IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Описание и принцип работы сейсмодатчика СД 4

1. 1. Общие сведения

Концепция развертывания атомной энергетики как важного инструмента оптимизации топливно-энергетического баланса и обеспечения условий развития мировой экономики сопряжена с необходимостью расширения доли АЭС. Риски развития атомной энергетики связаны, главным образом, с уровнем безопасности производства электроэнергии при эксплуатации АЭС, одним из условий обеспечения которой является устойчивость оборудования и конструкций АЭС к экстремальным воздействиям природного происхождения, среди которых по совокупности сопутствующих факторов наибольшую угрозу представляют землетрясения.

Для построения аппаратуры антисейсмической защиты реакторных установок АЭС в первую очередь необходимо создание средств измерений параметров сейсмических колебаний грунта АЭС.

Сейсмометрия является традиционной областью применения приборов инерционного действия. Беспрецедентные требования безопасности, предъявляемые к аппаратуре систем аварийной защиты объектов атомной энергетики, привели к необходимости поиска других концепций их построения, исключающих недостатки применения в них таких традиционных решений, как использование датчиков сейсмоперемещений и сейсмоскорости. Как показали исследования к числу таких концепций относится использование в системах аварийной защиты акселерометров уравновешивающего преобразования, выполненных с применением современных технологий микросистемной техники и позволивших решить противоречивую проблему одновременного повышения точности, чувствительности, значительного расширения полосы пропускания в области низких и высоких частот и обеспечения самых жестких требований к электромагнитной совместимости.

Для этого созданы сейсмодатчики БСД 1 и СД 4, представляющие собой многоканальные системы сейсмоизмерений, устанавливаемые на фундаменты помещений для размещения реакторных установок. Согласно приведенной схеме сейсмодатчики содержат три акселерометра типа АЛЕ 037 (сейсмоприемника), установленных на специальной платформе по трем ортогональным осям X, Y, Z и предназначенных для измерения проекций вектора сейсмоускорения. Кроме этого в состав сейсмодатчиков входят блок питания и схема формирования сигналов.

Основной информативной величиной систем аварийной защиты реакторных установок является модуль вектора сейсмоускорения А, формируемый сейсмодатчиком по алгоритму

А = (1)

где A_x, A_y, A_z- проекции вектора ускорения А на ортогональные оси Х, Y, Z акселерометров и сейсмодатчиков.

Реализация алгоритма по формуле (1) не вызывает затруднений при измерении постоянных или медленно меняющихся во времени векторов. В процессе измерения линейная функция преобразования акселерометра последовательно преобразуется в параболу со степенью два, а затем в параболу со степенью ½. При этом в качестве устройства возведения в квадрат (квадратора) и устройства извлечения корня используются схемы умножения различных принципов действия и типов.

1.  

   1. Принцип действия

Сейсмодатчик предназначен для регистрации сейсмических воздействий

на реакторную установку АС и формирование дискретных аварийных сигналов о превышении установленного уровня сейсмоускорения; дискретного сигнала начала регистрации; дискретного сигнала об исправности датчика; раздельных аналоговых сигналов по каналам X, Y, Z; общего аналогового сигнала (АО).

Конструкция СД-4 обеспечивает возможность установки различных порогов выдачи аварийных сигналов и сигналов запуска регистратора. В сейсмодатчике предусмотрен автоматический контроль исправности

(периодичность 1 раз в 30±5 мин на протяжении всего жизненного цикла).

Сейсмодатчик СД 4 состоит из трех акселерометров типа АЛЕ 037 (сейсмоприемников), установленных на специальной платформе по трем взаимно ортогональным осям X, Y, Z платформы, выпрямителя и корзины с печатными платами. На корзине разъемным соединением установлены три платы измерительных каналов и по одной плате источника питания, формирователя дискретных сигналов, таймера и формирователя аналоговых сигналов.

В схеме формирования сигналов имеется три измерительных канала ИКХ, ИKY, ИКZ, предназначенных для измерения выходного напряжения и приведения их к нормированному виду.

Наряду с этим в измерительных каналах осуществляется функция возведения в квадрат, необходимая для реализации заданного алгоритма измерения модуля сейсмоускорения, а также формирование нижней границы частотного диапазона измерений 0,1 Гц. Выходные напряжения измерительных каналов суммируются, после чего из полученного суммарного сигнала извлекается корень квадратный с целью получения информации о модуле измеряемого сейсмоускорения. По установленному значению модуля формируются 2 пороговых значения в систему антисейсмической защиты для управления режимом прекращения работы реакторной установки АЭС.

1. Технические характеристики

2.1 Электрическое питание датчика осуществляется от сетей электроснабжения. Параметры электрического питания:

- напряжение 220 В;

- частота 50 Гц.

2.2 Максимальный ток, потребляемый датчиком от сети - 0,1 А.

2.3 Диапазон ускорений, в пределах которого устанавливаются порог выдачи аварийных сигналов П1 и диапазон измерений аналогового общего канала АО, находится в интервале от 0,1 до 2 м/с². Коэффициент преобразования канала АО находится в интервале от 7,2 до 161 мАс²/м.

Диапазон ускорений, в пределах которого устанавливается порог начала регистрации (П2), находится в интервале от 0,05 до 0,5 м/с².

2.4 Частотный диапазон измерений (ЧДИ находится в интервале от 0,1 до 32 Гц). Затухание амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на верхней границе ЧДИ не должно превышать 1,5 % для каналов Ар(X), Ар(Y), Ар(Z).

2.5 Эффективное значение гармонического напряжения, эквивалентного порогу начала регистрации П2К (электрический эквивалент порога начала регистрации), подаваемого на входы каналов Ар(X), Ар(Y), Ар(Z) одновременно, находится в интервале от 0,5 до 1,5 В.

2.6 Эффективное значение гармонического напряжения, эквивалентное порогу выдачи аварийных сигналов П1К (электрический эквивалент порога выдачи аварийных сигналов), подаваемого на входы каналов Ар(X), Ар(Y), Ар(Z) одновременно, находится в интервале от 1,0 до 3,0 В.

2.7 В датчике предусмотрена возможность проведения:

а) периодического контроля исправности. Периодичность контроля – 1 раз в течение (112) мин;

б) длительность времени контроля от 0,5 до 0,8 с. 2.8 Датчик имеет 7 каналов:

а) общий аналоговый канал АО, предназначенный для определения модуля вектора сейсмоускорения и формирования соответствующего ему токового сигнала;

б) один дискретный аварийный канал типа «сухой контакт», предназначенный для измерения уровня сейсмического воздействия, соответствующего порогу П1 и формирования сигнала АЗ;

в) один дискретный канал типа «сухой контакт», предназначенный для измерения уровня сейсмического воздействия, соответствующего порогу П2, и формирования сигнала ПС;

г) один дискретный канал типа «сухой контакт» «Контр. испр.», предназначенный для контроля исправности датчика и формирования сигнала исправности.

д) цифровой канал (интерфейс RS-485) для передачи информации о заводском номере, проекциях вектора сейсмоускорения на оси X, Y, Z

системы координат, срабатывании автоматической защиты, исправности сейсмодатчика, потере электропитания, соответствии АЧХ установленным требованиям.

2.9 Передача выходного кода в комплекс технических средств центра сбора информации (КТС ЦСИ) осуществляется по цифровому последовательному интерфейсу RS-485 со скоростью передачи данных до 57600 бит/с. Для передачи и приема данных используются сигналы RxD и TxD.

2.10 Сейсмодатчик осуществляет непрерывную передачу пакетов с информацией в комплекс средств КТС ЦСИ.

1. Анализ функциональной схемы сейсмодатчика

Функциональная схема датчика представлена на рисунке 1. Она содержит три ортогонально установленных статико-динамических акселерометра уравновешивающего преобразования Ах, Аy, Az и схему формирования сигналов. В схеме формирования сигналов имеется три измерительных канала ИКХ, ИKY, ИКZ, предусматривающих, в зависимости от конкретных требований к порогам срабатывания, возможность ослабления или усиления выходных сигналов акселерометров с последующей операцией возведения их в квадрат.

Нагрузкой измерительных каналов является суммирующий усилитель , выходной сигнал которого подается на схему извлечения корня квадратного , а с нее на компараторы К1, К2 , настроенные на заданные пороги срабатывания. Компараторы управляют работой одновибраторов ОВ1 и ОВ2, формирующих одиночные импульсы заданных амплитуды и длительности (не менее 2 с), которые затем передаются в систему аварийной защиты.

Выходное напряжение усилителя постоянного тока через восьмизвенный фильтр нижних частот и масштабирующий усилитель подается на входы АЦП микропроцессора платы цифрового преобразователя.

В микропроцессоре и последовательно соединенным с ним приемопередатчиком по стандарту RS 485 осуществляется высокоточное преобразование напряжения в кодировке ASCII.

В датчике предусмотрен микроконтроллер (МК), который рассчитывает проекции ускорений на оси X,Y,Z, по выходному напряжению акселерометров, а так же осуществляет контроль исправности сейсмодатчика с выдачей результата в КТС ЦСИ. Проверяет соответствие АЧХ измерительных каналов .

В датчике предусмотрен канал контроля исправности всей измерительной цепи. Периодичность контроля - 1 раз в (305) мин (или 1 раз в (112) мин) на протяжении всего жизненного цикла. При контроле исправности на реле канала П1 датчика подаются одиночные импульсы длительностью не более 100 мкс, не успевающие запустить систему аварийной защиты реакторной установки. Наличие этих импульсов свидетельствует об исправном состоянии датчика и его готовности к выполнению основной функции. При этом на выходах "Контр. испр." наблюдается сигнал.

В датчике также предусмотрена возможность проведения поверки внешним сигналом (1 раз в два года) при отключенной системе КСКУЗ реактора. При этом в цепи электромеханической обратной связи акселерометров подается электрическое напряжение, вызывающее протекание тока в катушках магнитоэлектрических датчиков силы. В результате взаимодействия тока в катушках, подвешенных в магнитном поле, с индукцией поля постоянных магнитов возникает сила, эквивалентная воздействию сейсмоускорения. Схема регулируется таким образом, что указанные электрические сигналы, проходя через весь тракт преобразования, вызывают срабатывание выходных одновибраторов каналов П1(0В) КСКУЗ, П2(0В) КСКУЗ, а также приводит к появлению электрических сигналов на аналоговых выходах.

Стабильность величин электрических напряжений, при которых происходит срабатывание одновибраторов, служит оценкой стабильности метрологических характеристик датчика.

Для формирования выходных аналоговых сигналов в схеме предусмот-рены преобразователи "напряжение – ток" (U – I), а для формирования выходных дискретных сигналов предусмотрены реле .

1. Реализация информационно- измерительного (цифрового) канала

1.  

   1. Описание работы таймера

Реализация цифрового канала осуществляется по средствам платы Таймера (ТМ). Для обеспечения временных характеристик режима контроля исправности в датчике предусмотрен таймер.

В состав таймера входят контроллер (К), два одновибратора (ОВ), согласующий усилитель, источник опорного напряжения (ИОН), три управляемых мультивибратора. Приемо – передатчик (ПП) по стандарту RS 485. Структуру таймера можно наблюдать на рисунке 1.

Контроллер выдает один раз в (30±5) мин (или в (112) мин) импульс с длительностью, соответствущей периоду поступающей частоты. Этот импульс, проходя через открытый аналоговый ключ, запускает одновременно два одновибратора, формирующих одиночные импульсы заданной длительности. Один из одновибраторов формирует прямоугольный импульс длительностью (0,05-0,3) с для подачи на калибровочные входы акселерометров через согласующий усилитель и открытые аналоговые ключи. Другой одновибратор формирует прямоугольный импульс длительностью от 0,5 до 0,8 с с условным названием "Управление 1" для управления работой аналоговых ключей формирователя дискретных сигналов.

Для компенсации влияния гравитационного ускорения акселерометра канала Z, установленного измерительной осью вертикально, в схеме таймера предусмотрено выходное стабилизированное напряжение.

В состав таймера входит также схема запрета на контроле исправности в случае формирования порога П2.

4.2 Описание работы измерительных каналов

Измерительные каналы (ИКХ, ИКY, ИКZ) построены по одной схеме. Она содержит разделительную дифференцирующую цепь R1C1, фильтр нижних частот (ФНЧ), преобразователь "напряжение – ток", предварительный усилитель (У), разделительную дифференцирующую цепь R2C2, согласующий усилитель (СУ) и схему возведения сигналов в квадрат (СВК).

Разделительная цепь R1C1 формирует нижнюю границу частотного диапазона измерений и отсекает постоянную составляющую сигнала, вызванную влиянием гравитационного ускорения на выходные сигналы акселерометров.

Выходной сигнал с разделительной цепи R1C1 подается на ФНЧ, который формирует верхнюю границу частотного диапазона измерений и скорость затухания амплитудно-частотной характеристики за его пределами. С ФНЧ сигнал поступает на вход преобразователя "напряжение – ток", представляющего собой выходной каскад аналоговых раздельных каналов. Преобразователь "напряжение – ток" выполнен на двух последовательно включенных источниках тока, охваченных общей отрицательной обратной связью.

В преобразователе формируются заданные уровни выходных токов:

- смещение нуля (120,4) мА (выходной сигнал при отсутствии сейс-моускорения);

- нижнее и верхнее граничные значения 4 мА и 20 мА при измере- нии ускорений, соответствующих пределу измерений аналоговых раздельных каналов.

Для установки смещения нуля на уровень (120,4) мА в схеме предусмотрен регулируемый источник опорного напряжения.

Выходной сигнал с ФНЧ подается также на предварительный усили- тель У, затем на разделительную дифференциальную цепь R2C2, после чего на согласующий усилитель СУ.

Выходной сигнал согласующего усилителя СУ подается на схему воз-ведения в квадрат, на выходе которой имеем сигнал только положительной полярности.

4.3 Описание работы интерфейса RS-485

Интерфейс реализован на дифференциальных линиях связи. Их помехозащищённость очень хорошая. Применяется кабельное хозяйство с волновым сопротивлением 120 Ом. На концах линий обязательно установлены согласующие резисторы. В сейсмодатчике реализован магистральный принцип обмена данными на основе RS-485, в таблице 1 отображены логические уровни интерфейса.

	Уровень логического “0”	Уровень логической “1”
Передатчик	от +5 до +12 В	от -12 до -5 В
Приёмник	от +3 до 12 В	от -12 до -3 В

Таблица 1 – Логические уровни

Временная диаграмма представленная на рисунке 2 отображает принцип передачи байта данный по интерфейсу RS-485. Когда линия свободна, на ней присутствует уровень логической “1” . Перед байтом данных передаётся стартовый бит – уровень логического “0” . Обнаружив его, приёмник начинает приём байта данных. После данных передаётся бит чётности, затем один или несколько стоповых бит. Стоповые биты передаются уровнями логической “1” и служат для маркировки окончания байта данных. После них может следовать пауза неопределённой длительности или начало новой передачи.

Рисунок 2 – Временная диаграмма

4.4 Принцип работы информационно измерительного канала

За основные вычислительные операции в таймере отвечает микроконтроллер (МК) в роли которого выступает микросхема 1986ВЕ92У. В состав микроконтроллера входят: два 12-разрядных высокоскоростных (до 0,5 М выборок в сек) АЦП с возможностью оцифровки информации от 16 внешних каналов и от встроенных датчиков температуры и опорного напряжения; два 12-разрядных ЦАП; встроенный компаратор с тремя входами и внутренней шкалой напряжений. Выходные напряжения с акселерометров (U(t)) расположенных по трём осям измерения (X,Y,Z) поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) микросхемы 1986ВЕ92У. В результате работы преобразователя, на выходе с АЦП получаем цифровой сигнал (N), который поступает на вход программатора реализованного на основе микросхемы 1986ВЕ92У с выхода программатора на вход приёмо-передатчика микросхемы 5559ИН10АУ поступают пакеты данных (Uart), которые преобразуются по средствам интерфейса RS-485 в выходной цифровой сигнал. Структурная схема цифрового канала представлена на рисунке 3.

MК

 

Программатор

 

 

N_x

U(t)

Приёмо-передатчик

АЦП

А(x)

 

 

RS-485

U_art

N_y

U(t)

А(y)

 

 

N_z

U(t)

А(z)

 

Рисунок 3- Структурная схема цифрового канала

Сейсмодатчик осуществляет непрерывную передачу пакетов с информацией в комплекс средств КТС ЦСИ. Частота дискретизации сигналов составляет 100 отсчетов в секунду на канал.

4.4.1 Форматы пакетов

Пакеты начинаются старт-словом «#» (0x23), продолжаются параметрами, заканчиваются стоп-словом «!» (0x21). Формат пакета показан на рисунке 4.

Рисунок 4 – Формат пакета.

В одном слове передается 8 бит данных, бит четности не используется, длительность стоп-бита составляет 1 битовый интервал. Биты данных передаются младшим битом вперед. Формат слова представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Формат слова

4.4.2 Кодировка параметров

Параметры, передаваемые в пакетах, представляются в ASCII-кодировке. Тетрады 0х0 – 0x9 кодируются ASCII-символами "0" – "9". Тетрада, соответствующая запятой, разделяющей целую и десятичную части числа, кодируется ASCII-символом ","-2C.

Знак сейсмоускорения кодируется ASCII-символами "+" – 2B (положительное сейсмоускорение), "-" – 2D (отрицательное сейсмоускорение).

Параметр команды аварийной защиты кодируется ASCII-символами "0"-30 (штатный режим) и "1"-31 (команда аварийной защиты).

Параметр режима контроля исправности кодируется ASCII-символами "0"-30 (штатный режим) и "1"-31 (режим контроля исправности).

Параметр результата контроля исправности кодируется ASCII-символами "0"-30 (исправен) и "1"-31 (неисправен).

Параметр соответствия АЧХ каналов установленным требованиям кодируется тремя ASCII-символами "0"-30 (соответствует) и "1"-31 (не соответствует). Первым символом кодируется параметр соответствия АЧХ канала X, вторым – канала Y, третьим – канала Z,

Разделитель параметров датчика кодируется ASCII-символом "&"-26.

В случае потери электропитания передается укороченный вариант пакета данных, содержащий заводской номер сейсмодатчика, разделитель и параметр потери электропитания, который кодируется ASCII-символом "1"-31 (питание отсутствует).

Далее в таблицах символы ASCII-кодировки, содержащие в младших тетрадах передаваемые параметры, обозначены «3_».

Формат пакетов представлен в таблице 2.

Режим работы	Номер слова	Наименование слова	Допустимое значение (в кодировке ASCII)
1	2	3	4
Обычный режим	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39	Старт Номер датчика (первая цифра) Номер датчика (вторая цифра) Номер датчика (третья цифра) Номер датчика (четвертая цифра) Разделитель Команда аварийной защиты Разделитель Команда предупредительной защиты Разделитель Режим контроля исправности Разделитель Результат контроля исправности Разделитель Соответствие АЧХ (X) Соответствие АЧХ (Y) Соответствие АЧХ (Z) Разделитель Знак Проекция ускорения X (единицы) Разделитель Проекция ускорения X (десятые доли) Проекция ускорения X (сотые доли) Проекция ускорения X (тысячные доли) Разделитель Знак Проекция ускорения Y (единицы) Разделитель Проекция ускорения Y (десятые доли) Проекция ускорения Y (сотые доли) Проекция ускорения Y (тысячные доли) Разделитель Знак Проекция ускорения Z (единицы) Разделитель Проекция ускорения Z (десятые доли) Проекция ускорения Z (сотые доли) Проекция ускорения Z (тысячные доли) Стоп	# 0 – 9 0 – 9 0 – 9 0 – 9 0 (1) 0 (1) 0 (1) 0 (1) 0 (1) 0 (1) 0 (1) +(-) 0 – 9 , 0 – 9 0 – 9 0 – 9 +(-) 0 – 9 , 0 – 9 0 – 9 0 – 9 +(-) 0 – 9 , 0 – 9 0 – 9 0 – 9 !

Таблица 2 – Формат пакетов

Форма сигналов на контакте таймера должна быть прямоугольной, взаимно инвертированной, амплитуда сигналов должна находиться в пределах от (90,27) В, длительность импульсов - от 0,6 до 0,8 с (см. рисунок 6).

Рисунок 6- Форма сигналов.

На дисплее ЭВМ которая входит в состав КТС ЦСИ в полях X, Y, Z должны высвечиваться значения смещений нуля каналов Ар(Х), Ар(Y), Aр(Z), AO, которые не должны выходить за пределы (0±0,2) м/с². Вид дисплея ЭВМ, подготовленного к измерениям, представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Изображение окна дисплея ЭВМ

Код для цитирования: Скопировать