УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ПАРОГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/06 G01N15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании двухфазных потоков в ядерной и тепловой энергетике.

Известны системы и устройства, позволяющие измерять концентрацию фаз в двухфазных потоках в парогенерирующих каналах ядерных реакторов методом электрозондирования.

Основные источники погрешностей данных систем обусловлены изменением электропроводных свойств среды и изоляции датчика в процессе измерения.

Известна система Э. А. Болтенко, Ю.П.Джусов, А.И.Стопин, В.Л.Чернухин. Разработка системы для измерения локального паросодержания методом электрозондирования. Препринт ФЭИ-2119, Обнинск 1990 г, которая включает в себя двухэлектродный электроконтактный датчик-зонд, генератор синусоидального напряжения частотой 5 - 100 кГц для его питания и электронные блоки для преобразования, обработки и регистрации сигналов, получаемых при взаимодействии датчика с различными фазами потока. Для устранения погрешности, обусловленной изменением электропроводных свойств среды и зонда, используется пиковый детектор, включаемый после усилителя с управляемым коэффициентом усиления.

Пиковый детектор выделяет и хранит с большой постоянной времени значение сигнала, соответствующего фазе жидкости, а также формирует на основе этого сигнала уровень дискриминации сигнала с зонда. При изменении электропроводящих свойств среды (из-за изменения температуры, химического состава и т.п. ) изменяется уровень сигнала на входе усилителя и, следовательно, на выходе пикового детектора. Это изменение уровня сигнала на выходе пикового детектора через блок обратной связи подается на управляющий вход усилителя, регулируя его коэффициент усилия так, чтобы сигнал на выходе пикового детектора вернулся к прежнему уровню. Это обеспечивает стабилизацию первоначального значения сигнала, соответствующего жидкой фазе и поддерживает постоянное соотношение между уровнем дискриминации сигнала и уровня сигнала, соответствующим жидкой фазе. Так как постоянная времени пикового детектора велика и много больше характерного времени смены фаз, то усилитель отслеживает только очень медленные изменения уровня сигналов, не реагируя на сравнительно кратковременные изменения амплитуды сигналов, соответствующих фазе "пар".

Недостаток этой системы в том, что она может быть использована только в условиях квазистационарных процессов, в которых параметры среды меняются в течение некоторого времени, причем время изменения должно быть больше постоянной времени инерционного пикового детектора, что составляет 10 - 20 с. Кроме того, погрешность данной системы увеличивается с приближением количества паровой фазы в потоке к 100%. Все это ограничивает область применения системы.

Известна система, которая может быть использована не только в квазистационарных процессах, как предыдущая система, но и в относительно быстропротекающих процессах [1] . Система состоит из датчика-зонда, генератора переменного напряжения, входного усилителя, пикового детектора, устройства выборки и хранения, формирователя 2-х уровней дискриминации, 2-х дискриминаторов, логического устройства, устройства обработки и устройства синхронизации. В этой системе выделяется и запоминается каждая амплитуда положительного полупериода сигнала с зонда. На основе этого сигнала происходит выработка сигналов 2-х уровней дискриминации, с которыми затем сравнивается следующая амплитуда положительного полупериода. Логическое устройство, анализируя сигналы с дискриминаторов, определяет, соответствует ли очередная амплитуда фазе "пар", и передает сигнал на устройство обработки. Таким образом, здесь опорной является амплитуда каждого предыдущего полупериода сигнала, причем при определении типа фазы среды учитывается не абсолютное значение амплитуды сигналов, а относительные изменения амплитуд двух смежных полупериодов несущей частоты. Это позволяет использовать данную систему для измерения паросодержания как в квазистационарных, так и в динамических режимах в условиях быстроменяющихся физических свойств исследуемой среды.

Однако в данной системе невозможно обеспечить высокое временное разрешение, так как при питании зонда с частотой большей, чем 10 кГц относительное изменение амплитуд сигналов в смежных периодах при попадании пузырьков пара на зонд оказывается весьма малым, что не позволяет реализовать надежную идентификацию фазы.

В устройстве для измерения концентрации дисперсной фазы в парогазожидкостной среде для устранения погрешности, связанной с изменением электропроводных свойств среды, используется второй (дополнительный) зонд, идентичный по конструктивному исполнению основному измерительному зонду [2]. Дополнительный зонд располагается в жидкости и защищен приспособлением, исключающим попадание на его электроды пузырьков пара. Оба зонда питаются от генератора переменного тока. Сигнал с основного зонда через первый усилитель подается на второй вход дискриминатора, на первый вход дискриминатора сигнал подается через дополнительный усилитель, аналогичный первому, с дополнительного зонда - соответствующий фазе "жидкость". Таким образом, сигнал с дополнительного зонда используется для автоматического отслеживания изменения электропроводных свойств жидкости. Импульсы с дискриминатора, возникающие при прохождении газовых пузырьков через электроды измерительного зонда поступают на регистрирующее устройство, состоящее из дискриминатора и блока деления, в котором производится подсчет импульсов и определяется значение газосодержания.

Недостаток этого устройства обусловлен невозможностью достижения полной идентичности измерительного и дополнительного зондов, что приводит к возникновению погрешности из-за неодинакового изменения электропроводных свойств изоляцией самих зондов в процессе эксперимента. Кроме того, в ряде случаев размещение дополнительного зонда во внутреннереакторных устройствах невозможно из-за недостатка места.

Предлагаемое устройство для измерения концентрации дисперсной фазы в парогазожидкостной смеси повышает точность измерения за счет автоматического отслеживания уровня сигнала опорной фазы жидкости, по величине которого формируется уровень дискриминации входных сигналов, что дает возможность исключить погрешность, обусловленную неконтролируемым изменением электропроводных свойств не только среды, но и зондов, что не выполняется в прототипе. При этом система снимает ограничения на временные характеристики этих изменений и на временное разрешение, что не достигается в аналогах. Кроме того, упрощается конструкция из-за исключения отдельного дополнительного зонда и специального защитного устройства для него, применяемого в прототипе.

Поставленная задача и получаемые технические результаты достигаются за счет использования в системе одного бинарного (двойного) зонда, имеющего три электрода, два из которых удлиненные, и совмещающего функции измерительного и дополнительного зондов.

Основные существенные признаки данного изобретения: наличие бинарного зонда с тремя электродами, питающим, измерительным и дополнительным, два из которых, питающий и дополнительный, удлинены. Зонд выполнен как единый узел, причем длина двух удлиненных электродов должна превышать максимальный размер парогазовых включений; соответствующее подключение бинарного зонда к электронной регистрирующей аппаратуре.

К дополнительным существенным признакам (для частных случаев) можно отнести: конструкцию и взаимное расположение удлиненных электродов; например, параллельные, изогнутые, смещенные относительно центра зонда, дистанционирование их; использование в качестве одного из удлиненных электродов корпуса зонда, включение бинарного зонда в мостовую схему, где основной и дополнительный электроды включены в смежные плечи моста.

Применение бинарного зонда с удлиненными питающими и дополнительными электродами позволяет использовать эти электроды в качестве дополнительного зонда, так как из-за своей длины они постоянно находятся в жидкой фазе для получения сигнала автоматической коррекции изменения электропроводности жидкости и при этом не требуется специального защитного устройства от парогазовых включений. Это в свою очередь позволяет совместить измерительный и дополнительный зонды в одной оболочке, введя третий, более короткий измерительный электрод, который совместно с длинным питающим составляет измерительный зонд. Совмещенные зонды в одной оболочке будут иметь идентичные электропроводные характеристики изоляции в процессе эксперимента, что дает возможность избежать погрешности, связанной с их различием.

Использование бинарного зонда не требует использования пикового детектора, что в свою очередь снимает ограничения на скорость изменения исследуемого процесса, на временное разрешение, и тем самым расширяется область применения системы.

Кроме того, такое исполнение зонда позволяет сократить количество используемых электродов, исключить защитное устройство, упрощает размещение в РУ, что упрощает систему.

Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит бинарный зонд 1 с измерительным электродом 2, удлиненным питающим электродом 3, удлиненным дополнительным электродом 4, генератор переменного тока 5, основной усилитель 6, дополнительный усилитель 7, дискриминатор 8, регистрирующее устройство 9.

Генератор переменного тока соединен с удлиненным питающим электродом 3 бинарного зонда 1 и регистрирующим устройством 9; усилитель 6 соединен с коротким измерительным электродом 2; вторым входом дискриминатора 8; дополнительный усилитель 7 соединен с дополнительным удлиненным электродом 4 бинарного зонда 1 и первым входом дискриминатора 8; дискриминатор 8 соединен с регистрирующим устройством 9.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение на питающий удлиненный электрод 3 бинарного зонда 1, установленного в канале с двухфазным потоком, подается с генератора переменного тока 5. Несущая частота генератора промодулирована сигналами от прохождения через измерительный и питающий электроды, составляющие измерительный зонд, включений другой фазы, например газовых пузырьков, подается на вход усилителя 6. Дополнительный зонд, состоящий из питающего удлиненного электрода 3 и дополнительного удлиненного электрода 4, расположен в одном кабеле с измерительным зондом, и поэтому обладает идентичными электроизоляционными свойствами оболочки с измерительным зондом. Так как электроды 3 и 4 дополнительного зонда удлинены до размеров, больших максимального размера парогазовых включений, дополнительный зонд или часть его находится постоянно в жидкости.

Поэтому в цепи дополнительного зонда устанавливается сигнал, определяемый электрическими параметрами жидкости и электроизоляционными свойствами зонда в конкретных условиях измерения. Этот сигнал подается на вход дополнительного усилителя 7, с выхода которого сигнал в дальнейшем поступает на первый вход дискриминатора 8. Ко второму входу дискриминатора 8 подсоединен выход усилителя 6. Коэффициенты передачи усилителей 6 и 7 выбираются одинаковыми. В дискриминаторе 8 происходит выделение из промодулированного сигнала с измерительного зонда импульсов, обусловленных прохождением парогазовых пузырьков через электроды 2 и 3. Далее в регистрирующем устройстве 9 производится подсчет импульсов, обусловленных прохождением парогазовых пузырьков через измерительный зонд, и определяется величина парогазосодержания.

Использование бинарного зонда, объединяющего в одной оболочке измерительный и дополнительный зонды, позволяет осуществить автоматическую компенсацию измерения параметров исследуемой среды, измерения электроизоляционных свойств изоляции зонда, что приводит к повышению точности измерения, упрощению системы и расширению области применения.

Устройство содержит бинарный зонд 1 с измерительным электродом 2, питающим электродом 3 и дополнительным электродом 4. Длина питающего и дополнительного электродов превышает размеры парогазовых включений. Измерительный электрод 2 соединен с регистрирующим устройством 9 через усилитель 6 и дискриминатор 8. Дополнительный электрод 4 соединен с регистрирующим устройством 9 через дополнительный усилитель 7 и дискриминатор 8, а питающий электрод 3 связан с генератором переменного тока 5 и с регистрирующим устройством 9. Измерительный и питающий электроды образуют измерительный зонд, а дополнительный и питающий электроды образуют дополнительный зонд. В дискриминаторе 8 из промодулированного сигнала с измерительного зонда, обусловленного жидкостью и парогазовыми пузырьками, вычитается сигнал с дополнительного зонда, обусловленный только жидкостью. В результате в регистрирующем устройстве 9 определяется величина парогазосодержания путем подсчета импульсов, обусловленных прохождением пузырьков через измерительный зонд. Устройство позволяет исключить погрешность, обусловленную неконтролируемым изменением электропроводных свойств не только среды, но и зондов, снимаются ограничения на временные характеристики этих изменений и на временное разрешение. 1 ил.

Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы в парогазожидкостной смеси, содержащее генератор переменного тока, усилитель, дополнительный усилитель, дискриминатор и регистрирующее устройство, первый вход которого соединен с выходом генератора, а второй вход - с выходом дискриминатора, первый вход которого соединен с выходом дополнительного усилителя, а второй вход - с выходом усилителя, отличающееся тем, что в устройство введен бинарный зонд, содержащий три электрода - питающий, измерительный и дополнительный, размещенные в одной оболочке, причем длина питающего и дополнительного электродов превышает размеры парогазовых включений, при этом питающий электрод соединен с выходом генератора, измерительный электрод - с входом усилителя, а дополнительный электрод - с входом дополнительного усилителя.