов, существенно превышающих постоянную времени датчика T (единицы минут), что позволяет на интервалах времени, сравнимых с Т, считать входной сигнал практически неизменным, а для моделирования его поведения на интервалах времени t > Т использовать кусочно-постоянную функцию;




– выходной электрический сигнал датчика Y(t) теоретически можно представить в виде суммы детерминированной составляющей и стохастической составляющей e(t):

(2)

– при построении математической модели выходного сигнала детерминированную составляющую выходного сигнала можно представить в качестве функции входного сигнала (т. е. она однозначно отражает отклик датчика Y1(t) на один и тот же входной сигнал X(t));

– стохастическая составляющая выходного сигнала, характеризующая шум датчика, отражает реакцию датчика на случайные изменения входного сигнала, случайные изменения условий эксплуатации датчика и физико-химические процессы деградации элементов измерительной цепи ЭХПП вследствие износа и старения;

– при переходе ПДСС из исправного в неисправное состояние из-за появившихся дефектов и/или изменения физико-химических свойств элементов ЭХПП (вследствие значимого изменения номинальных значений характеристик элементов эквивалентной электрической схемы датчика) изменятся и параметры собственного шума датчика (например, значение дисперсии шума и коэффициента автокорреляции) и форма его выходного сигнала;

– при создании необходимого математического обеспечения можно вести контроль технического состояния датчика на основе мониторинга параметров собственного шума и параметров, характеризующих форму выходного сигнала датчика в рабочих условиях измерений.

Для правильно функционирующего датчика постулировалось, что для различных значений выходного сигнала параметры статистической модели шума исправного ЭХПП не меняются на протяжении «длительного» временного интервала при неизменных внешних условиях эксплуатации ПДСС.




При разработке алгоритмов обнаружения изменений параметров собственного шума ПДСС в настоящей работе использовались методы контрольных карт[7, 8], регрессионного анализа [9], анализа временных рядов [6] и статистические методы описания показателей возможностей процессов [10-13].

При использовании методов прикладной статистики решение задачи создания и обеспечения расчетных процедур контроля состояния ПДСС может быть сведено к формированию из получаемых массивов результатов текущих измерений первичного электрического сигнала ЭХПП контролируемых статистик, обладающих свойствами, необходимыми для корректного применения соответствующих методов вероятностной диагностики.

Перечень решаемых задач и диагностических параметров для реализации алгоритмов обнаружения изменений технического состояния ПДСС

Решаемая задача

Используемые
методы

Формируемая статистика

Контроль дисперсии собственного шума датчика

Оценка текущего значения дисперсии собственного шума исправного датчика в рабочих условиях.

Методы регрессионного анализа [6, 13].

Di - оценка дисперсии выходного сигнала на элементарных временных интервалах в рамках модели линейной регрессии.

Оценка эталонного значения дисперсии собственного шума исправного датчика в паспортизованных условиях испытаний.

Методы регрессионного анализа [13].

Do - объединённая оценка дисперсии собственного шума исправного датчика.

Оценка эталонного значения дисперсии собственного шума исправного датчика по альтернативному алгоритму в паспортизованных условиях испытаний.




Построение статистических оценок. Методы робастного оценивания [14].

mD - робастная оценка центра распределения значений дисперсии собственного шума исправного датчика в классе загрязнённого нормального распределения.

Контроль текущего значения дисперсии работающего датчика на основе статистического критерия «хи-квадрат».

Дисперсионный анализ [13].

S2 - статистика критерия сравнения «хи-квадрат».

Обнаружение тенденций изменения «текущего значения» дисперсии собственного шума датчика в рабочих условиях.

Методы статистического контроля качества технологических процессов [7, 8].

- текущее среднее значение оценки дисперсии собственного шума датчика, рассчитанное в скользящем режиме.

Контроль коэффициента автокорреляционной функции собственного шума датчика

Оценка текущего значения коэффициента автокорреляционной функции собственного шума исправного датчика в рабочих условиях.

Методы анализа корреляции временных рядов [13].

- оценка коэффициента автокорреляционной функции собственного шума датчика на элементарном фрагменте результатов опроса датчика.

Оценка эталонного значения коэффициента автокорреляционной функции собственного шума исправного датчика в паспортизованных условиях испытаний.

Построение статистических оценок. Методы робастного оценивания [14].

- робастная оценка центра распределения значений коэффициента автокорреляционной функции собственного шума исправного датчика в классе загрязнённого нормального распределения.




Контроль текущего значения коэффициента автокорреляции собственного шума датчика в рабочих условиях.

Методы анализа корреляции временных рядов [13].

U – статистика критерия сравнения текущего значения коэффициента автокорреляционной функции собственного шума датчика с эталонным значением – .

С использованием указанных подходов к настоящему времени разработаны расчетные алгоритмы обнаружения изменений технического состояния ПДСС, включающие:

а)  получение оценок:

–  дисперсии собственного шума ПДСС на элементарном временном интервале опроса результатов текущих измерений;

–  эталонного значения дисперсии собственного шума ПДСС (базовый и альтернативный расчетные алгоритмы);

–  коэффициента автокорреляции собственного шума датчика на элементарном временном интервале результатов опроса результатов текущих измерений;

–  эталонного значения коэффициента автокорреляции собственного шума датчика;

б)  реализацию процедур:

–  сравнения «текущего значения» дисперсии собственного шума датчика с эталонным значением на основе статистического критерия;

–  обнаружения на контрольной карте Шухарта тенденций изменения «текущего значения» дисперсии собственного шума датчика в рабочих условиях;

–  сравнения «текущего значения» коэффициента автокорреляции собственного шума датчика с эталонным значением на основе статистического критерия.

Краткая характеристика решаемых задач и диагностических параметров, указанных выше алгоритмов обнаружения изменений технического состояния ПДСС, приведена выше в таблице. На рисунке 1 представлена блок-схема алгоритма контроля правильности функционирования ПДСС на основе статистических критериев (дисперсии и коэффициента автокорреляции).




Блок схема алгоритма оценки правильности функционирования ПДСС на основе
статистических критериев

По мере накопления экспериментальных данных целесообразна проверка эффективности моделей оценки и диагностики технического состояния ПДСС, основанных на более глубоком анализе свойств временных рядов результатов измерения выходного сигнала, в том числе его спектральных характеристик.

Реализация предложенного способа контроля технического состояния ПДСС становится возможной в связи с широким внедрением в практику технологических физико-химических измерений на объектах атомной энергетики микропроцессорных измерительных преобразователей (трансмиттеров) в составе цифровых каналов сбора, обработки и передачи данных СХК.

Использование цифровых каналов сбора, обработки и передачи данных позволяет представить выходной электрический сигнал ЭХПП в виде, пригодном для применения методов анализа временных рядов, используемых при разработке и реализации алгоритмов диагностики состояния ПДСС.

При выборе средства аналого-цифрового преобразования сигнала для реализации алгоритмов контроля состояния ПДСС по предлагаемой модели необходимо исходить из следующих общих требований:

–  частота преобразования аналогового сигнала в цифровой код должна отвечать частотной характеристике ПДСС, включая воздействия внешних электромагнитных полей промышленной частоты;

–  разрядность АЦП должна соответствовать динамическому диапазону выходного сигнала ПДСС с учетом амплитуды шумов промышленной частоты.




По результатам проведенных разработок сформулированы предложения по постановке экспериментов с целью оценки эффективности предложенной математической модели и отработки алгоритмов контроля технического состояния типовых ПДСС с учетом сформулированных требований к характеристикам средств регистрации и обработки выходного сигнала в составе ИК СХК.

Выводы

1.  Показана актуальность разработки средств оперативного диагностирования состояния ПДСС с ЭХПП для повышения надежности СХК в составе АСУ ТП АЭС.

2.  При выборе принципиальных технических решений, направленных на обеспечение контролепригодности ПДСС в эксплуатационных условиях, предпочтение следует отдавать методам оценки параметров состояния ЭХПП, отражающих их объективные физические свойства, без усложнения аппаратной структуры ИК в составе СХК.

3.  Предложена блок-схема алгоритма оперативного контроля технического состояния ПДСС, построенного на сравнении расчетных оценок текущих и стандартизованных для нормального состояния значений параметров высокочастотного шума выходного сигнала ПДСС с ЭХПП.

Список литературы

1)  Вилков проблемы развития систем автоматизации химического контроля на объектах атомной энергетики// Межвуз. сб. научн. трудов «Технологии и системы обеспечения жизненного цикла ядерных энергетических установок (вып.1). Водно-химический контроль в атомной энергетике». – СПб.: Изд. «Менделеев», 2004, стр.6-12

2)  , , Лукашев надежности, эксплуатационных характеристик и метрологической пригодности методов и средств измерения для систем химического контроля объектов атомной энергетики// Межвузовский сб. научн. трудов «Технологии и системы обеспечения жизненного цикла ядерных энергетических установок (вып.1). Водно-химический контроль в атомной энергетике». – СПб.: Изд. «Менделеев», 2004, стр.28-35




3)  ISM-оптимизация эксплуатации и обслуживания измерительного оборудования//Рекламный материал фирмы «Меттлер-Толедо Ингольд». – М: «METTLER-TOLEDO»

4)  ГОСТ . Техническая диагностика. Термины и определения. – М.: Госстандарт СССР

5)  , , , , , , , Чердаков -промышленная эксплуатация средств измерения, предлагаемых для использования в системах автохимконтроля на АЭС. - Сб. докладов 7-го Международного научно-технического совещания «Водно-химический режим АЭС». Москва. ВНИИАЭС. 17-19 октября 2006 г. – с.229-246

6)  Дж. Бокс, Г. Дженкинс. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1. М. Мир. 1974. – 408 c.

7)  ГОСТ Р 50779.40-96 Статистические методы. Контрольные карты. Общее руководство и введение.

8)  ГОСТ Р 50779.41-96 Статистические методы. Контрольные карты для арифметического среднего с предупредительными границами.

9)  ГОСТ Р 50779.10-2000 Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения.

10)  ГОСТ Р 50779.44-2001. Статистические методы. Показатели возможностей процессов. Основные методы расчёта.

11)  Катеман Г., Пийперс качества химического анализа: Пер. с англ. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989. – 448 с.

12)  Дерффель К. Статистика в аналитической химии: Пер. с нем.. М.: Мир, 1994. – 268 с.

13)  Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке (методы обработки данных) М. Мир. 1980. – 610 c.

14)  Ф. Хампель, Э. Рончетти, П. Рауссеу, В. Штаэль. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния: Пер. с англ. – М.: Мир. 1989. – 512 с.



Подпишитесь на рассылку:

Датчики

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства

Блокирование содержания является нарушением Правил пользования сайтом. Администрация сайта оставляет за собой право отклонять в доступе к содержанию в случае выявления блокировок.