Разработка и исследование методов и средств идентификации и контроля металлической ленты системы загрузки реактора

Актуальность темы

Проблема обеспечения надежности и безопасности энергетического оборудования атомных электростанций (АЭС) является одной из важнейших. В технологическом процессе производства электроэнергии на АЭС загрузка тепловыделяющих элементов обеспечивается системой управления загрузкой, составной частью которой является подъемный механизм, в котором используется металлическая немагнитная лента. В результате ее эксплуатации в ней появляются дефекты в виде поперечных трещин, дислоцируемых в основном на ее краях, что может привести к обрыву ленты и, как следствие, к большим материальным потерям и даже к чрезвычайным ситуациям.

Поэтому для обеспечения безопасности технологического процесса загрузки используют мониторинг технического состояния ленты как при профилактических мероприятиях, так и в процессе эксплуатации, что вызывает необходимость в анализе и хранении больших объемов данных. При этом в качестве первичных преобразователей чаще всего используются матричные вихретоковые преобразователи.

В процессе мониторинга сигналов вихретокового преобразователя от ^ протяженных объектов возникает противоречие между физическими возможностями оператора и объемом массивов данных, поступающих на анализ. Это противоречие может быть разрешено либо посредством ретроспективного анализа, что снижает оперативность принятия решения и в ряде случаев может быть недопустимо, либо путем структурирования задачи анализа на основе хорошо разработанных методов обработки сигналов, стандартных аппаратных средств и стандартного инструментария информационных технологий. Так как большинство сигналов, получаемых при мониторинге, являются сильно зашумленными, то возникает необходимость «в использовании различных методов фильтрации, что требует априорных сведений о сигнале.

Для успешной классификации и идентификации таких сигналов необходима их адекватная модель. При этом процесс моделирования сигналов в металлической ленте требует решения обратной задачи электродинамики, что связано с большими теоретическими и вычислительными трудностями, которые могут быть преодолены путем объединения опыта, накопленного в ходе аналитических и экспериментальных исследований вихретоковых сигналов, и возможностями современных информационных технологий.

Отсутствие математических, алгоритмических и технических решений, которые бы позволили интегрировать накопленный опыт исследования топологи вихревых токов в проводящих объектах при использовании современных информационных технологий, определяет актуальность темы диссертационного исследования.

Работа выполнена в соответствии с договором на создание научно-технической продукции «Разработка системы автоматизированного контроля СУЗ» между Курским государственным техническим университетом и Курской атомной электростанцией.

Цель работы. Разработка моделей, методов и средств для идентификации технического состояния металлической ленты загрузочного устройства на основе вихретоковых методов неразрушающего контроля с использовани— ем матричных вихретоковых преобразователей и спектрального анализа сигналов, обеспечивающих повышение надежности технологического процесса загрузки тепловыделяющих элементов в канал реактора.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ методов, алгоритмов и устройств классификации и идентификации сигналов, получаемых от накладных вихретоковых преобразователей в процессе мониторинга протяженных объектов;

— разработать и исследовать математические модели для заданной топологии вихревых токов, связывающие характеристики неоднородности электропроводности объекта контроля с измеряемыми параметрами на выходе вихретокового преобразователя;

— создать метод трансформации пространства изображения дефектов в металлической ленте;

— предложить способ принятия решений при контроле и диагностике металлической ленты системы управления загрузкой;

— спроектировать и исследовать комплекс средств сбора, передачи и обработки данных, используемый в системе принятия решений для диагностики технического состояния ленты системы управления загрузкой;

— провести экспериментальные исследования разработанных моделей в технических системах принятия решений при идентификации технического состояния ленты системы управления загрузкой.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электромагнитного поля и методы вихретокового неразрушаю-щего контроля, теория математического моделирования, теория распознавания образов и обработки изображений, теория вероятностей и математической статистики, теория ортогональных преобразований в гильбертовом пространстве.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, — характеризующиеся научной новизной:

— трехмерная модель взаимодействия вихретокового преобразователя с металлической немагнитной лентой, отличающаяся представлением объекта контроля в виде суперпозиции концентрических и коаксиальных колец и позволяющая вести расчет вносимых напряжений вихретокового преобразователя посредством решения системы линейных алгебраических уравнений;

— трехмерная модель взаимодействия вихретокового преобразователя с дефектом в виде поперечной трещины в немагнитной металлической ленте, отличающаяся представлением объекта контроля в виде двух групп эксцентрических и коаксиальных колец, позволяющая на основе решения системы алгебраических уравнений построить итерационные алгоритмы идентификации дефектов для автоматизированной системы контроля состояния металлической ленты системы управления загрузкой;

— способ идентификации дефектов на краях металлической ленты в пространственной и частотной областях, отличающийся тем, что массив отсчетов, получаемый от матричного вихретокового преобразователя, дооопре-деляется до массива, соответствующего двумерному частотному преобразованию одномерного квазипериодического сигнала, позволяющий использовать линейную фильтрацию в одномерном пространстве при идентификации двумерного сигнала;

— метод идентификации металлической ленты системы управления загрузкой, основанный на анализе сигналов вихретоковых преобразователей, отличающийся последовательной трансформацией признаковых пространств и фильтрацией сигналов в этих пространствах адаптивными фильтрами, позволяющий построить итерационный процесс восстановления изображений дефектов, основанный на определении невязки между реальным сигналом и его моделью;

— устройство для идентификации дефектов на краю металлической немагнитной ленты посредством вихретоковых методов контроля, отличаю щееся использованием многоэлементного вихретокового преобразователя с перестраиваемой структурой, позволяющее повысить соотношение сигнал/шум для дефектов на краях ленты, дислоцированных в поперечном направлении, в среднем в пять раз.

Практическое значение полученных результатов. В результате проведенных исследований разработан программно-аппаратный комплекс контроля технического состояния металлической ленты системы управления загрузкой тепловыделяющих элементов реактора, основанный на формировании доступных для анализа человеком-оператором двумерных изображений, визуализирующих физическое поле контролируемого объекта, и позволяющий посредством использования интерактивного режима обработки визуальной информации повысить безопасность эксплуатации энергетического оборудования электростанций, а также оперативность контроля технического состояния металлической ленты.

Достоверность полученных результатов обеспечена теоретическими и экспериментальными доказательствами выдвинутых утверждений, программной реализацией разработанных методов и математических моделей и апробацией их на контрольных сигналах, сравнительным анализом результатов, полученных новыми и традиционными методами, лабораторными испытаниями и практическими результатами, а также экспертизой предложенных в работе научно-технических решений Роспатентом. Реализация научно-технических результатов. Разработанные методы, модели и алгоритмы составили основу построения автоматизированной системы контроля технического состояния ленты 08Х19Н10Т. Эксплуатация системы позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации технологического оборудования электростанций, а также оперативность контроля технического состояния металлической ленты.

Результаты работ внедрены в Курчатовском монтажном управлении «Центроэнергомонтаж» и в учебном процессе Курского государственного технического университета в курсах «Измерительные преобразователи и — электроды» и «Методы обработки сигналов и данных».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 1-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», Курск, 2003; на 1-й Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность — многоуровневый аспект: превентивные меры и методы», Пенза, 2003; на Междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека» («НБИТТ-21»), Петрозаводск, 2003; Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборои машиностроении»,.

МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003; на X Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-2003», Курск, 2003; на Международной научно-практической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2004; на Международной молодежной научной конференции «XXX Гагаринские чтения», «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2004.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автором предложена модель распределения вихревых токов в металлической ленте в виде конечных элементов, имеющих форму колец [1], лично автором предложена модель вихревых токов в неизотропном материале [2], лично автором предложен алгоритм оптимизации параметров вихретокового преобразователя, предназначенного для дефектоскопии немагнитной металлической ленты [5], лично автором предложена конструкция катушек индуктивности и блока коммутаторов [8].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 103 наименования. Объем диссертации — 119 страниц машинописного текста, 42. рисунка и 1 таблица.

Выводы четвертой главы.

В результате имитационного моделирования дефектов в ленте СУЗ было установлено, что геометрические размеры и дислокация дефектов могут могут быть уточнены посредством перехода из двумерного пространства сигналов в одномерное обратное ДЧП-преобразование. Фильтрация сигнала нерекурсивными фильтрами в таком одномерном пространстве позволяет снизить уровень помех, дислоцируемых как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Для получения реальных сигналов была разработана установка для автоматизированного контроля ленты СУЗ, позволяющая реализовать предложенные алгоритмы обработки данных, получаемых при контроле ленты СУЗ на программно-аппаратном уровне.

Эксперименты с реальными сигналами показали, что разработанные методы фильтрации, основанные на обратном ДЧП-преобразовании, позволяют повысить соотношение сигнал/помеха в среднем в пять раз по сравнению с традиционными методами, основанными, например, на фазовой селекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований получены математические модели электрических и механических неоднородностей различной конфигурации в электропроводящих объектах контроля, что позволило создать программное обеспечение для восстановления дефектов в виде поперечной трещины в ленте СУЗ.

В процессе выполнения работы были решены следующие задачи.

1. Проведен анализ методов, алгоритмов и устройств классификации и идентификации квазипериодических сигналов, получаемых от объектов различной природы.

2. Разработана и исследована математическая модель, связывающая характеристики неоднородности электропроводности металлической немагнитной ленты, обусловленной поперечными трещинами, с измеряемыми параметрами на выходе вихретокового преобразователя, отличающаяся априорно заданной топологией вихревых токов и конечными элементами в виде концентрических аксиальных и коаксиальных колец, позволяющая реализовать итерационный процесс классификации дефектов.

3. Предложен метод трансформации двумерного пространства изображения дефекта, заключающийся в преобразовании двумерного изображения дефекта в пространстве сигналов в одномерное пространство в области частот, и позволяющий повысить отношение сигнал/помеха в пять раз.

4. Разработан способ принятия решений при контроле и диагностике металлической ленты системы управления загрузкой, отличающийся использованием комбинации статистических и детерминистских моделей, и позволяющий построить итерационный процесс восстановления изображений дефекта, основанный на определении невязки между реальным и эквивалентным сигналами.

5. Разработано устройство для идентификации и контроля металлической ленты и предложен комплекс средств сбора и передачи данных, используемый в системах принятия решений по классификации дефектов в ленте системы управления загрузкой, позволяющие реализовать разработанные методы и алгоритмы выделения информативных признаков и классификации объектов контроля.

6. Проведены экспериментальные исследования разработанных моделей в технических системах принятия решений при идентификации технического состояния ленты системы управления загрузкой, что дало возможность построить итерационные процессы идентификации дефектов и решающие правила продукционного типа, предназначенные для обнаружения дефектов.