Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ АРМАТУРНЫХ ПУЧКОВ В ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКЕ ЭНЕРГОБЛОКА АЭС

Коряшкин А.С. 1 Матвеев А.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Система мониторинга за уровнем натяжения арматурных пучков защитной оболочки АМЦ 11830 представляет собой измерительную систему целевого применения. Внутри конструкции защитной оболочки в специальных каналах расположены высокопрочные арматурные пучки. Арматурный пучок представляет собой металлический канат, выполненный многорядовой укладкой из параллельных проволок. Функциональное назначение арматурного пучка - обеспечить предварительное напряжение железобетона, из которого выполнена конструкция реакторного отделения, тем самым обеспечивая прочность конструкции при возникновении аварийных ситуаций. Для измерений усилий натяжения арматурных пучков предназначен преобразователь силы измерительный. В работе описана конструкция системы натяжения арматурных пучков и метод преобразования силы. Подробно рассмотрен принцип измерения силы чувствительного элемента струнного датчика, используемого в системе. Описана функция преобразования измерительного канала силы.
деформация
струна
преобразователь силы
чувствительный элемент
армопучок
система мониторинга
1. Арматурные пучки [Электронный ресурс]. - URL: http://www.baurum.ru/_library/?cat=armaturebase&id=170 (дата обращения: 06.03.2013).
2. Преобразователь силы измерительный ПСИ-02. Руководство по эксплуатации. – Пенза : НИИ «Контрольприбор».
3. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под общ. ред. д.т.н. Е.П. Осадчего. – М. : Машиностроение, 1979. – 480 с.
4. Система мониторинга за уровнем натяжения арматурных пучков защитной оболочки АМЦ 11830 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.niikp-penza.ru/armopuchki (дата обращения: 06.03.2013).
5. Труды ИБРАЭ РАН / под общ. ред. чл.-кор. РАН Л.А. Большова ; Ин-т проблем безопасности развития атомной энергетики РАН. – М. : Наука, 2007. – Вып. 6: Механика преднапряженных защитных оболочек АЭС / науч. ред. Р.В. Арутюнян. – 2008. – 151 с.

Система мониторинга за уровнем натяжения арматурных пучков защитной оболочки АМЦ 11830 (далее - система) представляет собой измерительную систему целевого применения. Внешний вид защитной оболочки приведен на рисунке 1. Внутри многослойной железобетонной конструкции защитной оболочки (цилиндрической и купольной части) в специальных каналах расположены высокопрочные армопучки. Арматурный пучок представляет собой металлический канат, выполненный многорядовой укладкой из параллельных проволок с диаметром 5,2 миллиметра. Функциональное назначение армопучка - обеспечить предварительное напряжение железобетона, из которого выполнена конструкция реакторного отделения, тем самым обеспечивая прочность конструкции при возникновении аварийных ситуаций.

Рисунок 1 — Преднапряженная защитная оболочка атомного блока

Система предназначена:

- для контроля величины потерь усилий натяжения армопучков системы преднапряжения защитной оболочки (далее СПЗО) на их тяжных концах при передаче усилий с гидродомкрата на анкерное устройство СПЗО в период их натяжения;

- для наблюдения за динамикой изменения усилий натяжения армопучков СПЗО на их анкерах в период эксплуатации.

Система является многоканальной и имеет до 32 измерительных каналов, объединенных в 2 направления.

Система состоит из следующих основных функциональных частей:

- рабочей станции;

- преобразователей силы измерительных (далее - ПСИ-02);

- коммутационных коробок (далее - КК);

- комплекта кабелей;

- программного обеспечения (далее — ПО).

ПСИ-02 предназначен для измерений усилий натяжения арматурных пучков СПЗО. Внешний вид ПСИ-02 представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Внешний вид ПСИ-02

ПСИ-02 состоит из датчиков силы ДС-03, преобразователя сигнала датчика ПСД-С-01 и двух кабелей. Количество измерительных каналов силы в ПСИ-02 - 12. Для каждого измерительного канала силы ПСИ-02 определены коэффициенты индивидуальной функции преобразования. Входным сигналом измерительного канала силы ПСИ-02 является сила, воздействующая на один измерительный модуль ДС-03 в диапазоне от 0 до 1,25 МН.

Принцип работы ПСИ-02 основан на зависимости собственной частоты свободных колебаний струны чувствительного элемента от ее натяжения.

Чувствительный элемент состоит из натянутой струны (тонкой стальной проволоки) и электромагнитной головки с катушкой. Струна приводится в колебательное движение с помощью возбудителя колебаний, функции которого выполняет электромагнитная головка.

Возбудитель колебаний трансформирует энергию электрического импульса запроса, поступающего от ПСД-С-01, в энергию колебаний струны. Электромагнитная головка с катушкой используется как для подачи возбуждающего импульса, так и для приёма затухающих свободных колебаний, генерируемых струной (импульс запроса и собственная частота свободных колебаний струны передаются по одной и той же линии в ПСД-С-01).

Рассмотрим принцип действия чувствительного элемента.

На рисунке 3 представлена струна длиной l, закреплённая с предварительной силой натяжения F, в первом приближении постоянной (рис. 3а). Приняв, что колебания струны происходят в плоскости XOY, рассмотрим фрагмент струны с массой dm (рис. 3б).

Рисунок 3 – Схема движения струны

Проекция натяжения на ось OY в точке x составит

,

а в точке x + dx

.

Так как при малых амплитудах и малы, то можно принять:

;

.

Согласно принципу Даламбера, для нахождения уравнения движения необходимо приравнять эту силу к силе инерции фрагмента струны:

.

С учётом того что dm = (m/l)dx, где m – масса струны, и обозначив Fl/m = a2, получим уравнение плоских поперечных колебаний натянутой струны:

. (1)

При следующих условиях на концах струны:

1) x = 0 и x = l, y = 0;

2) t = 0, y(x) = F(x,0),

решение уравнения (1) получим в виде

, (2)

где Cn и τn – постоянные, n – целое число.

Полученное уравнение характеризует колебательное движение с периодом:

,

откуда частота колебаний:

, (3)

где σ – напряжение в струне, σ = F/s, s – площадь поперечного сечения струны; ρ – плотность материала струны, ρ = m/sl.

При n = 1 струна колеблется с образованием одной полуволны, при n = 2 – двух полуволн и т.д.

Данные формулы справедливы для случая тонкой длинной струны, у которой можно пренебречь поперечной жёсткостью для пренебрежимо малой амплитуды колебания. Уточнённая формула частоты для круглой короткой струны при определённых соотношениях жёсткости струны, вызванной предварительным натяжением, и собственной жёсткостью имеет вид:

, (4)

где r – радиус струны, λ1 = 504; λ2 = 11,85 при σl2/Er2 ≤ 106,5; λ1 = 594,5; λ2 = 11 при 106,5 ≤ σl2/Er2 ≤ 555,8; λ1 = 928; λ2 = 10,4 при σl2/Er2 ≥ 555,8.

В приведённых формулах не учтено изменение силы натяжения струны при колебаниях. На рисунке 4 показан вид зависимости силы при колебаниях. За период колебаний T сила ∆F дважды проходит через максимум.

Рисунок 4 – Зависимость силы натяжения струны от амплитуды колебаний во времени.

Если задаться синусоидальной формой изгиба струны, можно определить кривую между точками x = 0 и x = l как y = y1sinπx/l, где y1 – амплитуда гармоники. Длина дуги, описываемой этой формулой, равна:

, (5)

откуда относительное удлинение струны при колебаниях:

, (6)

а изменение натяжения:

, (7)

где .

Отсюда видно, что изменение натяжения струны растёт с ростом её отклонения пропорционально квадрату этого отклонения и не зависит от знака.

Оценим частоту колебаний струны. Установлено, что частота колебаний возрастает с увеличением амплитуды колебаний, для нашего случая:

. (8)

Относительное изменение частоты:

, (9)

где σ = E/s – напряжение в струне.

При деформации струны меняется напряжение в струне и, следовательно, её резонансная частота. Согласно выражению (3):

.

Тогда изменение частоты будет:

.

Откуда:

. (10)

Относительное изменение частоты ∆f/f = ∆σ/2 σ,

откуда изменение напряжения в струне ∆σ=2∆f σ/f.

Из полученных формул следует, что чувствительность при измерении механического напряжения тем выше, чем меньше длина струны, плотность материала струны и предварительное напряжение в струне при первой форме колебаний.

Частота переменной электродвижущей силы, генерируемая в чувствительном элементе колеблющейся струной, является информативным параметром выходного сигнала измерительного модуля.

При воздействии силы на модуль струна подвергается растяжению, что приводит к изменению периода собственных свободных колебаний струны. По изменению длительности периода колебаний струны судят об измеряемой силе.

ПСД-С-01 преобразует период собственных свободных колебаний струны модулей в цифровой код, обеспечивает временное хранение полученной информации и связь с ПЭВМ по интерфейсу стандарта RS-485.

Входным сигналом ПСИ-02 является сила в диапазоне от 0 до 15,0 МН, воздействующая на 12 измерительных модулей ДС-03. Погрешность ПСИ-02 определяется по алгебраической сумме экспериментально определённых приведённых погрешностей 12-ти измерительных каналов силы (с учётом знака погрешности), разделённых на количество каналов (12) по формуле:

, (11)

где - максимальные значения погрешностей 1-12 измерительных каналов силы ПСИ-02.

Индивидуальная функция преобразования измерительного канала силы ПСИ-02 , кН, определяется по формуле:

, (12)

где А; B; C; D; E - коэффициенты индивидуальной функции преобразования, определяемые в соответствии с методикой определения коэффициентов индивидуальной функции преобразования и приведённой погрешности измерительного канала силы при нормальных климатических условиях (далее - НКУ) плюс (20 ± 5) °С, , , , , соответственно;

- девиация частоты, кГц, определяется по формуле:

, (13)

где Тi - период свободных колебаний при i-й нагрузке, мкс;

Tо - период свободных колебаний без нагрузки при НКУ, мкс;

ti - температура во время измерений, °С;

tнку - температура при НКУ, °С;

к - коэффициент функции влияния температуры на величину выходного сигнала модуля для интервалов температур от tнку до плюс 60 °С и от минус 10 °С до tнку, , определяемый в соответствии с методикой определения коэффициентов индивидуальной функции преобразования и приведённой погрешности измерительного канала силы.

Рецензенты:

Громков Николай Валентинович, д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», г. Пенза.

Трофимов Алексей Анатольевич, д.т.н., доцент, заместитель начальника УНЦ-37 открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза.


Библиографическая ссылка

Коряшкин А.С., Матвеев А.И. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ АРМАТУРНЫХ ПУЧКОВ В ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКЕ ЭНЕРГОБЛОКА АЭС // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=9133 (дата обращения: 22.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252