БЛОК СЕЙСМОДАТЧИКОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ АНТИСЕЙСМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2003 года по МПК G01V1/16 

Требование высокой чувствительности обусловлено необходимостью получения сигнала в систему безопасности при уровнях сейсмовоздействий, которые значительно ниже предельных значений ускорения, характеризующих проектное и максимальное расчетное землетрясения, способных привести к разрушению конструкций.

Характерным режимом работы блока сейсмодатчиков в составе системы безопасности является режим ожидания применения по назначению и значительное время непрерывной работы. При этом наличие информации о сохранении работоспособности блока или оценке вероятности невыполнения функций требует обеспечения возможности ее периодического контроля без демонтажа и отключения его от системы защиты.

Наиболее часто в сейсмометрии и виброметрии используются пьезоэлектрические датчики, предназначенные для измерения ускорения [1, 2]. Известными недостатками пьезоэлектрических акселерометров являются недостаточные точность измерений низкочастотных ускорений и стабильность коэффициента преобразования при высокой чувствительности [3].

Известны сейсмометры, работающие в режиме виброметра, представляющие собой катушку, подвешенную в магнитном поле, или постоянный магнит, подвешенный в зазоре электромагнитной катушки, изменяющие свое положение друг относительно друга при смещении корпуса датчика и отличающиеся высокой чувствительностью [4, 5] . К числу их основных недостатков относятся невысокая точность из-за чувствительности к влиянию внешних электромагнитных помех, невозможность сквозного контроля без демонтажа и отключения от системы защиты.

Известны высокочувствительные малогабаритные акселерометры уравновешивающего преобразования, предназначенные для измерения статических и динамических ускорений в заданном интервале частот и отличающиеся высокой точностью (стабильностью коэффициента преобразования) [6]. Акселерометры уравновешивающего преобразования за счет использования возможностей электромеханической обратной связи отличаются простотой калибровки всего измерительного тракта, которая не требует сложного оборудования, и может проводиться в процессе эксплуатации по внешним сигналам управления. Недостатком таких приборов следует считать низкую чувствительность к сейсмоускорению акселерометра, установленного измерительной осью вертикально из-за действия гравитационного ускорения. Другим недостатком применения статических акселерометров для измерения сейсмоускорений является влияние изменений смещения нуля, вызванных различными причинами, на точность определения пороговых значений.

Прототипом заявляемого устройства является блок сейсмодатчиков [7], содержащий три ортогонально установленных виброметра и схему формирования сигналов для системы антисейсмической защиты. Основной функцией блока является формирование дискретных сигналов, свидетельствующих о достижении сейсмоускорением пороговой величины, которая может изменяться в пределах от 0,025 до 4 м/с². В блоке предусмотрена возможность калибровки только схемы формирования сигналов. Прототип отличается всеми недостатками виброметра, невозможностью калибровки всего тракта преобразования, поэтому для периодического контроля сохраняемости метрологических характеристик требуется проведение испытаний на низкочастотном вибростенде, что связано с демонтажем блока с элементов конструкций, например с фундамента АЭС, и отключением от системы защиты.

Функциональная схема блока приведена на чертеже. Она содержит три ортогонально установленных статико-динамических акселерометра уравновешивающего преобразования 3, 4, 5. Схема формирования сигналов содержит три измерительных канала 7, 8, 9, предусматривающих в зависимости от конкретного требования к порогу срабатывания возможность ослабления или усиление выходных сигналов акселерометров и последующего возведения в квадрат. Нагрузкой измерительных каналов является суммирующий усилитель 10, выходной сигнал которого подается на компаратор 11, настроенный на заданный порог сейсмоускорения. Компаратор управляет работой одновибратора 12, формирующего одиночный импульс заданных амплитуды и длительности, который передается в систему защиты. Кроме этого в составе блока предусмотрены разделительные RC-цепи, источник постоянного тока 6 и генератор калибровочных сигналов 2. Постоянная времени цепей выбирается из условия RC = 1/f_Н, где f_Н - нижняя частота среза частотного диапазона измерений блока, например 0,05 Гц. При этом условии на входы измерительных каналов не проходят неизменные во времени (статические) выходные сигналы акселерометров, но обеспечивается возможность прохождения сигнала с частотами, находящимися внутри частотного диапазона измерений. Таким образом, введение RC-цепей позволяет исключить влияние изменений смещения нуля акселерометров, вызванных, например, температурной нестабильностью или изменением пространственной ориентации блока, на точность определения пороговых значений.

Ток от источника 6, протекая по цепи электромеханической обратной связи акселерометра, установленного измерительной осью вертикально, воспроизводит силу, компенсирующую действие гравитационного ускорения на инерционный элемент. При этом инерционный элемент устанавливается в состояние, соответствующее "нулевому" ускорению, чем обеспечивается требуемая чувствительность акселерометра к сейсмоускорению.

Встроенный генератор калибровочных сигналов 2 вырабатывает сигналы, заданной формы и амплитуды с частотой, находящейся внутри частотного диапазона измерений блока. Указанные сигналы проходят в цепи электромеханической обратной связи акселерометров при замкнутых контактах ключа 1. Управление работой ключа 1 осуществляется внешним сигналом.

Работает предлагаемое устройство следующим образом: при возникновении сейсмоускорения на выходах акселерометров 3, 4, 5 появляются напряжения, пропорциональные его амплитуде. Поскольку выходные сигналы акселерометров в этом случае являются динамическими, они проходят через разделительные емкости С на входы измерительных каналов, где усиливаются или ослабляются, возводятся в квадрат и суммируются суммирующим усилителем 10. При равенстве амплитуды выходного сигнала сумматора 10 и порога срабатывания компаратора 11 на выходе последнего появляется импульс напряжения, длительность которого определяется временем воздействия сейсмоускорения величиной больше порогового значения. Указанный импульс запускает одновибратор 12, формирующий единичный импульс заданной амплитуды и длительности, управляющий работой входного ключа системы защиты 13.

Для проведения калибровки внешним сигналом управления замыкается ключ 1, через контакты которого выходной сигнал генератора 2 поступает в электромеханическую цепь обратной связи акселерометров. Указанная цепь определяет метрологические характеристики акселерометра и представляет собой магнитоэлектрический преобразователь, в котором в результате взаимодействия калибровочного тока, протекающего по обмотке, подвешенной в магнитном поле, с индукцией поля возникает сила, эквивалентная составляющей сейсмоускорения на измерительную ось. Схема настраивается таким образом, что этот сигнал, проходя через весь тракт преобразования, вызывает срабатывание компаратора 11, одновибратора 12 и ключа 13. При этом стабильность величины калибровочного тока, при котором происходит срабатывание ключа 13, служит оценкой стабильности порога срабатывания и метрологических характеристик блока.

Достоверность предлагаемого косвенного способа воспроизведения сейсмоускорений подтверждена приемосдаточными испытаниями блока сейсмодатчиков методом прямых измерений на образцовой установке первого разряда - вибростенде ИНВ - с гарантированной точностью воспроизведения не хуже 0,4%.

Таким образом, применение данного изобретения позволяет увеличить чувствительность с одновременным повышением точности измерений, обеспечить возможность проведения калибровок всего измерительного тракта в процессе эксплуатации без демонтажа блока и его отключения от системы защиты.

Эффективность предлагаемого изобретения подтверждена результатами предварительных испытаний и испытаний в целях сертификации блока сейсмодатчиков БСД 1, а также результатами положительной эксплуатации блоков на Балаковской атомной электростанции.

Источники информации
1. А. с. 397868 СССР, МКИ³ G 01 V 1/16. Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр. / В.М. Фремд (СССР - 4 с.: ил.).

2. А.с. 338868 СССР, МКИ³ G 01 V 1/16. Пьезоэлектрический датчик колебаний. / В.М. Фремд (СССР - 4 с.: ил.).

3. Endevco. General catalog CA 92675 USA. 1988.

4. А.с. 548816 СССР, МКИ³ G 01 V 1/16. Устройство для регистрации сейсмических колебаний. / В.М. Фремд (СССР - 4 с.: ил.).

5. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: ГНТИ МЛ, 1963.

6. Мокров Е. А. Состояние и перспективы развития акселерометров разработки НИИФИ. Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем. 1988, с. 51.

7. Система индустриальной антисейсмической защиты с автоматическим самоконтролем СИАЗ-2. ТУ РА 53.135-9, ПС 53-462561.1.002-89 (Разработка АРМ ATOM, Армения).

Использование: для измерения сейсмовоздействия и формирования сигналов для систем безопасности, например, атомных реакторов. Сущность: в блок сейсмодатчиков для антисейсмической защиты атомного реактора, содержащий три статико-динамических акселерометра уравновешивающего преобразования, расположенных по ортогональным осям, и схему формирования сигналов, ко входу цепи отрицательной электромеханической обратной связи акселерометра, установленного измерительной осью вертикально, подключен источник постоянного тока для компенсаций действия гравитационного ускорения. Между выходами акселерометров и входами схемы формирования сигналов включены разделительные RC-цепи, постоянная времени которых определяется нижней частотой среза частотного диапазона измерений сейсмоколебаний. Для обеспечения периодического контроля всего измерительного тракта блока ко входам электромеханической обратной связи акселерометров подключен генератор калибровочных сигналов заданной амплитуды и частоты, значение которой находится внутри частотного диапазона измерений. Технический результат: увеличение чувствительности с одновременным повышением точности и обеспечение возможности контроля всего измерительного тракта в процессе эксплуатации без демонтажа с объекта и отключения от системы защиты. 1 ил.

Блок сейсмодатчиков для системы антисейсмической защиты, содержащий три статико-динамических акселерометра уравновешивающего преобразования, установленных по ортогональным осям, три измерительных канала, суммирующий усилитель, компаратор, одновибратор, отличающийся тем, что ко входу цепи отрицательной электромеханической обратной связи акселерометра, установленного измерительной осью вертикально, подключен источник постоянного тока, между выходами акселерометров и входами схемы формирования сигналов включены разделительные RC-цепи, а ко входам электромеханической обратной связи акселерометров через аналоговый ключ подключен генератор калибровочных сигналов.