Способ и газоанализатор для определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука

Использование: для определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука. Сущность: заключается в том, что осуществляют измерение парциального давления водорода, при этом в зоне контроля параметров парогазовой среды одновременно с измерением парциального давления водорода дополнительно измеряют скорость ультразвука в парогазовой среде на частоте f=0,1-1,0 МГц, давление и температуру парогазовой среды и определяют объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде по определенным математическим выражениям. Технический результат: обеспечение возможности в реальном масштабе времени в автоматическом режиме с высокой точностью комплексно определять локальные объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде в широком диапазоне концентраций. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к методам и средствам для измерения состава парогазовых сред и может быть использовано для контроля атмосферы в помещениях промышленных предприятий, в частности, для обеспечения водородной взрывобезопасности под защитной оболочкой атомных электрических станций.

В настоящее время неизвестен способ для избирательного и оперативного определения объемных концентраций одновременно всех компонентов парогазовой смеси, состоящей из воздуха, водяного пара и водорода.

Известен способ определения содержания водорода в газовой и жидкой среде путем регистрации изменения электродвижущей силы между двумя металлическими проводниками, введенными в контролируемую среду, один из которых изменяет, а другой не изменяет свои электрофизические свойства при поглощении водорода [А.с. СССР №1826734, МПК⁶ G01N 27/26. Способ определения водорода в газовой и жидкой среде. Опубликовано 20.05.1995].

Недостатком известного способа является неопределенность температурных и концентрационных границ применимости данного способа контроля водорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения парциального давления водорода, основанный на свойстве проводника из палладия или его сплава с серебром избирательно поглощать водород из окружающей среды и изменять при этом свое электросопротивление [Патент РФ №2242751 МПК⁷ G01N 27/04. Газоанализатор водорода. Опубл. 20.12.2004. БИПМ №35]. Способ включает в себя размещение чувствительного элемента в рабочей камере и определение сопротивления проводника с помощью вторичной электронной аппаратуры.

Недостатком известного способа является то, что он позволяет определять только парциальное давление только одного компонента - водорода, но не позволяет определять раздельное содержание остальных компонентов смеси и объемную концентрацию водорода

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является газоанализатор водорода, содержащий датчик с чувствительным элементом, использующим палладиевый сплав, измеритель сопротивления чувствительного элемента и регулятор температуры рабочей камеры датчика. Датчик газоанализатора выполнен в виде удлиненного трубчатого корпуса, внутри которого расположена рабочая камера с чувствительным элементом, состоящим из электроизоляционного основания, на котором намотан проводник из палладиевого сплава. С помощью соединительных проводов проводник подключен к электронному блоку. Внутри корпуса датчика во входной его части установлен подогреватель с каналами для подвода анализируемого газа. Датчик крепится вертикально входным каналом вниз. За счет повышения температуры газа внутри корпуса датчика происходит естественная циркуляция газа и осуществляется доставка анализируемой газовой смеси к проводнику чувствительного элемента. При наличии в смеси водорода сопротивление проводника чувствительного элемента увеличивается пропорционально парциальному давлению водорода, и этот прирост фиксируется электронным измерительным блоком, содержащим прецизионную схему измерения электросопротивления.

Недостатком известного газоанализатора водорода является то, что в нем не предусмотрено конструктивных элементов для раздельного определения содержания водяного пара и воздуха в парогазовой среде и объемных концентраций водорода.

Для устранения указанных недостатков в способе определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука, включающем измерение парциального давления водорода, предлагается:

- в зоне контроля параметров парогазовой среды одновременно с измерением парциального давления водорода дополнительно измерять скорость ультразвука в парогазовой среде на частоте f=0,1÷1,0 МГц, давление и температуру парогазовой среды;

- объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде определять по соотношениям, учитывающим скорость ультразвука в парогазовой среде, объемные концентрации компонент парогазовой среды, давление парогазовой среды, универсальную газовую постоянную, температуру парогазовой среды, эмпирический коэффициент сжимаемости, молекулярную массу компонент парогазовой среды и показатель адиабаты компонента парогазовой среды.

Для устранения указанных недостатков в газоанализаторе для определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука, содержащем канал для измерения парциального давления водорода, включающий датчик парциального давления водорода, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, предлагается:

- газоанализатор дополнительно снабдить каналом для измерения давления, включающим датчик давления, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, каналом для измерения температуры, включающим датчик температуры, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с указанного датчика, каналом для измерения скорости ультразвука, включающим датчик измерения ультразвука, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика;

- обеспечить независимое функционирование друг от друга каналов для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука;

- подключить выходы каналов для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука к вычислительному устройству, которое по определенному алгоритму по измеренным парциальному давлению водорода, давлению, температуре среды и скорости ультразвука будет определять объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков известных способов и устройств и разработка способа и устройства, позволяющих в реальном масштабе времени в автоматическом режиме с высокой точностью комплексно определять локальные объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде в широком диапазоне концентраций.

Техническая сущность способа определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука состоит в следующем.

В зоне контроля параметров парогазовой среды измеряют скорость ультразвука в парогазовой среде на частоте f=0,1÷1,0 МГц, парциальное давление водорода, давление и температуру парогазовой среды.

По измеренным параметрам определяют объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде по соотношениям:

где с - скорость ультразвука в парогазовой среде, м/с;

k - объемная концентрация компонента парогазовой среды;

Р - давление парогазовой среды. Па;

R=8,31441·10³ - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);

Т - температура парогазовой среды. К;

z₂=0,9÷1,0 - эмпирический коэффициент сжимаемости, определяемый по параметрам водяного пара;

µ - молекулярная масса компонента парогазовой среды, кг/кмоль;

х - показатель адиабаты компонента парогазовой среды при температуре Т;

нижние индексы «1», «2» и «3» соответствует воздуху, водяному пару и водороду.

Поскольку сумма объемных концентраций всех компонентов парогазовой смеси равна единице, то в трехкомпонентной среде достаточно избирательно определить объемные концентрации водорода и водяного пара, а объемную концентрацию воздуха можно найти по разности между единицей и объемными концентрациями водорода и водяного пара.

Комплексный анализ состава парогазовой среды, состоящей из водорода, водяного пара и воздуха, в изобретении реализуется путем совместного использования избирательного газоанализатора водорода и универсального для всех газов по способу анализа акустического газоанализатора при одновременном измерении парциального давления водорода, давления, температуры, скорости звука в анализируемой среде соответствующими измерительными каналами и расчете по определенному алгоритму по измеренным величинам объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха.

В предлагаемом изобретении используется ультразвук, т.е. упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц.

Методы и средства измерения скорости ультразвука хорошо известны. Они изложены, например, в публикациях: Н.И.Бражников. Ультразвуковые методы. М.-Л.: Энергия, 1965; А.Е.Колесников. Ультразвуковые измерения. М.: Издательство стандартов, 1970; Ультразвуковые пъезопреобразователи для неразрушающего контроля. М.: Машиностроение, 1986.

В способе, в частности, применяется импульсный метод определения (измерения) скорости ультразвука путем измерения промежутка времени t, в течение которого возбужденный ультразвуковой импульс проходит в анализируемой парогазовой среде известное расстояние l между излучающим и приемным пьезопреобразователями ультразвукового датчика, и скорость ультразвука определяют по формуле C=l/t. Импульсный метод измерения скорости ультразвука выбран как наиболее быстродействующий, помехоустойчивый и точный.

Влажный водяной пар можно рассматривать как газ с коэффициентом сжимаемости z и с капельками воды микронного и большего размера. Влияние таких аэрозолей на скорость звука в водяном паре проявляется на низких частотах и практически прекращается на частотах ультразвука выше 100 кГц.

Скорость звука в парогазовой смеси определяется формулой

где R - универсальная газовая постоянная; Т, µ, х - соответственно температура по шкале Кельвина, молекулярная масса и показатель адиабаты парогазовой смеси.

Для 3-компонентной парогазовой смеси (среды), состоящей из воздуха, водяного пара и водорода, индексы «1», «2» и «3» соответствуют воздуху, водяному пару и водороду.

После подстановки в формулу скорости звука выражений для показателя адиабаты х и молекулярной массы // парогазовой смеси, состоящей из воздуха, водяного пара, водорода,

x=x₁·k₁+x₂·k₂+x₃·k₃,

µ=µ₁·k₁+µ₂·k₂+µ₃·k₃,

и соотношения k₁=1-k₂-k₃, после несложных преобразований получаем формулу для определения объемной концентрации водяного пара

где С - скорость ультразвука в парогазовой среде, м/с;

k - объемная концентрация компонента парогазовой среды;

Р - давление парогазовой среды, Па;

Р₃ - парциальное давление водорода, Па;

k₃=Р₃/Р - объемная концентрация водорода;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);

z₂ - эмпирический коэффициент сжимаемости водяного пара;

µ - молекулярная масса компонента парогазовой среды, кг/кмоль;

х - показатель адиабаты компонента парогазовой среды, при температуре Т;

R=8,31441·10³ Дж/(кмоль·К),

µ₁=28,97 кг/кмоль, µ₂=18,016 кг/кмоль, µ₃=2,016 кг/кмоль.

Коэффициент сжимаемости водяного пара z₂≤1,0. Для данной температуры парогазовой среды коэффициент z₂ линейно зависит от давления водяного пара P₂ и принимает значения от максимального z₂=10 при P₂≤4 кПа до минимального z_2н<1,0, определяемого по справочным данным для давления насыщенного водяного пара Р_2н при данной температуре среды.

Коэффициент сжимаемости водяного пара z₂ для данных параметров среды при температуре T определяют из соотношения:

где z_2н - коэффициент сжимаемости насыщенного водяного пара; Р_2н - давление насыщенного водяного пара. Па; Р - давление парогазовой среды. Па; Р₃ - парциальное давление водорода, Па; Р₁ - усредненное парциальное давление сухого воздуха, Па.

Значение z_2н определяют с использованием справочных данных по соотношению

полученному из уравнения состояния водяного пара, где v_2н - удельный объем насыщенного водяного пара, м³/кг.

Для водяного пара в диапазоне температур 10-250°С и давлений 0,012÷7,0 атм z₂=0,94÷1,0. При температуре водяного пара t≤50°С практически z₂=z_2н=1,0.

При определении объемной концентрации водяного пара k₂ в автоматическом режиме измерений значения х₁, х₂, х₃, Р_2н, z_2н, z₂, используемые в расчетах, в необходимом диапазоне температур находят по соответствующим аналитическим выражениям - полиномам 3-4-й степеней от температуры t°С, полученным заранее по данным таблиц теплофизических свойств газов и водяного пара из справочников:

[С.Л.Ривкин. Термодинамические свойства газов. М.: Энергоатомиздат, 1987; А.А.Александров, Б.А.Григорьев. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство МЭИ, 1999.]

После определения объемных концентраций водорода k₃, водяного пара k² вычисляют объемную концентрацию воздуха k₁=1-k₂-k₃.

Таким образом, по измеренным параметрам парогазовой среды: температуре, давлению, парциальному давлению водорода и скорости ультразвука с использованием справочных данных в результате несложных расчетов определяют искомые локальные объемные концентрации всех компонентов анализируемой парогазовой среды - водорода, водяного пара и воздуха.

Газоанализатор содержит канал для измерения парциального давления водорода, включающий датчик парциального давления водорода, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, канал для измерения давления, включающий датчик давления, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, канал для измерения температуры, включающий датчик температуры, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с указанного датчика, канал для измерения скорости ультразвука, включающий датчик измерения ультразвука, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика.

Каналы для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука функционируют независимо друг от друга и их выходы подключены к вычислительному устройству.

Посредством вычислительного устройства по определенному алгоритму по измеренным парциальному давлению водорода, давлению, температуре среды и скорости ультразвука определяют объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха.

Акустические анализаторы газов основаны на измерении скорости звука в смеси газов и используют пьезоэлектрические преобразователи из пьезокерамики, которые могут работать при высоких температурах, обладают хорошей стойкостью к воздействию интенсивных ионизирующих, реакторных излучений и агрессивных сред: Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979; В.М.Баранов. Акустические измерения в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Предлагаемый газоанализатор содержит канал измерения скорости ультразвука, в который входит первичный преобразователь - датчик скорости ультразвука, помещаемый в зону контроля параметров парогазовой среды, и вторичная электронная аппаратура, связанная с датчиком проводами для передачи и приема электрических сигналов.

Датчик скорости ультразвука выполнен в виде удлиненного трубчатого корпуса с прорезями для свободного доступа анализируемой среды в пространство между излучающим и приемным пъезопреобразователями, являющимися чувствительными элементами датчика. Пъезопреобразователи расположены в электроизоляционных держателях, закрепленных на концах корпуса датчика.

Электрические сигналы с электронного блока возбуждают ультразвуковые колебания в излучающем пъезопреобразователе, которые затем через анализируемую парогазовую среду поступают на приемный пъезопреобразователь. Электронный блок принимает и обрабатывает электрические сигналы с приемного пъезопреобразователя, определяет скорость ультразвука в анализируемой среде.

Абсолютное давление и температура парогазовой среды могут измеряться с использованием стандартных устройств. Например, давление - измерительными преобразователями Сапфир-22ДА, температура - малоинерционными термопарами типа ТХК (хромель-капель) или ТХА (хромель-алюмель).

Примеры конкретной реализации способа

При определении объемных концентраций водорода k₃, водяного пара k₂ и воздуха

k₁, используются следующие исходные данные, расчетные формулы и соотношения.

Константы: µ₁=28,97 кг/кмоль, µ₂=18,016 кг/кмоль, µ₃=2,016 кг/кмоль, R=8,31441·10³ Дж/(кмоль·К).

Измеряемые параметры парогазовой среды: t, °С (T, К), P, Па, Р₃, Па, С, м/с.

Справочные величины, соответствующие определенной (данной) температуре парогазовой среды t°C (T,К): х₁, х₂, х₃, Р_2н, Па, z_2н.

Расчетные формулы и соотношения:

с учетом, что µ₁-µ₃=26,954 кг/кмоль, µ₁-µ₂=10,954 кг/кмоль, получаем

При t_{норм.усл.}=25°С Р_{1норм.усл.}=10⁵ Па (0,987атм).

При t≤50°С z₂=z_2н=1,0.

Пример 1.

Моделирование нормальных условий эксплуатации.

Измеряемые параметры: Т=298,15 К; Р=1,013·10⁵ Па; Р₃=0 Па, С=347,16 м/с.

Справочные данные: х₁=1,400; х₂=1,328.

В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k₁=0,98, k₂=0,02 и k₃=0.

Пример 2.

Моделирование аварийного режима.

Измеряемые параметры: Т=423,15 К; Р=5,0·10⁵ Па; P₃=0,15·10⁵Па; С=473,39 м/с.

Справочные данные: х₁=1,394; х₂=1,318; х₃=1,398; Р_2н=4,7597·10⁵ Па.

В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k₁=0,272, k₂=0,698 и k₃=0,03.

Пример 3.

Моделирование аварийного режима.

Измеряемые параметры: Т=473,15 К; P=7,0·10⁵ Па; P₃=0,35·10⁵Па; С=509,97 м/с.

Справочные данные: х₁=1,389; х₂=1,312; х₃=1,397; P_2н=l,551·10⁶ Па;

В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k₁=0,223, k₂=0,727 и k₃=0,05.

Пример конкретного исполнения газоанализатора

Комплексный анализ объемных концентраций компонентов парогазовой среды, состоящей из водорода, водяного пара и воздуха в предлагаемом изобретении реализуется совместным использованием в газоанализаторе четырех каналов для измерения парциального давления водорода, давления, температуры парогазовой среды и скорости ультразвука в парогазовой среде, подключенных через интерфейс к общему вычислительному устройству - универсальному компьютеру типа IBM.

Компьютер по измеренным величинам по определенному алгоритму вычисляет объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха.

Аналоговые сигналы с выходов каналов измерения парциального давления водорода, давления и температуры парогазовой среды передаются в компьютер через интерфейс: на 8-канальный аналого-цифровой преобразователь-коммутатор (АЦП) ISP-7018, с которого через сетевой преобразователь ISP-7520 поступают на один из последовательных портов СОМ компьютера (прототип связи RS-232).

С выхода канала измерения скорости ультразвука в парогазовой среде цифровые коды, соответствующие скорости ультразвука, поступают на порт СОМ компьютера через модуль цифровой связи 7041.

Канал измерения парциального давления водорода в парогазовой среде - газоанализатор водорода содержит датчик водорода, выполненный в виде удлиненного трубчатого корпуса, внутри которого расположена рабочая камера с чувствительным элементом, состоящим из электроизоляционного основания, на котором намотан проводник из палладиевого сплава.

С помощью соединительных проводов проводник подключен к вторичной аппаратуре - электронному блоку, сигналы с которого поступают на компьютер через электронные модули ISP-7018, ISP-7520.

Канал измерения давления парогазовой среды использует измерительный преобразователь Сапфир-22 ДА, сигналы с которого по соединительным проводам поступают на компьютер через электронные модули ISP-7018, ISP-7520.

В канале измерения температуры парогазовой среды используется малоинерционная термопара ТХА, сигналы с которой поступают на компьютер через электронные модули ISP-7018, ISP-7520.

Канал измерения скорости ультразвука в парогазовой среде содержит датчик скорости ультразвука и вторичную электронную аппаратуру, связанную с датчиком коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.

Датчик скорости ультразвука выполнен в виде трубчатого металлического корпуса с диаметром 49 мм, длиной 70 мм с прорезями доступа анализируемой парогазовой среды в пространство между излучающим импульсы ультразвука и приемным пьезопреобразователем из пьезокерамики ЦТС-26, являющимися чувствительными элементами датчика.

Пьезопреобразователи расположены в электроизоляционных держателях, закрепленных на концах корпуса датчика на расстоянии l друг от друга.

Электрические сигналы с электронного блока возбуждают ультразвуковые импульсы в излучающем пьезопреобразователе, которые, пройдя анализируемую парогазовую среду, через интервал времени t поступают на приемный пьезопреобразователь.

Электронный блок принимает, обрабатывает электрические сигналы с приемного пьезопреобразователя и получает цифровой код, соответствующий скорости ультразвука в парогазовой среде, который поступает на компьютер через модуль цифровой связи 7041.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении непрерывного автоматического контроля с высокой точностью в реальном масштабе времени локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде.

Разработка изобретения связана с требованиями обеспечения водородной взрывобезопасности АЭС.

1. Способ определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука, включающий измерение парциального давления водорода, отличающийся тем, что в зоне контроля параметров парогазовой среды одновременно с измерением парциального давления водорода дополнительно измеряют скорость ультразвука в парогазовой среде на частоте f=0,1-1,0 МГц, давление и температуру парогазовой среды и определяют объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде по соотношениям:



где с - скорость ультразвука в парогазовой среде, м/с;
k - объемная концентрация компонента парогазовой среды;
Р - давление парогазовой среды, Па;
R=8,31441·10³ - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);
Т - температура парогазовой среды, К;
z₂=0,9÷1,0 - эмпирический коэффициент сжимаемости, определяемый по параметрам водяного пара;
µ - молекулярная масса компонента парогазовой среды, кг/кмоль;
х - показатель адиабаты компонента парогазовой среды при температуре Т;
нижние индексы «1», «2» и «3» соответствует воздуху, водяному пару и водороду.

2. Газоанализатор для определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука, содержащий канал для измерения парциального давления водорода, включающий датчик парциального давления водорода, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно снабжен каналом для измерения давления, включающим датчик давления, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, каналом для измерения температуры, включающим датчик температуры, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с указанного датчика, каналом для измерения скорости ультразвука, включающим датчик измерения ультразвука, линию связи и вторичный преобразователь сигнала с данного датчика, причем каналы для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука функционируют независимо друг от друга и их выходы подключены к вычислительному устройству, которое по определенному алгоритму по измеренным парциальному давлению водорода, давлению, температуре среды и скорости ультразвука определяет объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха.