Способ безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону, и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиационной безопасности АЭС и предназначено для измерения метеопараметров в составе автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО), а также к экспериментальной метеорологии, газодинамике и электродинамике сплошных сред. Способ основан на регистрации времени пролета ионного облака по цилиндрическому каналу, на внутреннюю поверхность которого нанесен поверхностный заряд одноименной полярности. Этот заряд создает электрическое поле, отличное от нуля лишь в приповерхностной области, и препятствует попаданию ионов из облака на внутреннюю поверхность канала. Решение задачи переноса ионного облака по каналу, проведенного в диффузионно-дрейфовом приближении с учетом изменения профилей продольной W(r, z) и поперечной V(r, z) скоростей воздушного потока, с которым переносится облако по длине канала, позволило найти оптимальную длину канала. Зависимости W(r, z) и V(r, z) найдены путем решения системы уравнений Рейнольдса в рамках (к-ε) модели. Техническим результатом является повышение чувствительности и снижение нижнего предела определения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной метеорологии, газодинамики и электродинамики сплошных сред и может быть использовано при оценке радиационной безопасности АЭС для измерения метеопараметров в составе автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО).

Известно, что оценки уровней загрязнения окружающей среды при переносе радиоактивной примеси в атмосфере осуществляются расчетными методами на основе различных моделей переноса [1, 2]. Исходными параметрами для этих моделей служат экспериментальные данные о скорости ветра, традиционно измеряемой при помощи анеморумбографа, температуре и влажности воздушной среды, определяющих состояние устойчивости пограничного слоя атмосферы, в котором и осуществляется перенос примеси [3] . Однако способы измерения скорости ветра (воздушного потока) с применением указанных устройств имеют высокие значения нижнего предела и погрешности измерения, что связано с наличием в указанных устройствах механически взаимодействующих деталей, обладающих взаимным трением и значительной инерционностью. Наличие погрешности при измерении указанных метеорологических параметров, в свою очередь, приводит к "расчетному" изменению состояния устойчивости, что непосредственно сказывается на решении уравнения переноса радиоактивной примеси в атмосфере и оказывает существенное влияние на оценку радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды. При этом изменяется как характер распределения поверхностной активности, так и площадь поверхностного загрязнения при одном и том же заданном уровне. Уменьшение этого влияния приводит к требованию снижения погрешности измерения метеопараметров до величины, меньшей 8%, что может быть осуществлено либо за счет использования иных физических принципов измерения скорости ветра, либо за счет увеличения времени измерения, учитывая, что стандартное время измерения скорости ветра составляет 10 мин, а максимальное, превышение которого не дает существенного вклада в измеряемую величину, составляет 67 мин [4].

Повышение точности измерения метеопараметров за счет увеличения времени измерения возможно при оценке радиационных характеристик радиоактивного загрязнения внешней среды для стационарных условий выброса примеси, т.е. для выброса, длительность которого больше 30 мин [5]. Для залпового выброса, длительность которого меньше 30 мин, сбор информации по показаниям датчиков системы радиационного мониторинга (АСКРО) должен осуществляться через 1 минуту в течение получаса, что позволяет проследить динамику процесса переноса радиоактивного облака в пределах зоны наблюдения (R~30 км) и дать соответствующий прогноз радиоактивного загрязнения среды. При этих условиях решение задачи повышения точности измерения метеопараметров (уменьшение погрешности) возможно лишь за счет использования нетрадиционных методов измерения указанных величин, реализованных в соответствующих приборах, к которым можно отнести содары, лидары и другие приборы лучевого воздействия на объект [6] . Однако стоимость последних может составлять значительную часть стоимости всей системы радиационного мониторинга, использующей традиционный парк оборудования. Кроме того, для обеспечения высокой степени готовности системы контроля необходимо обеспечить возможность измерения малых значений скорости потока воздуха (штилевых), то есть нижний предел измерения скорости ветра при применении способа и соответствующего устройства должен быть на уровне нескольких десятков сантиметров в секунду, что невозможно в традиционных приборах из-за наличия трения и момента инерции движущихся деталей первичных преобразователей измерительных приборов.

Известен способ безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону [7], включающий установку измерительного канала в газовый поток, ориентацию его по направлению потока, ионизацию газа в измерительном канале электрическим разрядом, регистрацию электрического тока ионов на выходе канала, регистрацию интервала времени Δt между моментами инициирования разряда и регистрации электрического тока и расчет скорости потока из выражения где L - длина канала (м).

Однако известный способ обладает недостаточной чувствительностью, а величина нижнего предела измерения достаточно велика и не может быть снижена из-за попадания ионов на стенки измерительного канала вследствие электростатического взаимодействия одноименных зарядов ионов. Кроме того, погрешность измерения тока при малых скоростях велика, что связано с воздействием электромагнитных помех, в частности, в результате работы электрического разрядника.

Задача изобретения - повышение чувствительности и снижение нижнего предела определения скорости потока воздуха, имеющего сродство к электрону.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону, на поток ионов внутри канала воздействуют статическим электрическим полем отрицательного заряда, равномерно распределенного на внутренней поверхности канала, причем плотность заряда выбирают из выражения где k_з - скорость захвата электронов молекулами кислорода, - концентрация молекул кислорода в воздухе (=0,23 N, N=2,75•10¹⁹ см^-3), N - концентрация молекул в воздухе, см^-3, τ₀ - время действия разряда, с, I_раз - величина разрядного тока, А, r₀ - расстояние электродов разрядника от продольной оси канала, см, R₀ - внутренний радиус канала, см, а величину разрядного тока выбирают из условия искрового разряда: 10^-3≤I_раз≤1, A.

Сущность изобретения заключается в том, что поток отрицательных ионов, которые образуются за счет прилипания электронов к молекулам кислорода (или любого другого газа, обладающего сродством к электрону), формируют за счет воздействия на него вблизи внутренней поверхности измерительного канала электрическим полем одноименного поверхностного заряда. В этом случае минимизируется утечка ионов на стенки, и большая часть образованных при высоковольтном разряде ионов достигает объема ионизационной камеры. При этом наилучшие результаты получаются, если величину разрядного тока выбирают в пределах 10^-3≤I_раз≤1, A, a плотность поверхностного отрицательного заряда выбирают из выражения (1).

Известно устройство безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону, содержащее измерительный канал в виде диэлектрической трубы, средство ориентации его по направлению потока, например флюгер, электрический разрядник, установленный на входе в измерительный канал, средство регистрации электрического тока ионов, выполненное в виде ионизационной камеры, установленной внутри канала на расстоянии L от разрядника в направлении продольной оси трубы, источник постоянного напряжения, блок обработки сигнала и блок импульсного высоковольтного напряжения, причем разрядник и ионизационная камера подключены соответственно к блоку импульсного высокого напряжения и к источнику постоянного напряжения, которые электрически соединены с блоком обработки сигнала [7].

Недостатком известного устройства является высокое значение нижнего предела измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону (например, воздуха), и большая погрешность при измерении малых скоростей из-за попадания ионов при прохождении пролетного расстояния L на стенки измерительного канала вследствие электростатического взаимодействия одноименных зарядов в потоке газа и сильной турбулизации потока газа на начальном участке трубы.

Задача изобретения - повышение чувствительности устройства и снижение нижнего предела измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в устройстве на внутреннюю поверхность трубы измерительного канала нанесен слой электрета, а на внешнюю поверхность нанесен электропроводящий слой, выполненный с возможностью заземления, причем расстояние L выбрано из выражения где m - масса канала (г), I_ф - момент инерции трубы (г/м²), D - диаметр трубы измерительного канала, (м), а блок обработки сигнала выполнен с возможностью регулирования скважности импульсов разряда.

Сущность изобретения схематически поясняется чертежом. Устройство безынерционного измерения скорости потока газа, имеющем сродство к электрону, содержит измерительный канал в виде диэлектрической трубы 1, средство ориентации его по направлению потока, например флюгер 2, средство регистрации электрического тока ионов, выполненное в виде ионизационной камеры 3, соединенной с источником постоянного напряжения 4 и с блоком обработки сигнала 5. На внутреннюю поверхность трубы измерительного канала нанесен слой 6 электрета, а на внешнюю поверхность нанесен электропроводящий слой 7, выполненный с возможностью заземления. В качестве средства ионизации использован электрический разрядник 8, установленный на входе в измерительный канал и соединенный с блоком 9 импульсного высокого напряжения, который соединен с блоком обработки сигнала, выполненным с возможностью регулирования скважности импульсов разряда.

Для выполнения измерений устройство устанавливают в поток газа так, чтобы площадь входного отверстия измерительного канала 1 была перпендикулярна направлению потока. В случае измерения скорости ветра атмосферного воздуха измерительный канал, снабженный флюгером 2, устанавливают с возможностью поворота на 360^o вокруг вертикальной оси, проходящей через центр инерции измерительного канала. В этом случае ориентация относительно набегающего потока воздуха осуществляется с помощью флюгера. Подключают к блоку 4 питания электроды ионизационной камеры 3, один из которых через нагрузочное сопротивление подключают также к блоку 5 обработки и управления, который через управляющий выход подключают к блоку 9 разрядного напряжения, электрически связанного с разрядником. Включают блоки питания и разрядного напряжения, а также блок обработки и управления, который вырабатывает импульс, инициирующий поджиг разряда. За время работы разрядника τ₀~1 мс в окружающей его области образуется электронное облако. Через время τ_з~ 2 нс после "рождения" электроны захватываются молекулами кислорода, образуя отрицательные ионы. Облако отрицательных ионов подхватывается воздушным потоком и со скоростью V₀ переносится вдоль цилиндрического канала, не взаимодействуя с его внутренней поверхностью, поскольку электрическое поле E_g = σ₀/2εε₀, где ε - диэлектрическая проницаемость воздуха; ε₀ - электрическая постоянная, создаваемое отрицательным поверхностным зарядом σ₀, сформированным в слое 6 электрета, не позволяет ионам сорбироваться на поверхности канала, играя роль "смазки". Внутри измерительного канала 1 напряженность поля, создаваемого поверхностным зарядом, равна нулю. Блок обработки и управления при помощи таймера фиксирует моменты генерации ионного облака и регистрации импульса ионного тока проточной ионизационной камерой и при известной длине канала (базы) вычисляет мгновенное значение скорости переноса облака вдоль канала или скорость воздушного потока V=L/Δt, где Δt - время прохождения ионного облака вдоль канала и L - длина базы. Заземление электропроводящего слоя 7 позволяет избежать влияния внешних электромагнитных воздействий на поток ионов внутри измерительного канала.

Данное устройство не содержит в измерительной схеме механически взаимодействующих деталей и узлов, что позволяет снизить нижний предел измерения скорости потока до величины около 20-30 см/с.

Источники информации
1. Методы расчета распространения радиоактивных веществ в окружающей среде и доз облучения населения. Сборник методик. М.: МХО ИНТЕРАТОМЭНЕРГО, 1992, 334 с.

2. Елохин А.П., Соловей А.Ф. Оценка и прогнозирование масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды при выбросах с АЭС. Атомная Энергия 1994, т. 77, вып. 2, с.145-152.

3. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1970, 340 с.

4. Ван дер Ховен (van der Hoven J.) Pover spectrum of horisontal wind speed in the frecquensy range from 0.0007 to 900 cycleper hour. J. Meteorology, vol. 14, 2, 1957.

5. Елохин А.П., Pay Д.Ф., Рыжов Н.В., Скаткин В.М., Халупкова Г.И. Концепция создания автоматизированной системы контроля радиационной обстановки в районе размещения атомных станций. Симпозиум по радиационной безопасности. Москва. 4-9.09.94, Тезисы докладов, т.1, с.31.

6. Р. Довиак, Д. Зрнич. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Пер. с англ. под ред. д. ф-м. н., проф. А.А. Черникова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 512 с.

7. В.М. Эйнгенброт. Авторское свидетельство СССР 86258, кл. G 01 P 5/18, 1949 г.

Формула изобретения

1. Способ безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону, включающий установку измерительного канала в газовый поток, ориентацию его по направлению потока, ионизацию газа в измерительном канале электрическим разрядом, регистрацию электрического тока ионов на выходе канала, регистрацию интервала времени Δt между моментами инициирования разряда и регистрации электрического тока и расчет скорости потока из выражения

где L - длина канала,

отличающийся тем, что на поток ионов внутри канала воздействуют статическим электрическим полем отрицательного заряда, равномерно распределенного на внутренней поверхности канала, причем плотность заряда выбирают из выражения

где k₃ - скорость захвата электронов молекулами кислорода;

- концентрация молекул кислорода в воздухе (=0,23N, N=2,75·10¹⁹ см^-3);

N - концентрация молекул в воздухе, см^-3;

τ₀ - время действия разряда, с;

I_раз - величина разрядного тока, А;

r₀ - расстояние электродов разрядника от продольной оси канала, см;

R₀ - внутренний радиус канала, см, а величину разрядного тока выбирают из условия искрового разряда: 10^-3 ≤ I_раз ≤ 1, А.

2. Устройство безынерционного измерения скорости потока газа, имеющего сродство к электрону, реализующее способ по п.1, содержащее измерительный канал в виде диэлектрической трубы, средство ориентации его по направлению потока, например - флюгер, электрический разрядник, установленный на входе в измерительный канал, средство регистрации электрического тока ионов, выполненное в виде ионизационной камеры, установленной внутри канала на расстоянии L от разрядника в направлении продольной оси трубы, источник постоянного напряжения, блок обработки сигнала и блок импульсного высоковольтного напряжения, причем разрядник и ионизационная камера подключены соответственно к блоку импульсного высокого напряжения и к источнику постоянного напряжения, которые электрически соединены с блоком обработки сигнала, отличающееся тем, что на внутреннюю поверхность трубы измерительного канала нанесен слой электрета, а на внешнюю поверхность нанесен электропроводящий слой, выполненный с возможностью заземления, причем расстояние L выбрано из выражения

где m - масса канала, г;

I_ф - момент инерции трубы, г/м²;

D - диаметр трубы измерительного канала, м,

а блок обработки сигнала выполнен с возможностью регулирования скважности импульсов разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1