靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在BEPCⅡ預(yù)準(zhǔn)直中的應(yīng)用

1、"卷第#期!第!)*年+月!#原子能科學(xué)技術(shù)$%&!"!(%#<84#)*,-%./012340/3203829:30;2%&%56756靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在RGI("預(yù)準(zhǔn)直中的應(yīng)用何曉業(yè)"!黃開席#!陳森玉#!劉祖平"!董!嵐#"中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室!安徽合肥!#"+)#>#中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所!北京!"$#)!>摘要!本工作研制靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)!用于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)升級(jí)改造工程"儲(chǔ)存環(huán)和其他關(guān)鍵1U)$部位垂直方向位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)%通過分析測(cè)量數(shù)據(jù)!確定了靜力

2、水準(zhǔn)系統(tǒng)在1U)預(yù)準(zhǔn)直中應(yīng)用是可行的!系統(tǒng)的精度等技術(shù)指標(biāo)符合應(yīng)用要求%這些數(shù)據(jù)為工程安裝&測(cè)試提供了很好的參考%本文還闡述了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在使用過程中的維護(hù)方法%關(guān)鍵詞!靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)#預(yù)準(zhǔn)直#數(shù)據(jù)分析"$中圖分類號(hào)!:HD)D!文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼!,!文章編號(hào)!")C=>+"#)*)#C)#D#C)D93+/."+&&0X$)&*"."+/Y-C-33+*"-522%D!%+I)-B.3+5-"&0RGI("D"#"#!NJ,(BK!N1?/8%C

3、38/Cg/UN1(732COHIJMOC/2Ac(BH8266R5!""!+.%&)#.-S#,1/)%/)#P.3&.%&)#M.N)/.%)/22!C#&D(/$&%,&(#,(.#3B(,1#)-)1&#.!V(&#+)#>!41&#.#2)*S82)*4*#!"#$%&%()&17#(/1$&,$!41&#($(6,.3(5,&(#,($!;(&&#)!>!41&#.$*V882022)*SE8"$

4、!9:*")./"94%P-8-/0H3Q3&&/2P-3."NH7T8P43P3840;39T;/0;T%O&9V3OP39/2!N6576438&-/.3PO34Q/P/2;3Q34-/08&R%P/-/%2%SP-%4834/229W3%.%232-P:;3R5-55860R834/2-4%9O03P-;3R480-/08&8&/08-/%2%S-;3NH7/2-;3R43C8&/2.32-%S1U)RRRR5"$!3/2&30-4%2C%P/-4%2U%&&/

5、934J489328&P/2;398-8/-/PPO43-;8-;3f51R56865-NH7082T%4WP.%-;&29-;3R430/P/%2829%-;34-30;2%&%/08&848.3-34P0%2S%4.-%685R!43O/43.32-:;398-88&P%R4%Q/93985%943S343203S%4-;3PO4Q3/28PP3.V&/229G6558;3.8/2-328203.3-;%9P%S-;3PP-3./2-;3-3P-/2S-;3R84-POP39/21U):65%4%03PP%SR480-/08&OP/2

6、343/2-4%9O039-%R5T;#43C8&/2.32-;-&)$*94%P-8-/0&3Q3&&/2P-3.#98-8828&P/PR565P66%<N94%P-8-/0H3Q3&&/2PC!靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)"6576$基于相連容器中液體總是尋求具有-3.!NH7相同勢(shì)能的水平原理!測(cè)量和監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)彼此之間的垂直高度的差異和變化量%它以很高的測(cè)量精度在測(cè)量領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用%在國(guó)際上!加速器的準(zhǔn)直測(cè)量中!NH7越收稿日期!修回日期!#)DC")C#=#)=C)+C#基金項(xiàng)目!國(guó)家重點(diǎn)工程1U)資助項(xiàng)目作

7、者簡(jiǎn)介!何曉業(yè)"!男!安徽肥東人!高級(jí)工程師!博士!核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)">=!($第#期!何曉業(yè)等靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在1U)預(yù)準(zhǔn)直中的應(yīng)用#D+來越受到重視!幾乎所有新建的加速器裝置均安裝了NH7作為磁鐵等重要部件的水準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)"北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程#是將原有的單環(huán)對(duì)撞機(jī)升級(jí)改造成1U)$雙環(huán)對(duì)撞機(jī)!將原來的單環(huán)加速器的磁鐵等拆除!在原有的環(huán)形隧道中建立內(nèi)外環(huán)"這樣!在空間上比以前擁擠得多!尤其是隧道外環(huán)的測(cè)量將非常困難"因此!1U)的調(diào)節(jié)裝置擬可確定N次實(shí)驗(yàn)!H7的實(shí)際精度好于h#)!."通過多缽體的測(cè)試!對(duì)每個(gè)缽體的測(cè)量和

8、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合后!得到的線性度均好于)+"UUA器件本身的特性決定了缽體測(cè)量的線性度是良好的"NH7的穩(wěn)定時(shí)間受到較多因素影響"對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)!液體管道的NH7的大小%直徑等是主要的影響因素"對(duì)于本系統(tǒng)!工作范圍在D).內(nèi)的優(yōu)化管道內(nèi)徑在"=.左采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的專用千斤頂來完成"因沒有人員進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的空間!測(cè)量的自動(dòng)化和遙測(cè)技術(shù)顯得格外重要"本工作將NH7應(yīng)用于1U)工程中"!XY!性能NH7性能主要包括缽體傳感器的靈敏度%測(cè)量精度%線性度!還有系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間%系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性等"NH7的靈

9、敏度除與UUA的分辨率有關(guān)外!還與缽體的結(jié)構(gòu)!尤其是浮子和彈簧的結(jié)構(gòu)有關(guān)"UUA系統(tǒng)有多種技術(shù)手段將分辨率提高到好于UUA本身分辨率!比如!用更高頻率的時(shí)鐘脈沖通過二值化信號(hào)的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)!可將UUA測(cè)量分辨率提高近"個(gè)量級(jí)&另一類提高UUA測(cè)量分辨率的方法可以概括為數(shù)字方法!包括最小二乘法和多項(xiàng)式插值法!其目的是細(xì)分像素"浮子的兩端采用錐形!采用有機(jī)玻璃材料!盡量減少水在其表面的凝結(jié)!減小在表面的粘滯&彈簧采用雙螺旋碟形結(jié)構(gòu)!對(duì)其軸向的阻力小"這些均保證了傳感器應(yīng)有的靈敏度"通過測(cè)試!可以得到缽體傳感器的測(cè)量靈敏度小于#!.&

10、quot;測(cè)量的精度包括單個(gè)缽體精度和系統(tǒng)精度"單個(gè)缽體的精度受UUA性能和缽體結(jié)構(gòu)約束"通過對(duì)單個(gè)缽體的標(biāo)定測(cè)試可知!其精度均好于")!."系統(tǒng)精度主要取決于單個(gè)缽體精度!同時(shí)受溫度%壓力%液體管道的布設(shè)結(jié)構(gòu)等因素影響"在NH7中!采用單獨(dú)的氣管!以保證每個(gè)缽體內(nèi)部的壓力相同!用溫度傳感器測(cè)量每個(gè)缽體所在位置的溫度!進(jìn)行溫度補(bǔ)償"在系統(tǒng)搭建時(shí)!保持水管的水平!水管垂直方向落差不超過")."通過這些手段完全能夠保證系統(tǒng)的測(cè)量精度好于h#)!."經(jīng)多右"可以保證系統(tǒng)在受到比較大的外在干擾后!在最短

11、的時(shí)間能趨于穩(wěn)定!重新開始正常工作"系統(tǒng)使用的工作液體是去離子水!允許的工作環(huán)境溫度為)$D)i!濕度為")"通過在液體里加入適量的防凍液!工作環(huán)境溫度可低于)i"NH7要求的工作量程為hD.!實(shí)際量程可達(dá)h=.!對(duì)每個(gè)缽體的UUA輸出讀數(shù)范圍為"*)$#>)."每個(gè)缽體均安裝了溫度傳感器!測(cè)量精度好于)Di!工作范圍為")$")i!輸出的數(shù)據(jù)用于UUA輸出數(shù)據(jù)的溫度修正"缽體采用+)!型不銹鋼加工制作!在加速器的隧道中使用!不會(huì)對(duì)磁鐵磁場(chǎng)產(chǎn)生影響!也便于維護(hù)"另外!缽體的頂端面皆按設(shè)計(jì)尺

12、寸嚴(yán)格加工!可以在上面建立用于其它測(cè)量基點(diǎn)!便于將NH7與其他測(cè)量網(wǎng)連接!提高加速器準(zhǔn)直測(cè)量的效率"NH7中數(shù)據(jù)采集儀和每個(gè)缽體中均有單獨(dú)的電源!單獨(dú)連接到#)$電網(wǎng)上"數(shù)據(jù)采集儀支持?jǐn)嚯姳３峙c斷點(diǎn)續(xù)采的功能!若外電網(wǎng)斷電!在重新來電后!系統(tǒng)可繼續(xù)工作!原有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失!并從斷點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行采數(shù)"NH7的軟件界面友好!可方便設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)!系統(tǒng)中傳感器的數(shù)量%計(jì)算公式%數(shù)據(jù)形式均可預(yù)置"!XY!在RGI("預(yù)準(zhǔn)直中的應(yīng)用NH7完成全部測(cè)試工作后!按照1U)進(jìn)度要求!于#)!年")月中旬在譜儀大廳及附近儲(chǔ)存環(huán)的磁鐵支架上安裝了一個(gè)由!個(gè)缽體

13、組成的NH7!在")月下旬!北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的譜儀大廳安裝重達(dá)!)多噸的防輻射水泥塊!希望通過NH7檢測(cè)大廳在安裝前后地=#D!基的沉降情況!為將來安裝X)-的新電子譜儀提供參考"同時(shí)!為了考察1U)加工的新磁鐵的預(yù)準(zhǔn)直大廳#簡(jiǎn)稱北大廳$的地基狀況!在北"這兩套系統(tǒng)分別大廳安裝了D個(gè)缽體的NH7用一套數(shù)據(jù)采集儀!是相互獨(dú)立的系統(tǒng)">=!譜儀大廳XY!測(cè)量數(shù)據(jù)分析譜儀大廳安裝的是由!個(gè)缽體組成的這!個(gè)缽體編號(hào)為"號(hào)到!號(hào)!其中!以NH7!安裝在離譜儀大廳比較"號(hào)缽體為參照缽體!原子能科學(xué)技術(shù)!第!"卷所以!四極鐵支撐向

14、上升起了一些!#)日這兩個(gè)缽體測(cè)量數(shù)據(jù)大幅上升!尤以!號(hào)缽體上升最多"此后!地基的高程變化趨于穩(wěn)定!地基的這說明原大廳的基礎(chǔ)最大沉降達(dá)到)+D.!建設(shè)良好"這套系統(tǒng)目前還在使用中">!北大廳XY!測(cè)量數(shù)據(jù)分析北大廳是準(zhǔn)備用作1U)中新加工的磁鐵預(yù)準(zhǔn)直場(chǎng)所!由于磁鐵的質(zhì)量比較大!尤其是二極鐵達(dá)到十幾噸!且質(zhì)量比較集中!極易產(chǎn)生遠(yuǎn)的一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)二極鐵的支撐上%#號(hào)缽體安裝在相鄰大廳的一個(gè)二極鐵支撐上%+&!號(hào)缽體安裝在緊鄰原來譜儀所在位置兩端的兩個(gè)四極鐵支撐上!它們?cè)诖髲d的中央!是最能反映大廳地基沉降變化的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)"從#)!年")月#日

15、至#)!年""月#!日進(jìn)行測(cè)量!數(shù)據(jù)采集儀設(shè)定的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為+)./2"譜儀大廳的沉降監(jiān)測(cè)示于圖""圖"!譜儀大廳的沉降檢測(cè)/5"!cO-RO-%SNH7OP39/2PR30-4%.3-34;8&&"#號(hào)缽體%#+號(hào)缽體%+!號(hào)缽體從圖"可見!隨著水泥塊的安裝!地基不斷沉降!"號(hào)缽體作為參照點(diǎn)!它的圖形一直是一條水平線!#號(hào)缽體離譜儀大廳較近!但與地基不在一個(gè)面上!受到譜儀地面沉降的影響較小!約有)".的沉降"+號(hào)缽體和!號(hào)缽體測(cè)量值的變化比較大!變化幅

16、度和變化趨勢(shì)基本一致!出現(xiàn)較大向下峰值的那一天安裝的水泥塊數(shù)目較多!晚間停止工作時(shí)!地面又出現(xiàn)一定的向上反彈"出現(xiàn)的更小的波動(dòng)一般是由于當(dāng)天的溫度波動(dòng)引起的!也不排除地基波動(dòng)因素"由于現(xiàn)場(chǎng)在""月*日中午到X日上午X時(shí)和""月")日上午")時(shí)到""月"D日下午!時(shí)停電!未獲得測(cè)量數(shù)據(jù)"""月">日水泥塊安裝基本結(jié)束"但事后了解到!""月#)日由于其他部門的需要!將安裝+號(hào)和!號(hào)缽體的地基的局部沉降"在

17、磁鐵部件安裝到對(duì)撞機(jī)儲(chǔ)存環(huán)之前!必須做好磁鐵本身的準(zhǔn)直!找到磁鐵各個(gè)關(guān)鍵部位與磁鐵上端的準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)之間的關(guān)系"這些尺寸要求精度很高!一般要求不大于")!.!所以!安裝時(shí)不允許地基發(fā)生大的變化"因此!在實(shí)際準(zhǔn)直工作開始前!高能物理研究所的準(zhǔn)直測(cè)量組進(jìn)行了多次試驗(yàn)"試驗(yàn)的目的一方面是監(jiān)測(cè)質(zhì)量很大的磁鐵壓到預(yù)準(zhǔn)直支架上以后地基的變化情況!另一方面是考察經(jīng)過吊裝&起運(yùn)后磁鐵的各個(gè)部位之間的位置是否發(fā)生了變化"本系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)是監(jiān)測(cè)地基的變化情況"在北大廳安裝了由D個(gè)缽體組成的NH7!缽體的編號(hào)從D號(hào)到>號(hào)"D號(hào)缽體固定

18、在大廳墻體一個(gè)承重柱上的支架上!作為系統(tǒng)中其他缽體的參照點(diǎn)!=號(hào)缽體到>號(hào)缽體依次安裝在大廳地面支架上!其中!*&X和>號(hào)缽體在磁鐵支架附近!X號(hào)缽體離磁鐵支架最近"#)!年")月#X日!NH7調(diào)試完成并開始采集數(shù)據(jù)"第"階段數(shù)據(jù)采集從")月#X日至""月#D日!采數(shù)的時(shí)間間隔為D./2"每個(gè)缽體的位置變化示于圖#"圖#!北大廳地基沉降檢測(cè)/5#!cO-RO-%SNH7OP39/2R43C8&/52.32-;8&&"=號(hào)缽體%#*號(hào)缽體%+>號(hào)缽

19、體%!X號(hào)缽體#第#期!何曉業(yè)等(靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在1U)預(yù)準(zhǔn)直中的應(yīng)用#DD由圖#可見!")月#X日至""月#日支架上沒有放置磁鐵!地基緩慢變化!這些變化可理解為溫度等其他因素的干擾!而*號(hào)和X號(hào)缽主要是在它們附體位置有較明顯的下降趨勢(shì)!近安裝測(cè)量?jī)x器!以及其他物體的壓力所引起"""月#日進(jìn)行了第"次壓磁鐵實(shí)驗(yàn)!X號(hào)和>號(hào)缽體所在位置下沉非常明顯!均有)!.的沉降量!其他缽體變化不大"""月!日將磁鐵吊起進(jìn)行運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)!這時(shí)地基有明顯反彈!當(dāng)慢上升劇烈下降緩慢反彈趨于穩(wěn)定幾個(gè)階CCC段&quo

20、t;在磁鐵安放后的D;內(nèi)的緩慢反彈量不超過+但地基的變化不均勻!在磁鐵附近靠)!.!這在準(zhǔn)直測(cè)量中大廳中央部分變化比較激烈!是應(yīng)該密切關(guān)注的"天把磁鐵放回了支架上!又引起地基下沉"""月=日和*日連續(xù)兩天做了磁鐵的吊起#放回試驗(yàn)!然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析!""月">日再次試驗(yàn)"磁鐵放置在支架期間地基緩慢地下沉!下沉量每天在幾微米到幾十微米不等"由于當(dāng)時(shí)天氣干燥!日夜溫差比較大!溫度也引起地面高度的一些變化!其周期接近#!;"在大廳一些位置地基的變化趨勢(shì)和變化量比較復(fù)雜"=號(hào)缽體所在位置還

21、出現(xiàn)了地面緩慢隆起的現(xiàn)象"準(zhǔn)直測(cè)量人員更加關(guān)心的是!在磁鐵安放在支架后的一段時(shí)間內(nèi)!地基的變化速度是多少!什么時(shí)間能夠相對(duì)穩(wěn)定!以及變化量有沒有影響準(zhǔn)直測(cè)量精度等"現(xiàn)以""月*號(hào)到X號(hào)之間的試驗(yàn)時(shí)各個(gè)缽體所在位置的沉降變化為例!分析地基的變化情況$圖+%"""月=日在支架上安放磁鐵以后!X號(hào)缽體所在位置地基沉降最多!與初始位置相比!下降了)*.&>號(hào)位置次之!達(dá))!D.&*號(hào)位置下降)#.&=號(hào)位置下降很小!只有幾十個(gè)微米"""月*日將磁鐵吊走后!幾個(gè)位置的地面均有

22、反彈!X號(hào)位置的反彈是最大的!達(dá)到)!D.&>號(hào)位置反彈)#D.&*號(hào)和=號(hào)位置反彈相對(duì)很小"隨后!磁鐵重新安放!幾個(gè)位置的地基又開始劇然下降!*#X#>三個(gè)位置的地基基本下降到起吊前的位置"此后幾十個(gè)小時(shí)地基的變化是緩慢的!在遽然下降后!經(jīng)過"!;的緩慢反彈!達(dá)到反彈的最高值!幾個(gè)位置均反彈了約D)!.!此后!除=號(hào)位置外!均進(jìn)入了緩慢下沉狀態(tài)"又經(jīng)約"!;!可能受到人員走動(dòng)或者安裝儀器的影響!有大約+;的不太規(guī)則的升降過程!此后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)!地基的升降不超過#)!."從檢測(cè)結(jié)果看!這幾個(gè)點(diǎn)的地基變化

23、情況隨著磁鐵的吊起和安放!可以分成劇烈上升C緩圖+!#)!年""月*日到X日北大廳地基變化/5+!N3/5;-0;8253%SP/-3/2R43C8&/52.32-;8&&S4%.(%Q*-%X!#)!=號(hào)缽體&#*號(hào)缽體&+>號(hào)缽體&!X號(hào)缽體總之!兩套系統(tǒng)在1U)的兩個(gè)不同場(chǎng)所工作正常!所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況!為工程的前期準(zhǔn)直測(cè)量提供了有用的數(shù)據(jù)!也為工程的決策提供了參考"!系統(tǒng)的維護(hù)任何儀器設(shè)備在使用過程中均需進(jìn)行合理的維護(hù)"對(duì)于NH7!在設(shè)計(jì)和加工過程中!考慮了許多因素!以使系統(tǒng)的維護(hù)變

24、得方便"液體總是有蒸發(fā)的"所以!在NH7工作一段時(shí)間后!需給NH7添加液體"在NH7安裝時(shí)!已在液體表面加入了適量硅油!防止液體的過快蒸發(fā)"一般!NH7工作約半年后需用注射針管加塑料軟管!通過缽體的氣管接口給系統(tǒng)加液!同時(shí)防止液體灑落在浮子上面"加液后待系統(tǒng)穩(wěn)定!系統(tǒng)可正常工作"在系統(tǒng)連續(xù)工作一年左右需對(duì)NH7進(jìn)行檢查!放出所有液體!并用循環(huán)流動(dòng)液體的方法對(duì)液體管道進(jìn)行清洗"這是由于系統(tǒng)在長(zhǎng)期的封閉狀態(tài)下!液體中有可能產(chǎn)生一些菌類或藻類物質(zhì)!影響液體的流動(dòng)性"清洗以后!注入適量的液體!同時(shí)加入一些殺菌劑!一般&qu

25、ot;H工作液體加入一滴"另外!還需加入一些擴(kuò)散劑!減少液體表面張力的影響"在缽體中的液體表面再加入硅油防止蒸發(fā)"待液體穩(wěn)定后!如有需"A#D=要!可重新設(shè)置軟件中的相關(guān)參數(shù)!然后系統(tǒng)重新工作"NH7工作一年左右還需檢查氣體管道是否暢通!可用吹氣的方法檢查"NH7的數(shù)據(jù)采集儀中的存儲(chǔ)器有容量限制!需要時(shí)!可加入不同容量的存儲(chǔ)條"系統(tǒng)長(zhǎng)期自動(dòng)工作時(shí)!需注意存儲(chǔ)器的容量可用時(shí)間!定期取回采集儀中的測(cè)量數(shù)據(jù)!防止數(shù)據(jù)丟失"在特殊的工作環(huán)境下!需注意系統(tǒng)的安全性和可靠性"比如!在高電離輻射的加速器隧道里工作時(shí)!要

26、定期檢查電源線和信號(hào)電纜因受輻射而產(chǎn)生的老化情況!必要時(shí)需及時(shí)更換"系統(tǒng)的液體管道一般較長(zhǎng)!安裝時(shí)需保證鋪設(shè)的盡量水平!同時(shí)應(yīng)有保護(hù)和警示裝置!杜絕人為觸動(dòng)!防止測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)!以避免給數(shù)據(jù)分析帶來麻煩"參考文獻(xiàn)!的測(cè)量要求"原子能科學(xué)技術(shù)!第!"卷#"$:I(A:;31O4%382P20;4%-4%2489/8C!<,R6-/%2S80/&/-C;94%P-8-/0&3Q3&&/2P-3.C-T3&Q3665P6384P3g34/3203T/-;8&843P08&3;94%P-8-/06R56%&3Q3&&/2P-3.#U$4%0339/2P%S*-;I2-34C5P6528-/%28&E%4WP;%2,003&348-%4,&/2.32-R%5&d8827I(BCX!#)#&#)XC#=R#$!#1(:I(BdHI1HE7-8-OP%2-;3PO4Q3!68298&