Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ сейсмоколебаний и средств их измерения 10
1.1 Основные характеристики землетрясений и защитные мероприятия атомных станций 10
1.2 Анализ требований к сеисмодатчикам, предназначенным для эксплуатации на атомных станциях 12
1.3 Анализ технического уровня современных сейсмодатчиков 15
1.4 Анализ режимов работы измерительных преобразователей инерционного действия 20
Глава 2 Исследование структур акселерометров и определение их параметров 31
2.1 Классификационные признаки акселерометров 31
2.2 Исследование акселерометров прямого преобразования 33
2.3 Исследование особенностей построения компенсационных акселерометров 34
2.4 Результаты моделирования акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием 44
2.5 Теоретическая оценка недостоверности косвенного » метода контроля характеристик акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием 50
Глава 3 Методы и средства обеспечения метрологических характеристик сейсмодатчиков 55
3.1 Анализ относительной погрешности сейсмодатчиков 55
3.2 Анализ погрешностей определения модуля вектора сейсмоускорения 59
3.3 Определение статических характеристик акселерометров 68
3.4 Динамическая градуировка сейсмодатчиков 73
Глава 4 Разработка и экспериментальные исследования сейсмодатчиков 78
4.1 Разработка функциональной схемы сейсмодатчиков 78
4.2 Разработка и экспериментальные исследования сейсмоприемников 86
4.3 Результаты разработки сейсмодатчиков 91
4.4 Экспериментальная оценка недостоверности косвенного метода определения характеристик сейсмодатчиков 99
4.5 Обеспечение электромагнитной совместимости сейсмодатчиков 103
Выводы по главе 4 109
Заключение 111
Список литературы 113
Приложение
- Анализ требований к сеисмодатчикам, предназначенным для эксплуатации на атомных станциях
- Результаты моделирования акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием
- Анализ погрешностей определения модуля вектора сейсмоускорения
- Результаты разработки сейсмодатчиков
Введение к работе
Актуальность темы
Антисейсмическая защита промышленных объектов, особенно, таких как атомные станции, имеет огромное практическое значение, для человеческого общества, поскольку землетрясения представляют собой опасное природное явление. Все большее число стран теперь строят и экс-
* плуатируют ядерные реакторы для производства электроэнергии. Из-за
тяжести последствий аварий таких реакторов их проектирование и
эксплуатация подвергаются строгому правительственному контролю. Про
ект станции составляется так, чтобы рассчитанные колебания грунта не
могли привести к нарушению работы станции и не создали угрозы для
безопасности и здоровья и обслуживающего персонала и местного населе
ния [1-3].
* Для обеспечения автоматической аварийной остановки реактора при
землетрясениях заданной интенсивности предусматривается применение
системы сейсмометрического контроля и сигнализации, формирующей
команды на остановку реактора, а также автоматическую регистрацию ко
лебаний на уровне подошвы здания реакторной установки. Такие решения
нацелены на максимальную предусмотрительность, значительно превы
шающую ту, что считается необходимой для других типов сооружений. В
этой связи к сеисмодатчикам систем аварийной защиты ядерных реакторов
предъявляются жесткие требования к показателям надежности и стабиль
ности метрологических характеристик.
Решению многих вопросов, связанных с разработкой методов и средств измерений параметров колебательных процессов, способствовали работы А.Н. Крылова, Б.Б. Голицына, Ю.И. Иориша, Л.Д. Гика и других.
Однако в целом состояние научных разработок современных сейс-
^ модатчиков не позволяет решить многих задач проектирования.
Известны применяемые в измерительной технике для измерения параметров колебаний пьезоэлектрические сейсмоприемники, состоящие из инерционного элемента, совмещенного с пьезоэлектрическим преобразователем [4-6]. Неудовлетворительная чувствительность и точность измерений низкочастотных колебаний, а также значительная чувствительность указанных датчиков к неизмеряемым компонентам, не позволяют применять их в системах аварийной защиты реакторов.
Известны также датчики, в которых в качестве преобразователя сейсмических колебаний в электрический сигнал применяется дифференциальный трансформатор [7]. В них подвижные и неподвижные обмотки дифференциального трансформатора размещены на корпусе и инерционном элементе соответственно. Их взаимное смещение при воздействии на датчик сейсмоускорения, изменяя коэффициент трансформации, приводит к пропорциональному изменению амплитуды выходного сигнала. К числу недостатков таких датчиков относятся неудовлетворительная стабильность метрологических характеристик и низкая устойчивость к воздействию электромагнитных помех, характерных для процесса эксплуатации на энергетических объектах.
В настоящее время известны сейсмодатчики, предназначенные для работы в составе аппаратуры индустриальной антисейсмической защиты, в которых в качестве сейсмоприемников используются индукционные виброметры, обладающие высокой чувствительностью [8]. Однако следует отметить, что эти сейсмодатчики обладают рядом существенных недостатков, к которым относятся невозможность калибровки всего измерительного тракта без применения виброиспытального оборудования, ограниченный частотный диапазон измерений в области низких частот, невысокая точность, неудовлетворительная устойчивость к электромагнитным помехам.
Кроме того, режим проверки исправности сейсмодатчика в процессе эксплуатации не включает в себя проверку трех сейсмоприемников, расположенных по взаимно-перпендикулярным направлениям, являющихся основным функциональным узлом сейсмодатчика.
Решение поставленных выше задач обуславливает актуальность представленной работы.
Цель работы состоит в развитии теории измерений сейсмоколеба-ний, обеспечивающей создание на ее основе сейсмодатчиков для аппаратуры аварийной защиты атомных станций, отличающихся высокими метрологическими характеристиками, показателями надежности и помехоустойчивости.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
Развитие методов измерений сейсмоускорений на основе исследований характеристик измерительных преобразователей инерционного действия.
Разработка и определение основных параметров сейсмоприемников, являющихся основным функциональным узлом сейсмодатчика.
Совершенствование алгоритма определения модуля вектора сейс-моускорения.
4. Разработка и исследование характеристик сейсмодатчиков для
систем защиты реакторных установок АЭС.
Методы исследования
Теоретические исследования базируются на положениях теории электрических цепей, теории автоматического регулирования, теории погрешностей, теории математической статистики, методах математического анализа, теории вероятностей. Основные теоретические положения и результаты моделирования на ЭВМ подтверждены экспериментальными исследованиями.
Моделирование проводилось в среде MATLAB. Научная новизна работы состоит в следующем:
Развит метод измерений сейсмоколебаний, который позволяет расширить частотный диапазон в области нижних частот, заключающийся в использовании в качестве сейсмоприемников измерительных преобразователей инерционного действия в режиме акселерометра.
Предложен способ формирования модуля вектора сеисмоускорения по геометрической сумме проекций вектора на три ортогональные оси X, Y, Z, позволяющий получить линейную функцию преобразования и повысить точность сейсмодатчиков.
Определено аналитическое выражение для определения амплитудного значения модуля вектора сеисмоускорения при гармоническом входном сигнале с применением стандартизованных универсальных вольтметров эффективного значения.
Предложен косвенный метод контроля характеристик сейсмодатчиков тестовым электрическим сигналом без применения виброиспытательного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ формирования модуля вектора сеисмоускорения по геометрической сумме проекций вектора на три ортогональные оси X, Y, Z.
Способ определения амплитудного значения модуля вектора сеисмоускорения при гармоническом входном сигнале с применением стандартизованных универсальных вольтметров эффективного значения.
Косвенный метод контроля характеристик сейсмодатчиков тестовым электрическим сигналом без применения виброиспытательного оборудования.
Способ автоматической проверки исправности сейсмодатчиков без отключения от системы аварийной защиты реакторной установки.
Практическая значимость
Разработаны и исследованы акселерометры АЛЕ 037 с магнитоэлектрическим уравновешиванием, отличающиеся улучшенными метрологическими характеристиками, пригодные для измерений сеисмоускорении и построения на их основе сеисмодатчиков.
Предложен способ определения амплитуды модуля вектора сейс-моускорения при гармоническом входном сигнале, позволяющий применять стандартизованные универсальные вольтметры эффективного значения в процессе изготовления и эксплуатации сеисмодатчиков.
Впервые предложен и реализован режим автоматической проверки исправности всего измерительного тракта сеисмодатчиков на протяжении всего жизненного цикла без отключения от системы аварийной защиты реакторной установки.
Разработаны и внедрены сейсмодатчики БСД 1, БСД 1-01, СД 4, отличающиеся улучшенными метрологическими характеристиками и показателями надежности по сравнению с аналогами, а также обладающие меньшими массой и габаритами.
Предложены обоснованные технические и методические решения, внедрение которых позволяет обеспечить соответствие сеисмодатчиков БСД 1, БСД 1-01, СД 4 требованиям IV группы исполнения по жесткости электромагнитной обстановки ГОСТ Р 50746-00. Это позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики и гарантирует безопасную эксплуатацию другим техническим средствам.
Реализация работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанных в НИИ физических измерений сейсмодатчиках типа: БСД 1, БСД 1-01, СД 4.
Перечисленные выше сейсмодатчшеи успешно эксплуатируются в России и за ее границами на таких АЭС как: Балаковская (Россия), Кали-
нинская (Россия), Ровенская (Украина), Южно-Украинская (Украина), Запорожская (Украина), Хмельницкая (Украина). Проведена поставка комплекта сейсмодатчиков на АЭС "Бушер" (Иран). Планируется эксплуатация сейсмодатчиков на АЭС Болгарии и Индии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Методы и средства измерения в системах контроля и управления" (г. Пенза, 2001, 2002 гг.), на всероссийских научно-технических конференциях "Датчики и детекторы для АЭС" (г. Пенза, 2002,2004 гг.), на всероссийских научно-технических конференциях "Состояние и проблемы измерений" (г. Москва, 2000, 2002 гг.), на конференциях молодых специалистов "Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству XXI века" (г. Пенза, 2002, 2003, 2004 гг.), на Международной молодежной научно-практической конференции "Люди и космос" (г. Днепропетровск, 2002 г.), на Международном симпозиуме " Надежность и качество" (г. Пенза, 2004 г.), на научно-технической конференции молодых специалистов (г. Королев, 2002 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы включающего 108 наименований, трех приложений. Диссертационная работа изложена на 121 странице основного текста, содержит 36 рисунков и 8 таблиц.
Автор благодарит кандидата технических наук, старшего научного сотрудника "НИИ физических измерений" Папко А.А. за консультацию при выполнении и оформлении диссертационной работы.
Анализ требований к сеисмодатчикам, предназначенным для эксплуатации на атомных станциях
Исходя из функционального назначения, условий эксплуатации, а также с учетом требований нормативных документов, распространяющихся на аппаратуру для атомных станций, сейсмодатчики должны иметь следующие характеристики: 1. Предел измерений аналоговых раздельных каналов должен нахо-диться в интервале от 0,01 до 5,6 м/с . 2. Диапазон ускорений, в пределах которого устанавливается порог выдачи аварийных сигналов (П1), должен находиться в интервале от 0,25 до 5,6 м/с2. 3. Диапазон ускорений, в пределах которого устанавливается порог начала регистрации (П2), должен находиться в интервале от 0,05 до 0,25 м/с2. 4. Частотный диапазон измерений (0,1 - 32) Гц. 5. Предел допускаемого значения основной погрешности не должен превышать + 3 %. 6. Дополнительная температурная погрешность не должна превы шать 0,1%/С. По сейсмостойкости должны соответствовать категории 1 согласно ПНАЭГ-5-006-87 [21]; по месту установки - группе А согласно ГОСТ 29075-91 [22]. 7. Показателями безотказности являются: - средняя наработка до отказа должна быть не менее 16000 ч; - вероятность невыполнения функции на требование, по функциям аварийной защиты, должна быть не более 5-Ю"7 с учетом дальнейшего ма-жоритирования выходных сигналов П1 по логике "2 из 3" для одного трех-канального комплекта; - параметр потока отказов по функциям контроля, индикации, регистрации должен быть не более 2-Ю 5 1/ч . Отказом по функциям аварийной защиты является невыдача команды при наличии требования на срабатывание. 8. Показателем ремонтопригодности является время восстановления, которое должно быть не более 1 ч. 9. Частота ложных срабатываний по функциям аварийной защиты не должна превышать 0,1 1/год с учетом дальнейшего мажорирования выходных сигналов на автоматическую аварийную остановку реактора по логике "два из трех" для одного трехканального комплекта. 10. Требования к безопасности: - по влиянию на безопасность АЭС и выполняемым функциям должны относиться к элементам управляющей системы безопасности классу 2УН в соответствии с ГШАЭГ-5-006-87; - по способу защиты человека от поражения электрическим током блок должен относиться к классу 01 по ГОСТ 12.2.007.0-75 [23]. 11. Требования к защите от влияния внешних воздействий: - по защищенности от твердых предметов и воды должны соответствовать степени защиты IP54 по ГОСТ 14254-96 [24]; - сейсмодатчик должен быть стойким к воздействию атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.) по требованиям ГОСТ 29075-91; - покрытие должно быть устойчивым к дезактивирующим растворам. 12. По стойкости к воздействию механических внешних воздействующих факторов (вибропрочность, виброустойчивость) должны соответствовать группе 3 по ГОСТ 29075-91. 13. Должны быть пожаростойкими и не быть источниками возгорания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.1.004-85 [25], ГОСТ 12.2.003-91 [26] при вероятности возникновения пожара не более 1-Ю"6 в год. 14. По электромагнитной совместимости должны соответствовать IV группе исполнения жесткой степени электромагнитной обстановки по ГОСТ Р 50746-2000 [27]. 15. Масса отдельных функциональных узлов и блоков приборов должна быть минимальной и, как правило, не должна превышать 20 кг. В приборах рекомендуется предусматривать сигнализацию о включении, а также готовности (исправности) и неисправности [28]. Метрологическое обеспечение приборов должно осуществляться, на базе стандартного оборудования и стандартизованных серийно выпускаемых средств измерений. При необходимости применения в качестве метрологического обеспечения нестандартизованного или серийно не выпус каемого оборудования и средств измерений, они должны быть изготовлены, метрологически аттестованы и предъявлены на Государственные испытания приборов.
Таким образом, анализ требований к сейсмодатчикам показал, что на ряду с высокими точностными характеристиками не менее важными являются показатели надежности и помехоустойчивости в условиях жесткой электромагнитной обстановки при эксплуатации на атомных станциях. Для создания конкурентоспособных сейсмодатчиков, удовлетворяющих требованиям современного уровня измерительной техники, при их разработке необходимо использовать перспективные методы измерений сейсмоколебаний. С целью определения современного уровня развития сейсмодатчиков автором проведен анализ технических характеристик сейсмодатчиков, применяемых на атомных станциях. В настоящее время известны сейсмодатчики СИАЗ-2 [8], разработанные армянским НИИ по эксплуатации атомных электростанций (АРМАТОМ) со следующими параметрами и техническими характеристиками, представленными в таблице 1.1. Сейсмодатчики СИАЗ-2 формируют следующие выходные сигналы: а) раздельные аналоговые от 0 до 5 мА - при нагрузке 2 кОм; б) общий аналоговый от 4 до 20 мА - при нагрузке 250 Ом; в) дискретный типа "сухой контакт" для запуска регистратора; г) дискретные, аварийные типа "сухой контакт" в цепи постоянного тока до 100 мА при напряжении до 60 В. Формирование дискретных сигналов сейсмодатчиков, обеспечивающих автоматическую аварийную остановку реактора и запуск регистратора происходит по модулю вектора сеисмоускорения, который определяется в соответствии с алгоритмом где S — модуль вектора сеисмоускорения, SX,SY,SZ — квадраты проекций вектора сеисмоускорения на ортогональные оси X,Y,Z. Конструктивно система выполнена в виде отдельно расположенных трех одинаковых блоков и одного регистратора с блоком согласования. Следует отметить, что эти сейсмодатчики обладают рядом существенных недостатков: 1. Невозможность калибровки всего измерительного тракта, без применения виброиспытального оборудования. 2. Ограниченный частотный диапазон измерений и существенная нелинейность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) внутри этого диапазона, обусловленные использованием колебательной системы датчика в режиме виброметра. 3. Применение алгоритма (1.1) определения модуля вектора сеисмоускорения, особенностью которого является невысокая точность и получение нелинейной функции преобразования. 4. Неудовлетворительная устойчивость к электромагнитным помехам. 5. Режим автоматической проверки работоспособности каждого сейсмодатчика в процессе эксплуатации не включает в себя проверку трех сейсмоприемников, являющихся основным функциональным узлом сейс модатчика. 6. Значительные масса и габариты, требующие для определения мет рологических характеристик датчика испытательную аппаратуру большой грузоподъемности.
Результаты моделирования акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием
Функциональная схема акселерометра с емкостным преобразователем перемещения и магнитоэлектрическим уравновешиванием представлена на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 - Функциональная схема акселерометра с емкостным преобразователем перемещения и магнитоэлектрическим уравновешиванием. Измеряемое ускорение а воздействует на массу инерционного элемента т, преобразуется в силу Fx, затем колебательной системой (КС) в перемещение X и преобразователем перемещения (ПП) в электрический сигнал U. Этот сигнал усиливается в усилителе постоянного тока (УПТ), затем подается в преобразователь "напряжение - ток" (ПНТ) и в обратный преобразователь (ОП). Разность сил Fx - F действующая на КС, преобразуется ПП и УПТ, и далее фильтр низкой частоты (ФНЧ) формирует выходной сигнал ивых.
Емкостной преобразователь перемещения включен по схеме 1 таблицы 2.2 и получает питание от высокочастотного генератора. Схема преобразователя имеет ПФ вида /fc(// #?+/).Усилитель постоянного тока выполнен на высокочастотном операционном усилителе и эмиттерном повторителе, обеспечивающем согласование с емкостной нагрузкой. ОП включен по схеме 1 таблицы 2.1. По этой же схеме осуществляется формирование динамических характеристик.
При разработке компенсационных акселерометров прилагаются значительные усилия по уменьшению постоянных времени интегрирующих звеньев, уменьшающих запасы устойчивости цепи уравновешивания [67]. Практический принцип повышения запасов устойчивости заключается в снижении порядка дифференциального уравнения, описывающего работу цепи уравновешивания до второго. Однако это не всегда удается, а потому при составлении структурной схемы не следует пренебрегать ни одной из постоянных времени.
С учетом этих рекомендаций структурная схема акселерометра с магнитоэлектрическим уравновешиванием представлена на рисунке 2.5.Рисунок 2.5 - Структурная схема акселерометра с емкостным преобразователем перемещения и магнитоэлектрическим уравновешиванием.Передаточная функция акселерометра W(p)t составленная по структурной схеме (рисунок 2.5), равнаФЧХ цепи уравновешивания акселерометра, т.е. без учета ФНЧ.Результаты моделирования АЧХ и ФЧХ представлены на рисунке 2.6. Моделирование проводилось в среде MATLAB 6.0.
Характерными значениями параметров акселерометра с емкостным преобразователем перемещения и магнитоэлектрическим уравновешива-нием являются І2 = 1 10 с, Тз = 1 10 с, І4 = 1,5-10 с. Относительное значение коэффициента газового демпфирования D=l,5, а х\ = 3-Ю-4 с. Остальные основные параметры для акселерометра приведены в таблице 2.3.АЧХ всего акселерометра получают перемножением АЧХ цепи уравновешивания и АЧХ фильтра, ФЧХ - суммированием значений углов фазового сдвига на каждой из частот.
Таким образом, моделирование номинальных АЧХ и ФЧХ цепи уравновешивания акселерометра с емкостным преобразователем перемещения и магнитоэлектрическим уравновешиванием показало, что характерными значениями параметров акселерометра являются т2 = 1-10—3 с, т3 = 1-Ю-3 с, т4 = 1,5-Ю-3 с, относительное значение коэффициента газового демпфирования D=l,5 , а Т\ = 3-Ю"4 с. Остальные основные параметры для акселерометра приведены в таблице 2.3.
Компенсационные акселерометры с магнитоэлектрическим обратным преобразователем построены по структуре уравновешивающего преобразования [68]. Известным свойством таких структур является то, что их метрологические характеристики определяются стабильностью цепи отрицательной обратной связи, представляющей в данном случае магнитоэлектрический преобразователь силы. Указанный преобразователь отличается от аналогичных (электростатических, электромагнитных и др.) преобразователей высокой стабильностью характеристик. Температурная погреш ность магнитоэлектрического преобразователя зависит главным образом от стабильности свойств, примененных в нем постоянных магнитов, и достигает 0,01 %/С. Для уменьшения этой величины в акселерометре используется специальная цепь термокомпенсации на основе датчика температуры из медного провода, находящаяся за пределами цепи уравновешивания.
Для реализации косвенного метода контроля характеристик в магнитоэлектрическом обратном преобразователе акселерометра предусматривается специальная калибровочная обмотка. При калибровке в нее подается строго нормированная величина тока гармонической или прямоугольной формы, в результате взаимодействия которого с индукцией поля постоянного магнита возникает сила. В этом случае искомое значение сейс-моускорения определяется по результату измерения силы, функционально связанной с ускорением вторым законом Ньютона. По физической сути магнитоэлектрический преобразователь акселерометра при неизменной температуре окружающей среды является высокоточным минивибростен-дом с погрешностью воспроизведения силы не более (0,01 — 0,02) %.
Наиболее эффективным способом теоретической оценки достоверности косвенного метода с тестовыми сигналами гармонической формы является анализ структурной схемы акселерометра (рисунок 2.7) по измеряемому и калибровочному сигналам.Для указанной схемы передаточная функция акселерометра по измеряемому ускорению а(р) имеет вид
Таким образом, сравнение передаточных функций позволяет сделать следующие выводы:- при косвенном методе контроля в отклике акселерометра на диагностирующий сигнал не содержится информации об основном метрологическом параметре — коэффициенте преобразования ОП ДО- Обратный преобразователь при косвенной градуировке переходит в цепь прямого преобразования калибровочного сигнала, вследствие чего нестабильность его параметров не влияет на результат измерений. Физически это объясняется тем, что при наличии нестабильности величины ДО стабильным входным током создается нестабильная мера силы. При этом цепью уравновешивания акселерометра воспроизводится точно такая же нестабильная компенсирующая сила. Сравнение двух одинаково нестабильных сил приводит к стабилизации отношения выходного и входного электрических сигналов в процессе калибровки.
Величина недостоверности оценок характеристик акселерометра с применением косвенного метода будет определяться величиной ctRt, достигающей 0,01%/Х. Приемлемость такой величины недостоверности определяется в каждом конкретном случае. Например, для оценки метрологических характеристик акселерометра величиной (0,02 - 0,05) %, косвенный метод можно считать достоверным при неизменной температуре. С полным основанием его также можно отнести к разряду достоверных для оценки метрологических характеристик сейсмодатчиков с величиной основной погрешности 1,5 % и температурной (0,1-0,05) %/С;Исходя из выше сказанного, можно утверждать, что достоверность процесса калибровки акселерометров косвенным способом может считаться удовлетворительной для оценки метрологических характеристик сейсмодатчиков.
Анализ погрешностей определения модуля вектора сейсмоускорения
Анализ конструктивных особенностей сейсмодатчиков, а также акселерометров — как первичных измерительных преобразователей, показывает, что возникновение погрешностей измерения модуля вектора сейс-моускорения S может быть обусловлено отклонением осей чувствительности акселерометров Ах, Ay, Az от осей базиса корпуса сейсмодатчика. Рисунок 3.1 - Определение положения твердого тела в пространстве.Для определения положения твердого тела в пространстве необходимо ввести систему координат X2Y2Z2, неизменно жестко связанную с телом, с полюсом Ог, который находится в выбранной точке тела, и систему координатXiYjZj, которая принимается неподвижной (рисунок 3.1).При указанном выборе координатных осей при движении тела каждая его точка Р, имеющая в подвижной системе координаты х,у, z, получит в неподвижной системе координаты:
Определение вращения твердого тела через косинусы углов между осями довольно сложно, удобнее использовать углы Эйлера VJ/, і, р.Чтобы перевести тело из начального положения в повернутое, необходимо совместить оси системы XJYJZJ с осями системы X2Y2Z2 (рисунок 3.2).
Сначала проводится поворот вокруг оси Yj до совпадения оси Xt с плоскостью X2OZ2 на угол i/. Второе вращение проводится вокруг оси ОХ" до совпадения оси Z" с осью Z2t этот поворот измеряется углом 01, а угол 0=90- і. Третье вращение проводится вокруг оси Z? до совпадения осей OX" cX2uY"cY2l этот угол обозначается через ф.
Рисунок 3.2 - Определение положения твердого тела в пространстве через углы Эйлера.Вектор ускорения S измеряемый акселерометрами Ах, Ay, Az может быть представлен через проекции аХь вуь azi на неподвижные оси XtYiZt или через проекции ах2, ву2, Ciz2 на подвижные оси X2Y2Z2. Эти проекции связаны между собой соотношениями аХ2 = cosfXnxi axi + cosofoYi ап + cosax22i azu aY2 = cosaY2xi axi + cosaY2Y1 я к/ + cosaY2zi zi\ ап = costXuxi вхі + cosaz2Y1 aYI + cosaZ2zi aZhКосинусы углов, сведенных в таблицу 1, выражаются через углы Эйлера следующими формулами: Таким образом, применение векторно-матричного математического аппарата позволило получить обобщенные выражения, позволяющие учитывать погрешность определения вектора сейсмоускорения, обусловленную отклонением осей чувствительности акселерометров Ах, Ay, Az от осей базиса корпуса сейсмодатчика
В соответствии с предложенным алгоритмом для вычисления модуля вектора S в цепь известных измерительных преобразований должна быть введена нелинейная операция извлечения квадратного корня, линеаризующая операцию суммирования квадратов проекций вектора ускорения на ортогональные оси X, Y, Z сейсмодатчика.
Из-за простоты реализации методов воспроизведения и регистрации сейсмоускорения, изменяющегося по гармоническому закону, целесообразно использовать в качестве тестового сигнала при настройке и аттестации сейсмодатчиков [74].
При изменении сейсмоускорения по гармоническому закону функцияпреобразуется в квадраторе в функцию видагде I sinct)t I - модуль функции sincatГрафики функции (3.18), (3.19) и (3.20) представлены на рисунке 3.3.Поскольку модуль функции не имеет отрицательных значений его графическое изображение вместо желаемого гармонического сигнала на выходе извлекателя корня представляет собой последовательность положительных синусоидальных полуволн с периодом повторения тс [75]. Необходимые для оценки метрологических характеристик [76,77] сейсмодатчиков измерения амплитуды модуля связаны с практической невозможностью ее определения по эффективному значению с применением стандартизованных универсальных вольтметров эффективного значения. В случаях, когда сигнал отличается от гармонического, чаще всего измеряют амплитудное значение функции осциллографом, имеющим погрешность измерения 2 %, что неприемлемо для метрологических измерений. Кроме этого измерение осциллографом отличается значительной трудоемкостью.
Известно [78], что эффективное значение гармонического сигнала равно произведению амплитудным значением и коэффициента 0,707. Зна чение коэффициента, связывающего амплитудное и эффективное значение для сигнала вида (3.16) не известно и ранее не определялось.По всей вероятности именно по этой причине в известных сейсмо-датчиках операция извлечения корня не используется.
Результаты разработки сейсмодатчиков
На основе акселерометров АЛЕ 037 в НИИФИ, при непосредственном участии автора, были разработаны сейсмодатчики БСД 1, БСД 1-01 и СД 4 [90-92] общий вид которых представлен на рисунках 4.8, 4.9, 4.10 соответственно, а основные технические характеристики представлены в таблице 4.2.
На рисунке 4.11 представлен вид сейсмодатчика БСД 1-01 без крышки. На рисунке 4.12 представлена АЧХ аналогового общего сигнала сеисмодатчика СД 4 зав. №010026.На рисунке 4.13 представлена ФЧХ аналогового общего сигнала сеисмодатчика СД 4 зав. №010026. Рисунок 4.8 - Общий вид сеисмодатчика БСД 1.
Экспериментальные исследования показали, что ФЧХ аналогового общего сигнала сеисмодатчика определяется линейной зависимостью.+ /,Гц Рисунок 4.13 - ФЧХ аналогового общего сигнала сейсмодатчика СД 4 зав. №010026.
При эксплуатации сейсмодатчиков на атомных станциях одними из самых важных показателей являются показатели надежности [93-95].
В соответствии с требованиями безопасности для сейсмодатчика выделено два вида отказов:- функциональный отказ - отсутствие сигналов на выходах Ш (выходах аварийной защиты), а также отсутствие сигнала на запуск регистратора при наличии аварийной или предаварийной ситуации;- ложное срабатывание — выдача сигналов аварийной защиты и сигналов запуска начала регистрации при отсутствии аварийной или предаварийной ситуации.
Задача оценки показателей надежности датчика разделена на три части:1) оценка совокупной надежности датчика в виде средней наработки до отказа;2) оценка функциональной надежности датчиков в виде:- вероятности невыполнения функции защиты на требование (ситуация "пропуск события");- вероятности ложного срабатывания;- параметра потока отказов при выполнении функций контроля и регистрации;3) оценка вероятности невыполнения функции аварийной защиты натребование комплекта трех датчиков, соединенных по логике "2 из 3".
Расчеты проводились по методикам, изложенным в РД 95 988-90 "Надежность. Прогнозирование количественных показателей надежности на этапах проектирования" с использованием рабочей инструкции по разработке "Расчетов надежности для составных частей комплекса АСУЗ-УСБИ для АЭС "Бушер-1".
Средняя наработка до отказа сейсмодатчика равна Т0 = 270083,7 ч.Вероятность пропуска события равна Рпроп. АЗ - 1,8 10"6 . Вероятность ложного срабатывания Рлож. АЗ = 2 1О"6.
Для повышения надежности на атомных станциях сейсмодатчики эксплуатируются комплектом из трех датчиков, соединенных по схеме "2 из 3".
Комплект трех датчиков СД 4, соединенных по схеме "2 из 3", образует резервируемую восстанавливаемую систему [96].Вероятность невыполнения функции защиты на требование РАз для комплекта из трех датчиков равна Рдз= 6,9 КГ11 [97].Таким образом, в результате разработки были созданы сейсмодатчики БСД 1, БСД1-01, СД 4, отличающиеся улучшенными метрологическими характеристиками и показателями надежности по сравнению с аналогами и обладающие рядом преимуществ:- возможность калибровки всего измерительного тракта сейсмодат-чика косвенным методом, включая сейсмоприемники без применения виб-роиспытального оборудования;- уменьшенные масса и габариты, не требующие для определения метрологических характеристик сейсмодатчика испытательной аппаратуры большой грузоподъемности;- расширенный в области низких частот диапазон измерений и несущественная нелинейность амплитудно-частотной характеристики внутри ЧДИ, обусловленные использованием в качестве сейсмоприемников измерительных преобразователей инерционного действия в режиме акселерометра;- режим автоматической проверки исправности каждого сейсмодатчика в процессе эксплуатации включает проверку трех сейсмоприемников, расположенных по взаимно-перпендикулярным направлениям, являющихся основным функциональным узлом сейсмодатчика.
