СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ НЕРАСТВОРЕННОГО ГАЗА В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01N7/14 

Изобретение относится к измерительной технике, определяющей газосодержание жидкости, и решает задачу оперативного контроля концентрации газовой фазы (нерастворенного газа) в потоке жидкости технологических контуров различных отраслей промышленности, преимущественно на ЯЭУ.

Известен способ определения газосодержания раствора методом вытеснения жидкости из калиброванного сосуда анализируемой пробой (Бендерская О.С., Махин В.М., Абанькин А.К., Зотов Э.А., Газохимический мониторинг в петлевых экспериментах по обоснованию безопасности реакторов типа ВВЭР. Сборник докладов четвертой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, т. 1, Димитровград 1996 г., стр. 214), включающий операции подвода и заполнения сосуда обезгаженной жидкостью и его герметизацию от атмосферы, операцию подвода анализируемой пробы в сосуд, операцию разгерметизации сосуда и слива из него части жидкости в объеме, не превышающем внутренний объем калиброванного сосуда, операции измерения объема выделившейся в сосуде газовой фазы, объема слитой жидкости и операции по измерению абсолютного давления и температуры в сосуде.

Искомая концентрация газовой фазы рассчитывается как отношение объема газовой фазы к массе жидкой фазы, из которой газовая фаза выделилась.

C^Σ = V_г×273×P_c/(V_ж-V_г)×γ×0,1013×T_c, [нсм³/кг],
где V_г - объем газа скопившегося в сосуде, см³;
V_ж - объем слитой жидкости, см³;
Р_с - абсолютное давление пробы в сосуде, МПа;
Т_с - температура пробы в сосуде, К;
γ - плотность жидкости, кг/см³.

Недостатками способа являются:
- большой цикл измерения 0,5 - 1 ч;
- снижение теплофизических параметров жидкости по давлению и температуре до 0,1 МПа и 300±20К соответственно, неизбежное из-за наличия операции "разгерметизации" при сливе части жидкости из сосуда;
- невозможность использования в поточном беспробоотборном варианте;
- контакт пробы с атмосферой, нежелательный при контроле газосодержания в первых контурах ЯЭУ.

Указанные недостатки обусловлены методикой определения удельной концентрации, т. е. выражения ее через отношение объемов газовой и жидкой фаз, для определения которых требуются времяемкие подготовительные операции, такие как подвод и заполнение, герметизация от атмосферы и разгерметизация, слив, измерение объема слитой жидкости.

Целью изобретения является создание способа оперативного контроля концентрации газовой фазы в потоке жидкости технологических контуров различных отраслей промышленности путем дальнейшего развития метода вытеснения жидкости из сосуда, заключающегося в выражении искомой концентрации через скорость вытеснения жидкости из сосуда.

Математически можно доказать, что скорость вытеснения жидкости из сосуда прямо пропорциональна концентрации газовой фазы. Преобразуем известное выражение концентрации газовой фазы через отношение объемов газовой и жидкой фаз:
C^Σ=V_г•273•Р_с/V_ж•0,1013•Т_c=V_г•К_н, (1)
где C^Σ - концентрация газовой фазы (суммарное значение концентраций всех нерастворенных газов, включая насыщенные пары) теплоносителя;
К_н - коэффициент приведения объема газов к нормальным условиям;
V_г - объем нерастворенного газа в дозированном количестве теплоносителя;
V_ж - объем жидкости в дозированном количестве теплоносителя.

Отсюда
V_г = C^Σ×V_ж/K_н, (2)
Выразим объем слитой жидкости через расход теплоносителя Q за время t и, подставив его в уравнение (2), получим:
V_г = C^Σ x Q × t/K_н, (3)
разделив обе части уравнения (3) на площадь поперечного сечения сосуда S, получим выражение:
V_г/S = h =C^Σx Q × t/S × K_н, (4)
где h - высота столба жидкости в "левой" части сообщающегося сосуда. Продифференцируем полученное выражение (4) по времени t:
dh/dt = C^Σ×Q/S×K_н = C^Σ×K_г/K_н, (5)
где К_г - коэффициент пропорциональности при выполнении условия Q=const, зависящий от величины расхода пробы и геометрических размеров сосуда.

K_г=Q/S
Из уравнения (5) видно, что концентрацию газовой фазы раствора можно выразить через скорость падения уровня жидкой фазы в сосуде, вытесняемой газом, образовавшимся в результате физико-механического разделения фаз в нисходящем ламинарном потоке.

И это позволяет достичь поставленной цели путем:
- введения операции дифференцирования в процессе измерения уровня жидкой фазы в сосуде;
- замены операций подвода, заполнения и слива одной операцией -непрерывного проливания жидкости через сосуд с постоянным расходом;
- придания сосуду U-образной формы, которая способствует обеспечению непрерывного проливания теплоносителя и по окончании цикла "измерение" восстановлению уровня жидкости в сосуде в первоначальное положение по методу сообщающихся сосудов при выполнении операции "соединение" - цикл "подготовка к измерению";
- введения операции "соединение", заключающейся во временном соединении верхних частей условно "левой" и "правой" частей измерительного сосуда для выравнивания давления в обеих частях сосуда, открытия пути выхода скопившемуся газу из "левой" части сосуда, выравнивания уровня жидкости в обеих частях сосуда, вытеснения остатков газа из обеих частей сосуда по мере их заполнения жидкостью и удаления этого газа в поток теплоносителя;
- преобразования продифференцированного электрического сигнала в цифровой код.

Таким образом, измерение концентрации газовой фазы через измерение скорости падения столба жидкости позволяет сократить время цикла до почти непрерывного (например, 17 с), так как скорость падения столба жидкости в начале цикла и в конце цикла одна и та же, что является новым и существенным в заявляемом способе.

Известно устройство для определения концентрации газовой фазы анализируемой пробы методом вытеснения, (Бендерская О.С., Махин В.М., Абанькин А.К. , Зотов Э.А., Газохимический мониторинг в петлевых экспериментах по обоснованию безопасности реакторов типа ВВЭР. Сборник докладов четвертой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, т. 1, Димитровград 1996 г. , стр. 214), содержащее калиброванный сосуд с запорными приспособлениями, устройством для контролируемого слива количества раствора, устройством для определения объема скопившегося газа и датчиками для измерения температуры и давления пробы в сосуде. Данное устройство представляет собой ручной переносный пробоотборник.

Известно также устройство для определения газосодержания раствора, содержащее верхнюю камеру, работающую по принципу вытеснения жидкости из сосуда, средства измерения давления и температуры, приспособление для контролируемого слива количества раствора и запорные приспособления, (Сень Л.И., Сень А.Л., Кузнецов П.А., Способ определения газосодержания раствора и устройство для его осуществления заявка 97103407 от 06.03.97 г., БИ 10, ч.1, 1999 г., с. 217).

Недостатками этих устройств являются:
- большой цикл измерений 0,3-1 ч;
- снижение теплофизических параметров теплоносителя по давлению и температуре до 0,1 МПа и 300±20К соответственно, неизбежное из-за наличия операции разгерметизации при сливе пробы в мерную емкость;
- невозможность использования в поточном беспробоотборном варианте;
- контакт радиоактивной пробы с атмосферой при использовании на ЯЭУ.

Указанные недостатки обусловлены методикой определения удельной концентрации, т.е. выражения ее через отношение объемов газовой и жидкой фаз.

C^Σ = V_г×273×P_c/V_ж×0,1013×T_c×γ, [нсм³/кг],
Целью изобретения является создание автоматического поточного устройства, реализующего метод оперативного определения концентрации газовой фазы жидкости в технологических контурах различных отраслей промышленности, включая ЯЭУ, путем установки его непосредственно в технологическую линию контура и обеспечения через него непрерывного потока теплоносителя с постоянным расходом.

Поставленная цель достигается путем выражения искомой величины через скорость вытеснения жидкости из сосуда
dh/dt = C^Σ×Q/S×K_н = C^Σ×K_г/K_н, (5)
и реализуется путем создания устройства, представленного на чертеже и состоящего
- из сосуда U-образной формы 1, "левая" и "правая" части, которого образуют сообщающиеся сосуды;
- из уровнемера 3, имеющего токовый аналоговый выход и контролирующего изменения высоты столба жидкости в "левой" измерительной части;
- из предусилителя 4, усиливающего ток уровнемера и формирующего сигнал необходимой полярности;
- из микропроцессорного контроллера 6, содержащего электронное устройство дифференцирования 5, преобразующего электрический сигнал в цифровой код и формирующего командные импульсы, определяющие длительность периода измерения t₁ и длительность периода подготовки к измерению t₂;
- силового электронного ключа 7, усиливающего командные импульсы контроллера и управляющего клапаном;
- из электромагнитного клапана 2, соединяющего верхние полости обеих частей U-образного сосуда на время t₂ подготовки к измерению;
- из устройств контроля давления 9 и температуры 10 газовой фазы в U-образном сосуде для приведения результатов измерения к нормальным условиям;
- из расходомера 8, контролирующего постоянство расхода пробы.

Заявляемое устройство работает следующим образом:
- при непрерывном и постоянном по величине расходе газожидкостной среды через U-образный сосуд, в "левой" части которого в результате физико-механического разделения фаз в течение времени t₁ в верхней части происходит скапливание газовой фазы и вытеснение жидкости, в результате чего происходит падение уровня жидкости с некоторой скоростью, прямо пропорциональной объемной доле газовой фазы в теплоносителе
dh/dt = C^Σ×K_г/K_н.
Уровнемер контролирует изменение этого уровня, выдавая аналоговый сигнал в виде линейно растущего или линейно падающего во времени тока, который поступает на предусилитель;
- в предусилителе этот ток усиливается пропорционально коэффициенту К_г, преобразуется в линейно падающее напряжение и подается на микропроцессорный контроллер, где путем дифференцирования преобразуется в напряжение постоянного тока, прямо пропорциональное величине искомой концентрации, и в цифровой код;
- микропроцессор вырабатывает также управляющие сигналы, задающие длительность цикла измерения и цикла подготовки к измерениям, которые через силовой электронный ключ управляют электромагнитным клапаном;
- по окончании времени измерения t₁ микропроцессорный контроллер выдает импульс длительностью t₂ на открытие электромагнитного клапана. При этом происходят следующие операции: электромагнитный клапан открывается, соединяя обе части U-образного сосуда, открывая путь выхода скопивщемуся газу из "левой" части сосуда; давление в этих частях сосуда выравнивается и отработанная жидкость из "правой" части U-образного сосуда по принципу сообщающихся сосудов перетекает в "левую" часть U-образного датчика; уровни жидкости в обеих частях сосуда выравниваются, и по мере заполнения сосуда жидкостью происходят вытеснение газа из обеих частей сосуда и восстановление уровня жидкости до первоначального положения;
- по прошествии времени t₂ клапан закрывается, и процесс измерения автоматически начинается вновь.

Группа изобретений относится к измерительной технике и предназначена для использования в технологических линиях различных производств, в частности в контурах ядерных реакторов. Контроль осуществляют следующим образом: при непрерывном и постоянном по величине расходе газожидкостной среды через U-образный сосуд, в "левой" части которого в результате физико-механического разделения фаз в течение времени t₁ в верхней части происходит скапливание газовой фазы и вытеснение жидкости, в результате чего происходит падение уровня жидкости с некоторой скоростью, прямо пропорциональной объемной доле газовой фазы в теплоносителе dh/dt = k^*CΣext

. Уровнемер контролирует изменение этого уровня, выдавая аналоговый сигнал в виде линейно растущего или линейно падающего во времени тока, который поступает на предусилитель, в предусилителе этот ток усиливается пропорционально коэффициенту k=Q/S, преобразуется в линейно падающее напряжение и подается на микропроцессорный контроллер, где путем дифференцирования преобразуется в напряжение постоянного тока, прямо пропорциональное величине искомой концентрации, и в цифровой код. Микропроцессор вырабатывает также управляющие сигналы, задающие длительность цикла измерения и цикла подготовки к измерениям, которые через силовой электронный ключ управляют электромагнитным клапаном. По окончании времени измерения t₁ микропроцессорный контроллер выдает импульс длительностью t₂, электромагнитный клапан открывается, отработанная жидкость из "правой части U-образного сосуда по принципу сообщающихся сосудов перетекает в "левую" часть U-образного датчика, восстанавливая уровень жидкости в нем до первоначального положения, одновременно вытесняя газовую фазу из "левой" части в поток теплоносителя. По прошествии времени t₂ клапан закрывается и процесс измерения автоматически начинается вновь. Достигаются ускорение и повышение оперативности контроля, а также герметизация пробы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оперативного контроля концентрации газовой фазы нерастворенного газа в потоке жидкости, включающий подвод анализируемой пробы в калиброванный сосуд, операцию вытеснения жидкости из сосуда газовой фазой, контроль уровня жидкости, измерение давления и температуры в сосуде, определение концентрации газовой фазы, слив жидкости, удаление газовой фазы из сосуда, отличающийся тем, что подвод пробы в сосуд U-образной формы и удаление пробы из него осуществляют непрерывно при постоянном расходе, определение концентрации газовой фазы осуществляют через скорость вытеснения жидкости из сосуда путем дифференцирования электрического сигнала уровнемера, удаление газовой фазы из сосуда осуществляют методом вытеснения газа жидкостью путем временного соединения верхних частей этого сосуда. 2. Устройство оперативного контроля концентрации газовой фазы нерастворенного газа в потоке жидкости, содержащее калиброванный сосуд с приспособлением для слива жидкости и удаления газа, средства измерения давления и температуры, средства контроля уровня жидкости, отличающееся тем, что оно содержит сосуд U-образной формы, верхние части которого соединены между собой через электромагнитный клапан с силовым электронным ключом, устройство контроля уровня с аналоговым токовым выходом, предусилитель, микропроцессорный контроллер, производящий операцию дифференцирования, вырабатывающий командные импульсы для управления электромагнитным клапаном и преобразующий результаты измерений в цифровой код.