RU2208815C2

RU2208815C2 - Unit of seismic transmitters for system of antiseismic protection

Info

Publication number: RU2208815C2
Application number: RU2001117663A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Колганов; А.А. Папко; Н.Г. Троянова; П.А. Борисов
Original assignee: ФГУП "НИИ физических измерений"
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: measurement of seismic effect, formation of signals for protection systems, for instance, of atomic reactors. SUBSTANCE: unit of seismic transmitters for antiseismic protection of atomic reactor has three static-dynamic accelerometers of balancing conversion placed along orthogonal axes and signal forming circuit. Source of constant current for compensation of action of gravitational acceleration is connected to input of network of negative feedback of accelerometer which measurement axis is vertical. Isolating RC circuits which time constant is determined by lower frequency of edge of frequency range of measurement of seismic vibrations are placed between outputs of accelerometers and inputs of signal forming circuit. Generator of calibration signals of specified amplitude and frequency which value lies within frequency range of measurements is connected to inputs of negative feedback of accelerometers to secure periodic test of entire measurement path of unit. EFFECT: raised sensitivity with simultaneous increase in accuracy and provision for test of entire measurement path in process of operation without dismantling from object and disconnection from protection system. 1 dwg

Description

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. The high sensitivity requirement is due to the need to receive a signal to the safety system at seismic impact levels that are significantly lower than the acceleration limits characterizing the design and maximum design earthquakes that can lead to structural damage.

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. A typical mode of operation of the block of seismic sensors in the security system is the standby mode of the intended use and a significant time of continuous operation. At the same time, the availability of information on maintaining the operability of the unit or assessing the probability of failure to perform functions requires the possibility of periodic monitoring without dismantling and disconnecting it from the protection system.

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]. Most often, piezoelectric sensors designed to measure acceleration are used in seismometry and vibrometry [1, 2]. Known disadvantages of piezoelectric accelerometers are insufficient measurement accuracy of low-frequency accelerations and the stability of the conversion coefficient at high sensitivity [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. Known seismometers operating in the vibrometer mode, which are a coil suspended in a magnetic field, or a permanent magnet suspended in the gap of an electromagnetic coil, change their position relative to each other with a displacement of the sensor housing and are highly sensitive [4, 5]. Their main disadvantages include low accuracy due to sensitivity to the influence of external electromagnetic interference, the impossibility of end-to-end monitoring without dismantling and disconnecting from the protection system.

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. Known for highly sensitive small-sized accelerometers of balancing conversion, designed to measure static and dynamic accelerations in a given frequency range and are characterized by high accuracy (stability of the conversion coefficient) [6]. The balancing conversion accelerometers due to the use of electromechanical feedback capabilities are distinguished by the simplicity of calibrating the entire measuring path, which does not require sophisticated equipment, and can be carried out during operation using external control signals. The disadvantage of such devices should be considered low sensitivity to seismic acceleration of the accelerometer mounted vertically by the measuring axis due to gravitational acceleration. Another disadvantage of using static accelerometers for measuring seismic acceleration is the effect of changes in the zero bias caused by various reasons on the accuracy of determining threshold values.

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.The prototype of the claimed device is a block of seismic sensors [7], containing three orthogonally mounted vibrometers and a signal generation circuit for an anti-seismic protection system. The main function of the unit is the formation of discrete signals indicating that the seismic acceleration reaches a threshold value, which can vary from 0.025 to 4 m / s ² . The block provides the ability to calibrate only the signal generation circuit. The prototype is distinguished by all the shortcomings of the vibrometer, the impossibility of calibrating the entire conversion path, therefore, periodic monitoring of the preservation of metrological characteristics requires testing at a low-frequency vibration bench, which is associated with the dismantling of the unit from structural elements, for example, the foundation of the nuclear power plant, and disconnection from the protection system.

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.Functional block diagram shown in the drawing. It contains three orthogonally mounted static-dynamic accelerometers of balancing transformation 3, 4, 5. The signal generation circuit contains three measuring channels 7, 8, 9, which, depending on the specific requirements for the response threshold, provide for the possibility of attenuation or amplification of the output signals of the accelerometers and subsequent erection of square. The load of the measuring channels is a summing amplifier 10, the output signal of which is supplied to a comparator 11, tuned to a predetermined seismic acceleration threshold. The comparator controls the operation of a single vibrator 12, forming a single pulse of a given amplitude and duration, which is transmitted to the protection system. In addition, the block includes RC isolation circuits, a DC source 6 and a calibration signal generator 2. The time constant of the circuits is selected from the condition RC = 1 / f _N , where f _N is the lower cut-off frequency of the measurement frequency range of the block, for example, 0.05 Hz Under this condition, the accelerometer output signals, which are constant in time (static), do not pass to the inputs of the measuring channels, but it is possible to transmit a signal with frequencies that are within the frequency range of the measurements. Thus, the introduction of RC circuits makes it possible to exclude the influence of changes in the zero displacement of accelerometers, caused, for example, by temperature instability or a change in the spatial orientation of the block, on the accuracy of determining threshold values.

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. The current from source 6, flowing along the electromechanical feedback circuit of the accelerometer mounted vertically by the measuring axis, reproduces the force that compensates for the effect of gravitational acceleration on the inertial element. In this case, the inertial element is set to the state corresponding to the “zero” acceleration, which ensures the required sensitivity of the accelerometer to seismic acceleration.

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. The built-in generator of calibration signals 2 generates signals of a given shape and amplitude with a frequency inside the frequency range of the block measurements. The indicated signals pass in the electromechanical feedback loop of the accelerometers with the contacts of the key 1 closed. The operation of the key 1 is controlled by an external signal.

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. The proposed device works as follows: when seismic acceleration occurs at the outputs of accelerometers 3, 4, 5, voltages proportional to its amplitude appear. Since the output signals of the accelerometers in this case are dynamic, they pass through the separation capacitances C to the inputs of the measuring channels, where they are amplified or attenuated, squared and summed by the summing amplifier 10. If the amplitude of the output signal of the adder 10 and the threshold of the comparator 11 at the output of the last a voltage pulse appears, the duration of which is determined by the exposure time of the seismic acceleration value greater than the threshold value. The specified pulse starts a single-shot 12, forming a single pulse of a given amplitude and duration, controlling the operation of the input key of the protection system 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. For calibration, the external control signal closes the key 1, through the contacts of which the output signal of the generator 2 enters the electromechanical feedback circuit of the accelerometers. The specified circuit determines the metrological characteristics of the accelerometer and is a magnetoelectric transducer in which, as a result of the interaction of the calibration current flowing through the winding suspended in a magnetic field, with the induction of the field, a force equivalent to the seismic acceleration component on the measuring axis appears. The circuit is configured in such a way that this signal, passing through the entire conversion path, triggers the comparator 11, the one-shot 12 and the key 13. In this case, the stability of the calibration current at which the key 13 is triggered serves as an assessment of the stability of the response threshold and the metrological characteristics of the unit.

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%. The reliability of the proposed indirect method of reproducing seismic accelerations is confirmed by acceptance tests of the seismic sensor block by direct measurements on an exemplary first-order setup — the INV vibration bench — with guaranteed reproducing accuracy of no worse than 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. Thus, the use of this invention allows to increase the sensitivity while increasing the accuracy of measurements, to provide the possibility of calibrating the entire measuring path during operation without dismantling the unit and disconnecting it from the protection system.

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. The effectiveness of the invention is confirmed by the results of preliminary tests and tests for the certification of the block of seismic sensors BSD 1, as well as the results of the positive operation of the blocks at the Balakovo nuclear power plant.

Источники информации
1. А. с. 397868 СССР, МКИ³ G 01 V 1/16. Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр. / В.М. Фремд (СССР - 4 с.: ил.).Sources of information
1. A. p. 397868 USSR, MKI ³ G 01 V 1/16. Three-component piezoelectric seismometer. / V.M. Fremd (USSR - 4 p.: Ill.).

2. А.с. 338868 СССР, МКИ³ G 01 V 1/16. Пьезоэлектрический датчик колебаний. / В.М. Фремд (СССР - 4 с.: ил.).2. A.S. 338868 USSR, MKI ³ G 01 V 1/16. Piezoelectric vibration sensor. / V.M. Fremd (USSR - 4 p.: Ill.).

3. Endevco. General catalog CA 92675 USA. 1988. 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.).4. A.S. 548816 USSR, MKI ³ G 01 V 1/16. Device for recording seismic vibrations. / V.M. Fremd (USSR - 4 p.: Ill.).

5. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: ГНТИ МЛ, 1963. 5. Iorish Yu.I. Vibrometry. M .: GNTI ML, 1963.

6. Мокров Е. А. Состояние и перспективы развития акселерометров разработки НИИФИ. Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем. 1988, с. 51. 6. Mokrov E. A. Status and development prospects of accelerometers developed by NIIFI. Actual problems of aviation and aerospace systems. 1988, p. 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). 7. Industrial anti-seismic protection system with automatic self-monitoring SIAZ-2. TU RA 53.135-9, PS 53-462561.1.002-89 (Development AWP ATOM, Armenia).

Claims

A block of seismic sensors for an anti-seismic protection system, containing three static-dynamic balancing conversion accelerometers installed along orthogonal axes, three measuring channels, a summing amplifier, a comparator, a one-shot, characterized in that to the input of the negative electromechanical feedback circuit of the accelerometer mounted vertically by the measuring axis, a DC source is connected, between the outputs of the accelerometers and the inputs of the signal conditioning circuit, isolation RC-c pi, and to the inputs of the electromechanical accelerometer feedback through an analog switch connected generator gauge signals.