ЦЕПЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ УСТОЙЧИВОГО К РАДИАЦИИ ДАТЧИКА
FEEDBACK CIRCUIT FOR RADIATION-RESISTANT SENSOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к мониторингу промышленного оборудования, такого как оборудование, генерирующее электроэнергию, более конкретно к датчику скорости, который позволяет измерять вибрации в указанных устройствах, несмотря на то, что он подвергается воздействию гамма-излучения низкого уровня.
Уровень техники
Серьезные проблемы, возникающие во вращающемся промышленном оборудовании, таком как оборудование, генерирующее электроэнергию, часто можно предупредить путем мониторинга различных параметров оборудования для определения, возникает ли в таком оборудовании проблема, связанная с его работой. Velomitor представляют собой датчики скорости, которые используются для защиты промышленного оборудования путем измерения вибрации оборудования.
Velomitor используют в различных рабочих условиях. Один из вариантов применения, в котором используются такие датчики, представляет собой мониторинг оборудования на ядерных электростанциях, где такие датчики постоянно подвергаются воздействию с течением времени низкого уровня гамма-излучения. Velomitor, используемые в окружающей среде такого типа, подвергаются радиации в течение длительного периода времени. Открытые Velomitor работают в среде такого рода в течение определенного периода времени, но в конечном итоге происходит сдвиг выходного напряжения смещения этих датчиков в результате того, что они подвергаются экспозиции радиации в течение длительного периода времени. В конечном итоге выходное напряжение датчика смещается к одному из уровней напряжения его источника питания, после чего датчик перестает работать. Эта проблема возникает, когда Velomitor, в котором используется канальный полевой транзистор ("JFET", КПТ) для формирования каскада усилителя с общим истоком, подвергается облучению гамма-излучением. Такое облучение приводит к увеличению утечки тока в затворе JFET с течением времени. Увеличение тока затвора совместно с большим резистором в цепи обратной связи, включенным последовательно с затвором, образует большое напряжение смещения на выходе датчика, которое смещает выходное напряжение к напряжению вывода устройства (к напряжению питания).
Сущность изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание датчика скорости, который может выводить электрические сигналы, относящиеся к вибрации, несмотря на то, что он подвергается воздействию низкого уровня гамма-излучения. В настоящем изобретении цепь обратной связи в таком датчике устанавливает точку смещения входного каскада. Цепь обратной связи поддерживает выходное напряжение смещения в пределах используемого диапазона напряжений, по мере того, как такой датчик подвергается воздействию гамма-излучения. Дополнительный транзистор JFET, включенный как нагрузка по току, помогает компенсировать увеличение напряжения смещения усилителя на JFET. Кроме того, значение резистора, управляющего током затвора усилителя JFET, уменьшено, в результате чего, когда увеличивается ток утечки затвора, снижается напряжение смещения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает принципиальную схему известного датчика скорости,
фиг.2 - упрощенную схему известного датчика скорости на фиг.1;
фиг.3 - более подробную схему, представленную на фиг.2;
фиг.4 - упрощенную схему датчика скорости, устойчивого к излучению, согласно изобретению;
фиг.5 - более подробную схему упрощенной схемы, представленной на фиг.4, согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Согласно настоящему изобретению предложен датчик скорости, который обеспечивает электрические измерения, связанные с вибрацией, несмотря на то, что он подвергается воздействию низкого уровня гамма-излучения.
На фиг.1 показана принципиальная схема известного датчика скорости или Velomitor 10, который используется для измерения вибрации промышленного оборудования в среде, в которой это оборудование подвергается воздействию низкого уровня гамма-излучения. Датчик 10 скорости содержит акселерометр 12 предпочтительно в форме пьезоэлектрического кристалла, который формирует электрические сигналы ускорения, образующиеся в результате сжатия кристалла под воздействием вибрации. Датчик 10 скорости также содержит интегратор 14, который интегрирует сигналы ускорения, поступающие с выхода акселерометра 12 для получения сигнала скорости на выходе датчика 10.
Рабочие характеристики датчика 10 следующие: (1) полоса пропускания для измерения частот вибрации в диапазоне от 4 Гц к 5 кГц; (2) диапазон отклика при измерении вибрации от 0 до 50 дюймов в секунду; (3) рабочий диапазон температур от -55°C до 121°C; и (4) при воздействии радиации 3 мРад ожидаемый срок службы составляет четыре года.
На фиг.2 представлена упрощенная схема датчика 10 скорости, показанного на фиг.1. Акселерометр 12 состоит из источника V3 изменяющегося напряжения, который передает выходное напряжение постоянного тока ("DC", ПТ) 0 В и переменный ток ("AC", ПРТ) или выходное напряжение в виде переменного сигнала с амплитудой 1 В, от пика до пика и конденсатор C7, имеющий значение около 1850 пФ. Интегратор 14 содержит операционный усилитель U1, включающий в себя цепи обратной связи по переменному и по постоянному току. Перед воздействием гамма-излучения интегратор 14 генерирует статическое выходное напряжение смещения постоянного тока около 12 В.
Цепь обратной связи по постоянному току интегратора 14 состоит из стабилитрона D2 на 5 В, второй цепи делителя напряжения, состоящей из резисторов R5 и R10, и третьего очень большого резистора R4, имеющего значение 500 MОм, который подключен между делителем напряжения и отрицательным входом операционного усилителя U1. Цепь обратной связи по постоянному току разработана так, чтобы она передавала напряжение смещения постоянного тока около 1,3 В на отрицательный вход операционного усилителя U1. Аналогично источник V4 напряжения прикладывает напряжение смещения постоянного тока около 1,3 В постоянного тока к положительному входу операционного усилителя U1.
Выходное напряжение переменного сигнала акселерометра 12 приступает на делитель напряжения, состоящий из резисторов R1 и R2. Часть выходного напряжения переменного сигнала, т.е. напряжение переменного сигнала на втором резисторе R2, поступает на отрицательный вход операционного усилителя U1 интегратора 14 через конденсатор C9 в условиях вибрации оборудования.
Интегратор 14 содержит цепь обратной связи по переменному току, которая работает в условиях вибрации оборудования, когда акселератор 12 выводит переменный сигнал. Цепь обратной связи по переменному току интегратора 14 содержит делитель напряжения, состоящий из резисторов R6 и R7, и конденсатор C8 обратной связи, включенный между делителем напряжения и отрицательным входом операционного усилителя U1. Конденсатор C8 имеет значение 470 пФ.
Полоса пропускания датчика 10 скорости обеспечивается благодаря использованию больших значений резистора R4 обратной связи и конденсатора C8 обратной связи. Такие большие значения позволяют датчику 10 измерять вибрации, имеющие частоту ниже и в пределах очень низкого частотного диапазона, то есть в частотном диапазоне от 4 Гц до 5 кГц, указанном выше.
На фиг.3 показана более подробная схема по сравнению с упрощенной схемой, представленной на фиг.2. Акселерометр 12 содержит источник V3 изменяющегося напряжения и конденсатор C7. Кроме того, выходной сигнал акселерометра 12 показан как сигнал, разделенный между делителем напряжения, сформированным резисторами R1 и R2.
Схема содержит первый транзистор J1 типа JFET, затвор которого выполняет функцию отрицательного входа операционного усилителя U1 (фиг.2). JFET J1 представляет часть усилительного каскада с общим истоком. На истоке JFET J1 формируется напряжение смещения около 1,3 В с помощью двух JFET транзисторов J2 и J3, каждый из которых подключен как диод с падением напряжения около 0,6 В. Выход акселерометра 12, в свою очередь, подключен к затвору транзистора J1 через конденсатор C9. Обратная связь по постоянному току обеспечивается стабилитроном D2 и резисторами R5 и R4. Сток JFET J1 подключен к усилителю Q1 на паре Дарлингтона типа PNP.
Схема (фиг.3) обеспечивает статическое выходное напряжение около 12 В на выходном выводе VDB, который подключен к резистору R10. Проблема, связанная с цепью (фиг.3), возникает при экспонировании этой схемы гамма-излучению, которое присутствует в окружающей среде, в которой должен работать датчик 10. Когда датчик 10 новый, ток затвора в JFET J1, по существу, равен нулю. В результате получают статическое выходное напряжение 12 В на выходе VDB, соединенном с резистором R10. Однако с течением времени по мере экспозиции JFET J1 гамма-излучению ток затвора Ig, протекающий через затвор JFET J1, линейно увеличивается при накоплении дозы облучения, которому экспонируется J1. По мере увеличения тока затвора статическое выходное напряжение датчика 10 уменьшается для компенсации увеличенного тока затвора Ig путем отвода увеличенного тока затвора через резистор R4 обратной связи, который имеет большое значение сопротивления 500 MОм. Приблизительно через 50 дней увеличенный ток затвора, протекающий через J1, уменьшает статическое выходное напряжение смещения датчика 10 скорости приблизительно на 3 В. Через каждые 50 дней после этого выходное напряжение датчика 10 скорости уменьшается приблизительно на 3 В, до тех пор, пока в конечном итоге оно не приблизится к нулю, в результате чего устройство больше не функционирует и не обеспечивает измерение вибрации. Сложность, возникающая при таком изменении выходного напряжения, усугубляется тем фактом, что подвергающийся воздействию радиации датчик 10 не может быть быстро заменен в течение периода по меньшей мере год или два года, поскольку электростанция, на которой установлен датчик 10, обычно выполнена герметичной и работает в течение такого периода без доступа к ней из-за излучения, воздействию которого она подвергается.
На фиг.4 показана упрощенная схема одного варианта выполнения предложенного датчика 20 скорости, устойчивого к радиации, в соответствии с настоящим изобретением, а на фиг.5 показана более подробная схема датчика 20. Элементы схемы на фиг.4 и 5, идентичные элементам схемы на фиг.2 и 3, обозначены теми же условными обозначениями. Таким образом, например, акселерометр 12 (фиг.4 и 5) содержит источник V3 изменяющегося напряжения и конденсатор C7 с выходом переменного сигнала акселерометра 12, разделенным между резисторами R1 и R2. Сигнал разделенного напряжения акселерометра 12, в свою очередь, подают на операционный усилитель U1, или JFET J1 через конденсатор C9. Цепь обратной связи по переменному току на схеме (фиг.4) аналогична показанной на схеме на фиг.2.
Цепь обратной связи по постоянному току, используемая в схеме, представленной на фиг.4 и 5, отличается от цепи обратной связи по постоянному току, показанной в схеме на фиг.2 и 3. Цепь обратной связи по постоянному току (фиг.4 и 5) содержит резистор R14, который имеет значение 5 MОм, которое в 100 раз меньше, чем значение 500 МОм резистора R4, который заменен резистором R14. Поскольку резистор R14 имеет в 100 раз меньшее значение, чем значение резистора R4, схема, показанная на фиг.4 и 5, в меньшей степени подвержена влиянию гамма-излучения с течением времени на JFET J1 (фиг.5). Как и в схеме на фиг.2, JFET J1 подвергается гамма-излучению, ток его затвора Ig увеличивается линейно с течением времени. Однако, поскольку значение R14 5 MОм существенно меньше, чем значение 500 MОм оригинального резистора R4, влияние увеличения тока Ig затвора на выходное напряжение датчика 20 существенно меньше. По мере увеличения тока Ig затвора выходное напряжение смещения датчика 20 будет снова уменьшаться для компенсации увеличенного тока Ig затвора, например, путем "отвода" увеличенного тока затвора через резистор R14 обратной связи, но поскольку R14 имеет значение сопротивления 5 MОм, что в 100 раз меньше, чем значение 500 MОм R4, изменение статического выходного напряжения будет существенно меньшим. Например, в то время как выходное напряжение датчика 10 составляло 3 В через 50 дней воздействия радиации, изменение выходного напряжения датчика 20 составило бы 30 мВ через 50 дней экспозиции радиации.
Резистор R10 является "прозрачным" для цепи обратной связи постоянного тока (фиг.4 и 5), поскольку он изолирован конденсатором C11. Однако, когда акселерометр 12 начинает формировать выходные сигналы, поскольку он детектирует вибрацию, конденсатор C11 эффективно становится короткозамкнутой цепью для таких переменных сигналов. При этом на выходе операционного усилителя U1 возникает сигнал переменного напряжения с напряжением делителя R15 и R13, причем только малая часть, предпочтительно около 0,2%, прикладывается к резистору R13. Резистор R14 обратной связи включен между этим делителем напряжения и отрицательным входом операционного усилителя U1. Влияние уменьшения напряжения, приложенного к R14 делителем напряжения, приводит к тому, что резистор R14 влияет на цепь обратной связи по постоянному току, так же, как и резистор R14, когда исходный резистор R4 имел значение 500 MОм. Оно представляет собой как бы значение резистора R14 5 MОм, умноженное на 100. При этом датчик 20 обеспечивает полосу пропускания для измерения вибрации от 4 Гц до 5 кГц, как и исходная схема датчика 10, показанная на фиг.2 и 3.
Цепь обратной связи постоянного тока (фиг.4 и 5) также включает в себя резистор R15, предпочтительно имеющий значение 10 MОм, и источник I1 тока. Предпочтительно источник I1 отбирает ток около 1,07 мкA через резистор R15 для получения падения напряжения около 10,7 В на резисторе R15, чтобы получить напряжение около 1,3 В, приложенное к отрицательному входу операционного усилителя U1 через резистор R14.
Как отмечено выше, на фиг.5 показана более подробная схема датчика 20 скорости, устойчивого к излучению. Акселерометр 12 содержит источник V3 изменяющегося напряжения и конденсатор C7, в то время как переменное выходное напряжение акселерометра 12 делится между резисторами R1 и R2 делителя напряжения.
Схема на фиг.5 также содержит JFET J1, затвор которого выполняет функцию отрицательного входа операционного усилителя U1 (фиг.4), а JFET J2 и J3 включены как диоды для обеспечения смещения JFET J1 между его затвором и истоком. Переменное выходное напряжение акселерометра 12 подают на затвор J1 через конденсатор C9, а исток J1, в свою очередь, соединен с усилителем Q1 Дарлингтона.
Функция источника I1 тока в цепи обратной связи постоянного напряжения (фиг.4) выполняется четвертым JFET транзистором J4, который (фиг.5) включен так, что он функционирует как источник тока. Другие компоненты цепи обратной связи по постоянному току, то есть резисторы R15 и R14 (фиг.5) подключены так же, как показано на фиг.4, относительно источника I1 тока, который обозначен как JFET J4.
.
Хотя изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытым вариантом выполнения, но предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных компоновок, включенных в объем и сущность приложенной формулы изобретения
СПИСОК ДЕТАЛЕЙ
Датчик 10 скорости
Акселерометр 12
Интегратор 14
Датчик 20
Конденсатор C7
Конденсатор C8 обратной связи
Конденсатор C9
Конденсатор C11
Стабилитрон D2
Источник I1 тока
JFET транзистор J1
JFET транзистор J2
JFET транзистор J3
JFET транзистор J4
Усилитель Q1 Дарлингтона
Резистор R1
Резистор R2
Резистор R4 обратной связи
Резистор R5
Резистор R6
Резистор R7
Резистор R10
Резистор R13
Резистор R14 обратной связи
Резистор R15
Операционный усилитель U1
Источник V3 изменяющегося напряжения
Источник V4 напряжения