УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ВЕРТИКАЛИ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF DEVIATIONS FROM VERTICAL

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники и предназначено, в частности, для измерений искривлений и прогибов труб тепловыделяющих сборок (ТВС) и технологических каналов ядерных реакторов.
Из научно-технической и патентной литературы известны устройства для измерения искривлений, отклонений от вертикали, построенные с использованием принципа маятника или отвеса. Применяющиеся маятниковые угломеры и инклинометры вполне совершенны и надежны (см., например, «Техника измерения искривлений технологических каналов ядерных реакторов», А.И. Трофимов, Б.М. Кербель и др., Москва, Энергоиздат, 1981). Известны приборы, специально сконструированные для измерения искривлений технологических каналов ядерных реакторов.
Известны индуктивные датчики, работающие по принципу зависимости переменного тока в обмотке датчика от величины зазора между неподвижным датчиком и исследуемым элементом.
Принцип преобразования электрического сигнала в индуктивном датчике при изменении расстояния датчик - исследуемый элемент основан на изменении индуктивности обмотки датчика, вызванного изменением магнитного сопротивления в магнитопроводе датчика. Магнитное сопротивление в магнитопроводе увеличивается при уменьшении зазора, при этом индуктивность обмотки увеличивается обратно пропорционально зазору, изменяется величина реактивного сопротивления и величина полного сопротивления обмотки, что приводит к изменению переменного электрического тока в обмотке и, следовательно, к изменению тока в электрической цепи: датчик - измерительный прибор.
См., например, B.C. Сотсков «Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств», издательство «Энергия», Москва, 1965, с.142.
Л.Я. Цикерман, Р.Ю. Котляр «Индуктивные преобразователи для автоматизации контроля перемещений», издательство «Машиностроение», Москва, 1966 г., с.24.
Известны устройства для измерения искривлений оси, основанные на преобразовании отклонений маятника от вертикали или продольной оси прибора в электрический сигнал (см., например, авторское свидетельство №558148, опубликованное 15.05.77, кл. МПК G01C 9/02).
Устройство по авторскому свидетельству состоит из цилиндрического корпуса, маятника подвешенного в корпусе и свободно качающегося в опорах в одной плоскости. Маятник снабжен П-образным коромыслом и пьезоэлектрическими элементами, к одному из которых подключен генератор электрических колебаний, а к другому измерительный прибор.
При перемещении корпуса преобразователя в искривленной трубе маятник и два плеча П-образного коромысла, на которых размещены пьезоэлектрические элементы, отклоняется от вертикали, возникающий электрический сигнал преобразуется измерительным прибором в величину отклонения маятника от вертикали.
Недостаток известного прибора заключается в том, что для пьезоэлектрических элементов характерна временная нестабильность, а также чувствительность к изменению температурных условий.
Известно устройство по авторскому свидетельству №705253, кл. МПК G01C 9/02, опубликованному 25.12.79, которое снабжено акустическим концентратором. Автогенератор с пьезотрансформатором в цепи положительной обратной связи работает в режиме мягкого возбуждения на частоте, близкой к частоте электромеханической системы, состоящей из пьезотрансформатора и жестко соединенного с ним акустического концентратора. При отклонении продольной оси прибора при прохождении участка искривления измеряемой трубы угловое перемещение маятника передается на входной элемент мультипликатора, усиливается в соответствии с передаточным числом механизма мультипликатора и квантуется на его выходном элементе в систему состояний устройства «есть акустический контакт - нет акустического контакта.» При этом контакт элемента мультипликатора приводит к резкому увеличению акустических потерь пьезотрансформатора и ухудшению добротности колебательной системы, что, в свою очередь, приводит к срыву генерации автогенератора. Тем самым пьезотрансформатор работает в релейном режиме и исключается влияние нестабильности характеристики пьезоэлемента. Этими преобразованиями достигается повышение точности измерений угловых перемещений устройства.
При работе устройства пьезоэлектрические элементы воспринимают механические динамические нагрузки (усилия), которые преобразуются в электрическом преобразователе и в электрической схеме измерительного прибора в геометрические величины измеряемого угла и отклонения (линейного) от вертикали преобразователя, то есть угла отклонения трубы от вертикали. Устройства могут использоваться только для измерения динамических нагрузок и не могут применяться для измерения статических и медленно изменяющихся механических нагрузок, что ограничивает область применения этих устройств, снижает их точность измерения.
тах
тах
Кроме того, пьезоэлектрические элементы не выдерживают ударных нагрузок, а также перегрузок свыше Р+5% Р (5% выше верхнего предела измерения). Конструкция пьезоэлектрического преобразователя сложна, трудоемка в изготовлении, требует постоянного ухода при эксплуатации.
Требования, предъявляемые к приборам для измерений, применяемым в ядерных реакторах, например, для измерения искривлений технологических каналов ядерных реакторов, очень жесткие, прежде всего это высокая точность, высокая чувствительность и малая постоянная времени. Кроме того, устройство должно работать в условиях повышенных температур, влажности, давления и ионизирующего излучения.
Известен способ измерения величины перекрытия телескопического соединения верхнего тракта с фланцем графитовой колонны канального ядерного реактора и устройство для его осуществления (см., например, патент RU №2400839, МПК G21C 17/00, опубликовано 27.09.2010).
Сущность способа состоит в том, что на телескопическое соединение воздействуют постоянным магнитным полем, улавливают ответный сигнал и фиксируют по нему точки максимального изменения напряженности в зазоре между полюсами П-образного магнита и границами перекрытия телескопического соединения и последующее вычисление величины перекрытия. Способ реализуется с помощью измерительного преобразователя, соединенного с ним блока электронной обработки сигнала, связанного с компьютером.
Устройство состоит из П-образного постоянного магнита, у полюсов которого расположены чувствительные элементы, электронного блока преобразования сигнала, механизма перемещения постоянного магнита.
Недостатком устройства является косвенное измерение линейных вертикальных размеров путем измерения изменений постоянного магнитного поля между двумя полюсами магнита и измеряемым участком перекрытия двух ферромагнитных труб за счет изменения толщины стенки. Устройство не позволяет производить измерения искривлений и прогибов стенки трубы в зазоре между постоянным магнитом и стенкой.
Известен, например, способ контроля величины перекрытия телескопического соединения верхнего тракта с фланцем графитовой колонны канального ядерного реактора, который применяется для измерения линейных размеров участка перекрытия телескопического соединения двух труб технологического канала ядерного реактора РБМК-1000 (см., например, патент RU №2184996, МПК G21C 17/00; G21C 17/10, опубликовано 10.07.2002). Сущность способа состоит в том, что на телескопическое соединение воздействуют переменным магнитным полем, улавливают ответный сигнал, фиксируют по нему изменение величины магнитного сопротивления граничных участков соединения и по расстоянию между этими изменениями судят о величине перекрытия.
Для осуществления способа используется устройство, которое состоит из электромагнитного датчика, содержащего две сигнальные, включенные встречно обмотки и одну возбуждающую обмотку, механизма вертикального перемещения датчика, электронной измерительной аппаратуры. Устройство по патенту RU №2184996 выбираем за прототип.
Изменение магнитного поля зависит от расстояния между чувствительными элементами датчика и измеряемой стенкой. Следовательно, с помощью данного устройства можно выявить не только величину перекрытия телескопического соединения, но и другие изменения, происходящие со стенкой трубы, например, ее искривление.
Недостатком известного устройства является неточность измерений, так как устройство имеет возможность только вертикального перемещения и только вдоль оси трубы.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для измерения отклонения объекта от вертикали, обеспечивающего возможность выявления искривлений и прогибов в любой точке объекта, изготовленного из ферромагнитного или немагнитного материала.
Решение поставленной задачи позволяет повысить точность измерения искривлений и прогибов, а также упростить конструкцию устройства.
Поставленная задача решается за счет того, устройство для измерения отклонения от вертикали, содержащее маятник с электромагнитным датчиком, механизм вертикального перемещения датчика, электронный блок измерительной аппаратуры, снабжено механизмом угла поворота, состоящим из обоймы, и механизмом наведения, содержащем горизонтальную балку с ползуном, на оси которого закреплен маятник с датчиком, один конец балки соединен через опору с обоймой, а другой конец с механизмом вертикального перемещения датчика, выполненным в виде стойки, закрепленной на обойме и вертикального ползуна, перемещающегося вдоль стойки, причем устройство оборудовано прибором для контроля горизонтального перемещения маятника с датчиком.
Кроме того, прибор для контроля горизонтального перемещения маятника выполнен в виде микрометрического винта и индикатора, а механизм вертикального перемещения снабжен стопорным элементом, закрепленным на вертикальном ползуне. Причем маятник выполнен в виде трубы, а соединение маятника с электромагнитным датчиком выполнено разъемным.
Повышение точности измерения достигается за счет того, что устройство позволяет производить измерения по трем пространственным координатам X, Y, Z, за счет наличия трех механизмов: механизмом угла поворота обоймы, механизма наведения и механизма вертикального перемещения.
Каждый из трех механизмов обеспечивает точное наведение датчика на заданную точку.
Проводимые измерения дают возможность выявить качественные и количественные искривления всех участков стенки трубы независимо от профиля (круглые, квадратные, шестигранные, восьмигранные и другие).
Суть технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 показан продольный разрез устройства, закрепленного на испытуемой трубе;
на фиг.2 показан вид устройства сверху;
на фиг.3 показан продольный разрез устройства и изогнутой трубы;
вых
на фиг.4 показана зависимость напряжения U на выходе электронного блока от изменения зазора между датчиком и стенкой трубы;
j
на фиг.5 показана зависимость прогиба участка трубы Z=f(φ).
Устройство включает механизм угла поворота, состоящий из обоймы 3, имеющей возможность вращения за счет подшипников (на чертеже не показаны) и циферблата 14; механизм наведения, содержащий горизонтальную балку 4 с ползунком 6, на оси 7 которого подвешен маятник 2 с электромагнитным датчиком 1; механизм вертикального перемещения, состоящий из стойки 10 с микрометрической линейки 11 и вертикального ползуна 12.
Маятник 2 с электромагнитным датчиком 1 имеет одну степень свободы, то есть возможность отклонения от вертикали только в одной плоскости. Электромагнитный датчик 1 выполнен в виде П-образного магнитопровода, на котором размещена индуктивная обмотка. Плоскости торцов двух полюсов магнитопровода направлены перпендикулярно к стенке ферромагнитной трубы 15. Электромагнитный датчик 1 соединен с электронным блоком измерительной аппаратуры 16 электрическим кабелем.
В установившемся спокойном состоянии маятник 2 с датчиком 1 расположен всегда на вертикали, то есть на вертикальной оси трубы 15.
Ползун 6 размещен на горизонтальной балке 4 с возможностью перемещения по двум направляющим пазам вдоль горизонтальной балки 4 и снабжен микрометрическим винтом 9 с прибором контроля 8 с индикатором часового типа, измеряющим горизонтальное перемещение датчика 1 в трубе 15. Горизонтальная балка 4 соединена одним концом с опорой 5, закрепленной на обойме 3, другим концом жестко закреплена на вертикальном ползуне 12, перемещающемся направляющим пазам стойки 10.
Стойка 10 закреплена на обойме 3 диаметрально противоположно опоре 5. Конструкция вертикальной опоры 5 позволяет производить перемещение горизонтальной балки 4 в вертикальной плоскости, например, по продольному пазу и фиксацию с помощью винта-стопора 13.
Устройство работает в следующем порядке. Обойму 3, имеющую возможностью поворачиваться по окружности, устанавливают на фланец испытуемой трубы 15. При этом внутри трубы 15 размещается маятник 2 с датчиком 1.
На заданный угол λ обойма 3 поворачивается по показаниям циферблата 14. За счет механизма наведения маятник 2 с датчиком 1 устанавливается по вертикальной оси Z, путем горизонтального перемещения ползуна 6 микрометрическим винтом 9. Маятник 2 с датчиком 1 перемещается в горизонтальной плоскости (по горизонтальной координате X) до точки наведения, находящейся на вертикальной оси Z трубы 15. Прибором контроля 8 измеряется горизонтальное перемещение маятника 2 с датчиком 1 на ось Z по внутреннему диаметру трубы 15.
j
Маятник 2 с датчиком 1 перемещается вертикальным ползуном 12 по направляющим пазам стойки 10. Устанавливается, фиксируется на выбранной вертикальной отметке Z микрометрической линейки 11 с помощью винта-стопора 13.
Перед началом измерения включается электронный блок 16 измерительной аппаратуры и на датчик 1 поступает переменное напряжение питания.
Принцип преобразования электрического сигнала, поступающего на электромагнитный датчик 1, основан на изменении индуктивности обмотки электромагнитного датчика 1, вызванным изменением магнитного сопротивления в магнитопроводе при смещении датчика 1.
Изменение расстояния (зазора) между торцами полюсов магнитопровода и стенкой трубы 15 приводит к изменению магнитного сопротивления в магнитопроводе, которое увеличивается при уменьшении расстояния.
Перемещением устройства на трубе 15 можно производить градуировку электронного блока измерительного аппарата 16 (усилителя) с подключенным датчиком 1.
Принимаем, что электронный блок измерительного аппарата 16 с датчиком 1 включен в электрическую сеть.
вн
Выбираем цилиндрическую часть испытуемой трубы 15, диаметр которой постоянен D=const по всей окружности трубы и по высоте торцов магнитопровода, то есть труба не имеет искривлений стенок в выбранном объеме.
вн
0
Датчик 1 устанавливается в центре диаметра D на вертикальной оси Z трубы 15, при котором зазор принимается равным φ=0.
н
к
Измерение рабочего горизонтального перемещения датчика в диапазоне φ÷φ мм производится при прямых ходах датчика (к стенке) и при обратных ходах (от стенки).
вых
вых
j
Число ходов датчика не меньше 3-5. Данные измерений зависимости напряжения на выходе усилителя U от перемещения датчика 1 в измеряемом диапазоне записываются в таблицу измерений. По данным таблицы строится график градуировочной характеристики устройства U=f(φ) (фиг.4).
Устройство может быть использовано для измерения отклонений от вертикали труб, изготовленных из ферромагнитных материалов, а также для труб, изготовленных из немагнитных материалов, например: циркония, алюминия, дюрали, титана, немагнитных сталей и других сплавов.
Для работы устройства на наружной или внутренней поверхности немагнитной трубы закрепляется (например, точечной сваркой или клеящим материалом) ферромагнитная мишень, изготовленная из тонкостенной обечайки или тонкостенной ферромагнитной полосы.
Для определения искривлений площади участка стенки трубы, площадь разбивается на ряд последовательных вертикальных полос. Измерения каждой полосы проводятся по указанному выше порядку.
i
i
Семейство полученных зависимостей ΣZ=f(φ) графически должно быть представлено в виде площади искривления измеренного участка трубы.
Предложенное устройство использовано на предприятии для проведения опытных работ по определению зависимости прогиба грани чехла тепловыделяющих сборок (ТВС) от реальной силы, воздействующей на ТВС в активной зоне ядерного реактора. Полученные результаты позволяют выбрать трубы, удовлетворяющие по прочностным и температурным характеристикам, Следовательно, появляется возможность повысить прочность и долговечность труб, используемых, в частности, для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, что оказывает непосредственное влияние на надежность и безопасность работы реактора.