СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТИННОГО ОБЪЕМНОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/06 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения истинного объемного паросодержания двухфазных потоков и может быть использовано при определении параметров двухфазного потока в парогенерирующих каналах различного назначения.

Физически двухфазная смесь представляет собой несущую фазу со статистически распределенными в ней включениями другой фазы. В силу их конечного размера локальные характеристики двухфазной смеси имеют дискретный характер. Например, газосодержание в произвольной точке двухфазного объема в любой момент времени может принимать только два значения: либо ноль, либо единицу. Длительность таких скачкообразных переходов определяется размерами, скоростью и формой фазовых включений. Для проведения измерений используются датчики, принцип действия которых основан на различных физических принципах (электроконтактные, волоконно-оптические, акустические).

Определение истинного объемного паросодержания ϕ_л с помощью зондовых методов рассмотрим на примере работы электроконтактного датчика, работа которого основана на различии электрических свойств жидкой и паровой фаз.

При проведении измерений электроконтактный зонд включается в последовательную электрическую цепь, в простейшем случае состоящую из источника питания, нагрузочного резистора и включенного параллельно ему электроизмерительного прибора для регистрации падения напряжения при изменении проводимости между электродами датчика. Для исключения эффекта поляризации электродов для питания электрической цепи в основном используется переменный ток высокой частоты 2÷100 кГц.

На фиг. 1 схематично представлен процесс прохождения газовых пузырьков через чувствительный элемент зонда (а) и соответствующее этому процессу изменение сигналов при питании измерительной цепи переменным током высокой частоты (б). При нахождении зонда в жидкости в измерительном устройстве регистрируется некоторое значение сигнала U_ж в силу конечного значения проводимости между электродами. В случае прохождения газового пузырька сила тока в измерительной цепи значительно уменьшается, и напряжение на выходе принимает значение U_г. Для более качественного разрешения этих сигналов необходимо, чтобы величина (U_ж - U_г) была максимально возможной в данных конкретных условиях. Для определения ϕ_л с минимальной погрешностью необходимо, чтобы сигналы, вызванные прохождением пузырей, имели бесконечно малое время нарастания фронта, т.е. они должны иметь вид прямоугольных "провалов" или "всплесков" на соответствующих сигналах баланса. В действительности же, время релаксации сигнала присутствия фазы Δτ^* в каждом конкретном случае определено соотношением размеров электродов зонда и регистрируемых паровых включений, а также их скоростью и формой. Учитывая эти факты принято при определении ϕ_л устанавливать уровень дискриминации сигналов зонда.

Уровень дискриминации определяет долю времени, в течение которой паровая (газовая) фаза присутствует в точке замера. С этой целью на зависимости U = f(τ) выбирается некоторый условный уровень (уровень дискриминации), начиная с которого считается, что чувствительный элемент зонда находится в той или иной фазе. Основной источник погрешностей при измерении ϕ_л связан с некорректным выбором уровня дискриминации U_д.

При изменении режимных параметров (динамические режимы), свойств жидкости или зонда происходит неконтролируемое изменение амплитуды сигнала, соответствующего фазе "жидкость". На фиг.2 изображены предельные случаи, когда из-за некорректного выбора уровня дискриминации измерения становятся практически невозможными. Для устранения этого недостатка используют различные подходы.

Известен способ определения истинного объемного паросодержания ϕ_л, в котором для устранения погрешности этого рода используется дополнительный зонд, в течение измерения находящийся в жидкой фазе и используемый для выработки опорного сигнала (А.С. 1181379 СССР, MKИ³ G 01 N 15/00. Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы в парожидкостной смеси /Ю.П. Джусов, А.А. Цыганок, Н.Н. Митяев и др. //Открытия. Изобретения. 1986. 7). В этом случае обеспечивается автоматическое отслеживание за изменением электропроводящих свойств жидкости или зонда и поддержание уровня дискриминации на требуемом уровне. Однако поскольку невозможно обеспечить полную идентичность измерительного и дополнительного зондов, свойства которого изменяются с течением времени, использование этого подхода проблематично.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения истинного объемного паросодержания ϕ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала U, возникающего при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, измерение по зависимости U = f(τ) при некотором установленном уровне дискриминации U_д, времени взаимодействия зонда с паровой фазой Δτпi

Основной недостаток такого способа заключается в том, что точность измерений ϕ_л невелика. Последнее связано с тем, что при проведении измерений изменяются условия взаимодействия зонда с двухфазной смесью, а уровень дискриминации остается неизменным. Для корректного определения ϕ_л необходимо уровень дискриминации изменять в соответствии с изменившимися условиями.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения истинного объемного паросодержания ϕ_л, что обеспечивается тем, что многократно определяют истинное объемное паросодержание ϕ_л при различных уровнях дискриминации U_дi, выбранных в интервале U_max-U_min и определяют оптимальный уровень дискриминации U_д по местоположению точки перегиба на зависимости ϕ_л = f(U_д).
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения истинного объемного паросодержания ϕ_л обеспечивается тем, что при определении Δτ_i- времени пребывания паровой фракции в зоне чувствительного элемента зонда, а, соответственно, и ϕ_л используется оптимальный с точки зрения минимальной погрешности уровень дискриминации.

На фиг.3 показана зависимость ϕ_л = f(U_д), на основе которой определяется оптимальный уровень дискриминации. Как видно из фиг.3 существует область инвариантности ϕ_л от уровня дискриминации. Эта область определяется точкой перегиба на зависимости ϕ_л = f(U_д). Область инвариантности и соответствует оптимальному уровню дискриминации. При этом уровне дискриминации истинное объемное паросодержание определяется наиболее точно. На фиг.3 представлены два вида зависимостей - на фиг.3а показана зависимость ϕ_л = f(U_д), когда максимальный сигнал имеет место при взаимодействии зонда с паровой фазой (U_мах= U_п, U_min= U_ж) на фиг.3б, когда максимальный сигнал имеет место при взаимодействии зонда с жидкой фазой (U_мах=U_ж, U_мax=U_n). Вид сигнала U = f(τ) зависит от настройки прибора.

В качестве примера рассмотрим способ определения истинного объемного паросодержания ϕ_л для случая взаимодействия электроконтактного зонда с двухфазным потоком в трубе. Режимные параметры - давление 3,0 МПа, массовая скорость пароводяной смеси 1500 кг/м²•с, паросодержание (относительная энтальпия) 0,02. На фиг.4 представлена зависимость ϕ_л = f(U_д) для этого случая. Как видно из фиг.4, при выборе уровня дискриминации меньше 0.3, U_д<0.3 или U_д > 0,6 (меньше или больше того уровня, при котором ϕ_л не зависит от уровня дискриминации) значение истинного объемного паросодержания ϕ_л отличается от истинного на 25-30%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность определения истинного объемного паросодержания ϕ_л.о

Использование: при определении параметров двухфазного потока в парогенерирующих каналах различного назначения. Способ включает измерение в течение времени Т экспозиции сигнала U, возникающего при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, измерение по зависимости U = f(τ) при некотором установленном уровне дискриминации U_д времени взаимодействия зонда с паровой фазой Δτ_i и определение истинного объемного паросодержания ϕ_л по формуле

При этом многократно определяют истинное объемное паросодержание ϕ_л при различных уровнях дискриминации U_дi, выбранных в интервале U_мах - U_min, и определяют оптимальный уровень дискриминации U_д по местоположению точки перегиба на зависимости ϕ_л= f(U_д). Технический результат: повышение точности определения истинного объемного паросодержания. 4 ил.

Способ определения истинного объемного паросодержания ϕ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала U, возникающего при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, измерение по зависимости U = f(τ) при некотором установленном уровне дискриминации U_д времени взаимодействия зонда с паровой фазой Δτ_i и определение истинного объемного паросодержания ϕ_л по формуле

где Т - время экспозиции (измерения);
Δτ_i - время пребывания паровой фракции в зоне чувствительного элемента зонда;
n - количество включений пара, прошедших через чувствительный элемент зонда;
отличающийся тем, что многократно определяют истинное объемное паросодержание ϕ_л при различных уровнях дискриминации U_дi, выбранных в интервале U_мах - U_min, и определяют оптимальный уровень дискриминации U_д по местоположению точки перегиба на зависимости ϕ_л= f(U_д).