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.