KR100366329B1 - 통합형음파식누출탐지처리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절대 음파 잡음 강도를 3차원의 음파 잡음 필드에 매핑시키고, 모니터된 필드 내에서 부품이나 구조체의 동작 특성 또는 성능 특성을 추론하기 위해 3차원의 절대 잡음 강도를 사용하는 시스템에 관한 것이다. 국소 잡음원은 원격 어레이의 변환기를 사용하여 추출되고 절대 강도는 변환기 위치에서 배경 잡음에 의해 전체적으로 마스크되는 경우에도 측정될 수 있다. 시스템은 통합형 센서 장치, 신경망 탐지 시스템 알고리즘, 증기 발생기 용기 내에서 소규모 영역을 정확히 검사하기 위한 줌 시스템, 퍼지 논리 시스템 탐지 알고리즘, 및 전문가 탐지 시스템을 포함한다. 신호 처리 부시스템은 탐지의 세가지 상이한 레벨에서 동작한다. 최상 레벨의 탐지에서 훈련된 신경망 시스템은 누출을 표시하기 위해 용기의 길이를 모니터한다. 제안된 접근 기법은 센서 신호의 비임 형성을 필요로 하지 않는 분별자를 사용한다. 누출의 존재와 용기 내에서의 그 일반적 위치는 퍼지 논리 전문가 시스템을 사용하여 결정된다. 누출의 표시는 탐지의 제2 레벨로 넘어간다: 용기의 표시 부분을 모니터하는 비임-형성 시스템. 탐지의 제3 레벨은 정해진 한계치 이상의 누출을 고정밀도로 탐지하기 위해 특정 위치에 대해 누출의 실제 존재 여부를 결정하도록 태그된 위치를 체계적으로 모니터한다. 취해진 조치는 제2 퍼지 논리 전문가 인터페이스 제어기예 의해 제어된다.

Description

통합형 음파식 누출 탐지 처리 시스템
발명의 이용 분야
본 발명은 음파 잡음의 절대 강도를 3차원 음파 잡음의 전파 강도(acoustic noise field)와 매핑(mapping)시키는 것 및 모니터된 잡음의 전파 영역 내에서 부품 또는 구조의 동작 특성이나 성능 특성을 추론하기 위해 3차원의 절대 잡음 강도를 사용하는 것에 관한 것이다. 국소 잡음원은 멀리 어레이되어 있는 변환기를 사용하여 추출하고, 절대 강도는 변환기의 위치에서 배경 잡음에 의해 전체적으로 마스크되는 경우에도 측정할 수 있다. 특히, 본 발명은 액체 금속(나트륨) 고속 증식로(LMFBR: liquid metal fast breeder reactor)의 증기 발생기의 비파괴 시험 및 브리치(breach)를 검출하고 위치잡기 위해 증기 발생기 내에서 절대 음파 잡음 전파의 3차원 매핑에 의해 물 순환과 나트륨 순환 사이의 경계 부분의 파손을 추론하는 것에 관한 것이다.
발명의 배경
고온의 액체 금속(나트륨)은 통상의 LMFBR 증기 발생기의 쉘(shell) 측으로 흐르고, 고압의 물/증기는 내부 관다발(internal tube bandle)을 통해 나트륨 흐름의 반대 방향으로 흐른다. 물 순환과 나트륨 순환 사이의 장벽이 불완전하게 되면, 이 불완전한 곳에서 나트륨-물의 반응이 국부적으로 발생한다. 나트륨과 물의 반응, 그리고 반응 생성물(수소 기체)인 기포의 성장은 용기 내에서 국소 잡음원을 만들어 낸다. 누출 부위는 공간 내에서 변화가 없거나 고정되어 있다. 나트륨-물 반응에 의해 발생한 임의의 음압은 용기 내와 소정의 위치에서 누출의 존재 여부를 검사하고 누출이 있는 경우에는 그 누출의 잠재적인 크기와 손상을 예측하기 위해 모니터될 수 있다.
LMFBR 파워 플랜트에서의 운용상의 경험을 통해 증기 발생기는 플랜트의 유용성을 감소시킬 잠재 능력이 있는 주요 부품으로 인식되었다. 나트륨-물 반응의 손상에 대한 조사 데이타를 통해서 증기 발생기의 열 전달관에 존재하는 어떤 벽관통 구멍이, 이로 인한 손상이 전파되는 것을 방지하도록 적정 조치가 취해지지 않으면 장치에 심각한 손상을 야기할 수 있다는 것을 알게 된다. 제1도에 도시한 바와 같은 실험 자료에 의하면 위의 적정 조치는 중간 규모의 누출이 시작되고 나서40초 이내에 취해져야 하는 것을 보이고 있다. 이러한 시간 척도는 오퍼레이터가 효과적으로 개입하기에는 너무 짧다. 이러한 시간 척도에 대한 요구조건을 만족시키기 위해서는 적절한 누출 탐지 시스템에 의해 활성화되는 증기 발생기 용으로 자동 가동 중단 시스템을 보완해야 한다.
고급형 액체 금속 반응로(ALMR: advanced liquid metal reactor)에는 액체 나트륨에 의해 가열되는 나선형 코일의 증기 발생기(2: 제2도 참조)가 있다. 여기서 증기 발생기는 터빈(4)을 구동하기 위해 초고온의 증기를 발생시킨다. 증기 발생기는 증기 발생기의 쉘(6)과 외부 시라우드(8: shroud) 사이를 흐르는 냉각 공기에 의해 대류 방식으로 냉각되도록 설계된다. 반응산물 분리 탱크(10)와 수소 배기 시스템(12)은 증기 발생기에서 나트륨-물이 반응하는 경우에 제2 열전달 시스템을 보호한다. 용기가 나트륨을 증기 발생기로부터 탱크(10)로 배출시키는 럽처 디스크(14: rupture disk)를 갖도록 설계되므로써 중간 루프와 반응로에 대한 손상을 방지하게 된다.
증기 발생기에서의 나트륨-물 반응으로 인해 나트륨 순화과 중기/물 순환 사이의 장벽에 파손 현상이 나타나게 된다. 이러한 파손의 범위는 소규모 누출로서 약 1gm/sec 보다 적은 단일 관의 누수인 전자 현미경적인 소규모 결함에서부터 중규모 누출로서 약 100gm/sec의 단일 관의 누수에서 보이는 비교적 큰 구멍까지, 또는 대규모 누출로서 누출률을 짧은 시간 간격 동안 수천의 gm/sec에 이르도록 하는 하나 이상의 열전달 관들의 완전한 파손까지를 포함한다. 또, 물/증기의 주입은 잠재적으로 넓은 범위의 누출률에 대해 관의 얇은 판을 파손시킬 수 있다.
ALMR의 제2 열전달 시스템, 특히 증기 발생기에 대한 기준 설계에는 나트륨-물 반응을 수용해서 반응로 시스템의 타부분에 손상을 줄 가능성을 무시할 수 있는 수준까지 감소시키는 특징들이 있다. 증기 발생기에서 중규모 또는 대규모의 나트륨-물 반응 현상이 정상적으로 진행하면서 증기 발생기의 압력이 정상 레벨로부터 상승하게 된다. 파열관은 약 10초 이내에 럽처 디스크(14: 제2도 참조)의 파손을 야기할 수 있다; 더 작은 누출도 점차적으로 과가압이 되어 2MPa에서 디스크를 파손시키게 된다. 유니트에 대한 과가압으로 인해 유니트의 베이스에 위치되어 있는 럽처 디스크의 파손을 초래하며 증기/물 격리 및 배출 시스템의 활동을 야기한다. 증기 발생기 보호 시스템은 럽처 디스크의 파손 후 30초 이내에 물이 있는 쪽을 격리 및 배출시키고 반응 산물은 파손된 디스크를 통해 수동적으로 배출된다. 반응 산물은 특별 설계의 반응 산물 수집 탱크로 중력에 의해 배출되고, 기체 수소는 대기로 방출되기 전에 중기 형성을 위해 태워진다. 제2 루프는 매우 낮은 레벨의 반응성을 가지므로 플랜트의 경계를 넘는 반응에 따른 방출이 미약하다.
나트륨 가열의 증기 발생기의 열전달관에서 손상 부위를 통한 누수로 인해 원래의 파열이 스스로 확장하게 된다. 처음에 손상 부위는 최초의 파열에 의해 물 측에 접속된 나트륨 측상에 크레이터(crater: 분화구)의 형태로 존재한다. 크레이터의 깊이는 깊어지지만, 파열 부위를 통한 물/증기의 누출은 초우크 흐름(choked flow)에 의해 제한되며, 최초 파열의 최소 영역의 함수가 된다. 이러한 현상을 "자기-소모"라고 한다. 크레이터의 깊이가 최종적으로 깊어지고 관의 물측까지 관통할 때, 누출률은 "중간" 규모로 분류된 누출률에 대해 여러 자리수 크기 만큼 상승한다. 최초의 결함이 크기면에서 충분히 크다면(수마일), 물/증기(작지만 초당 수 그램)의 독립식 분사는 나트륨으로 주입된다. 소규모 누출 분사도 인접 관 위로 충돌하는 고온이며 부식성이 강한 반응 산물을 만들어 내도록 반응한다. 이들 반응 산물은 관을 마모시키고 결국에는 관을 파손시키게 된다. 그 결과로서 생기는 누수율은 일반적으로 중규모(10gm/sec 내지 1kg/sec의 물/증기)이다. 수(＞3)초 이내에 확대가 발생할 수 있다. 마모에 의하거나 또는 관의 과열 및 파열에 의한 손상이 더욱 확대되면, 그 결과로 "대규모"로 분류되는 초당 수백 그램이 넘는 누출률이 나타나게 된다. 확대의 시간 규모는 수십초 정도이다.
미세 누출과 소규모 누출은 둘다 중규모의 누출로 확장되어 가는데, 미세 누출에서는 경보가, 소규모 누출에서는 불명료한 표시가 있을 뿐이다. 테스트와 운용 플랜트 부수 조건은 중규모의 누출이 증기 발생기 시스템에 최대의 손상을 미치는 것을 시사하고 있다. 또, 체계적인 일련의 테스트는 이러한 누출로부터의 음파 신호가 탐지하기에 적합하며 더 이상의 손상이 확대되는 것을 방지하도록 제시간에 자동 정정 행위가 취해질 수 있음을 시사하고 있다. 화학적 탐지 방식도 고흐름률의 나트륨에 대해 유사한 보호를 제공하지만, 누출 측으로부터 탐지기로의 전이 시간이 30초 이상이면 중규모 누출에 대한 보호로는 미합하다. 30초 이상의 전이 시간으로 많은 운영 조건들이 필요하고, 따라서 화학적 탐지 시스템은 제한된 사항만을 커버할 뿐이다.
균열을 통한 물/증기의 누출이 항상 일정하지는 않다. 상당한 시간 경과로 미세 누출은 해소될 수도 있다. 단속적 특성의 주입과 미세 누출 현상과 관련된 장시간 규모는 누출이 확대되기 전에 누출 탐지에 대한 신뢰성을 저하시킨다. 느린 누수로부터 중규모의 누출까지 전이하는데 걸리는 실제시간은 물-나트륨 누출 탐지 및 보호 시스템을 설계하는데 있어서 중요한 파라미터이다. 확대 시간이 20분 또는 그 이상의 수준이라면, 반응로의 오퍼레이터는 손상의 전파를 방지하기 위해 적절한 조치를 취할 수 있다. 이 시간 규모가 2분 이하라면, 오퍼레이터는 적절한 시간 내에 조치를 취한 수 없으며, 따라서 자동 보호 시스템이 필요하다. 이러한 시스템은 잘못된 경보로 플랜트의 가용성을 저하시킬 가능성을 줄이기 위해 누출의 존재를 확인할 증거를 필요로 한다. 자동 보호 시스템에서 채택 가능한 이러한 증거 중의 하나는 반응 산물에 대해 화학적 모니터링을 실시하는 것이다. 누출 지점의 누출을 화학적 모니터로 모니터하는데 드는 시간은 최선을 다해서 분의 단위이다. 수초의 입증된 확대 시간으로 인해 나트륨의 최대 흐름 상태에서 조차 화학적 모니터의 유용성이 손생 확대의 방지에 의문이 있음을 시사한다.
나트륨으로의 물/증기의 누수율이 매우 낮은, 즉 약 0.01gm/sec까지의 미세 누출인 경우에 누출 탐지 시스템은 효과적이지 못하다. 반응에 의한 방출된 수소 또는 반응의 음파 잡음이 너무 작아서 정상적인 배경 변동(normal background fluctuation)에 의해 파라미터 단위로 미스크된다. 최초의 손상 크기는 비파괴 시험(NDE) 기법에 의한 탐지/위치 지정용의 실제적인 제한 값 보다 작다.
발전소 오퍼레이터와 증기 발생기 설계자는 마모 현상과 그 결과에 대한 충분한 지식을 가져서 누출 탐지 모니터의 상황으로부터 필요한 조처를 판단해야 한다. 탐지 시스템이 너무 민감하면 잘못된 경보의 가능성을 증가시키고 플랜트의 가용성을 저하시킨다. 경보의 수준은 탐지 에러를 최소화하면서 시스템의 보호가 가능하도록 설정돼야 한다. 이 수준이 너무 높으면 대규모 누출 상황으로 손상의 전파가 이루어질 것이다. 반면 이 수준이 너무 낮게 설정되면, 착오로 인한 발전소의 가동 중단이 가용성을 저하시키고 결국에는 급속한 가동 중단으로 장비에 열적 및 기계적 과도 현상과 쇼크를 주어서 플랜트의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.
현재 운용중인 증기 발생기 시스템 내에 설계 통합된 대부분의 누출 탐지 시스템은 가능한 가장 작은 누출까지도 탐지를 시도한다. 적당한 조치는 이상 신호가 존재할 때에 보통 플랜트의 오퍼레이터에게 경보를 알림으로써 시작된다. 증기 발생기에서 일부 형태의 자동 중단 시스템은 매우 높은 신호 레벨에서 개시되지만, 보통 임계치가 너무 높게 설정돼서 럽처 디스크의 파열이 먼저 발생할 것 같다.
나트륨-물의 반응은 음파 범위(20kHz까지)에서 최대 전력과 진폭을 갖는 광대역 신호와 초음파 주파수(80 내지 500kHz)에서 탐지 가능한 신호를 생성한다. 배경 잡음도 유사한 특성을 가져서 가청 범위에서 최고가 되고 전력 및 진폭에서 fn(n은 -2 내지 -3의 값을 가지며 주파수와 더불어 감소)으로 떨어진다. 종래의 음파식 누출 탐지 프로그램은 잡음원을 탐지 및 위치 지정하고 배경 잡음에 의해 전체적으로 마스크된 신호를 탐지할 수 있음이 입증되었다. 종래의 초음파 누출 탐지 프로그램은 선택된 탐지 주파수 대역에 존재하는 양의 신호대 잡음비에 의존한다.
발명의 개요
본 발명은 보조의 냉각 시스템이 있는 증기 발생기를 구비하는 LMFBR과 더불어 사용되도록 설계된 음파식 누출 탐지 시스템이다. 이러한 증기 발생기 시스템의 용기는 화학적 및 음파적 누출 탐지 시스템의 감도에 큰 영향을 미치는 직경이 크다. 탐지 시스템의 감도는 증기 발생기의 직경이 증가함에 따라 감소한다.
화학적 누출 탐지 시스템은 나트륨 내에서의 반응 산물(즉, 수소)의 농도에 반응한다. 용기 볼륨이 용기 직경의 제곱과 용기 높이의 곱으로 증가하므로 화학적 누출 탐지 시스템의 증가는 직경이 증가함에 따라 감소한다. 그래서, 화학적 검출 시스템은 대형 증기 발생기에서 누수에 대한 방지가 부적절하다.
반면, 음파 시스템의 감도는 용기의 직경이 증가함에 따라 훨씬 덜 감소하는 데, 이는 신호 강도가 직경에 반비례하기 때문이다. 음파 시스템에 대해서는 증기 발생기 동작 모드라고 하는 다른 인자도 고려해야 한다. 신호대 배경 잡음비는 임계 파라미터이지만 용기 벽에서의 신호의 진폭은 아니다. 음파 시스템은 더 큰 용기에서의 동작 조건으로 인해 더 낮은 배경 잡음 레벨이 되면(예컨대, 더 낮은 증기 속도로 인해) 더욱 감도가 좋다.
누출 탐지 시스템은 정적인 상황을 모니터하지 않는다. 인접 관에 충돌하는 나트륨-물의 반응산물로부터 손상이 전파되고, 이것은 수많은 관들의 대규모 파손을 초래한다. 최초의 사건이 탐지되고 적정 조치가 수십초 이내에 취해져서 손상의 전파를 제한해야 한다. 급속히 확산되는 누출로 럽처 디스크가 내부 용기 구조체에 대한 심한 손상을 방지할 수 없기 때문에 신속하며 신뢰성 있는 음파식 누출 탐지 시스템을 필요로 한다. 이러한 시스템은 파워 런백(power runback)을 개시하고 증기압을 감소시키며 럽처 디스크의 활성화 이전에 증기 발생기를 안정되며 손상의비확대 상태에 놓이게 함으로써 고가의 비가동 시간을 줄일 수 있게 된다.
화학적(수소 및 산소) 농도 모니터링 시스템은 수많은 플랜트에서 기준 누출 탐지 시스템이다. 이것은 소형 루프에서 아주 감도가 좋지만, 느린 반응, 낮은 신뢰성 및 에러가 있는 출력 신호로 인해 대형 루프에 대한 적응성이 떨어진다. 이 때문에 음파식 누출 탐지 시스템을 개발하는 것이다. 저주파 및 고주파의 음파식 누출 탐지 시스템을 미국 동력자원부(the U.S. Department of Energy)의 프로그램 하에서 개발했다. 이들 각 시스템은 변별기로서 신호의 진폭을 사용했다.
본 발명의 통합형 음파식 누출 탐지 시스템(IALDS)은 아주 신뢰성 있고 견고한 누출 탐지 시스템을 제공하기 위하여 저주파 및 고주파 음파식 시스템의 장점을 화학적 시스템 및 플랜트의 운영 파라미터로부터의 정보와 더불어 단인 방식으로 통합시킨다. IALDS는 용기 밖의 소스를 제거하는 탐지 알고리즘을 사용하며 변별자로서 진폭보다는 오히려 신호의 주파수 성분을 사용한다.
본 발명에 따른 IALDS의 통상의 외형은 제3도에 도시되어 있다. IALDS에는 센서 시스템과 신호 처리 시스템이 있다. 센서 시스템에는 증기 발생기의 용기 벽에 결합되어 있는 음파 센서(예컨데, 가속도계) 및 액체 나트륨과 커버 기체의 수소 성분을 모니터하기 위해 용기 내에 위치된 화학적 시스템의 센서가 있다. 신호 처리 시스템은 기본적으로 신속한 누출 탐지를 위해 신경망 기반의 사전처리기와 더불어 누출을 정확하며 신뢰성 있게 확인하기 위해 비임 형성기 기반의 주처리기를 포함한다. 신호 처리 부시스템은 세가지 다른 레벨의 탐지에 대해 동작한다.
최상위 레벨의 탐지에서 훈련된 신경망 시스템은 누출을 표시하기 위해 용기의 길이를 모니터한다. 제안된 접근 방식에서는 센서 신호의 비임 형성을 필요로하지 않는 변별기를 사용한다. 이 레벨의 탐지의 목적은 두가지이다: (1) 용기 내에 누출이 있음을 표시하는 것: 및 (2) 누출이 있을 가능성이 가장 큰 증기 발생기의 부분을 고립시키는 것이 바로 그것들이다.
누출의 존재와 용기 내에서의 통상 위치는 퍼지 논리 전문가 시스템을 사용하여 결정한다. 이 결정은 저주파 변별기를 모니터링하는 신경망 및 고주파 변별기를 모니터링하는 신경망으로부터의 출력과 화학적 모니터로부터의 신호를 기반으로 하는 것이다. 퍼지 논리 시스템은 급수에 히드라진(hydrazine)의 새로운 주입 같은 모니터로부터의 출력에 영향을 줄 수 있는 파라미터들을 고려한다.
이러한 레벨의 탐지로 인해 항시 많은 누출 표시가 가능하지만, 이 표시들이 탐지 시스템 외부로 넘겨지지는 않는다. 누출 표시는 탐지의 제2 레벨인 용기의 표시 부분을 모니터하는 비임 형성 시스템으로 넘겨진다. 비임 형성 시스템은 종래의 비임 형성 기법을 사용한다. 퍼지 논리 누출 탐지 제어기가 비임 형성기의 센서를 선택한다. 누출이 있을 것 같은 경우에는 이들 위치에 태그(tag) 표시를 한다.
제3 레벨의 탐지는 30년의 작동에서 약 1회의 오경보를 나타내는 정확도의 규정된 한계치 상에서 지정된 위치의 누출을 탐지하도록 누출의 실제 존재 여부를 결정하기 위해 태그된 위치를 체계적으로 모니터한다. 제2 퍼지 논리 전문가 인터페이스 제어기가 취해진 조치를 제어한다. 이것은 누출 표시에 대해 합리적인 반응을 제공한다.
IALDS는 누출 표시에 대해 휴먼 컴퓨팅의 기계 반응을 제공한다. 예를 들면,자동화 가동 중단을 개시하는 대신에 전력의 축소를 제어하는 것이 시작될 수 있다. 이 과정이 용기 내의 온도를 감소시키면, 손상 전파율이 감소돼서 퍼지 논리 인터페이스 제어기는 가동 중단에 대해 적절한 변화를 구할 수 있다. 시스템이 가동 중단 상황에 들어갈 때 배경 잡음은 탐지 능력의 동일 기준 상의 증가와 더불어 감소할 것이다. 인터페이스 제어기는 다시 변화를 고려한다. 신호가 저전력 레벨에서 확인되지 않으면, 반응은 전력 복귀의 가능성이 있다. 이와 달리 급속한 확대가 발생하면, 인터페이스 제어기는 더 신속한 가동 중단 또는 적절하다면 전체의 중간 열전달 시스템에 대한 손상을 최소화하기 위해 용기의 돌연 파열에 반응한다. 인터페이스 제어기는 이전의 시스템이 제공할 수 있는 것보다 더 나은 인간 판단의 반응 특성을 제공한다.
양호한 실시예에 대한 상세한 설명
나트륨-물 반응으로부터의 음압 유동은 증기 발생기의 용기 벽에 충돌해서 벽이 제위치를 벗어나는 요인이 된다. 본 발명의 음파 탐지 시스템에서 이러한 국부의 벽 운동은 외부 장착의 변환기에 의해 모니터된다.
이러한 유동의 도착 시간을 공간적으로 유일하게 검사할 필요가 있으면, 벽의 각 부분은 독립적으로 이동해야 한다. 저주파의 음파 탐지 시스템에 대한 주요 필요 사항 중의 하나는 벽의 운동이 강성이 아니라 관성(또는 질량)에 의해 제어되는 주파수 범위를 선택하는 것이다. 그러면, 벽은 해당 지점에서 벽에 가해지는 힘에 비례하는 가속으로 임의 지점에서 반응한다. 예비 검사가 나타내는 관성 제어의 주파수는 증기 발생기의 쉘에 대해 1 내지 13kHz으로 제한한다.
실험적 증거에 의하면 나트륨-물 반응 산물의 임의 잡음이 약 10kHz의 대역 폭을 갖는다. 어떤 특정 주파수가 발생한다는 증거는 없다. 따라서, 데이타의 모든 분석은 다음의 가정을 기초로 한다: (a) 나트륨-물 반응은 주파수 대역 1 내지 13kHz에서 가우스 분포의 변수를 갖는 임의로 여기된 음압원이다; (b) 주위의 압력 레벨은 주파수 대역 1 내지 13kHz에서 가우스 분포의 잡음 발생원을 갖는 용기의 볼륨 내에서 임의로 발생된다.
신호대 잡음비는 센서 위치에 동시에 도달하는 용기 내의 다른 모든 소스로부터의 음파 강도와 비교하여 나트륨-물 반응에 의해 생성된 직접적인 음의 압력파로 인한 벽에서의 음파 강도로서 정한다(이것은 벽에 도달하기 전에 반사하는, 즉 반향 에너지를 갖는 나트륨-물 반으로부터의 임의의 파들을 포함한다). 증기 발생기의 벽에서 배경 잡음의 진폭은 여러 음파 발생원의 결과이다: 용기를 통한 나트륨의 흐름에 의해 발생된 잡음: 관다발 내에서 증기 또는 물의 흐름에 의해 발생된 잡음; 관 내에서 물의 끓음에 의해 발생된 잡음; 음파 모니터링 시스템과 관련된 전자 잡음; 증기 발생기 내로 전파된 원필드 잡음(far-field noise); 및 누출원에 기인한 반향 에너지 등이 있다. IALDS의 성능을 예측하기 위해서는 이들 성분들의 각 진폭을 동작 상태의 함수로서 예측해야 한다.
주의 깊게 설계되고 수행된 프로그램은 나트륨-물 반응으로부터 잡음의 절대 진폭을 측정했다. 우선 여러가지 독립적 기법을 사용하여 반향 특성을 측정했다. 반향 특성을 아는 것은 측정된 신호를 직간접의 성분으로 분리시키는 것을 가능하게 했다. 10gm H2O/sec까지의 누출률을 포함하는 넓은 범위의 테스트 조건은 소스로부터의 30cm 거리에서 나트륨-물 반응 잡음에 대해 통상의 상관 관계가 얻어지도록 했다:
A = 200G0.5
여기서 A는 절대 신호 진폭(μbar)이고 G는 물의 누출률(gm H2O/sec)이다. 이 방정식을 지시한 테스트 데이타도 중규모 누출의 나트륨-물 반응으로부터 잡음 레벨을 예측하는데 효과적이다. 센서에 도달하는 실제의 신호 전력은 소스로부터의 센서와 거리 d에 따른다. 용기는 음파 측면에서 동질로 고려돼서 소스 위치로부터 멀어지는 구면 분포의 음파 에너지를 만들어낼 수 있다. 그래서, 센서 측에서의 신호 강도는 d에 반비례한다.
본 발명의 음파 탐지/위치 지정 시스템은 비임 형성기의 해상도 격자가 신호원의 폭과 일치할 때 최대 효율을 나타낸다. 소스의 폭은 2개 소스가 동일 위치에 존재하는 것을 가정하고 소스 중의 하나가 별도의 독자성을 가질 때까지 이를 멀리 이동시키므로써 정해진다. 이것은 잡음의 자기 상관을 취하는 것과 동등하며, 이로써 두 근접 소스 사이의 공간 해상도가 자기 상관의 굴절 지점에서 발생하는 것을 규정하게 된다. 굴절 지점은 g/2와 같으며, 여기서 g는 선택된 잡음 대역 폭의 최대 주파수에서의 파장이다. 통상적으로 나트륨-물 반응은 10kHz의 자기 상관 대역폭을 갖는데, 이것은 음파 탐지/위치 지정 시스템의 공간 해상도가 나트륨에서 약 12cm임을 의미한다. 12cm 보다 더 근접한 소스들은 구분할 수 없다. 즉, 2개의 근접 소스들(＜12cm)이 용기 내에 존재하면 IALDS는 절점(nodal piont)에 대한 더 강한 잡음(통합 전력)원을 표시한다.
잡음원에 대한 증기 발생기의 볼륨을 탐색하는 경우에는 증기 발생기가 12cm의 정육면체 소자의 3차원 어레이로 구성된 것으로 가정하면 충분하다. 각 정육면체 노드는 음파 탐지 시스템에 의해 순차적으로 스캔되고 그 위치에서 절대 잡음 발생이 측정된다. 그 결과, ALMR 증기 발생기의 길이는 내부 덕트(inner duct)와 외부 플로우 시라우드 사이의 도우넛 모양의 공간에서 약 200 플레인(plane)이다. 각 플레인은 대형 용기 직경으로 인해 나선형 코일 영역에서 약 1200 어레이 초점 지점(볼륨 소자)을 포함한다.
센서의 어레이를 사용하는 것에 대한 효과를 단순하게 해석하면 어레이를 신호 증폭 디바이스로서 고려하는 것이다. 두가지 파라미터가 어레이 게인(array gain)에 영향을 준다: (1) 용기에 단위 축 길이당 센서 밀도: 및 (2) 측정 플레인에서 누출의 위치가 그것이다.
측정 플레인 상에 위치된 센서의 수를 증가시키면 어레이 게인도 증가한다. 주어진 수의 센서에 대해 어레이 게인은 또한 용기의 단위 길이당 그 밀도의 함수이다. 센서가 플레인으로부터 멀어지며 이동함에 따라 센서와 누출원 사이의 거리는 증가하고, 그 결과 소스와 같은 플레인 상에서 측정된 것과 비교하여 신호 레벨이 감소하게 된다.
어레이 게인에 영향을 주는 제2 파라미터는 누출원의 위치이다. 누출 지점이 플레인의 중심 위치로부터 멀어지게 움직일 때 이 누출 지점은 센서 중의 일부에는가까워지고 나머지로부터는 멀어지게 이동하며, 그 결과 어레이 게인이 감소하게 된다. 여기서 주의해야 할 사항은 어레이 게인이 잡음원의 강도의 함수가 아니라는 것이다. 어레이 게인은 측정 플레인의 주변 위치에서 측정된 중심 소스로부터의 신호 강도를 기준으로 잡음으로 정해진다. 측정 플레인의 직경의 변경은 기준 및 어레이 강도에 똑같이 영향을 미치며 일정한 어레이 게인을 준다. 신호대 잡음비에 대한 주요 영향은 측정 플레인의 직경이 증가할 때 나타난다. 배경 잡음 강도는 일정한 상태를 유지하지만, 일정한 누출원에 대해 용기 벽에서 측정된 신호 강도는 직경에 반비례한다. 센서 밀도가 증가함에 따라 어레이 게인이 증가하는 것은 일정한 직경에 대해 신호대 잡음비가 향상됨을 의미한다.
센서의 밀도와 기하학적 위치를 설정하기 위해 컴퓨터 프로그램을 사용할 수 있다. 어레이 설계 기준에 다음과 같은 사항들이 있다: (1) 증기 발생기의 기하적 배치: (2) 측정 플레인의 임의 누출 위치에서 거의 일정한 어레이 게인; (3) 측정 플레인의 임의 위치에서 0.1gm H2O/sec의 누출률에 대한 -25dB의 신호대 잡음비; (4) 증기 발생기 유니트당 30년에 1회의 오경보율: 및 (5) 용기에 센서를 간단히 부착하기 위한 최적화 센서 밀도 및 기하적 배치가 그것이다. 두개의 제어 파라미터는 최소 누출률과 주어진 시간 내의 탐지이다. 제2 파라미터(탐지 시간)는 신호대 잡음비와 오경보율로부터 직접 계산된다. 신호대 잡음비는 센서 밀도의 함수인 어레이 게인에 의해 바로 정해진다. 탐지되는 누출의 크기와 탐지에 허용되는 최대 시간은 필요한 센서의 수를 조절한다. 양호한 어레이에 따라 센서들은 용기의 축길이의 미터당 8개의 센서로서 개시부가 3개인 나선형 패턴 상에 축 방향으로 위치되었다.
센서 위치에서 증기 발생기 내의 배경 잡음의 주성분들은 근필드 잡음과 원필드 잡음으로 분류될 수 있다. 근필드 잡음은 바로 이웃하는 잡음원으로부터 변환기 위치에서 용기 벽으로의 집접적인 압력의 유동이다. 원필드 잡음은 음압파로서 용기 내에서 전파되며, 파가 용기 벽상에 충돌하기 전에 다수의 반사에 대한 잠재성으로 인해 반향 특성을 갖는다. 근필드 및 원필드 잡음의 특성은 음파식 누출 탐지에 중요하다: 어레이에 있는 센서들의 각 위치에서 배경 잡음원으로부터 공간 코히런스의 정도; 및 증기 발생기의 용기 상에 장착된 개별 센서의 위치에서 모든 가능한 배경 잡음 발생기로 인한 잡음의 크기.
누출 같은 잡음 발생기의 공간 코히런스는 주요한 나트륨-물 반응의 탐지 인텍스로서 사용된다. 용기 내의 기타의 강하며 국소화된 소스는 누출 탐지에 혼란을 야기할 수 있다. 증기 발생기에서의 측정에 의해 확인된 분석적 평가는 강한 근필드의 공간 코히런스를 갖지 않는 배경 잡음 발생을 나타냈다. 근필드 잡음의 주요 소스는 벽과 접촉 상태에 있는 나트륨의 흐름이다. 흐름 잡음은 소용돌이 크기와 유사한 거리 상의 코히런트인데, 여기서 보통의 소용돌이 크기는 어레이에서 센서들 사이의 분리 간격보다 훨씬 더 작다. 원필드 잡음이 잡음원의 분산망의 결과일 때, 흐름 분포판에서 관 또는 수많은 오리피스 내의 비등으로부터 수많은 반사가 어레이 내의 센서에서 배경 잡음에서 일반화된 인코히런트 증가를 유발시킬 것이다. 테스트 결과는 매우 낮은 레벨의 공간 코히런스가 나선형 코일 증기 발생기의배경 잡음에서 존재함을 확인시켜준다.
제2 파라미터는 각 센서 위치에서 배경 잡음의 크기이다. 배경 잡음의 진폭은 용기를 따라 축 위치에 의존해서 변화한다. 거친 흐름을 발생시키는 동작조건 하에서 근필드 잡음은 각 위치에서 우세한 배경 잡음원이 될 것이다. 거친 잡음은 큐빅 파워(cubic power)에 대한 유동 속도에 비례한다는 것이 예측 및 확인되었다.
증기 발생기가 핫 스탠바이(hot standby) 또는 하부 로드 상태에 있으면, 나트륨-물 반응/누출에서 발생된 잡음으로부터의 반향 잡음은 배경 잡음의 주요 소스가 될 수 있다. 중규모 또는 대규모 누출로부터의 원필드 반향 잡음은 증기 발생기의 이들 동작 상태하에서 배경 잡음으로서 우세할 것이다. 원필드 잡음의 전체 크기는 소구모 누출에서 작으며, 일부 경우에는 변환기 및 전자 하드웨어와 관련된 전자 잡음으로 주로 구성되어 있다. 반향 잡음을 나타내는 데이타는 누출 지점으로부터의 직접적인 잡음의 약 2배가 된다.
증기의 흐름에 의해 생성된 음향은 큐빅 관계이므로 배경 잡음은 전력 감소시 상당히 떨어질 것으로 기대된다. 이러한 감소로 인해 탐지의 감도는 증가한다. 예를 들어 전력 감소와 증기 속도가 직접적으로 비례하면, 80% 전력에서의 잡음은 최대 전력 잡음의 51%이다. 이것은 약 405μbar로 790μbar의 최대 전력 잡음 진폭과 비교된다. 유사한 감소가 물 인입관 시이트 영역 내의 개그 오리피스(gagging orifice)를 통해 물의 흐름으로 발생된 잡음의 진폭에 대해 적용될 것이다.
증기 발생기의 소스로부터 용기 벽 상의 탐지기로의 에너지의 전달은 두가지 경로를 따른다. 제1 경로는 나트륨을 통과한다. 제2 경로는 연속적 금속 구조체를통과한다. 나트륨을 통해 방사 방향으로 이동하는 초음파 에너지는 약화된다. 실험적 상관치가 180kHz 대역에서 나트륨을 통한 전파를 위해 감쇠 인자에 대해 유도되었다:
Na에서의 감쇠 = 0.214×109×d-0.667×T-3
여기서 d는 잡음원과 변환기 사이의 거리(인치)이고, T는 잡음원과 변환기 사이의 평균 온도(°F)이다. 통상 최초 에너지의 약 5%가 나트륨을 통한 100인치의 거리에서, 그리고 600°F에서 측정된다.
다음의 결론들은 실험 데이타로부터 유도된다: (1) 신호 강도는 누출 오리피스의 기하적 형상에 의해 통제된 주파수에서 최고이고 모니터된 주파수가 증가하거나 감소할 때 상당히 감소한다: (2) 신호 손실(감쇠)은 모니터된 주파수가 증가할 때 증가한다; (3) 소스와 센서 사이의 회선형 금속 경로와 임피던스 불일치로 인한 신호 손실(감쇠)은 관을 따르는 신호 감쇠보다 더 심하다: 및 (4) 나트륨을 통한 신호 전달은 센서로의 초음파 에너지 전달 모드와 거의 유사하다.
초음파 배경 잡음원에는 두가지 주요 부류가 있다: 증기 발생기의 정상 동작에 기인한 것들과 증기 발생기의 임시 동작 중 발생된 잡음과 원필드 잡음이 그것이다. 다음의 파라미터들은 실험 및 증기 발생기 동작의 모니터링시 배경 잡음의 소스들로 알려지고 있다; (1) 물의 흐름 잡음; (2) 증기의 흐름 잡음; (3) 물의 비등 잡음: 및 (4) 나트륨의 흐름 잡음 등이다.
본 발명에 따른 IALDS는 증기 발생기의 용기 내의 음압을 그 결과의 벽 운동을 측정하므로써 모니터하기 위해 외부에 장착된 가속도계를 사용한다. 외부 장착의 가속도계는 다음의 이유들로 내부 마이크로폰보다 더 양호하다; 가속도계는 동작 중 접근 가능하다; 가속도계는 물이나 나트륨 순환부를 관통하지 않고 대체될 수 있다; 가속도계는 고체-상태 디바이스이므로, 즉 견고하며 긴 동작 수명을 갖는 것으로 기대된다; 및 가속도계는 고온 마이크로폰보다 훨씬 저렴하다.
고온(475℃) 가속도계는 매우 비싸며 그 성능과 신뢰성은 불확실하다. 본 발명에 따른 열 고립(thermal stand-off) 방식에 의해 저온 가속도계(250℃)가 증기 발생기에 사용되게 된다. "스트립트-다운(stripped-down: 여분의 장비를 일체 제외한)" 버전의 상업적으로 이용가능한 가속도계는 통상의 커넥터를 대체하는 일체형 배선 케이블과 더불어 IALDS 용으로 사용될 수 있다.
ALMR 증기 발생기의 현 설계 상의 특수 문제는 변환기를 증기 발생기 쉘에 부착하는 것이다. 제4도를 참고하면, 보조 냉각 시스템(ACS)의 덕트(16; duct)는 쉘을 둘러싸고, 가속도계는 이 덕트를 통해 쉘에 부착되어야 한다. 덕트와 증기 발생기 사이의 고리(annulus)는 증기 발생기의 쉘과 비숫한 온도를 갖는 것으로 기대되며, 가속도계는 허용가능한 최대 온도를 초과하는 것이다. 가속도계 장착 방식의 개념적 설계는 제3A 및 4도에 도시되어 있다. 저주파수 시스템에서는 가속도계가 증기 발생기 쉘의 운동을 모니터해야 한다. 가속도계의 질량은 벽의 질량을 효과적으로 증가시키지만, 신호의 진폭에 대해서는 제2 순위의 영향만을 준다. 고주파수 시스템은 부착 로드(attachment rod)를 따라 초음파와 전달을 모니터한다.
가속도계의 장착은 제4도에 도시되어 있다. 스틸 스터브(18: steel stub)는용기 벽(6)에 부착되어 있다. 금속 합금의 확장부(20)로 인해 변환기(22: 통상 가속도계)는 시라우드(8) 외부에 배치될 수 있다. 스틸 및 합금 로드(18, 20)의 직경은 1/8 내지 1/4 인치의 범위에 있으며 초음파를 위한 도파관의 역할을 한다. 보통의 열 절연체(24)는 시라우드 상에 사용되고 고효율의 열 절연체(26)는 도시된 바와 같이 가속도계의 즉시 영역 내로 패키지된다. 절연체는 조립을 편리하게 하기 위해 클램쉘(clamshell) 형태로 만들어진 경금속 컵(28)과 더불어 적정 위치에 유지되어 있다. 클램쉘은 외부 시라우드에 부착되어 있다. 가속도계(22)와 열 보호와 열 격리는 가속도계(22)와 합금 스터브(20) 사이에 장착된 포움 유리 삽입부(30)에 의해 제공된다. 래버린쓰 시일 조립체(32; labyrinth seal assembly)는 시라우드(8) 내로부터의 뜨거운 공기의 흐름을 감소시키고 가속도계(22)의 과열을 방지하기 위해 합금 스터브(20) 및 컵(28)에 선택적으로 부착될 수 있다.
변환기(가속도계) 부조립체의 위치는 제2도에 도시되어 있다. 다수의 변환기 조립체가 증기 발생기의 용기 외벽(6)에 부착되어 있다. 각 가속도계는 아날로그 전기 신호를 IALDS 전자 장치(34)로 보내는데, 여기서 이 전자 장치는 증기 발생기의 배출 시스템(36)을 제어한다.
그 대안으로, 외부 시라우드를 포함하지 않는 증기 발생기에 있어서 가속도계는 자신을 열 방사로부터 보호하기 위한 적절한 절연체와 더불어 용기 벽 상에 바로 장착될 수 있다. 특히, 가속도계(22)는 제4A도에 도시된 바와 같이 고립형 세라믹 열 절연체(104: 스틸/합금 부착 로드 없이)에 의해 용기 벽(6)과 결합될 수 있다. 이 부시스템은 또 다음의 부품들을 포함한다: 가속도계 케이블(23); 보통 절연체(24); 고효율 절연체(26, 26'); 금속 컵 절연체 홀더(28'); 가속도계 지탱 스크류 및 와셔(106); 음파 접촉 매질(112; acoustic couplant); 접시 스프링 와셔(110); 억제판(112); 관통 기둥(114); 너트 및 와셔(116); 및 방열기(118)등이 이에 속한다.
고주파 및 저주파 음파 잡음에 대한 변환기 조립체의 통상적인 반응 특성은 제5도에 도시되어 있다. 저주파의 음파 반응은 통상 100Hz 내지 15kHz의 범위에 있다. 변환기의 내부공진은 45kHz의 영역에 있다. 고주파의 효과적인 초음파 반응 범위는 약 80kHz부터 수백kHz 까지이다.
단일 변환기를 사용하여 저주파 및 고주파 신호를 모니터링하므로써 유지 보수에 대한 요구 사항이 감소되고 신뢰성이 증가할 뿐만 아니라 비용도 절감된다. 변환기들은 저주파 대역폭(약 10Hz 내지 15kHz)에 걸쳐 균일한 반응을 보이도록 설계된다. 이것은 지정 대역 폭에서 최고 주파수의 약 3배로 공진하도록 압전 크리스탈(38: 제6A 및 6B도 참조)을 보유하는 기계적 구조를 설계하므로써 얻어진다. 제5도의 변환기 반응에서는 이것이 약 45kHz에서의 공진이다. 15 내지 45kHz 사이의 반응은 점점 더 비선형이 되며 공진 주파수 위로 체계적으로 감소한다. 저주파수 반응은 크리스탈의 전기적 특성 함수이다. 마찬가지로, 고주파 변환기는 공진 주파수의 약 2배로부터 상한까지 선형 반응 특성을 갖는다. 상한은 크리스탈의 전기적 표유 특성의 함수이지만, 보통 약 500kHz의 범위에 있다. 상부의 선형 반응은 약 100 내지 500kHz이지만, 저주파수 영역보다 훨씬 더 낮은 신호 진폭을 갖는다.
센서 전자 장치(제6A도 참조)를 위한 제1 설계는 큰 활동 범위를 갖는 고온광대역 중폭기, 예컨대 갈륨 비소 증폭기를 사용한다. 제1 개념을 위한 신호 조절 부시스템은 두개의 스테이지를 갖는 파워식 고온 전치 증폭기를 포함한다: 하이-게인(대수의) 증폭기(42) 앞의 로우-게인 증폭기(40)가 두개의 스테이지인데, 이는 가속도계(22a)의 내부 구조이다. 전치 증폭기는 케이블 부조립체(50)를 통해 외부의 전원 공급 장치(54)로부터 전력을 공급받는다. 케이블은 밖으로 나가는 고주파 및 저주파 가속도계 신호를 신호 조절기(52)로 전달하는 기능도 있어 2중 기능을 갖는다.
제2 설계는 고주파 통과 필터(44)를 사용하여 변환기에 가까운 고주파 신호를 분리해 내는 고주파의 대역-제한 증폭기(48)가 있는 2중-주파수 버전이다. 저주파 신호는 수동형 저주파 통과 필터(46)를 통해 신호 조절 부시스템(52)의 저주파수 부분으로 전달된다.
본 발명에 따른 IALDS 센서 부시스템은 저주파 및 고주파 신호 둘다를 탐지하기 위해 저가이며 견고하고 신뢰성이 있으며 상업적으로 이용 가능한 부품들을 기초로 하고; 저주파 및 고주파 신호를 모니터링하는 거의 같은 수의 변환기를 가지며; 누출에 대한 계속적인 분석과 신뢰성 있는 탐지를 위해 안정된 신호를 생성하며; 및 누출 신호와 플랜트 자체의 신호 사이의 분별을 가능하게 한다.
센서 부시스템은 다수의 독립적인 주파수 범위에 걸쳐 동시에 동작할 수 있는 진동 센서를 포함한다. 센서 부시스템은 센서 내에서의 주파수 분리 기능, 고주파 성분의 중폭 기능 및 그 자체 도선 상에 있는 각 성분의 전달 기능 또는 단일 중심 도선인 차폐형 케이블을 따라 전달되는 두 성분의 합성 기능 등을 통합한다.
센서 장착 구조체는 센서로 하여금 증기 발생기 벽의 질량-제어식 이동을 부착 로드(18, 20; 제4도 참조)를 따라 전달된 고주파-제어식 초음파 진동 에너지의 독립적인 탐지와 더불어 동시에 탐지할 수 있게 한다. 센서 장착 구조체는 보편적이며 저가인 압전/압전 저항의 반도체 재료 및 센서 설계가 채택될 수 있도록 실제의 냉각 기능 없이 음파 진동 센서로 전달되는 열 에너지의 양을 제한한다. 이러한 열 고립형은 고온(통산＞475℃) 증기 발생기의 용기 상에 저온(＜250℃) 음파 진동 센서의 사용을 허용한다. 더구나, 신호 경로에 삽입된 포움 유리는 진동의 전달을 탐지하는 동안 센서로의 열 전도를 방지한다. 이러한 센서 장착 구조체는 용이한 증기 발생기/보조 냉각 시스템 시라우드 조립체 및 용이한 음파 진동 센서 장치 둘다를 허용하거나 또는 필요하다면 교체(증기 발생기의 최대 동작시)도 가능하다.
더우기, 센서 장착 조립체는 증기 발생기 용기의 벽에 센서를 부착하기 위해 접합된 스틸 스터브를 포함한다. 접합부는 재료 구조의 파손 분석을 위해 ASME가 추천한 결함 볼륨 보다 적은 벽 재료의 볼륨에 영향을 미친다. 센서 부착으로 인해 증기 발생기 용기 벽의 안전 성능이 감소되지는 않는다.
용기 상에 위치된 센서의 수는 주어진 규모의 누출에 대한 짧은 탐지 시간과 비용의 절충을 통해 결정된다. 센서 어레이의 성능은 주로 용기 상의 가속도계의 표면 밀도의 함수이다. 증기 발생기 쉘 상의 가속도계의 수 및 위치를 좌우하는 제2 인자는 신호 감쇠이다. 누출 지점으로부터 생기는 압력파의 진폭은 그 소스로부터 퍼져나갈 때 쇠퇴할 것이다. 신호의 강도는 신호원과 센서 위치 사이의 거리에 대한 직접적인 관계로 떨어진다. 신호 레벨의 하강이 주어진 누출 규모에 대한신호대 잡음비를 감소시킨다고 가정할 필요는 없다. 물/증기 속도와 나트륨 속도가 소직경의 용기에서보다 더 큰 용기에서 낮다면, 배경 잡음은 매우 낮을 수 있다. 신호대 잡음비는 용기 크기가 증가할 때 일정해지려는 경향이 있다. 배경 잡음은 큐브된 속도에 비례한다. 100%로부터 80%로 증기 흐름 속도의 감소는 100%로부터 50%로의 배경 잡음의 속도 감소와 동등하다. 신호 잡음의 진폭은 같은 신호대 잡음비애 대한 약 25%의 용기 직경 증가와 마찬가지로 유사한 양 만큼 감소될 수 있다. 용기의 직경이 증가하는 경우에 초점의 수는 거의 용기 직경의 제곱의 비율로 증가한다. 이것이 의미하는 바는 필요한 계산의 수가 동일한 인자에 의해서도 증가하는 것이다. 이와 같이 증가된 계산에 대한 부하는 디지탈 신호 처리 유니트를 증가시켜 지정된 탐지 시간 내에 모든 계산을 완료할 수 있게 하고 있다.
아날로그 처리 부시스템은 통상 변환기로부터의 32 입력을 처리할 수 있는 모듈이다. 변환기로부터의 신호들은 개별 샘플로 취해지고 거의 동시에 획득되기 위해(S/H) 칩(chip) 상태로 유지된다. S/H의 고임피던스는 가속도계가 S/H의 입력에 직접 접속되게 한다. 단일 고속의 아날로그/디지탈(A/D) 변환기는 S/H 전압을 디지탈 값으로 변형시킨다. 그 후, 이 값들은 선임 선출(FIFO) 버퍼로 로드된다. 그리고, 데이타가 가득찬 FIFO 버퍼는 호스트 컴퓨터의 제어 하에서 하나 이상(통상 3개)의 분석 유니트로 보내진다. 이제, 병렬 FIFO 버퍼는 처음의 FIFO 버퍼 데이타가 밖으로 보내질 때 새로운 데이타로 채워진다. 데이타 어레이는 실시간에 데이타를 획득하도록 두개의 FIFO 버퍼로부터 교대로 스위치를 통해 전달된다.
데이타는 보통 16비트 워드의 64KB를 보유하는 FIFO 버퍼에 수집된다. 데이타 획득 모듈과 호스트 컴퓨터의 사이의 인터페이스는 FIFO 버퍼로부터 직접적인 메모리 액세스를 통해 데이타를 전달한다. 새로운 데이타는 처리기가 요구할 때 실시간 데이타 모니터링을 허용하면서 항상 이용 가능하다. RS232/485 타입 직렬(또는 병렬) 포트는 가능한 지역 마이크로프로세서에 부착된 채로 보조의 진단 기능 또는 기술자나 오퍼레이터에 의한 데이타의 지역 모니터링을 위해 데이타에 대한 "스마트 액세스"를 실행하도록 제공된다.
각 변환기(통상 가속도계)로부터의 데이타는 정규화된다. 개별 변환기(또는 비숫한 신호의 평균 전력을 제공하는 별도의 전용 칩)로부터 획득된 모든 데이타의 평균 제곱의 루트는 스케일링/정규화 인자이다. 이것은 센서의 캘리브레이션 인자(calibration factor)에서의 차이를 자동으로 보상한다.
또, IALDS는 누출 탐지 용으로 최적화된 3차원의 소리/잡음 필드 모니터링 알고리즘을 포함한다. 이 알고리즘은 잡은 필드에 대한 3차원의 최대 매핑을 제공하며, 줌 능력(이하 설명)을 수용한다. 데이타 어레이는 매핑 알고리즘의 시간이나 주파수 도메인 버전(frequency domain version)을 사용하여 분석될 수 있다. 매핑 비임 형성기의 출력은 어레이 초점에서의 소스 전력과 각 센서 위치에서의 국부 배경 잡음의 가산에 기인한다. 어레이 공분산 매트릭스의 대각선 항목은 각 센서 신호의 자동-공분산에 상응하며, 어떤 신호원 정보도 포함하지 않는다. 비태각선 항목은 신호원 대 센서 감쇠 및 신호의 위치에 대한 정보를 포함한다. 알고리즘은 이 소스 정보를 추출하고, 모니터된 필드 내의 가능한 각 위치(어레이 절점)에서 절대 잡음 강도의 직접 측정값으로 이를 변환한다.
센서들의 이들 출력은 배경 잡음(the background)으로부터 누출의 존재를 알아내기 위해 신경망들에 의해 모니터된다. 하나는 고주파를 모니터링하는 네트워크이고 다른 것은 저주파를 모니터링하는 네트워크이다. 신경망은 누출에 대한 변별력(센서 신호의 전력 스펙트림 밀도 같은)을 향상시키기 위해 원래의 신호와 처리된 신호 둘다를 사용한다. 신경망은 병렬 신호 입력에 대한 패턴 인식을 효과적으로 수행한다. 누출에 대한 표시가 있으면, 신경망으로의 입력은 이들 센서가 누출 표시기의 역할을 하는 것을 평가하기 위해 검사될 것이다.
중요성 인덱스는 신경망 사전처리기 또는 퍼지 논리 사전처리기의 출력을 예측함에 있어서 어떤 입력이 확실한 변별자인지를 확인하도록 개발된 알고리즘이다. 입력, 히든 레이어(hidden layer) 및 출력 사이의 정규 신경망 접속 가중 매트릭스는 각 입력(입력은 일반적으로 사전 조절된 센서 신호임)에 대한 "중요성 인덱스"를 제공하도록 처리될 것이다. 이 알고리즘은 다른 모든 입력과 비교되는 각 입력의 상대적인 영향을 계산하므로써 특정 신경망의 출력을 야기하는 각 입력의 능력을 측정하거나 분할한다. 예를 들어, 신경망이 100 이상의 입력을 가질지라도 모두가 출력에 영향을 미치는 것은 아니다. 분할 알고리즘은 관계가 없는 입력이 제거되기 위해 확인 및 고려되도록 한다. 그 후, 퍼지 논리 사전처리기는 테스트의 허용 오차를 조정해서 누출이 다른 신경망 모니터에 의해 보다 적은 정도로 또한 표시되는지를 보고 화학적 모니터(들)와 처리 파라미터의 반응에 따른 어떤 변화를 또 평가할 것이다. 누출에 대한 가능성이 있으면, 퍼지 논리 전문가 사전처리기는 용기의 어느 부분에 누출의 가능성이 있는지를 결정하기 위해 중요성 인덱스를 사용한다. 퍼지 논리 사전처리기 용의 중요성 인덱스는 룰베이스(rulebase)에 내장되어 있다. 신경망 사전처리기의 출력과 화학적 탐지 부시스템 같은 다른 감지 시스템으로부터의 입력은 입력의 상대적인 중요성을 규정하는 분할 알고리즘에 따라 분할된다. 그리고, 확인된 부분을 모니터링 하는 8개 센서의 출력은 이하에서 설명되는 저주파 비임 형성기 기술을 사용하여 누출 지점을 위치 지정하기 위해 비임 형성된다.
그 결과는 퍼지 논리 처리기로 보내진다. 제2 퍼지 논리 전문가 시스템은 저주파 위치 분석을 위해 선택된 같은 센서로부터의 고주파 신호를 또 검사하고, 화학적 모니터(들)와 처리 파라미터의 반응을 동시에 평가한다. 누출이 탐지되면, 처리기는 누출 규모와 오경보율을 평가하고 누출의 예상 규모와 탐지 신뢰성에 따라 적절한 조치를 개시한다. 이것은 증기 발생기의 작동 전력을 감소시키고 탐지 신뢰성을 증가시키기 위한 결정이거나 또는 증기 발생기 시스템의 가동을 중단하기 위한 결정일 수 있다. 결정이 전력을 감소시키는 것이라면, 처리기는 테스트의 허용 오차의 변경 또는 비임 형성기 시스템 분석기를 위한 분석 시간의 연장 같은 누출에 대한 모니터링을 계속하는 방법에 대한 명령을 사전처리기로 보낸다.
제7도에는 시스템의 블럭도가 도시되어 있다. 모든 음파 센서(22)는 신호 스플리터(74)에 의해 고주파 및 저주파 신호 성분으로 분리된 출력 신호를 갖는다. 저주파 신호는 케이블을 따라 신호 조절 모듈(76)로 전송된다. 이 모듈은 모든 증폭 및 대역 통과 부품을 포함한다. 신호 조절 모듈은 신호들을 3개의 병렬 접속되며 독립적으로 제어되는 모듈로 전달한다. 제1 모듈은 분석을 위해 모든 주파수 신호를 신경망 연관 엔진-구동의 사전처리기 시스템(80, 80')으로 전달하는 멀티플렉서(78)를 구비한다. 유사 집합의 모듈(82, 82')은 고주파 신호에 대해 동일한 기능을 수행한다. 퍼지 논리 연관 엔지-구동 모듈(84)은 저주파 및 고주파 사전처리기 신경망 모듈로부터의 입력, 화학적 모니터(86)로부터의 입력 및 플랜트 처리 컴퓨터(90)로부터 수신된 처리 파라미터(88)를 갖는다. 이 입력의 분석 후 퍼지 논리 연관 엔지(84)이 누출이 용기에 존재함을 결정하면, 연관 엔진은 용기의 가능한 축상의 위치에 대한 정보를 퍼지 논리 인터페이스 처리기(92) 및 저주파 비임 형성기 모듈(94)로 제공한다. 후자의 모듈은 제2 멀티플렉서(96)를 사용하여 축상의 부분을 시험하기 위해 최적화 어레이의 센서를 선택한다. 분석은 비임 형성기 모듈(94)에 의해 이루어진다. 이 분석의 출력은 인터페이스 처리기(92)로 다시 보내진다. 인터페이스 처리기가 더 나은 신뢰성(저오경보율)을 제공하기 위해 더 상세한 분석을 필요로 하면, 이 처리기는 경보 처리기 모듈(100)에 의한 누출 확인을 위해 어레이(22)로부터 적절한 센서를 선택하도록 제3 멀티플렉서(98)를 사용한다. 저주파 비임 형성기(94)는 고주파 사전처리기(82, 82'), 저주파 사전처리기(80, 80') 또는 증기 발생기(2)의 화학적 모니터(86)로부터의 누출 표시를 확인한다. 음파적, 화학적 및 처리 파라미터의 전체 반응을 기초로 인터페이스 처리기(29)는 적절한 조치를 플랜트 I/O 인테페이스 모듈(102)로 전송한다.
퍼지 논리 사전처리기는 신경망 사전처리기, 처리 수단 및 음파적/화학적 누출 탐지 시스템의 각각으로부터 크리스프(crisp: 또는 이산적) 입력 값을 수신한다. 시스템(선형 또는 비선형, 시간 불변 또는 시간의 연속 등)을 나타내는 종래의하나의 접근 방식은 시스템에 대한 모든 가능한 입력과 모든 입력 조합에 대한 시스템의 가능한 반응 또는 출력을 일람표로 만드는 것이다. 이러한 형태의 접근 방식은 거칠고 쓰기 어려우며 종종 실제적이지 못하다. 시스템 설계자는 단순화를 통해 이들 제한 사항을 수용하고자 시도하는데, 이것은 실세계 시스템에 장치될 때 응용 가능성의 범위를 제한할 수도 있다. 퍼지 논리 사전처리기는 입력 포인트를 입력 영역 또는 퍼지 집합에 배정하므로써 테이블의 크기(또는 룰베이스)를 상당히 감소시킨다. 퍼지 집합은 일정치 입력의 영역 사이에서 보간법을 제공한다. 퍼지 집합은 입력이 중첩 영역 내에 있을 때 다수의 룰을 파기하면서 중첩할 수 있다. 이것은 언어학 상의 변수의 사용을 통해 애매하고 불확실하거나 또는 근사의 지식의 표현을 허용하게 한다. 이 접근 기법은 분석적으로 다루기 어렵게 너무 복잡한 시스템을 숫자 보다는 오히려 말로 표현할 수 있도록 한다.
나트륨-물 반응, 그 위치 및 배정, 손상 전파 개시의 잠재성, 반응 산물의 합성 및 이송의 변화, 증기 발생기의 동작 조건의 영향 등 모니터링 시스템의 이들 복잡한 특성은 매우 복잡한 시스템을 만들어낸다. 이들 파리미터의 각각은 실험적 및 분석적으로 검사되었고, 입력을 퍼지 집합으로 분류하는데 적합한 정보와 모델이 이용가능하며, 퍼지 집합의 중첩은 입력과 출력 사이의 명확한 관계를 규정하는데 있어서 고유의 가변성을 수용하고 있다. 퍼지 룰베이스 시스템은 선형성에 대한 가정이 없기 때문에, 이들은 비선형 관계에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 누출은 미세 누출, 소규모 누출, 중규모 누출, 대규모 누출 등으로 종종 분류된다. 어떤 명확한 제한도 각 부류에 대해 정할 수 없지만, 각 부류의 누출률의 범위(중첩으로)에 대한 일반적인 협정 사항이 존재한다. 많은 탐지의 특성들은 누출의 이들 부류와의 관계로 분류될 수도 있다. 퍼지 논리 사전처리기로의 단일 입력이 지정된 반응을 야기할 수 있을지라도 입력 집합 간의 상호 작용은 보다 신뢰성 있는 출력 반응을 제공한다. 예를 들어, 한 탐지 시스템의 입력의 소규모 증가는 적절한 조치를 취해야 할 충분한 증거로 고려되지 않지만, 확증적인 소규모 입력을 각각 발생시키는 다수의 탐지기는 적정 조치가 개시될 가능성을 증가시킬 것이다.
입력은 모든 가능한 이산 입력 사이의 부드러운 전이를 제공하도록 퍼지화된다. 시스템은 퍼지 룰베이스로부터 유도된 추론에 따라 반응한다. 사전처리기로부터의 출력은 매우 크리스프하거나 이산적인 반응 또는 값을 제공하기 위해 비퍼지화된다. 시스템은 보통 정상 작동 형식으로 동작할 것이다. 이것은 보다 적은 동요, 잡음 및 기대되는 변화를 수용하는 수용가능 출력 주위로 모인다. 정상 반응은 적절한 조치가 되지 않는다. 시스템은 또한 증기 발생기의 개시 및 중단 같은 확장된 작동 형식으로 가끔 들어갈 수 있다. 출력은 증기 발생기에서의 보다 큰 변화 및 탐지 시스템의 가능한 동작 조건에 대응하고 이를 수용하기 위해 다시 크리스프가 되어야 한다. 시스템이 비정규 동작 상태에 아주 가끔 들어가는 것은 가능하다. 아주 가끔이지만, 다른 동작 상태로 들어가는 것이 마찬가지로 중요하며 적절한 크리스프 출력이 오퍼레이터에게 제공되어야 한다. 비정상 상태의 예는 플랜지로부터 대기로의 증기 누출이거나 또는 보호 럽처 디스크의 파손이다. 비정상(또는 불가능) 상태에 대해 설명하면, 퍼지 논리 사전처리기 설계의 일부 및 크리스프 반응 출력의 규정이다. 제1 퍼지 논리 사전처리기(84)의 한 특정의 크리스프 출력은 수동의 음파 토모그래피 비임 형성기 시스템(94, 100)에 의해 사용되는 센서들의 집합을 규정하고 있다. 이 시스템은 적절한 오경보 규준에 대해 누출의 존재 여부를 확인할 수 있다. 제2 퍼지 논리 사전처리기(92)는 그 퍼지 논리 룰베이스 추론 엔진을 모든 퍼지화 입력에 적용하고 적정 조치를 개시하기 위해 크리스프 출력을 오퍼레이터에게 제공한다. 고수준의 입력에 대해 크리스프 출력은 특정 집합의 제어 조치를 자동으로 개시하게 된다(102). 다른 집합의 입력에 대해 사전처리기는 음파 신호대 잡음비를 증가시키기 위해 증기 발생기의 동작 모드의 변화, 예컨대 배경 잡음의 진폭을 감소시키고 IALDS의 감도와 정확성을 증가시키기 위해 전력의 감소를 개시할 수 있다. 사전처리기의 특성은 증기 발생기의 항목으로 설명되었다. 훨씬 더 일반적인 경우에 많은 여타의 가능한 응용들이 유사한 다중 인자 및 다중 변화 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 처리 시스템은 또 공간의 줌 능력을 제공하도록 가변 크기 노달 메시(nodal mesh)를 구비한다. 노달 메시의 크기는 국소 잡음원의 효과적인 크기로서 정해진다. 이것은 잡음원으로부터의 출력의 자기 상관으로부터 추정된다. 잡음원의 가정된 크기는 소스 대역폭의 직접적인 함수이다. 나트륨-물 반응에서의 소스 대역폭은 약 10kHz이다. 그러나, 메시 크기는 모든 잠재적인 응용에 대한 절대량이 아니다. 상이한 대역폭으로 잡음원에 대해 모니터할 때, 또는 국소화 잡음원과 훨씬 밀접하게 매핑할 때, 노달 메시는 변화되어야 한다. 통상 20kHz의 대역폭을 갖는 잡음은 10kHz 대역폭의 잡음과 비교되는 4의 인자만큼 메시 노드의 수를 증가시킨다. 그 결과로 4인자의 데이타 샘플링 비율의 증가로 나타난다. 비임 형성부시스템은 클럭킹(샘플링) 주파수를 쉽게 변화되게 하는 A/D 변환기를 사용한다. 동시에 S/H 및 A/D 회로 앞의 필터들은 변경된 조건들을 자동으로 추적한다.
수동형 음파식 토모그래피 비임 형성기(94: 제7도 참조)는 중요한 볼륨 내의 3차원 잡음 필드를 측정하기 위해 어레이의 센서들을 사용한다. 절대 잡음 강도는 각 절점에서 측정된다. 어레이 내의 하나 이상의 센서는 센서 위치에서 전체 잡음 강도의 절대 측정을 제공하기 위해 캘리브레이트된다. 어레이 센서에 도달하는 코히런트 잡음은 필드 내의 각 절점에 대한 절대 강도를 측정하기 위해 이 기준 레벨과 다시 관계된다. 센서들은 노달 메시 내의 각 지점에서 최적의 어레이 게인을 발생시키는 기하적 형상의 중요 볼륨 주위에 공간적으로 위치된다. 배치를 주의 깊게 하면, 볼륨을 통한 어레이 게인의 변화는 최소화되거나 또는 대신에 가장 중대한 특정 위치에서 최고의 어레이 게인을 제공하도록 최적화될 수 있다. 각 결점에서의 어레이 게인은 센서 어레이의 기하적 형상과 절점의 위치로부터 계산된다. 각 결점에서의 강도는 실제의 어레이 게인에 대해 정정된다. 제8A도에는 간단한 시간-지연 비임 형성기가 도시되어 있다. 3개의 지연 D1, D2 및 D3는 어레이를 위치에()에 초점 맞추도록 사용될 수 있다. 실제 시스템에서 위치()에서 어떤 잡음원의 다중상은 센서 위치를 통과하는 쌍곡선의 절편에서 나타날 것이다. 실제 소스에서 잡음 강도와 비교되는 이들 다중상의 강도는 어레이에서 센서의 수가 증가할 때 급격히 떨어진다. 경험에 의하면, 최소인 8개의 센서를 포함하는 어레이가 다중상을 충분히 억제하는 것으로 알려지고 있다.
수동형 음파식 토모그래피 비임 형성기는 2가지 다른 특성을 갖는다. 첫째는오일러 또는 라그랑즈 좌표 노달 메시 중의 하나를 사용하는 능력; 둘째는 중요한 볼륨 영역에서 보다 상세한 측정을 제공하기 위해 어레이 초점을 "줌"하는 능력이다.
오일러 좌표 접근 기법은 공간의 기하적 형상이 시간에 따라 변하지 않는 노달 메시, 예컨대 여기에 설명되어 있는 증기 발생기의 음파식 누출 탐지 시스템에 사용되는 노달 메시를 사용한다. 반면에, 라그랑즈 메시는 시간에 따라 변할 수 있는 기하적 형상의 좌표 시스템을 갖는 노달 메시, 예를 들어 윈드 터널(wind tunnel)에서 테스트되는 프로펠러 또는 로우터 블레이드(rotor blade)와 동기로 회전될 수 있는 노달 메시를 사용한다. 이것은 시간에 대한 이동 볼륨 상의 같은 위치로부터 연속 측정을 제공한다.
본 발명에 따른 비임 형성기는 줌 능력도 갖고 있다. 제8B도에 도시된 단순화 비임 형성기는 이러한 주임(zooming) 개념을 도시하고 있다. 3개의 지연(DDI, DD2, DD3)은 비임 형성기가 위치() 상에 초점 맞춰지는 것을 허용한다. 센서들로부터의 데이타는 디지탈화되고 메모리에 저장된 후 노달 잡음 강도의 계산을 위해 순차 액세스된다. 모든 데이타 지점이 절점에서의 강도를 얻기 위해 사용되는 것은 아니다; 여러 데이타 지점이 노달 초점 맞추기에서 적절하게 사용되는 각 센서의 데이타에 대한 적정 지연 시간에서 데이타를 제공하도록 스킵된다. 주밍(또는 노달의 기하적 형성의 변화)은 두 단계로 수행된다. 제1 단계는 지연이 각 센서 신호(DD1, DD2, DD3)에 더해지도록 신호 획득 동기화를 바꾸거나 또는 그 대신에 프로그램 가능 지연이 각 데이타 입력 상에 설정될 것이다(이것은 데이타 대역폭의샘플링 비율로 가정한다). 이것은 노달 메시의 중심을 원래 지점(C)로부터 지점(L)로 효율적으로 시프트시킨다. 제2 단계는 A/D 변환기의 클럭킹 주파를 변경하므로써 데이타 샘플링 비율을 바꾸는 것이다. 이것은 데이타 비율에 대한 샘플링 비율의 비율로 메시 크기를 효율적으로 감소 또는 증가시킨다. 소프트웨어 알고리즘은 노달 메시 지점의 고정된 기준 집합을 사용할 것이고 효율적으로 매핑된 영역은 감소된다. 그 대신에, 절점의 수는 응용에 따라 보다 크거나 작은 영역을 커버하기 위해 변화될 수 있다. 제한적이지만, 비임 형성 부시스템은 비교적 작은 영역 또는 연속 모니터링을 위한 단일 지점 상에 초점을 맞출 수 있다. 자동 위치 지정 및 모니터링 응용에서는 초점이 자동으로 탐지된 후 소스 특성에서 이동이나 다른 변화를 행하기 위해 변화될 수 있다.
LMFBR 증기 발생기에서 실시간 탐지를 위한 비임 형성기 설계시 중요한 파라미터들은 다음을 포함한다: (a) 용기의 각 축 방향의 플레인에서 검사되는 초점 또는 빈(bin)의 수: (b) 용기의 길이를 따르는 축 방향의 플레인의 수: (c) 신호의 위상을 맞추거나 또는 또는 센서 어레이의 비임을 형성하는데 필요한 최대 지연 시간; 및 (d) 누출이 존재할 가능성에 대한 결정을 내리기 전에 필요로 하는 평가 횟수가 그것이다.
처음의 두 파라미터는 나트륨-물 반응의 음파 폭(또는 신호의 대역 폭)에 의해 정해진다. 실험 결과는 약 12cm의 격자 간격이 필요하다는 것을 나타낸다.
증기 발생기의 각 플레인에서 빈 또는 초점의 수는 용기 직경의 제곱으로서 증가한다. 1.2m(4ft) 직경의 용기에서 빈의 수는 약 50이고, 3.7m(12ft) 직경의 용기에 대해서는 500으로 증가한다. 플레인의 수는 12cm의 분리와 용기의 길이로부터 계산되고, 따라서 약 22m(70ft)의 용기 길이에 대해 약 200 플레인이 된다.
가속도계로부터의 8개의 신호는 복잡한 알고리즘 데이타 조작을 피하기 위해 신호의 평균 전력으로 정규화된다. 각 신호의 정규화 후, 비임 형성기는 초점으로부터 각 가속도계까지의 전파 시간의 차이에 상용하는 각 크기만큼을 지연한다. 페이스된 데이타(phased data)는 초점의 음파 전력을 얻기 위해 사용된다. 각 빈에 대한 코히런트 전력은 다음의 비율로 얻어진다:
(페이스된 전력 - 페이스되지 않은 전력)/페이스되지 않은 전력
이 비율와 값은 CORCO로 주어진다. 음압 데이타는 본질적으로 시간에 따라 일정한 진폭을 갖지 않을 것이다. CORCO 값이 현저하게(통계적으로) 높을 가능성에 대한 결정을 내리기 전에 여러 차례의 코히런트 전력에 대한 평가를 누적할 필요가 있다. 상당히 국소화된 코히런트 전력은 용기 볼륨 내에서 누출 지점이 될 것으로 가정한다.
필요한 CORCO의 평가 횟수 또는 표본의 수는 일반적인 배경 잡음과 비교되는 누출 잡음의 상대적 세기에 의존한다. 대규모 누출은 비교적 큰 값의 CORCO를 일관되게 공급하므로 비교적 적은 수의 표본을 누적한 후의 결정을 내릴 수 있다. 역으로, 소규모 누출은 많은 수의 표본을 필요로 한다. 필요한 표본의 수는 통계 법칙에 의해 결정된다.
시간 도메인 비임 형성기는 통상 각 채널에 대해 51msec와 0.1sec 사이의 주기 동안 데이타의 프레임을 누적한다. 그 후, 이 데이타는 비임 형성기에 의해 액세스될 수 있는 어레이로서 버퍼에 저장된다. 비임 형성은 8개의 최초 신호의 각각에 대한 상대적인 시간 지연에 상응하는 특정 위치에서 누적된 데이타 어레이로 벡터링하므로써 수행된다. 이 벡터링은 각 빈에 대해 매 4번째 데이타 지점마다 행해질 수 있으며, 각 증분은 해당 위치로부터의 신호 전력의 추정을 독립적으로 할 수 있다. 유사한 데이타의 벡터링과 누적은 플레인에서 각 초점에 대해 수행되어야 한다. 이 데이타 조작이 수행되는 동안, 신호의 제2 집합은 획득되고 제2 데이타 버퍼에 저장된다. 여기서의 목적은 데이타 수집 시간 내에 모든 데이타 처리 조작을 완료한 후 제2 데이타 어레이로 스위치하고 이 처리를 반복하는 것이다.
주파수 도메인 비임 형성은 본 발명에 따라 실시간 음파 모니터링을 수행하는 양호한 기술이다. 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변경하는 것은 8개의 연속적인 센서로부터 디지탈화 데이타의 수학적 조작에 의해 수행된다. 다음 단계들을 포함한다(제9도 참조):
(a) 아날로그 전압의 8개의 독립적인 병렬 채널은 입력을 주파수 도메인 비임 형성기로 전달한다. 각 아날로그 전압은 10 볼트 피크 대 피크, 500-30 kHz, 50 오옴이다.
(b) 8개의 아날로그 채널로부터의 신호는 80kHz 이상의 비율로 동시에 디지탈화된다. 각 워드는 길이가 적어도 10 비트이다. 각 채널에 대해 1024의 연속적인 표본이 디지탈화된다.
(c) 입력 데이타의 변화량이 계산된다. 데이타는 각 값을 변화량으로 나눔으로써 정규화된다. 최종 결과는 ±350(기저 10)의 디지탈 범위 내에 적합하도록 조정된다. 8개의 rms 전압 레벨의 값은 다음의 데이타 패스에 대해 적당한 게인을 설정하기 위해 호스트 컴퓨터로 보내는 출력이다.
(d) 각 정규화 데이타 값은 전방 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 사용하여 그 주파수 성분으로 변환된다. 변환된 신호들 각각은 신호 주파수와 알려진 진폭을 갖는다.
(e) 개별 주파수 성분은 교차-전력 스펙트럼을 결정하도록 곱해진 복소 공액(complex conjugate)이다 환언하면, 신호는 신호 1 데이타가 신호 2 데이타, 1×3, 1×4, ...,7×8에 의해 곱해지도록 조작된다. 이것은 주파수의 함수로서 임의 두 센서 신호들 사이에서 교차-전력의 28 데이타 어레이를 형성한다.
(f) 각 교차-전력 값에 대한 데이타는 경보 조건을 검사하는데 필요한 최소 시간 주기에 따라 시간 주기 T(통상 51 msec)에 대해 평균된다.
(g) 평균 교차-전력 스펙트럼의 역 FFT가 취해진다. 이것은 28 신호 쌍의 각각에 대해 공분산을 제공한다. 교차-상관 계수는 공분산을 최초 데이타의 평균 진폭으로 나눔으로써 얻어진다.
(h) 그 결과는 교차-상관 계수 데이타의 28 집합의 데이타 어레이이다. 교차-상관 계수는 유사한 두개의 최소 신호의 측정 값이다. 여기서 한 신호는 고정 상태를 유지하고 다른 신호는 시간 지연된다. 이 예에서 계수는 512 분리 지연 시간동안 계산되고 저장된다. 이들 지연 시간은 현 플레인에서 임의 위치로의 비임 형성에 필요한 것들을 커버한다. 512 시간 지연 단계는 그들 사이에 보간이 필요하지 않은 정도로 충분히 작다. 이 비임 형성 버퍼 내의 데이타는 프로그램 가능 제어기에 의해 처리될 것이다.
(i) 특정 위치에서 누출이 존재할 가능성은 모든 가능한 가속도계 커플릿(accelerometer couplet)(해당 위치로부터 센서까지의 경로 사이의 적절한 미분 지연 시간에서)에 대해 이들 28 데이타 어레이로 벡터링하므로써 얻어진다. CORCO의 값은 28 벡터화 값의 평균 전력(배경 전력에 대한 비율)이다.
현재 디지탈 신호 처리(DSP) 하드웨어는 FFT 같은 표준 함수를 계산하는 경우의 계산 속도를 증가시키기 위해 하드웨어에 내장된 많은 데이타 처리 기능을 갖고 있다. 하드웨어에 저가로 DSP 기능을 통합한 결과로 인해 비임 형성 부시스템의 설계에 다중-처리기, 병렬 처리 및 다중 태스킹의 개념이 생겨나게 되었다. 이 설계 기법은 다수의 어레이 데이타 조작을 수행하기 위해 전용 DSP 내장의 처리기를 사용한다. 비임 형성 부시스템은 데이타 처리의 재구성이나 어레이 처리에 대한 향상을 통해 부가의 센서를 시뮬레이트할 수 있는 호스트 컴퓨터에서 상보적인 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 구비한다. 처음에 시뮬레이션은 매핑 처리의 연속 작동에 대해 독립적으로 수행된다. 시뮬레이션 결과가 양호하면, 센서 어레이(FIFO 출력)로부터 발생되는 실시간 데이타를 사용하고 나서 마지막으로 매핑 처리를 반영하고 비임 형성 부시스템의 출력을 예측한다. 시뮬레이트된 시스템이 양호한 경우에 DSP 처리기는 시뮬레이션 소프트웨어에 의해 새로운 구성으로 자동 프로그램될 수 있다. 이 온라인 시뮬레이션은 이하에 설명되는 신경망/퍼지 논리 부시스템을 포함하며, 이들 부시스템에 사용된 내장형 연관(또는 추론) 엔진을 재프로그래밍한다.
비임 형성 부시스템은 시스템, 부시스템 및 부품의 신뢰성을 향상시키는 진단 능력이 아주 발전되었다. 전에 언급한 스마트 액세스 특징은 최신의 공적인 데이타와 정보를 부품 및 하위 부품의 성능에 대해 제공한다. 이미 설명한 통합형 시뮬레이터 능력의 사용으로 부가의 향상이 이루어진다. 이것은 시뮬레이션 모델의 최초의 성능 예측과 비교하여 시스템의 현 성능에 대한 독립적인 평가를 제공한다. 시스템 성능 모델은 신경망 시스템에서도 시뮬레이트될 수 있다. 신경망은 처음에 시뮬레이터를 사용하여 시험된 후 실제의 플랜트 성능에 의해 그 등급이 향상된다.
신경망 처리기는 IALDS에 대한 최초의 누출 표시기로서 사용된다. 네트워크는 어레이의 센서 입력으로부터 네트워크로 데이타 패턴의 변별을 인식하므로써 누출을 탐지하도록 시험된다. 이 네트워크는 먼저 이미 설명한 통합형 시뮬레이션 소프트웨어로부터의 데이타를 사용하여 시험된 후 그 인식 능력을 실제의 플랜트 성능으로 향상시킨다. 시뮬레이션을 사용하므로써 네트워크가 여러가지의 동작 조건과 누출 특성을 표현하는 넓은 범위의 패턴에 적용 가능하다. 신경망은 견고하고 안정적이며 융통성 뿐만 아니라 시뮬레이션을 통해 시험된 범위를 넘는 능력까지 갖도록 보증하기 위해 시뮬레이트된 데이타를 사용하여 훈련 및 테스트를 받고 있다. 이것이 의미하는 바는 시험 예의 경우와는 다른 누출의 존재(저주파수 및 고주파수 대역 중의 하나를 사용하여)를 인식하고 표시하는 능력을 갖는다는 것이다. 누출을 인식하기 위해 신경망을 훈련시키는데 많은 시간이 필요해도 훈련받은 네트워크는 1초도 안되는 시간에 실제의 탐지 평가를 수행한다.
신경망 누출 탐지 시스템과 IALDS 사전처리기의 다른 특징은 어떤 한 레벨의탐지 확률(90%의 탐지 확률과 10%의 에러 확률)로 훈련받은 후 입력 데이타를 보다 낮은 레벨의 탐지 확률(60%의 탐지 확률과 40%의 에러 확률)로 테스트한다. 사실상 신경망 사전처리기는 가변 탐지 감도를 갖는 탐지 시스템이다. 신경망은 누출을 표시하는데는 보다 나은 확률(더 민감한 탐지기임)로 하지만 정확함에 대해서는 그만큼 감소(에러 표시의 높은 확률)되도록 개방될 수 있다. 여러 사전처리기가 다른 축방향의 영역을 동시에 모니터링하므로 둘 이상의 사전처리기가 탐지를 감지한 정도로 누출 표시를 발생하기 위해 충분히 강한 신호를 수신할 수 있다. 탐지 능력이 넓은 범위에 걸쳐 이루어져서 누출이 표시되면, 사전처리기의 퍼지 논리 부분은 실제 표시임을 확인하기 위해 탐지 능력을 즉시 강화시킬 수 있다. 탐지 능력의 강화 후에도 표시가 여전히 있으면, 퍼지 논리 전문가 부시스템은 시스템으로 하여금 용기의 적절한 영역을 증가된 탐지 강도와 매우 낮은 오경보율로 스캔하게 할 것이다.
이 시스템은 액체 금속 증기 발생기에서의 누출의 탐지에 사용되는 것으로 설명되었다. 동일 시스템은 의학, 오류 탐지용 화학 및 처리 플랜트, 성능 모니터링 및 진단 등 다수의 여타 잠재적인 응용 분야를 갖는다. 설명된 시스템은 성능 모니터링, 진단 및 트레이닝 기능용으로 그 유용성을 확장시키는 많은 선택적인 특징들을 구비할 수 있다. 변환기로부터의 전기 신호 전압은 가청 레벨, 반응 모니터링 및/또는 휴먼 인터프리테이션 용으로 오퍼레이터에게 보여질 수 있다. 일례로서 변환기의 어레이는 증기 발생기 용기에 적용된 시스템과 더불어 용기의 표면을 커버한다. 액체/기체 표면 아래에서 탐지된 소리의 특성은 인터페이스 위의 센서로전달된 음파 에너지와는 완전히 다르다. 각 센서의 특징과 위치를 알면, 이러한 용기에서의 액체 레벨은 쉽게 추론할 수 있다. 동일 센서의 출력 전압은 헐거운 부품, 펌프 및 밸브의 작동, 유체를 이동시키는 부품의 심한 파손, 모니터된 용기 근처에서 이상한 소리의 모니터링 등의 탐지를 허용한다.
통합형 시뮬레이션이 ALMR 설계자에게 대화형 시스템 설계 툴을 제공하도록 개발된 것은 예견된 일이다. 이것은 진보된 DSP 하드웨어로 하여금 설계자에게 인터페이스의 속도를 향상시키고 실시간의 최적 연구를 제공하게 한다. 시뮬레이션은 또한 시스템 검증 및 확인 작업시 실험 장치로부터의 실시간 입력을 수용할 수 있다. 이 시뮬레이션은 또 ALMR의 허용 작업시 강력한 툴, 궁극적으로는 반응로의 오퍼레이터를 교육시키는 트레이닝 시뮬레이터가 된다.
또한, 처리 플랜트 부품에서의 많은 오류가 국소화 잡음원에 의해 동반된다. 마찬가지로, 동일 기술은 잡음원 발생기를 반향 필드에 의해 마스크되는 경우에도 식별되게 한다. 여기서 반향 필드는 높은 반향 필드 내에서 부품 또는 구조체의 동작상 특성이나 성능 특성을 확인하기 위해 윈드 터널에서 모델에 매핑 잡음의 발생 같은 것이다.
양호한 실시예는 예시의 목적으로 개시되었다. 이들 실시예의 변형과 수정이 가능하다는 것은 디지탈 신호 처리, 어레이 처리, 인공 지능, 또는 음파 및 초음파 탐지 분야의 기술자들에게는 아주 명백하다. 모든 이러한 변형과 수정은 첨부되는 특허 청구의 범위에 의해 포괄되는 것으로 고려된다.
제1도는 증기 발생기에서 물이 나트륨 측으로 누출하는 시간에 대한 누수율의 단계적 상승을 도시하는 그래프도.
제2도는 본 발명에 따른 변환기의 위치를 도시하는 액체 금속 고속 증식로의 제2 열전이 시스템의 개략도.
제3도는 본 발명에 따른 통합형 음파식 누출 탐지 시스템의 블럭도.
제3A도는 제2도의 중기 발생 용기 상에 장착된 센서를 상세히 도시하는, 본 발명에 따른 통합형 음파식 누출 탐지 시스템의 개략도.
제4도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 변환기(가속도계) 부조립체의 단면도.
제4A도는 본 발명의 다른 양호한 실시예에 따른 변환기(가속도계) 부조립체의 단면도.
제5도는 가속도계의 응답 특성을 도시하는 그래프도.
제6A도 및 6B도는 본 발명의 제1 및 제2 양호한 실시예 따른 각 변환기(가속도계)의 증폭기 부시스템의 개략도.
제7도는 본 발명에 따른 증기 발생기의 누출 신호 처리 시스템의 블럭도.
제8A 및 제8B도는 종래 기술과 본 발명의 음파식 누출 탐지 시스템에 각각이용된 비임 형성 기법의 기본 개념을 도시하는 예시도.
제9도는 본 발명의 음파식 누출 탐지 시스템에 이용된 비임 형성 처리시의 일련의 단계를 도시하는 흐름도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 증기 발생기 4 : 터빈
8 : 시라우드 14 : 럽처 디스크
16 : 덕트 18 : 스틸 스터브
24, 26 : 열 절연체 110 : 접시 스프링 와셔
112 : 억제판 114 : 관통 기둥
116 : 너트 및 와셔 118 : 방열기

Claims (10)

  1. 모니터된 볼륨(a monitored volume) 내의 이상(anomaly)을 탐지하는 탐지 장치에 있어서,
    상기 모니터된 볼륨의 다수의 각 국소 부분에 결합되어 있으며, 상기 모니터된 볼륨의 상기 국소 부분의 진동 변위의 함수인 저주파 성분을 갖는 각 아날로그 전기 신호를 출력하는 다수의 변환기;
    상기 각 아날로그 전기 신호를 각 디지탈 전기 신호로 변환(converting)하는 수단; 및
    상기 모니터된 볼륨 내의 이상의 가능성을 반영하는 소정의 패턴을 상기 각 디지탈 전기 신호에서 인식하는 신경망(neural network) 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변환기를 통한 상기 아날로그 전기 신호 출력은 상기 모니터된 볼륨의 상기 다수의 국소 부분의 상기 각각을 통해 전파하는 초음파의 함수인 고주파 성분을 가지며, 상기 탐지 장치는 상기 다수의 변환기의 각 출력을 상기 저주파 및 고주파 성분으로 분리(split)하는 다수의 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신경망 처리 수단은 상기 아날로그 전기 신호의 저주파 성분에 상응하는 디지탈 전기 신호에서 소정의 패턴을 인식하는 제1 신경망 처리기와 상기 아날로그 전기 신호의 상기 고주파 성분에 상용하는 디지탈 전기 신호에서 소정의 패턴을 인식하는 제2 신경망 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    소정 부류의 이상이 상기 모니터된 볼륨 내에 존재할 때에 발생되는 화합물의 존재를 상기 모니터된 볼륨 내에서 모니터링하는 화학적 센서 수단과 상기 제1 및 제2 신경망 처리기 및 상기 화학적 센서 수단의 상기 출력을 수신하도록 결합되어 있는 퍼지 논리 이상 탐지 처리 수단을 부가로 포함하며, 상기 퍼지 논리 이상 탐지 처리 수단은 이상을 표시하는 입력들의 조합에 응답하여 소정의 명령을 출력하기 위해 퍼지 논리 룰(fuzzy logic rule)의 제1 집합에 따라 프로그램되며 상기 입력들은 상기 제1 및 제2 신경망 처리기와 상기 화학적 센서 수단의 상기 출력들을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 퍼지 논리 이상 탐지 처리 수단으로부터의 상기 소정 명령에 따라 선택된 집합의 변환기들을 상기 표시된 이상의 개연적인 위치에서 모니터링하는 비임 형성 수단(beamforming means)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 선택된 집합의 변환기들과 상기 퍼지 논리 이상 탐지 처리 수단을 통한 데이타 출력에 대한 상기 모니터링의 결과로서 퍼지 논리 룰의 제2 집합을 상기 비임 형성 수단을 통한 데이타 출력에 적용하므로써 상기 모니터된 볼륨 내에서 동작 상태를 제어하는 퍼지 논리 인터페이스 처리 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 신경망 처리기의 출력을 수신하도록 결합된 퍼지 논리 손상 탐지 처리 수단을 부가로 포함하며, 상기 퍼지 논리 손상 탐지 처리 수단은 이상을 표시하는 입력들의 조합에 응답하여 소정의 명령을 출력하기 위해 퍼지 논리 룰의 제1 집합에 따라 프로그램되며 상기 입력들은 상기 제1 및 제2 신경망 처리기의 상기 출력들을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  8. 모니터된 볼륨에서 이상에 의해 야기된 손상을 방지하는 방법에 있어서,
    상기 모니터된 볼륨 내의 다수의 위치에서 상기 이상에 의해 발생된 음파를 탐지하는 단계;
    상기 모니터된 볼륨 내의 어떤 위치에서 소정 부류의 이상이 상기 모니터된 볼륨 내에 존재할 때 발생되는 화합물의 양을 탐지하는 단계;
    퍼지 논리 룰의 집합을 상기 탐지 단계들에 의해 획득된 데이타에 적어도 적용하는 단계; 및
    퍼지 논리 룰을 상기 획득된 데이타에 적어도 적용하는 상기 단계의 결과에 따라 상기 모니터된 볼륨 내의 동작 상태를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 모니터된 볼륨에서 이상을 탐지하는 탐지 장치에 있어서,
    상기 모니터된 볼륨의 다수의 각 국소 부분에 결합되어 있으며, 상기 모니터된 볼륨의 상기 국소 부분의 진동 변위의 함수인 저주파 성분을 갖는 각 아날로그 전기 신호를 출력하는 다수의 변환기;
    상기 각 아날로그 전기 신호를 각 디지탈 전기 신호로 변환하는 수단;
    상기 모니터된 볼륨 내의 소정의 유니트 볼륨으로부터 기원하는 음파에 상응하는 상기 디지탈 전기 신호들을 동시에 조합(combine)하는 비임 형성 수단; 및
    퍼지 논리 룰들의 집합을 상기 비임 형성 수단에 의한 데이타 출력에 적어도 적용하므로써 상기 용기 내의 동작 상태를 제어하는 퍼지 논리 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  10. 모니터된 볼륨 내에서 이상의 위치를 알아내는 방법에 있어서,
    다수의 변환기를 상기 모니터된 볼륨의 다수의 국소 부분에 결합시켜서, 상기 다수의 변환기 각각이 상기 모니터된 볼륨의 상기 다수의 국소 부분의 각각의진동 변위의 함수인 저주파 성분과 상기 모니터된 볼륨의 상기 다수의 국소 부분의 각각을 통해 전파하는 진동파/초음파의 함수인 고주파 성분을 갖는 아날로그 전기 신호를 출력하도록 하는 단계;
    상기 각 아날로그 전기 신호 성분들을 각 디지탈 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 모니터된 볼륨 내의 이상의 가능성을 반영하는 소정의 패턴을 상기 각 디지탈 전기 신호 내에서 인식하도록 훈련된 신경망을 통해 상기 디지탈 전기 신호를 처리하는 단계;
    상기 모니터된 볼륨 내에 소정 부류의 이상이 존재할 때에 발생된 화합물의 존재를 상기 모니터된 볼륨 내에서 모니터링하는 단계; 및
    이상을 표시하는 결과에 따라 소정의 명령을 출력하기 위해 퍼지 논리 룰의 제1 집합에 따라 상기 신경망 처리 단계와 상기 모니터링 단계의 결과들을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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