АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ НЕРЕГЛАМЕНТИРОВАННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ПЕРЕГРУЗОК

Аннотация. В статье рассматриваются результаты работы по созданию автономной системы регистрации транспортных перегрузок (АСРП1). Приведён алгоритм работы АСРП1, представлены этапы работы данной системы.

Ключевые слова: регистратор, виброударные перегрузки, преобразователь, механические перегрузки, стыковка, термокомпенсация.

В последние годы, в связи с увеличением железнодорожных перевозок в интересах транспортировки опасных грузов, таких, например, как отработанное топливо (ОТ) атомных электростанций, весьма актуальным стал вопрос создания системы автоматизированного контроля транспортных перегрузок, реализуемых на перевозимых грузах - ОТ.

На рисунке 1 перечислены основные задачи, решаемые с помощью АСРП1

АСРП1 предназначена для контроля соблюдения перевозчиком эксплуатационно-допустимых виброударных режимов транспортирования отработанного топлива АЭС, что достигается посредством:

- измерения и регистрации факта достижения и превышения транспортными перегрузками порогового уровня 3 (4) g по каждой из трех осей ортогональной системы координат;

- измерения, регистрации и запоминания до трех зависимостей перегрузок от времени в диапазоне от порогового до 10 g на временном интервале 0,18 с;

- экспресс - оценки состояния контролируемого объекта (сигнализации о факте превышения (не превышения) транспортными перегрузками пороговых значений). Устройство должно обладать стойкостью и прочностью к климатическим условиям, позволяющие использовать их круглый год и перевозить любым видом транспорта. Конструкция устройства должна обеспечивать стойкость к воздействию электромагнитных полей.

Масса РП должна быть не более 0,8 кг.

Исполнение РП невосстанавливаемое, неремонтируемое.

Конструкция пульта опроса и регистратора должна обеспечивать периодическую замену источников тока.

Связь РП с пультом опроса должна обеспечиваться с помощью соединительных жгутов.

Регистратор виброударных перегрузок АРП1 в диапазоне частот от 10 до 500 Гц должен:

- позволять устанавливать значение порога его срабатывания в диапазоне от 3 g до 10 g с шагом ~ 0,5 g;

- обеспечивать от одного до трех циклов регистрации виброударных перегрузок в диапазоне от 3 g до 95 g;

- запоминать зарегистрированное значение виброударных перегрузок на срок не менее 15 суток;

- обеспечивать контроль факта регистрации виброударных перегрузок, превышающих пороговые значения (3 или 4 g)

Технические требования к регистратору перегрузок

На рисунке представлена конструкция регистратора перегрузок АРП1.

Рисунок 1. Регистратор перегрузок АРП1

1-пьезоэлектрический преобразователь;

2-электронный блок;

3 - источник электрической энергии;

4 - защитный колпачок;

5- канал для пломбирования;

6 - тумблер включения питания;

7 - кнопка экспресс - опроса;

8-светоиндикатор факта превышения (не превышения) допустимого порога перегрузки;

9-защитный чехол;

Р–электрический соединитель для связи с пультом опроса;

А – заглушка.

На рисунке приведена структурная схема АРП1, поясняющая принцип его действия.

Рисунок 2 - Структурная схема АРП1

D_x, D_y, D_z  - пьезоэлектрические датчики по соответствующей координате;

CY1 ,CY2,CY3 - согласующие устройства (усилитель, цепи согласования входов-выходов);

АЦП - 12 разрядный четырехканальный аналого-цифровой преобразовательс мультиплексором;

МК - микроконтроллер;

СОЗУ - статическое оперативное запоминающее устройство;

ЭППЗУ - электрическое перепрограммируемое запоминающее устройство;

ИП - источник постоянного тока (литиевый элемент ЕR6S).

Первичный измерительный преобразователь ускорения представляет собой трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр, установленный на днище корпуса регистратора через дисковый изолятор с помощью трех винтов. Его конструкция и кинематическая схема представлены на 6 рисунке.

Корректирующие входные цепи аналоговой части электронного блока обеспечивают индивидуальную подстройку чувствительности первичного преобразователя ускорений посредством введения добавочной электрической емкости, параллельной входу предварительного усилителя.

Дополнительно, с целью снижения суммарной погрешности измерения, осуществляется:

• термокомпенсация выходного сигнала регистратора по фактической зависимости коэффициента преобразования трехкомпонентного пьезоакселерометра от температуры (в виде таблицы данных, записанной в ПЗУ регистратора).

Крепление АРП1 к объекту испытаний осуществляется с помощью 3-х винтов или болтов М5, проходящих через соответствующие отверстия в основании АРП1. Для резьбового крепления АРП1 в объекте испытаний должно быть выполнено 3 отверстия М5-7Н глубиной не менее 6 мм. Момент затяжки винтов (болтов) должен составлять 2,5-3,5 Нм, при этом необходима контровка резьбового соединения с помощью пружинных шайб или эпоксидного клея.

Представлены этапы работы АРП1.

1 - нахождение не на "дежурстве";

2 - связь с пультом опроса, получение времени постановки на "дежурство";

3 - отсчёт заданного интервала времени и установка на "дежурство";

4 - нахождение в режиме "дежурства";

5- связь с пультом опроса, передача состояния и зарегистрированной информации.

На этапе нахождения не в режиме "дежурства", микроконтроллер (МК) ведет отсчёт интервалов времени длительностью 2 с, по окончании которого проверяет подстыковку к внешнему разъему связи пульта опроса. В случае отсутствия стыковки MK начинает очередной отсчёт интервала времени длительностью 2 с.

При наличии стыковки MK производит связь со специальным пультом опроса (ПО), на который передаёт номер АРП1, его состояние и значение уровня напряжения питания. При наличии в пульте опроса информации для установки АРП1 с принятым номером, с пульта передаётся время установки на "дежурство" после чего связь прекращается.

Алгоритм работы АРП1 выглядит следующим образом.

Механические перегрузки в месте установки АРП1 воспринимаются высокочувствительным пьезоэлектрическим трехкомпонентным датчиком, каждая компонента которого (Dx, Dy Dz), подвергаясь под действием инерционных сил деформации изгиба, генерирует электрический заряд, пропорциональный мгновенному значению ускорения действующего в любом направлении по соответствующей оси ортогональной системы координат – x, y, z. Напряжения с выходов датчиков подаются на согласующие устройства CY1, CY2, CY3, которые согласовывают высокоомные сопротивления цепей датчиков с низкоомными сопротивлениями последующих электронных устройств.

В аналого-цифровом преобразователе АЦП сигналы с выходов согласующих устройств преобразуются в цифровой код, импульсы которого поступают в микроконтроллер МК, где происходит их обработка. В случае, если уровень сигнала (скорректированного с учетом температуры окружающей среды), поступающего с любого из датчиков, достигает значения, соответствующего перегрузке А0= 3 (4g)  в МК ведется обработка по каждому из датчиков » 450 дискретных значений ускорений и последующей перезаписи этих данных в электрическое перепрограммируемое устройство ЭППЗУ. За время работы АРП1 в ЭППЗУ может быть записана информация о трех фактах, при которых механические перегрузки в местах установки регистратора превысили по любой из осей пороговый уровень контролируемых перегрузок а также регистрация текущего значения времени и значения температуры в месте расположения регистратора. Эти данные также заносятся в ЭППЗУ. Питание АРП1 осуществляется от встроенного в прибор литиевого элемента питания - ТХЛ-01(ER6S), обеспечивающего непрерывную работу прибора в течение не менее 2000 часов.

На 5 этапе, как уже ранее отмечалось, осуществляется диагностика зарегистрированного состояния и съем информации с помощью пульта опроса.

Съем информации с регистратора может производиться в двух режимах: оперативном (получение информации о факте превышения по любому направлению ортогональной системы координат действующей перегрузкой порогового значения) и полномасштабном режимах (получение всей зарегистрированной информации:       зависимости перегрузки во времени, значения моментов времени начала регистрации,     значений температуры на момент начала регистрации).

В случае, если значение воздействующей перегрузки превысило допустимый порог, возможен съем полного объема информации с АРП1. Для чего выполняется ряд подготовительных операций по самоконтролю пульта опроса и его подключению к опрашиваемому АРП1. В процессе опроса на жидкокристаллическом экране пульта опроса индицируются результаты выполнения соответствующих операций таких, например как “АРПN Норма”, “Батарея норма”и др.

По завершению приема зарегистрированных данных и их анализа на ЖКИ  для каждой регистрации высвечиваются результаты: в первой строке ЖКИ “Рег N1…3”, а во второй строке указывается максимальное по модулю значение  зарегистрированной перегрузки в “g” с указанием соответствующей оси координат (X, Y или Z) в виде (Х=N[g], или Y= N[g], или Z= N[g]) ;

После съема информации осуществляется либо перевод АРП1 в дежурное состояние, либо зарегистрированная информация сохраняется в АРП1 до принятия решения об ее уничтожении (алгоритм работы по этому пункту в дальнейшем будет отражен в соответствующих руководящих документах).

Принцип действия АСРП1 может быль использован и при создании системы регистрации параметров (перегрузка, время) интенсивных динамических нагружений сложных конструкций, в частности измерительной системы для определения зависимостей перегрузок во времени при испытаниях конструкций на падения. Основным отличием подобной измерительной системы от АСРП1 является разделение АРП1 на два узла: первичный преобразователь (ПП) и электронный блок обработки сигналов с ПП. Учитывая наличие интенсивных ударных нагрузок (перегрузки - тысячи g c длительностью единицы миллисекунд) электронный блок выполняется в ударозащищенном варианте. Зарегистрированная информация заносится в энергонезависимую память и по интерфейсу, например RS-232C, переносится в ПЭВМ.