Портативный прибор для наладки, калибровки и поверки измерительных каналов, содержащих пьезоэлектрический преобразователь

Аннотация

А.В. Боев, В.К. Доля, А.К. Круглов, А.В. Фомушкин, А.Ю. Шаблицкий

Типичный измерительный канал, содержащий пьезопреобразователь, состоит из самого пьезоэлектрического преобразователя, линии связи и нормализующего усилителя. К таким измерительным каналам относится и акустический измерительный канал (АК), использующийся в акустической подсистеме автоматизированной системы обнаружения течи теплоносителя (АСОТТ) на АЭС с РУРБМК. В процессе монтажа и эксплуатации АК необходима их наладка, калибровка и поверка. Основной задачей в этих операциях - является измерение абсолютного коэффициента преобразования канала. Однако, в специфических условиях эксплуатации (температура до 280°C, радиация до 200 мкР/с), характерных для реакторов типа РУРБМК, применение простых методов прямого измерения коэффициента преобразования канала невозможно. В настоящей статье рассматривается прибор (калибратор) для проведения пусконаладочных и периодических работ, выполняемых для измерительных каналов, содержащих пьезоэлектрический микрофон, линию связи и усилитель, предназначенных для измерения акустического давления в воздушной среде. В данном приборе используется новый метод измерения коэффициента преобразования канала с пьезопреобразователем, который не требует использования дополнительных преобразователей и базируется на результатах измерений, полученных только на электрической стороне преобразователя, что позволяет осуществлять калибровку АК, не находясь в непосредственной близости с пьезоэлектрическим микрофоном.
Ключевые слова: калибровка, измерительный канал, акустический канал, пьезопреобразователь, коэффициент преобразования канала.

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Типичный измерительный канал, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, состоит из самого пьезоэлектрического преобразователя, линии связи и нормализующего усилителя (рис. 1). Расположение нормализующего усилителя (далее усилителя) вблизи пьезоэлектрического преобразователя не всегда возможно из-за специфических климатических условий, в которых работает преобразователь, поэтому необходима аналоговая линия связи, длина которой позволит поместить усилитель в приемлемых для него условиях

 
.

Рис. 1. Структурная схема измерительного канала.

В процессе производства монтажа и эксплуатации измерительных каналов (далее каналов) возникает необходимость их наладки, калибровки и поверки. Все эти действия можно разделить на два типа работ: пусконаладочные и периодические. В пусконаладочные работы входит сборка измерительного канала, проверка его работоспособности и калибровка коэффициента преобразования канала. В периодические входят поверка и, если необходимо, калибровка коэффициента преобразования канала для поддержания его в соответствии с заданной погрешностью преобразования. Во всех перечисленных операциях основным является измерение абсолютного коэффициента преобразования канала.
Есть простой способ измерения абсолютного коэффициента преобразования канала (цепь АВ, рис. 1) [1,2], но он требуют установки эталонного излучателя измеряемой величины (акустических колебаний, вибрации или другой величины) в точке А, что неприемлемо в ряде случаев, когда условия эксплуатации канала включают в себя наличие неблагоприятных факторов: повышенной температуры, давления, наличия ионизирующего излучения в окрестностях точки измерения А. Поэтому мы применили метод измерения абсолютного коэффициента преобразования канала, описанный в [3].
В настоящей статье рассматривается прибор (калибратор акустических каналов, далее калибратор) для проведения пусконаладочных и периодических работ, выполняемых для измерительных каналов, содержащих пьезоэлектрический микрофон, линию связи и усилитель, предназначенных для измерения акустического давления в воздушной среде. Измерительный акустический канал (далее АК) используется в акустической подсистеме автоматизированной системы обнаружения течи теплоносителя (АСОТТ) на АЭС с РУРБМК в специфических условиях эксплуатации (температура до 280 °C, проникающая радиация до 200 мкР/с). Прямое измерение коэффициента преобразования канала в таких условиях невозможно, поэтому в описываемом приборе применен метод измерения коэффициента преобразования канала, основанный на измерении электрических параметров кабеля и пьезоэлектрического микрофона, и последующего расчета абсолютного коэффициента преобразования канала [3].
Калибратор подключается к АК в точке Б и В (рис. 1). Параметры эквивалентной схемы, необходимые для расчета коэффициента преобразования АК в соответствии с [3] вычисляются в несколько этапов. Первый этап: измерение импеданса между замкнутыми жилами и экраном кабеля, это позволяет устранить влияние подключенного микрофона на параметры кабеля, численная оптимизация погонных параметров кабеля и его длины под измеренную характеристику методом Левенберга—Марквардта [4,5]. Второй этап: измерение импеданса кабеля между двумя жилами при заземленном экране, расчет импеданса микрофона, используя телеграфные уравнения [6], вычисление приближенных значений параметров эквивалентной схемы микрофона (добротность, частота резонанса, емкость заторможенного преобразователя, сопротивление динамических потерь), уточнение значений параметров эквивалентной схемы микрофона путем оптимизации методом Левенберга—Марквардта. Третий этап: измерение входного импеданса усилителя (входным элементом является согласующий трансформатор). Четвертый этап: расчет абсолютного коэффициента преобразования АК и при выходе рассчитанного значения за пределы, установленные ТУ введение поправки в коэффициент передачи усилителя.
Перед использованием прибора в его память заносится список АК используемых на объекте с их проектными параметрами (типы и заводские номера микрофонов, тип и длина кабеля, адреса усилителей в сети RS485). Также производится сборка микрофонных каналов (пьезоэлектрический микрофон МПВ-03 и высокотемпературный кабель КНМСС), далее МК. После сборки МК проводится первичная калибровка, в процессе выполнения которой, происходит проверка правильности сборки МК, проверка параметров АК на соответствие ТУ, сохранение параметров АК в памяти калибратора. Для полной проверки исправности всех составных частей АК проводится прямое измерение коэффициента преобразования АК с помощью эталонного источника акустического давления, результаты этой проверки также сохраняются в памяти калибратора. Далее каналы монтируются на объекте эксплуатации (в помещениях РУРБМК). После завершения монтажа проводится первая периодическая калибровка АК, во время которой выполняется проверка параметров АК на соответствие ТУ, сравнение полученных параметров с сохраненными результатами первичной калибровки данного АК и калибровка абсолютного коэффициента преобразования АК путем записи поправочного коэффициента в память усилителя. На этом пусконаладочные работы завершаются. При проведении периодической калибровки отсутствует этап прямого измерения коэффициента преобразования АК.
Во время проведения периодических работ выполняется периодическая калибровка АК при помощи калибратора. В процессе выполнения периодической калибровки АК калибратор вычисляет коэффициент преобразования АК и проверяет его на соответствие ТУ (поверка), при его отклонении от заданной в ТУ величины калибратор вводит поправку в коэффициент передачи усилителя (калибровка).
В итоге непосредственный доступ к пьезоэлектрическому микрофону необходим только на этапе первичной калибровки, которая выполняется при сборке МК в лабораторных условиях, а после монтажа на объекте эксплуатации для проведения калибровок и поверок АК необходим доступ только к местам расположения усилителей, находящихся в помещениях с нормальными условиями.
Калибратор (рис. 2) имеет размеры 160x100x40 мм, весит 900 грамм, имеет встроенную аккумуляторную батарею обеспечивающую питание калибратора и усилителя в течении не менее 4 часов. Калибратор сохраняет в своей памяти результаты всех выполненных калибровок, по которым могут быть сформированы и напечатаны отчеты, содержащие основные параметры АК, при помощи комплектного ПО, устанавливаемого на ПК.

 
Рис. 2. Внешний вид калибратора.

Так как программным обеспечением калибратора решаются задачи цифровой обработки сигналов, взаимодействия с ПК, обслуживание интерфейса пользователя, поэтому был выбран процессор для смешанных приложений Blackfin [7] производства фирмы Analog Devices Inc.
При реализации ПО калибратора возникла потребность в использовании файловой системы для сохранения результатов измерений и вычислений при выполнении калибровок, при выполнении калибровки возможность выполнять несколько задач одновременно (например, измерение импеданса, оптимизация параметров кабеля и измерение параметров усилителя), а также связь с ПК по скоростному интерфейсу USB 2.0, что послужило причиной для использования в калибраторе операционной системы. Была выбрана ОС uClinux [8], как имеющая необходимый функционал и открытую архитектуру, позволяющую легко реализовать необходимые драйверы для специфических устройств калибратора.
Были выполнены испытания калибратора по следующей методике, позволяющей вычислить погрешность расчета изменения абсолютного коэффициента преобразования конкретного АК. Для АК была проведена первичная калибровка из отчета, для которой была взята абсолютная чувствительность канала, приведенная к входу усилителя, рассчитанная калибратором. После чего было произведено измерение абсолютного коэффициента передачи с помощью эталонного источника акустического давления. Погрешность расчета калибратором абсолютного коэффициента передачи была вычислена по формуле:
, где:
M_e - абсолютный коэффициент передачи для АК измеренный при помощи эталонного источника акустического давления;M_c

-абсолютный коэффициент передачи для АК рассчитанный калибратором.

Результаты испытаний для 5 каналов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты испытаний для 5 каналов.

По результатам испытаний видно, что калибратор позволяет определить абсолютный коэффициент преобразования АК с точностью выше 7,8 %, чего вполне достаточно для калибровки и поверки АК, для которого погрешность измерения в соответствии с ТУ 2 дБ (~25 %).

Литература

1. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения.- Л.: Судостроение, 1982.
2. Л. П. Блинова, А. Е. Колесников, Л. Б. Ланганс. Акустические измерения.- М.: Изд-во стандартов, 1971.
3. Шаблицкий А.Ю., Доля В.К., Боев А.В., Фомушкин А.В. Измерение коэффициента преобразования канала с пьезоэлектрическим преобразователем.
4. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация.- М.: Мир, 1985. С. 509.
5. Levenberg-Marquardt-Like method for non-linear optimization. - URL: http://alglib.sources.ru/translator/man/manual.cpp.html#unit_minlm. Дата обращения: 01.09.2010.
6. П.А. Ионкин. Теоретические основы электротехники // Основы теории линейных цепей.- М.: Высшая школа, 1976.- Т. 1.

7. Blackfin Processors. - URL: http://www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/processors/index.html. Дата обращения: 01.09.2010.
8. Analog Devices Open Source Koop. - URL:  http://blackfin.uclinux.org/gf. Дата обращения: 01.09.2010.