RU2182321C2 - Способ измерения пульсаций давления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и применяется, в частности, для контроля герметичности трубопроводов и оборудования реакторов АЭС. Устройство, предназначенное для акустической диагностики промышленных объектов, состоит из высокотемпературного емкостного чувствительного элемента (до 300^oС). Датчик с согласующим усилителем соединяют специальным термостойким кабелем с двумя сплошными экранами. Датчик и кабель защищены от влияния влажности и воздействия высокого уровня радиации. Датчик с измерительной аппаратурой согласован с усилителем заряда, и затем сигнал через нормирующий усилитель напряжения подают на микропроцессор или миниЦВМ. В качестве контролируемого параметра выбран свищ пароводяной смеси, выходящий из трубопроводов в результате их износа. Свищ представлен в виде импульсных гармонических составляющих с разными амплитудами и фазами, при этом контролируемыми параметрами свища выбраны величина акустического шума и его спектральные характеристики. Определена методика оценки тепловых шумов на емкостном чувствительном элементе датчика и входного сопротивления на его выходе. Получено выражение для оценки шумов и помех от разных источников. Предложена методика выделения полезного сигнала, замаскированного шумами и помехами. Технический результат - расширение области применения и повышение надежности. 2 ил.

Description

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано в народном хозяйстве для измерения пульсаций давления (звукового давления) акустического происхождения, в частности, на подземных, наземных, воздушных транспортных трассах для измерения шума в промышленных помещениях, салонах самолетов, каютах кораблей; для контроля и диагностики герметичности трубопроводов (с теплоизоляцией и без теплоизоляции) и оборудования с реакторами РБМК, ВЕР на АЭС.

Известен способ определения пульсаций давления. После наклейки на поверхность объекта датчик градуируют, определяют коэффициенты чувствительности. Причем до градуировки из полезного сигнала выделяют сигнал помехи. В рабочем положении при воздействии давления на первую и вторую группы ЕЧЭ регистрируют сигналы от давления и деформации. Затем из общего сигнала выделяют сигнал деформации и полезный сигнал. Наконец, после отделения сигнала деформаций от общего сигнала величину искомого давления определяют путем деления величины электрического напряжения, возникающего от воздействия давления во второй группе ЕЧЭ, на коэффициент чувствительности этой группы ЕЧЭ.

Такое решение позволяет измерять пульсации давления на поверхности объекта при деформации без дренирования (Способ определения пульсаций давления и емкостной датчик давления для его осуществления. Патент РФ 2087883, G 01 L 9/12, 1987 г. Автор А.А. Казарян).

Недостатки этого способа определения пульсаций давления акустического диапазона заключаются в следующем: нет алгоритма для выделения из общего сигнала сигналов таких шумов, как от высоких температур разных блоков устройства, дробных, импульсных, контактных шумов и помех.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ для измерения давления. Сущность способа измерения пульсаций давления заключается в следующем. Устройство от влияния внешних электромагнитных и синфазных помех защищают экранами датчика (защитной цепью), дополнительным защитным экраном и внешним экраном, являющимися защитными цепями. В поляризованном состоянии без воздействия давления на ЕЧЭ датчика оказывает влияние сила взаимодействия электрической схемы двух параллельных обкладок. Величину этой силы определяют путем изменения энергии поляризации. При этом произведенная работа есть сила при неизмененном напряжении постоянного тока. Определяют, что в неполяризованном состоянии без воздействия давления ЧЭ датчика испытывает силу величиной, прямо пропорциональной напряжению поляризации. При воздействии давления на ЧЭ датчика в поляризованном состоянии определяют выходное напряжение датчика из зависимости U_вых=PE/FE₀, где P - измеряемое давление; F - сила при неизмененном напряжении постоянного тока; Е - модуль упругости материала мембраны при нормальной температуре; E₀ - модуль упругости в зависимости от текущей температуры окружающей среды. Частоту изменения измеряемого давления в устройстве определяют путем деления удвоенной скорости на длину волны. Причем скорость изменения давления определяют путем дифференцирования отклонения мембраны от воздействия давления.

Функционирование устройства обеспечивают путем соединения отрицательного полюса источника постоянного тока с дополнительным защитным экраном, отрицательным полюсом согласующего и нормирующего усилителей. Положительный полюс источника поляризации соединяют с верхней обкладкой конденсатора.

Такой способ измерения давления позволяет измерять давление на поверхности объекта без дренирования изделия (устройство для измерения давления, патент РФ 2029266, G 01 L 9/12, 1995 г. Автор А.А. Казарян).

Недостатки прототипа устройства и способа для измерения давления совпадают с недостатками предшествующего устройства и способа аналога.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения и повышение надежности контрольно-измерительного устройства для оценки работоспособности исследуемого объекта и обеспечения безопасности эксплуатации оборудования теплоэнергетических систем с разными реакторами АЭС и другими подобными установками за счет обнаружения течи теплоносителя, преобразованной в полезный электрический сигнал, смешанный с шумами и помехами.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения пульсаций давления, в котором на мембрану емкостного датчика создают давление, затем преобразуют давление в электрический сигнал, его усиливают, регистрируют, в состоянии покоя датчика в нормальных условиях определяют общие напряжения шумов и помех

где U_фш - акустический фоновый шум; U_д - дробовый шум, U_к - контактный шум; U_и - импульсный шум; U_ш - электрический шум; затем датчик помещают в среду повышенной температуры и на выходе аппаратуры измеряют напряжение теплового шума U_θд, затем датчик изолируют от внешних любых воздействий в нормальных условиях, при этом соединительный кабель между датчиком и согласующим усилителем размещают в среде повышенной температуры и измеряют тепловой шум на кабеле U_θR, затем датчик изолируют от внешних любых воздействий, датчик и кабель одновременно размещают в среде повышенной температуры и измеряют тепловой шум

где j - коэффициент корреляции, при этом на датчик действуют все внешние и внутренние воздействия за исключением контролируемого давления Р=0 и измеряют напряжение шума

причем заново датчик полностью изолируют от внешних воздействий и вместе с кабелем размещают в нормальных условиях и на датчик подают контролируемое давление Р≠0 и определяют коэффициент преобразования устройства S=U/P, где U - напряжение; возникающее от преобразования давления Р, затем впоследствии на датчик действуют все внешние воздействия, температура, давления и из общего сигнала U_общ. выделяют полезный сигнал

при этом показывают, что S_c=S=U_c/P=U/P, причем по уровням измеряемого давления и ее спектральным характеристикам оценивают рабочее состояние исследуемого объекта - нормальное или тревожное, по уровням тепловых шумов определяют состояние датчиков и высокотемпературных кабелей, по уровню внутренних шумов устройства, контактных, дробовых, импульсных определяют работоспособность усилителей и источников питания и поляризаций.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, на фиг. 2а -физическое представление возникновения электрического шума и на фиг.2б - его эквивалентная электрическая схема для реализации способа измерения пульсаций давления. Устройство содержит емкостной ЧЭ (ЕЧЭ) с основным экраном 1, нижней 2 и верхней 3 обкладками, боковой экран 4. ЕЧЭ размещен в каркасе 5 и сверху закрыт крышкой 6 с защитной сеткой 7. Сквозь основание корпуса, основной экран и нижние обкладки высверлено опорное отверстие 8 (фиг.1). Нижняя обкладка 2 соединена с центральной жилой высокотемпературного кабеля 12 проводом "а" длиной l. Первый экран 9 соединен с верхней обкладкой 3 и пленочным экраном из фольги 10 на основе диэлектрической пленки 11. Второй высокотемпературный экран кабеля 12 изолирован от корпуса изоляционным слоем 13. Свободные участки корпуса датчика залиты термо- и влагостойким герметиком 14. Второй сплошной экран изолирован от земли изоляторами 15 из стекла, фарфора и т. п. Устройство также содержит источник питания и поляризации 16, внешний экран 17, дополнительный экран 18, согласующий усилитель 19, R - сопротивление нагрузки, нормирующий усилитель напряжения 20, индикатор 21.

На фиг.2а, б показана емкость С_9,а, между проводником "а" и первым экраном кабеля 9; С_9,12 - емкость между первым и вторым экранами кабеля 9, 12; С_9,з - емкость между экраном 9 и землей; С_12,а - емкость между токоведущим проводом и экраном 12; С_а,з - емкость между проводом "а" и землей; С_12,з - емкость между экраном 12 и землей; U_θ - напряжение источника помех; U_ш - электрический шум на выходе кабеля с двумя экранами 9, 12, возникающий от внешних наводок.

Устройство предназначено для обнаружения или контроля звукового давления любой формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, гаусовой и т.д.), замаскированного тепловыми, дробовыми, импульсными, контактными шумами, в частности, для обнаружения появления течи трубопровода. Тепловой шум в датчике и высокотемпературном кабеле возникает от воздействия окружающей температуры несколько сотен градусов. При этом контролируемыми параметрами являются величина акустического шума и его спектральные характеристики и устройство выдает предупредительные сигналы (тревоги) оператору.

Поставленная задача решается следующим образом. Звуковое давление в свободном пространстве Р через защитную сетку 7 поступает на поверхность верхней обкладки (мембраны) конденсатора 3. Преобразованное в электрический сигнал давление Р из нижней обкладки конденсатора 2 через проводник "а" длиной l и центральную жилу высокотемпературного кабеля поступает на плюсовой вход согласующего усилителя 19. Верхняя обкладка 3, основной экран 1, боковой экран 4 и пленочный экран 10 из фольги на основе полиимидной пленки 11 электрически соединены между собой и через первый экран кабеля 9 соединены с положительным полюсом источника поляризации 16. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с корпусом дополнительного экрана 18 и отрицательным полюсом согласующего усилителя 19. Далее с выхода усилителя 19 сигнал, смещенный с помехами и шумами, через нормирующий усилитель напряжения 20 поступает на вход индикатора 21. Для регулирования коэффициента усиления нормирующего усилителя и напряжения поляризации датчика индикатор соединен с нормирующим усилителем и источником питания 16.

Особенность индикатора как специализированного блока заключается в выполнении нескольких операций, например накоплении информации и создании временных задержек при известном алгоритме вычисления взаимной корреляционной функции цифровым индикатором 21. В общем случае блок 21 должен выполнять функции запоминания алгебраических действий, ввода временных задержек t, вывода и управления, преобразования аналогового сигнала в цифровой, нормировки входных напряжений, поступающих с выхода нормирующего усилителя напряжения, приведения их к стандарту для заданного контролируемого процесса. С целью регулирования уровня выходного сигнала в устройстве регулируемый выход источника напряжения 16 соединен со входом блока управления индикатора 21. Индикатор является блоком последовательного действия, и в запоминающем блоке вводится весь объем выборки.

Учитывая тот факт, что звуковое давление может быть непрерывным, имеет смысл его квантование по времени и представление в виде дискретных отчетов в нужном числовом коде. В результате квантования по времени давления, замаскированного разными шумами и помехами, вместо непрерывных функций времени получаются ступенчатые или другие функции, которые после квантования по уровню заменяются новыми функциями.

Для повышения надежности устройства необходимо хорошее экранирование от внешних электромагнитных полей путем минимизации длины токоведущих проводников "а" (фиг.1, 2), выходящих за пределы экранов 9, 12 кабеля, и обеспечение хорошего заземления второго экрана кабеля 12 и внешнего экрана 17 в точке через экран кабеля 12 на землю, высокотемпературный кабель изолирован от земли изоляторами 15. Выбранный кабель с двойным сплошным экраном (триаксиальный кабель) способен экранировать от внешних электрических полей на 10-40% эффективнее, чем кабель с экранами в виде оплетки. Наличие отверстий в оплетке сильно ухудшает экранирование магнитных полей. Это объясняется тем, что оплетка нарушает однородность распределения тока в экране. Известно, что по защите от магнитных полей оплетка на 5-30 дБ менее эффективна, чем сплошной экран. На высоких частотах эффективность оплетки еще более ухудшается. Это происходит потому, что с ростом частоты длина волны становится меньше размеров отверстий в оплетке.

Практически устройство можно реализовать как в одноканальном, так и многоканальном (несколько десятков каналов) исполнении. При многоканальном варианте устройства для измерения звукового давления для диагностики объектов достаточно заземление системы осуществить в одном месте в точке В коротким проводом.

1. Способ измерения пульсаций давления реализуются следующим образом.

а) Измеряют электрический шум на выходе ЕЧЭ, когда датчик изолирован от фоновых акустических шумов, температуры, давления и на него действуют внешние электромагнитные излучения. В устройстве не всегда удается добиться качественного экранирования (при соединении датчика в точках токоведущих контактов с кабелем) с помощью пленочного экрана с фольгой 10 в качестве защиты от внешних воздействий (фиг. 1, 2). Условно на фиг.2а, б показывают открытые проводники длиной l, l₁ и электрический шум U_ш, возникающий в этих участках. При этом допускают, что активное сопротивление между экраном 12 кабеля и землей бесконечно. Внешние помехи также могут проникать внутрь корпуса датчика через отверстие защитной сетки 7 (фиг.1).

Даже при заземленном экране кабеля 12 на проводнике "а" наводится напряжение шумов, если экраны кабеля не сплошные. Шумы проникают через отверстия переплетения кабеля. Электрический шум на выходе ЕЧЭ определяют как

Напряжение U₀ на экране 9 рассматривают как источник помех, а на проводнике "а", соединенном с центральной жилой кабеля, воспринимают как приемник помех.

Величину U₀ определяют экспериментально, исходя из условий эксплуатации устройства при поляризованном датчике. Расчетную емкость С_9,а между экраном 9 и проводником "а" длиной l=l₁ и диаметром d=d₁ определяют как

(Ю. Я. Иосель, Э. С. Кочанов, М.Г. Струнский. Расчет электрической емкости. Энергия, Л., 1969 стр. 72. Выражение 3-41, табл. 3-6).

Коэффициент Д₁ определяется из табл. 3-6, когда соотношение длины l к расстоянию d между проводниками l/d≤1; Д₁=0,336; l=d; l/d=1.

При этом учитывают, что для воздуха

,
и определяют величину C_9,а. Определяют емкость между землей и проводником "а" как

при условии, что провод "а" прямолинейный, параллельный граничной плоскости. Получают, что емкость между проводником "а" и землей удваивается, по сравнению с емкостью С_9,а, т.е. C_а,з=2C_9,а. Емкость между проводником "а" и экраном 12 С_а,12 зависит от параметров кабеля. Например, высокотемпературный кабель марки КНМС длиной 40 м имеет емкость С_а,12=33000-40000 пФ. Напряжение, создаваемое на емкостях С_9,а, С_а,з и т.д., и U_ш проходят через усилители заряда напряжения и регистрируются на входе индикатора.

б) В последующих блоках устройства возникают внутренние дробовые, контактные и импульсные шумы. Как известно, дробовой шум U_д возникает из-за флюктуации тока относительно среднего значения, вызываются случайным характером эмиссии электронов и дырок. Эффективное значение этих шумов определяют как

где I - среднее значение постоянного тока в блоках, содержащих микросхемы, диоды и транзисторы А; В - полоса пропускания частот устройства, Гц. С высокой точностью определяют дробовой шум путем измерения тока I на выходе устройства.

Контактные шумы U_к возникают между контактами соединения датчиков с кабелем и кабеля с согласующим усилителем и внутри блоков устройства. Причина возникновения контактных шумов объясняется соединением в контактах разных металлов, между транзисторами, диодами и т.п. Контактные шумы классифицируют как низкочастотные шумы или 1/f - шумами. Ток шумов I_f выражают в следующем виде:

где I - среднее значение постоянного тока, проходящего через контакт A; f - частота, Гц; k - постоянная, которая зависит от вида контакта и его конфигурации; В - полоса пропускания в Гц относительно центральной частоты f. Показывают, что величина контактных шумов может стать очень высокой при низких частотах 1/f. Измеренные значения контактных и дробовых шумов резко отличаются друг от друга.

Импульсные шумы U_и подобного характера обнаруживают в полупроводниковых диодах и интегральных микросхемах. Импульсные шумы появляются в виде резкого всплеска и сопровождаются изменением уровня. Импульсы появляются по периодическому закону, и средняя скорость повторения изменяется от нескольких сот импульсов в секунду до менее одного импульса в минуту. Амплитуды импульсных шумов превышают амплитуды тепловых шумов в 2-100 раз. Плотность распределения мощности импульсных шумов определяют как 1/fⁿ, где n обычно равно 2. Импульсные шумы U_и проходят через измерительную аппаратуру, смешиваются с общим сигналом.

в) ЕЧЭ изолируют от внешних электромагнитных помех шумов и не изолируют от внешней среды и на него действует акустический фоновый шум от работающих компрессоров, средств охлаждения, трубопроводов и т.д. Ограничиваются суммарными периодическими колебаниями и определяют действительное значение фонового шума, как

где А_n - амплитуда фонового шума по направлению оси X; k₁ - волновое число,

где ω - угловая частота; c - скорость распространения звука 330 м/с; λ - длина волны. Длину волны определяют как расстояние, которое пройдет бегущая волна звука за один период колебаний как

Значение фоновых шумов Р_ф.ш, преобразованное электрическим сигналом U_ф.ш, через усилители передают на индикатор. Практически P_ф.ш≈0,1÷0,2 Па (74÷80 дБ).

г) Действие всех шумов и помех, преобразованных в электрический сигнал, в нормальных условиях эксплуатации, проходящих через устройство, поступает на вход индикатора для дальнейшей обработки. Пользуясь правилом сложения мощностей, определяют общее напряжение шумов и помех:
U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{общ.ш.п.}}$ = U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ф.ш}}$ +U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{д}}$ +U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{к}}$ +U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{и}}$ +U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ш}}$ .
Следовательно, получают напряжения некоррелированных шумов от независимых источников и складывают, беря корень квадратный из суммы напряжений отдельных источников шумов:

2. На входе ЕЧЭ датчика действует температура, и он изолирован от воздействия внешних электромагнитных помех, акустических фоновых шумов и действие давления P=0.

а) Определяют тепловой шум, ЕЧЭ, смонтированный в корпусе, размещают в спокойной среде для определения на его выходе теплового шума при повышенной нормальной температуре. Действие температуры на датчик преобразуют на его выходе и определяют напряжение теплового шума как

U_θ.д - эффективное напряжение теплового шума датчика в покое в полосе рабочих частот в пределах от f₁ до f₂ в Гц; К=1,37•10^-23 Дж/К - газовая постоянная Больцмана; θ - абсолютная температура в К; R(f) - омическая компонента электрического сопротивления датчика в Ом, обычно она является функцией частоты и диэлектрических потерь.

Далее, с учетом конструктивных особенностей ЕЧЭ (датчика) составляют эквивалентную электрическую схему датчика (аналогично конденсатору) как параллельно и последовательно соединенные RC-цепочки. Учитывают потери энергии в диэлектрике на обкладках и между обкладками конденсатора. Величина диэлектрических потерь для различных частот находится в пределах от 10^-4 до 10^-1. При таких условиях

и так как YZ=1, то С=С₁, т.е. емкости С и C₁ параллельно и последовательно соединенных схем практически одинаковы, где g - активная проводимость; Y - общая проводимость; Z - реактивное сопротивление датчика.

Для нахождения связи между R и g пользуются соотношениями между сопротивлениями и проводимостями эквивалентных схем:

где ω - угловая частота. Практически ЕЧЭ представляют как конденсатор и его характеризуют параметрами С и tgδ. Для параллельной схемы g = ωCtgδ. С учетом последнего, из выражения R получают сопротивление ЕЧЭ в зависимости от частоты, емкости и диэлектрических потерь tgδ как

Затем с учетом последнего выражения определяют напряжение теплового шума на выходе ЕЧЭ как

где θ₀ = 298К - нормальная (первоначальная) температура; θ=298-537К - повышенная температура окружающей среды.

В последнем уравнении зависимость tgδ от температуры и частоты, в частности, для полиимидной пленки определяют из известных зависимостей (Ли, Д. Стоффи, К. Невилл. Новые линейные полимеры. М.: Химия, 1972, стр. 199, 200, рис. УШ. 38 и рис. УШ. 42). Из этих графиков следует, что tgδ изменяется в основном от изменения частоты. В диапазоне частот от 10² до 10⁵ Гц tgδ= 0,001-0,007. В этих диапазонах частот с увеличением температуры от 20^oC до 230^oС наблюдают изменение tgδ от 0,004 до 0,008. Большой пик tgδ наблюдают при 10² Гц (0,005) и при 20^oC и 10⁵ Гц (0,008).

Затем после определения U_θ.д при заданных известных значениях tgδ; f; K в выражении U_θ.д задают все известные параметры и на экране индикатора регистрируют температуру среды как
θ = πU $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{θ.д}}$ [4,605•K•tgδ•ln(f₂-f₁)]^-1.
б) Датчик находится в нормальных условиях, изолирован от воздействия внешних акустических фоновых шумов и электромагнитных помех.

Температура действует по всей длине кабеля, соединяющего ЕЧЭ и согласующий усилитель. При этом определяют тепловой шум на выходе кабеля и на входе согласующего усилителя. Предполагают, что активное сопротивление кабеля с ЕЧЭ сосредоточено на входе согласующего усилителя и оно является сопротивлением нагрузки этой цепи. Значение этой нагрузки R≈2•10⁷÷3•10⁹ Ом. Определяют действующее значение напряжений шумов в покое устройства, обусловленное наличием у него сопротивления R как

где К - постоянная Больцмана, Дж/К; θ - абсолютная температура, К; В - полоса пропускания шумов, Гц; R - сопротивление, Ом. Определяют, что полоса пропускания частоты шумов есть полоса пропускания частоты устройства. Затем получают зависимости напряжения тепловых шумов, возникающих на сопротивлении R, от температуры при заданных разных значениях полосы частоты устройства.

в) ЕЧЭ изолируют от внешних акустических фоновых шумов и электромагнитных помех. При этом одновременно датчик и кабель размещают в среде при повышенной температуре. Тепловой шум от датчика U_θ.д, проходя через устройство с незначительным запаздыванием от теплового шума кабеля U_θ.R, суммируются в индикаторе с учетом того, что оба напряжения тепловых шумов между собой жестко связаны, т.е.

где j - коэффициент корреляции, который может принять значения ±1. При j= 0 напряжения шумов по отдельности не имеют связи между собой в паре, в случае j= 1 эти напряжения шумов U_θ.д, U_θ.R жестко связаны. Для значения j, находящихся между 0 и +1 или между 0 и -1 напряжения шумов имеют частичную зависимость.

г) Датчик находится в среде высокой температуры с кабелем, и на него действуют все перечисленные внешние факторы за исключением измеряемого давления Р= 0. При этом все внешние воздействия на датчик и внутренние шумы устройства преобразованы в электрический сигнал на выходе устройства как

В данном случае шумы U_ш.θ и U_общ.ш.п между собой не связаны. Их возникновение и исчезновение не зависят друг от друга.

Таким образом, с помощью полученных значений тепловых шумов, в условиях эксплуатации исследуемого объекта оценивают работоспособность датчиков и высокотемпературных кабелей. По величине внутренних контактных, дробовых и импульсных шумов оценивают работоспособность согласующих усилителей, усилителя напряжения и источников питания и поляризации.

3. Датчик полностью изолируют от внешних любых воздействий в нормальных условиях вместе с кабелем. На его вход задают измеренное или контролируемое звуковое давление Рc(t) контролируемого объекта. В частности, выбирают источником звукового давления, подлежащего контролю, течи исследуемый объект. Течи являются случайными величинами и благодаря им возникают звуковые давления в результате взаимодействия высокоскоростной пароводяной струи и неподвижного воздуха. Допускают, что пиковое значение этой сложной волны (течи) имеет

где Р₁, Р₂, ...,Р_n, ω₁,ω₂,...,ω_n;φ₁,φ₂,...,φ_n - произвольные амплитуды, угловые частоты и фазы. Действительные пиковые значения звукового давления определяют из суммы Р=Р₁+Р₂+...+Р_n.

Среднеквадратичное значение определяют P_cpσ² = 0,707σ₀, среднее значение P_cp = 0,3985σ₀, где δ_o- стандартное отклонение, выбирают соотношение

Показывают, что от периодического синусоидального распределения отличается 4,96-3,93=1,03 дБ. При этом контролируемыми параметрами являются величины пульсаций давления от 10 мкПа до 200 Па и его спектральные характеристики в заданном поле частот от 1000 Гц до 20 кГц.

Также определяют, что звуковое давление в волне может изменяться как P_c= P₀•jS,

- плотность возмущенного воздуха ρ₀ =1,2929 кг/м³ при 0^oС, P₀= 760 мм рт. cт. , плотность невозмущенного воздуха; j=1,403 при θ = 0^°C; P₀= 10⁵ Па, j=C_p/C_v, где С_р=0,2398 кал/г•град - удельная теплоемкость; С_v - удельная теплоемкость при постоянном объеме и давлении.

В результате преобразования давления в электрический сигнал на выходе устройства определяют как: U= Р/S, где S - коэффициент преобразования (чувствительности) устройства к давлению.

4. На датчик действуют все внешние факторы шумов и помех в условиях нормальной и повышенной температур вместе с кабелем. Датчик не изолируют от измеряемого давления Р≠0.

Полезный сигнал U_c в рабочем состоянии устройства, смешанный с общими помехами и шумами U_общ = V_c+U_{общ.ш.п.θ}, поступает на вход индикатора и подвергается корреляционному анализу. Определяют и выделяют из общего сигнала U_общ полезный сигнал U_c, сигналы теплового шума U_θ.д, U_θ.R, сигналы шумов от электромагнитных наводок U_ш, сигналы от фоновых шумов U_ф.ш, а также дробовые U_д, контактные U_к и импульсные U_и шумы, если они имеются в устройстве. Учитывают тот факт, что воздействие на ЕЧЭ полезного давления и его преобразование в электрический сигнал не связано с шумами и помехами, пользуются также правилом сложения мощностей и из общего сигнала выделяют полезный сигнал как

где сигнал U_с является искомым контролируемым параметром, несущим информацию о рабочем или аварийном состоянии контролируемого объекта. U_с характеризуют амплитуда (от 10⁴ мкПа до 200 Па и выше в ряде случаев), частотный диапазон (от 1000 Гц до 20 кГц) и его спектральные характеристики.

Затем уточняют окончательно коэффициент преобразования устройства по давлению как S_c=U_c/P≈U/P. В условиях эксплуатации работоспособности исследуемых объектов оценивают величиной контролируемого давления и их спектральными характеристиками. Практически тревожные уровни звукового давления из течей составляют 200 Па (140 дБ) при уровне частоты 15...16 кГц.

5. Кроме этих основных параметров определяют некоторые статические свойства сигналов и шумов с помехами.

а) Определяют эффективные значения анализируемых тепловых шумов и других шумов, а также полезного сигнала по принципу вероятности, так как они являются случайными величинами. Мгновенные значения амплитуды этих шумов, помех и полезных сигналов имеют гауссовое или нормальное распределение.

б) Определяют ожидаемое число нулей n в одну секунду на выходе устройства с полосой пропускания частот f_a до f_в как

Если f_a= 0, то фильтр, режущий сверху, и число нулей в одной секунде n= 1,155f_в. Если f_а приближается к f_в, число n приближается к n=f_a+f_в.

в) Определяют время между двумя последующими нулями τ = f_a+f_b.
г) Определяют число максимумов m в одной секунде на выходе устройства кaк

Для фильтра, режущего сверху, если f_a=0, приходит в 0,775f_в.

д) Ожидаемое число максимумов в одной секунде N, превосходящих заданное значение V₀, определяют следующим образом. По оси абсцисс откладывают значение

среднеквадратичное отклонение i-го параметра в данной полосе. По оси ординат откладывают значение

ширина полосы фильтра с прямоугольной характеристикой. Для фильтра с гауссовой характеристикой ширину полосы определяют:

,
где G_σ - стандартное отклонение гауссовой характеристики.

6. Основные метрологические характеристики определяют согласно требованиям ГОСТ 8.009-84 ГСН. Нормируемые метрологические характеристики и средства измерения.

Таким образом, область применения устройства расширяется за счет расширения рабочего диапазона температур от +70 до 300^oС, возможности работы в условиях повышенной влажности (до 100%), радиации (10⁷ рентген/с) и в агрессивных средах. Надежность устройства повышается за счет заключения ЕЧЭ в каркас, залитый герметиком, для использования при высоких температурах (до +300^oС) и двух сплошных экранов, являющихся хорошей защитой от внешних воздействий. Устройство выгодно отличается своими техническими характеристиками и надежностью от выбранного прототипа и аналога.

Принцип работы устройства. При изменении давления ΔP изменяется расстояние между обкладкой конденсатора 2 и мембраной 3. В результате прогиба мембраны изменяются начальная емкость С, приращение емкости ΔC и относительное изменение емкости ΔC/C.
Напряжение поляризации от источника постоянного тока 16 через первый экран кабеля 9 подают на мембрану 3 ЕЧЭ. Напряжение на выходе устройства, пропорциональное приращению ΔC/C, и напряжение поляризации источника постоянного тока снимают с выхода нормирующего усилителя напряжения 20. С выхода блока 20 сигнал, смешанный с помехами и шумами, подают для дальнейшей обработки, в частности для выделения полезного сигнала из шумов и помех. На выходе индикатора имеют величину контролируемого звукового давления, возникающего от течей теплоносителя. По величине параметров течи (амплитуды и спектральных характеристик) определяют и диагностируют рабочее состояние контролируемого объекта с индикацией нормального, предупредительного или аварийного режимов.

С этой целью в ЦАГИ был изготовлен макет устройства для измерения пульсаций давления. Каркас с крышкой был изготовлен из дюралюминия. Фольгированный экран - из меди толщиной 50 мкм на основе полимидной пленки толщиной 20 мкм. В качестве согласующего усилителя был использован усилитель заряда. Соединение деталей между собой произведено клеем марки ВК-58.

Была определена спектральная характеристика собственного шума измерительного канала с ЕЧЭ. При испытаниях высокотемпературный кабель КНМС был взят необходимой максимальной длины 44 м; емкость кабеля 33000-40000 пф, минимальный уровень собственного шума измерительного канала при низких частотах от 25 Гц до 100 Гц составляет 31,5-42,5 дБ (10³-5•10³ мкПа). Рассчитаны тепловые шумы на выходе ЕЧЭ и термостойкого кабеля с учетом входного сопротивления согласующего усилителя. Показано, что при увеличении температуры от нормального значения до значения 300^oС тепловой шум возрастает на ~40%.

Claims (1)

1. Способ измерения пульсаций давления, в котором на мембрану емкостного датчика создают давление, затем преобразуют давление в электрический сигнал, его усиливают, регистрируют, отличающийся тем, что в состоянии покоя датчика в нормальных условиях определяют общие напряжения шумов и помех
   

   

   
   где U_ф.ш - акустический фоновый шум;
   U_д - дробовый шум;
   U_к - контактный шум;
   U_и - импульсный шум;
   U_ш - электрический шум,
   затем датчик помещают в среду повышенной температуры и на выходе аппаратуры измеряют напряжение теплового шума U_θ.д, затем датчик изолируют от внешних любых воздействий в нормальных условиях, при этом соединительный кабель между датчиком и согласующим усилием размещают в среде повышенной температуры и измеряют тепловой шум на кабеле U_θ.R, затем датчик изолируют от внешних любых воздействий, датчик и кабель одновременно размещают в среде повышенной температуры и измеряют тепловой шум
   

   

   
   где j - коэффициент корреляции,
   при этом на датчик действуют все внешние и внутренние воздействия за исключением контролируемого давления Р= 0, и измеряют напряжение шума
   

   

   
   причем заново датчик полностью изолируют от внешних воздействий и вместе с кабелем размещают в нормальных условиях и на датчик подают контролируемое давление P≠0 и определяют коэффициент преобразования устройства S= U/P, где U - напряжение, возникающее от преобразования давления Р, затем впоследствии на датчик действуют все внешние воздействия - температура, давление и из общего сигнала U_общ выделают полезный сигнал
   

   

   
   при этом показывают, что S_C= S= U_C/P= U/P, причем по уровням измеряемого давления и его спектральным характеристикам оценивают рабочее состояние исследуемого объекта - нормальное или тревожное, по уровням тепловых шумов определяют рабочее состояние датчиков и высокотемпературных кабелей, по уровню внутренних шумов устройства, контактных, дробовых, импульсных определяют работоспособность усилителей и источников питания и поляризаций.

Images