RU2374636C1 - Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound - Google Patents
Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound Download PDFInfo
- Publication number
- RU2374636C1 RU2374636C1 RU2008117809/28A RU2008117809A RU2374636C1 RU 2374636 C1 RU2374636 C1 RU 2374636C1 RU 2008117809/28 A RU2008117809/28 A RU 2008117809/28A RU 2008117809 A RU2008117809 A RU 2008117809A RU 2374636 C1 RU2374636 C1 RU 2374636C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- hydrogen
- vapor
- medium
- ultrasound
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to methods and means for measuring the composition of vapor-gas media and can be used to control the atmosphere in the premises of industrial enterprises, in particular, to ensure hydrogen explosion safety under the protective shell of nuclear power plants.
В настоящее время неизвестен способ для избирательного и оперативного определения объемных концентраций одновременно всех компонентов парогазовой смеси, состоящей из воздуха, водяного пара и водорода.Currently, there is no known method for the selective and rapid determination of volumetric concentrations at the same time of all components of a gas-vapor mixture consisting of air, water vapor and hydrogen.
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].There is a method of determining the hydrogen content in a gas and liquid medium by detecting changes in the electromotive force between two metal conductors introduced into the controlled medium, one of which changes and the other does not change its electrophysical properties upon absorption of hydrogen [A.S. USSR No. 1826734, IPC 6 G01N 27/26. A method for determining hydrogen in a gas and liquid medium. Published on May 20, 1995].
Недостатком известного способа является неопределенность температурных и концентрационных границ применимости данного способа контроля водорода.The disadvantage of this method is the uncertainty of temperature and concentration limits of applicability of this method of hydrogen control.
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.The closest in technical essence to the claimed method is a method for determining the partial pressure of hydrogen based on the property of a conductor of palladium or its alloy with silver to selectively absorb hydrogen from the environment and change its electrical resistance [RF Patent No. 2242751 IPC 7 G01N 27/04. Hydrogen gas analyzer. Publ. 12/20/2004. BIPM No. 35]. The method includes placing the sensing element in the working chamber and determining the resistance of the conductor using secondary electronic equipment.
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 водородаThe disadvantage of this method is that it allows you to determine only the partial pressure of only one component - hydrogen, but does not allow to determine the separate content of the remaining components of the mixture and the volume concentration of hydrogen
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.Closest to the technical nature of the claimed device is a hydrogen gas analyzer containing a sensor with a sensitive element using a palladium alloy, a resistance meter of the sensitive element and a temperature controller of the working chamber of the sensor. The gas analyzer sensor is made in the form of an elongated tubular body, inside of which there is a working chamber with a sensing element consisting of an electrical insulating base on which a conductor of palladium alloy is wound. Using the connecting wires, the conductor is connected to the electronic unit. A heater with channels for supplying the analyzed gas is installed inside the sensor housing in its input part. The sensor is mounted vertically with the input channel down. By increasing the gas temperature inside the sensor housing, natural gas circulation occurs and the analyzed gas mixture is delivered to the sensor conductor. In the presence of hydrogen in the mixture, the resistance of the conductor of the sensing element increases in proportion to the partial pressure of hydrogen, and this gain is fixed by an electronic measuring unit containing a precision circuit for measuring electrical resistance.
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.A disadvantage of the known hydrogen gas analyzer is that it does not provide structural elements for separate determination of the content of water vapor and air in a gas-vapor medium and volumetric concentrations of hydrogen.
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:To address these shortcomings in the method for determining local volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor environment using ultrasound, including the measurement of the partial pressure of hydrogen, it is proposed:
- 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;- in the zone of control of the parameters of the gas-vapor medium simultaneously with the measurement of the partial pressure of hydrogen, additionally measure the ultrasound speed in the gas-vapor medium at a frequency f = 0.1 ÷ 1.0 MHz, the pressure and temperature of the gas-vapor medium;
- 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.- the volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium should be determined by the ratios taking into account the ultrasound velocity in a gas-vapor medium, the volume concentrations of the components of the gas-vapor medium, the pressure of the gas-vapor medium, the universal gas constant, the temperature of the gas-vapor medium, the empirical compressibility coefficient, the molecular weight of the components of the gas-vapor medium and the adiabatic exponent of the vapor-gas medium component.
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:To eliminate these shortcomings in a gas analyzer for determining local volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium using ultrasound containing a channel for measuring the partial pressure of hydrogen, including a partial pressure of hydrogen, a communication line and a secondary signal converter from this sensor, it is proposed:
- 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;- the gas analyzer is additionally equipped with a channel for measuring pressure, including a pressure sensor, a communication line and a secondary signal converter from this sensor, a channel for measuring temperature, including a temperature sensor, a communication line and a secondary signal converter from the specified sensor, a channel for measuring ultrasound speed, including a sensor ultrasound measurements, a communication line and a secondary signal converter from this sensor;
- обеспечить независимое функционирование друг от друга каналов для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука;- to provide independent functioning from each other channels for measuring the partial pressure of hydrogen, pressure, temperature and ultrasound speed;
- 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.- connect the outputs of the channels for measuring the partial pressure of hydrogen, pressure, temperature and ultrasound speed to a computing device that, according to a certain algorithm, will determine the volume concentrations of hydrogen, water vapor and air by the measured partial pressure of hydrogen, pressure, medium temperature and ultrasound speed.
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.The objective of the invention is to remedy these disadvantages of known methods and devices and to develop a method and device that allows in real time in automatic mode with high accuracy to comprehensively determine local volume concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium in a wide range of concentrations.
Техническая сущность способа определения локальных объемных концентраций водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде с использованием ультразвука состоит в следующем.The technical essence of the method for determining local volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium using ultrasound is as follows.
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.In the control zone of the parameters of the gas-vapor medium, the speed of ultrasound in the gas-vapor medium is measured at a frequency f = 0.1 ÷ 1.0 MHz, the partial pressure of hydrogen, the pressure and temperature of the gas-vapor medium.
По измеренным параметрам определяют объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха в парогазовой среде по соотношениям:The measured parameters determine the volume concentration of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium by the ratios:
где с - скорость ультразвука в парогазовой среде, м/с;where c is the ultrasound velocity in a gas-vapor medium, m / s;
k - объемная концентрация компонента парогазовой среды;k is the volume concentration of the component of the gas-vapor medium;
Р - давление парогазовой среды. Па;P is the pressure of the vapor-gas medium. Pa;
R=8,31441·103 - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);R = 8.31441 · 10 3 - universal gas constant, J / (kmol · K);
Т - температура парогазовой среды. К;T is the temperature of the vapor-gas medium. TO;
z2=0,9÷1,0 - эмпирический коэффициент сжимаемости, определяемый по параметрам водяного пара;z 2 = 0.9 ÷ 1.0 - empirical compressibility coefficient determined by the parameters of water vapor;
µ - молекулярная масса компонента парогазовой среды, кг/кмоль;µ is the molecular weight of the component of the vapor-gas medium, kg / kmol;
х - показатель адиабаты компонента парогазовой среды при температуре Т;x is the adiabatic exponent of the gas-vapor component at temperature T;
нижние индексы «1», «2» и «3» соответствует воздуху, водяному пару и водороду.the subscripts “1”, “2” and “3” correspond to air, water vapor and hydrogen.
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.Since the sum of the volume concentrations of all components of the gas-vapor mixture is equal to unity, it is sufficient to selectively determine the volume concentrations of hydrogen and water vapor in a three-component medium, and the volume concentration of air can be found by the difference between the unit and volume concentrations of hydrogen and water vapor.
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.A comprehensive analysis of the composition of a gas-vapor medium consisting of hydrogen, water vapor and air is realized in the invention by using a selective hydrogen gas analyzer and a universal gas analyzer for all gases by analyzing an acoustic gas analyzer while measuring the partial pressure of hydrogen, pressure, temperature, and sound velocity in the analyzed medium appropriate measuring channels and calculation according to a certain algorithm according to the measured values of volumetric concentrations of hydrogen, dropsy of steam and air.
В предлагаемом изобретении используется ультразвук, т.е. упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц.In the present invention, ultrasound is used, i.e. elastic vibrations and waves whose frequency exceeds 15-20 kHz.
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.Methods and means of measuring the speed of ultrasound are well known. They are set forth, for example, in publications: N.I. Brazhnikov. Ultrasonic methods. M.-L.: Energy, 1965; A.E. Kolesnikov. Ultrasonic measurements. M .: Publishing house of standards, 1970; Ultrasonic piezoelectric transducers for non-destructive testing. M .: Engineering, 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.In particular, the method employs a pulsed method for determining (measuring) the speed of ultrasound by measuring the time interval t during which the excited ultrasonic pulse travels in the analyzed vapor-gas medium a known distance l between the emitting and receiving piezoelectric transducers of the ultrasonic sensor, and the ultrasound speed is determined by the formula C = l / t. The pulsed method of measuring the speed of ultrasound is selected as the fastest, noise-tolerant and accurate.
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.Wet water vapor can be considered as a gas with a compressibility coefficient z and with droplets of micron and larger water. The effect of such aerosols on the speed of sound in water vapor appears at low frequencies and practically stops at ultrasound frequencies above 100 kHz.
Скорость звука в парогазовой смеси определяется формулойThe speed of sound in a gas-vapor mixture is determined by the formula
где R - универсальная газовая постоянная; Т, µ, х - соответственно температура по шкале Кельвина, молекулярная масса и показатель адиабаты парогазовой смеси.where R is the universal gas constant; T, µ, x - respectively, the temperature on the Kelvin scale, molecular weight and adiabatic index of the vapor-gas mixture.
Для 3-компонентной парогазовой смеси (среды), состоящей из воздуха, водяного пара и водорода, индексы «1», «2» и «3» соответствуют воздуху, водяному пару и водороду.For a 3-component gas-vapor mixture (medium) consisting of air, water vapor and hydrogen, the indices “1”, “2” and “3” correspond to air, water vapor and hydrogen.
После подстановки в формулу скорости звука выражений для показателя адиабаты х и молекулярной массы // парогазовой смеси, состоящей из воздуха, водяного пара, водорода,After substituting in the formula for the speed of sound of the expressions for the adiabatic exponent x and molecular weight // a vapor-gas mixture consisting of air, water vapor, hydrogen,
x=x1·k1+x2·k2+x3·k3,x = x 1 · k 1 + x 2 · k 2 + x 3 · k 3 ,
µ=µ1·k1+µ2·k2+µ3·k3,µ = µ 1 · k 1 + µ 2 · k 2 + µ 3 · k 3 ,
и соотношения k1=1-k2-k3, после несложных преобразований получаем формулу для определения объемной концентрации водяного параand the ratio k 1 = 1-k 2 -k 3 , after simple transformations we get the formula for determining the volumetric concentration of water vapor
где С - скорость ультразвука в парогазовой среде, м/с; where C is the speed of ultrasound in a gas-vapor medium, m / s;
k - объемная концентрация компонента парогазовой среды; k is the volume concentration of the component of the gas-vapor medium;
Р - давление парогазовой среды, Па; P is the vapor-gas medium pressure, Pa;
Р3 - парциальное давление водорода, Па; P 3 is the partial pressure of hydrogen, Pa;
k3=Р3/Р - объемная концентрация водорода; k 3 = P 3 / P is the volumetric concentration of hydrogen;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); R is the universal gas constant, J / (kmol · K);
z2 - эмпирический коэффициент сжимаемости водяного пара; z 2 is the empirical compressibility coefficient of water vapor;
µ - молекулярная масса компонента парогазовой среды, кг/кмоль; µ is the molecular weight of the component of the vapor-gas medium, kg / kmol;
х - показатель адиабаты компонента парогазовой среды, при температуре Т; x is the adiabatic exponent of the vapor-gas medium component at temperature T;
R=8,31441·103 Дж/(кмоль·К), R = 8.31441 · 10 3 J / (kmol · K),
µ1=28,97 кг/кмоль, µ2=18,016 кг/кмоль, µ3=2,016 кг/кмоль.µ 1 = 28.97 kg / kmol, µ 2 = 18.016 kg / kmol, µ 3 = 2.016 kg / kmol.
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 z2н<1,0, определяемого по справочным данным для давления насыщенного водяного пара Р2н при данной температуре среды.The compressibility coefficient of water vapor z 2 ≤1,0. For a given temperature of the gas-vapor medium, the coefficient z 2 linearly depends on the water vapor pressure P 2 and takes values from the maximum z 2 = 10 at P 2 ≤4 kPa to the minimum z 2n <1.0, which is determined from the reference data for the saturated water vapor pressure P 2n at a given ambient temperature.
Коэффициент сжимаемости водяного пара z2 для данных параметров среды при температуре T определяют из соотношения:The compressibility coefficient of water vapor z 2 for these medium parameters at a temperature T is determined from the relation:
где z2н - коэффициент сжимаемости насыщенного водяного пара; Р2н - давление насыщенного водяного пара. Па; Р - давление парогазовой среды. Па; Р3 - парциальное давление водорода, Па; Р1 - усредненное парциальное давление сухого воздуха, Па.where z 2n is the compressibility factor of saturated water vapor; P 2n is the pressure of saturated water vapor. Pa; P is the pressure of the vapor-gas medium. Pa; P 3 is the partial pressure of hydrogen, Pa; P 1 - averaged partial pressure of dry air, Pa.
Значение z2н определяют с использованием справочных данных по соотношениюThe value of z 2n is determined using reference data on the ratio
полученному из уравнения состояния водяного пара, где v2н - удельный объем насыщенного водяного пара, м3/кг.obtained from the equation of state of water vapor, where v 2n - specific volume of saturated water vapor, m 3 / kg
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=z2н=1,0.For water vapor in the temperature range of 10-250 ° C and pressures of 0.012 ÷ 7.0 atm z 2 = 0.94 ÷ 1.0. At a temperature of water vapor t≤50 ° C practically z 2 = z 2n = 1,0.
При определении объемной концентрации водяного пара k2 в автоматическом режиме измерений значения х1, х2, х3, Р2н, z2н, 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:When determining the volume concentration of water vapor k 2 in the automatic measurement mode, the values of x 1 , x 2 , x 3 , P 2n , z 2n , z 2 used in the calculations, are found in the required temperature range by the corresponding analytical expressions - polynomials 3-4- degrees of temperature t ° C, obtained in advance according to the tables of thermophysical properties of gases and water vapor from reference books:
[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.][S.L. Rivkin. Thermodynamic properties of gases. M .: Energoatomizdat, 1987; A.A.Alexandrov, B.A. Grigoriev. Tables of thermophysical properties of water and water vapor. M.: Publishing House MPEI, 1999.]
После определения объемных концентраций водорода k3, водяного пара k2 вычисляют объемную концентрацию воздуха k1=1-k2-k3.After determining the volumetric concentrations of hydrogen k 3 , water vapor k 2 calculate the volumetric concentration of air k 1 = 1-k 2 -k 3 .
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.Thus, according to the measured parameters of the vapor-gas medium: temperature, pressure, partial pressure of hydrogen and ultrasound speed, using the reference data as a result of simple calculations, the required local volume concentrations of all components of the analyzed vapor-gas medium - hydrogen, water vapor and air - are determined.
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.The gas analyzer contains a channel for measuring the partial pressure of hydrogen, including a partial pressure sensor of hydrogen, a communication line and a secondary signal converter from this sensor, a channel for measuring pressure, including a pressure sensor, a communication line and a secondary signal converter from this sensor, a channel for measuring temperature, including a temperature sensor, a communication line and a secondary signal converter from said sensor, a channel for measuring the speed of ultrasound, including a sensor for measuring ultrasound, communication and a secondary signal converter from this sensor.
Каналы для измерения парциального давления водорода, давления, температуры и скорости ультразвука функционируют независимо друг от друга и их выходы подключены к вычислительному устройству.Channels for measuring the partial pressure of hydrogen, pressure, temperature and ultrasound speed operate independently of each other and their outputs are connected to a computing device.
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.By means of a computing device, according to a specific algorithm, the volume concentrations of hydrogen, water vapor and air are determined from the measured partial pressure of hydrogen, pressure, medium temperature and ultrasound speed.
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.Acoustic gas analyzers are based on measuring the speed of sound in a mixture of gases and use piezoelectric transducers made of piezoceramics that can operate at high temperatures, have good resistance to intense ionizing, reactor radiation and aggressive environments: Ultrasound. Little Encyclopedia. M .: Soviet Encyclopedia, 1979; V.M. Baranov. Acoustic measurements in nuclear power. M .: Energoatomizdat, 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.The proposed gas analyzer contains a channel for measuring ultrasound velocity, which includes a primary transducer - an ultrasound velocity sensor placed in the zone of control of the parameters of the gas-vapor medium, and secondary electronic equipment connected to the sensor by wires for transmitting and receiving electrical signals.
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.The ultrasound speed sensor is made in the form of an elongated tubular body with slots for free access of the analyzed medium to the space between the emitting and receiving piezoelectric transducers, which are sensitive elements of the sensor. Piezo transducers are located in electrical insulating holders attached to the ends of the sensor housing.
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.Electrical signals from the electronic unit excite ultrasonic vibrations in the emitting piezoelectric transducer, which then passes through the analyzed vapor-gas medium to the receiving piezoelectric transducer. The electronic unit receives and processes electrical signals from the receiving piezoelectric transducer, determines the speed of ultrasound in the analyzed medium.
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).The absolute pressure and temperature of the vapor-gas medium can be measured using standard devices. For example, pressure - Sapphire-22DA measuring transducers, temperature - low-inertia thermocouples such as TXK (chromel-drops) or TXA (chromel-alumel).
Примеры конкретной реализации способаExamples of specific implementation of the method
При определении объемных концентраций водорода k3, водяного пара k2 и воздухаWhen determining the volumetric concentrations of hydrogen k 3 , water vapor k 2 and air
k1, используются следующие исходные данные, расчетные формулы и соотношения.k 1 , the following initial data, calculation formulas and relationships are used.
Константы: µ1=28,97 кг/кмоль, µ2=18,016 кг/кмоль, µ3=2,016 кг/кмоль, R=8,31441·103 Дж/(кмоль·К).Constants: µ 1 = 28.97 kg / kmol, µ 2 = 18.016 kg / kmol, µ 3 = 2.016 kg / kmol, R = 8.31441 · 10 3 J / (kmol · K).
Измеряемые параметры парогазовой среды: t, °С (T, К), P, Па, Р3, Па, С, м/с.The measured parameters of the gas-vapor medium: t, ° С (T, К), P, Pa, P 3 , Pa, C, m / s.
Справочные величины, соответствующие определенной (данной) температуре парогазовой среды t°C (T,К): х1, х2, х3, Р2н, Па, z2н.Reference values corresponding to a specific (given) temperature of the vapor-gas medium t ° C (T, K): x 1 , x 2 , x 3 , P 2n , Pa, z 2n .
Расчетные формулы и соотношения:Calculation formulas and ratios:
с учетом, что µ1-µ3=26,954 кг/кмоль, µ1-µ2=10,954 кг/кмоль, получаемtaking into account that µ 1 -µ 3 = 26.954 kg / kmol, µ 1 -µ 2 = 10.954 kg / kmol, we obtain
При tнорм.усл.=25°С Р1норм.усл.=105 Па (0,987атм).At t normal conditions = 25 ° С Р 1 = 10 5 Pa (0.987 atm).
При t≤50°С z2=z2н=1,0.At t≤50 ° C z 2 = z 2n = 1.0.
Пример 1.Example 1
Моделирование нормальных условий эксплуатации.Modeling of normal operating conditions.
Измеряемые параметры: Т=298,15 К; Р=1,013·105 Па; Р3=0 Па, С=347,16 м/с.Measured parameters: T = 298.15 K; P = 1.013 · 10 5 Pa; P 3 = 0 Pa, C = 347.16 m / s.
Справочные данные: х1=1,400; х2=1,328.Reference data: x 1 = 1,400; x 2 = 1.328.
В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k1=0,98, k2=0,02 и k3=0.As a result of the calculation according to formulas (2-6), we obtain: k 1 = 0.98, k 2 = 0.02 and k 3 = 0.
Пример 2.Example 2
Моделирование аварийного режима.Emergency Modeling.
Измеряемые параметры: Т=423,15 К; Р=5,0·105 Па; P3=0,15·105Па; С=473,39 м/с.Measured parameters: T = 423.15 K; P = 5.0 · 10 5 Pa; P 3 = 0.15 · 10 5 Pa; C = 473.39 m / s.
Справочные данные: х1=1,394; х2=1,318; х3=1,398; Р2н=4,7597·105 Па.Reference data: x 1 = 1.394; x 2 = 1.318; x 3 = 1.398; R 2N = 4.7597 · 10 5 Pa.
В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k1=0,272, k2=0,698 и k3=0,03.As a result of the calculation according to formulas (2-6), we obtain: k 1 = 0.272, k 2 = 0.698 and k 3 = 0.03.
Пример 3.Example 3
Моделирование аварийного режима.Emergency Modeling.
Измеряемые параметры: Т=473,15 К; P=7,0·105 Па; P3=0,35·105Па; С=509,97 м/с.Measured parameters: T = 473.15 K; P = 7.0 · 10 5 Pa; P 3 = 0.35 · 10 5 Pa; C = 509.97 m / s.
Справочные данные: х1=1,389; х2=1,312; х3=1,397; P2н=l,551·106 Па;Reference data: x 1 = 1.389; x 2 = 1.312; x 3 = 1.397; P 2n = 1, 551 · 10 6 Pa;
В результате расчета по формулам (2-6) получаем: k1=0,223, k2=0,727 и k3=0,05.As a result of the calculation according to formulas (2-6), we obtain: k 1 = 0.223, k 2 = 0.727 and k 3 = 0.05.
Пример конкретного исполнения газоанализатораA specific example of a gas analyzer
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.A comprehensive analysis of the volume concentrations of the components of a gas-vapor medium consisting of hydrogen, water vapor and air in the present invention is realized by joint use of four channels in a gas analyzer for measuring the partial pressure of hydrogen, pressure, temperature of a gas-vapor medium and the speed of ultrasound in a gas-vapor medium connected via an interface to a common computing device - a universal computer such as IBM.
Компьютер по измеренным величинам по определенному алгоритму вычисляет объемные концентрации водорода, водяного пара и воздуха.The computer, based on the measured values, calculates the volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air using a certain algorithm.
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).Analog signals from the outputs of the channels for measuring the partial pressure of hydrogen, pressure and temperature of the vapor-gas medium are transmitted to the computer via the interface: to the 8-channel analog-to-digital converter-switch (ADC) ISP-7018, from which they are transmitted to one of the ISP-7520 network converters computer serial COM ports (prototype RS-232 communication).
С выхода канала измерения скорости ультразвука в парогазовой среде цифровые коды, соответствующие скорости ультразвука, поступают на порт СОМ компьютера через модуль цифровой связи 7041.From the output of the channel for measuring the speed of ultrasound in a gas-vapor medium, digital codes corresponding to the speed of ultrasound are sent to the computer's COM port through the digital communication module 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.A channel for measuring the partial pressure of hydrogen in a gas-vapor medium - a hydrogen gas analyzer contains a hydrogen sensor made in the form of an elongated tubular body, inside of which there is a working chamber with a sensing element consisting of an insulating base on which a palladium alloy conductor is wound.
С помощью соединительных проводов проводник подключен к вторичной аппаратуре - электронному блоку, сигналы с которого поступают на компьютер через электронные модули ISP-7018, ISP-7520.Using the connecting wires, the conductor is connected to the secondary equipment - the electronic unit, the signals from which are fed to the computer via electronic modules 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.The channel for measuring the pressure of a gas-vapor medium uses a Sapphire-22 DA measuring transducer, the signals from which are sent to the computer via connecting wires through electronic modules 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.In the channel for measuring the temperature of the gas-vapor medium, a TXA low-inertia thermocouple is used, the signals from which are transmitted to the computer via electronic modules 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.The channel for measuring the speed of ultrasound in a gas-vapor medium contains an ultrasound speed sensor and secondary electronic equipment connected to the sensor with a coaxial cable with a wave impedance of 50 Ohms.
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.The ultrasound speed sensor is made in the form of a tubular metal case with a diameter of 49 mm, a length of 70 mm with access slots of the analyzed gas-vapor medium into the space between the emitting pulses of ultrasound and the receiving piezoelectric transducer from TsTS-26 piezoceramics, which are sensitive elements of the sensor.
Пьезопреобразователи расположены в электроизоляционных держателях, закрепленных на концах корпуса датчика на расстоянии l друг от друга.Piezoelectric transducers are located in electrical insulating holders mounted on the ends of the sensor housing at a distance l from each other.
Электрические сигналы с электронного блока возбуждают ультразвуковые импульсы в излучающем пьезопреобразователе, которые, пройдя анализируемую парогазовую среду, через интервал времени t поступают на приемный пьезопреобразователь.Electrical signals from the electronic unit excite ultrasonic pulses in the emitting piezoelectric transducer, which, having passed the analyzed vapor-gas medium, through the time interval t are fed to the receiving piezoelectric transducer.
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.The electronic unit receives, processes the electrical signals from the receiving piezoelectric transducer and receives a digital code corresponding to the speed of ultrasound in a gas-vapor medium, which is transmitted to a computer through a digital communication module 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.The technical result of the invention is to provide continuous automatic control with high accuracy in real time of local volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium.
Разработка изобретения связана с требованиями обеспечения водородной взрывобезопасности АЭС.The development of the invention is related to the requirements for ensuring the hydrogen explosion safety of nuclear power plants.
Claims (2)
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.1. A method for determining local volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in a gas-vapor medium using ultrasound, including measuring the partial pressure of hydrogen, characterized in that in the zone of control of the parameters of the gas-vapor medium, simultaneously with measuring the partial pressure of hydrogen, the ultrasound velocity in the gas-vapor medium is additionally measured frequency f = 0.1-1.0 MHz, pressure and temperature of the gas-vapor medium, and volumetric concentrations of hydrogen, water vapor and air in the gas-vapor medium are determined by Wearing:
where c is the ultrasound velocity in a gas-vapor medium, m / s;
k is the volume concentration of the component of the gas-vapor medium;
P is the vapor-gas medium pressure, Pa;
R = 8.31441 · 10 3 - universal gas constant, J / (kmol · K);
T is the temperature of the vapor-gas medium, K;
z 2 = 0.9 ÷ 1.0 - empirical compressibility coefficient determined by the parameters of water vapor;
µ is the molecular weight of the component of the vapor-gas medium, kg / kmol;
x is the adiabatic exponent of the gas-vapor component at temperature T;
the subscripts “1”, “2” and “3” correspond to air, water vapor and hydrogen.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117809/28A RU2374636C1 (en) | 2008-05-26 | 2008-05-26 | Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117809/28A RU2374636C1 (en) | 2008-05-26 | 2008-05-26 | Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2374636C1 true RU2374636C1 (en) | 2009-11-27 |
Family
ID=41476838
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008117809/28A RU2374636C1 (en) | 2008-05-26 | 2008-05-26 | Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2374636C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550306C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-05-10 | Борис Юхимович Каплан | Method of measurement of volume concentration of hydrogen |
| RU2595288C2 (en) * | 2011-07-13 | 2016-08-27 | Конинклейке Филипс Н.В. | Gas sensing apparatus |
-
2008
- 2008-05-26 RU RU2008117809/28A patent/RU2374636C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2595288C2 (en) * | 2011-07-13 | 2016-08-27 | Конинклейке Филипс Н.В. | Gas sensing apparatus |
| RU2550306C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-05-10 | Борис Юхимович Каплан | Method of measurement of volume concentration of hydrogen |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6823716B2 (en) | Device for precision measurement of speed of sound in a gas | |
| US8381574B2 (en) | Reduction of pressure induced temperature influence on the speed of sound in a gas | |
| RU2374636C1 (en) | Method and gas analyser for determining local volume concentration of hydrogen, water vapour and air in vapour-gas medium using ultrasound | |
| JP6629360B2 (en) | Apparatus for measuring sound velocity-related eigenvalues of gas, apparatus for measuring gas component ratio using the same, and global environment monitoring apparatus using the same | |
| Koturbash et al. | New instrument for measuring the velocity of sound in gases and quantitative characterization of binary gas mixtures | |
| JP5811406B2 (en) | Humidity measuring device and humidity measuring method | |
| CN108548631A (en) | One kind can excited gas pressure vessel pressure measurement method | |
| Bjorndal et al. | A novel approach to acoustic liquid density measurements using a buffer rod based measuring cell | |
| Gao et al. | A novel NaCl concentration detection method based on ultrasonic impedance method | |
| Alzebda et al. | Ultrasonic sensing of temperature of liquids using inexpensive narrowband piezoelectric transducers | |
| JPH0310157A (en) | Gas-concentration measuring apparatus | |
| Higuti et al. | Thermal characterization of an ultrasonic density-measurement cell | |
| RU64350U1 (en) | COMPLEX OF MEASUREMENT OF COMPONENT MASS FLOWS OF THE THREE COMPONENT FLOW OF OIL WELLS | |
| RU2334951C1 (en) | System of measurement of mass flow of three-component gas-liquid flow components of oil wells | |
| Ciccarelli | Critical tube measurements at elevated initial mixture temperatures | |
| RU2336500C1 (en) | System of measurement of component-wise mass flow rate of three-component flow of oil wells | |
| RU2329471C1 (en) | Measuring system for component-wise flow rate of three-component gas-liquid flow in oil wells | |
| RU64764U1 (en) | COMPLEX OF MEASUREMENT OF THE COMPONENT MASS FLOW OF THE THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW | |
| WO2022060320A1 (en) | Mach-zehnder interferometer based ultrasound concentration sensor for liquid mixtures | |
| RU2334950C1 (en) | System of measurement of three-component gas-liquid flow component-specific mass flow | |
| RU2334200C1 (en) | Flow rate measuring system of ternary gas-liquid flow agents | |
| RU64351U1 (en) | COMPLEX OF MEASURING MASS CONSUMPTION OF COMPONENTS OF A THREE-COMPONENT GAS-LIQUID FLOW OF OIL WELLS | |
| RU64356U1 (en) | COMPLEX OF MEASUREMENT OF MASS CONSUMPTION OF COMPONENTS OF GAS-LIQUID FLOW OF OIL WELLS | |
| RU34014U1 (en) | Device for measuring petroleum product quality indicators | |
| RU2333464C1 (en) | System for measuring component-specific mass flow of three-component flow |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20120207 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160315 |