СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ РАЗДЕЛА ФАЗ В КАНАЛАХ
METHOD TO DETERMINE INTERFACE LEVEL IN CHANNELS

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при определении раздела фаз в парогенерирующих установках.
Известно большое количество уровнемеров. Работа уровнемеров основана на различных физических принципах. Известен гидростатический уровнемер (В.П. Преображенский. Теплотехнические измерения и приборы, третье издание, переработанное. - Москва «Энергия», 1978 г., с.530). Принцип работы гидростатического уровнемера заключается в измерении давления столба жидкости и определении на основе измеренного давления столба жидкости уровня раздела фаз.
Основной недостаток гидростатического уровнемера при использовании его для измерения уровня в каналах с двухфазным слоем состоит в том, что плотность теплоносителя, на основе которого определяется высота столба жидкой фазы отличается от плотности воды на линии насыщения, которая используется для расчета уровнемера (В.А.Демченко. О точности измерения уровня воды в парогенераторах АЭС. Теплоэнергетика, №2, 1999, с.56). Ошибка определения уровня может быть значительной (25-35%).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения уровня газовой фазы в канале заключающийся в том, что устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести, нагревают датчик путем пропускания тока через датчик, измеряют электрическое сопротивление датчика R. (Детектирование нижнего уровня масла с помощью термисторов (Low oil level sensing with thermistors. Loisch J. SAE Techn. Pap.Ser., 1989, №891758, 67-70). Контрольно-измерительная техника, №4, 1991 г. Государственный комитет по науке и технике. Академия наук СССР. Всесоюзный институт научной и технической информации (ВИНИТИ).
Основной недостаток способа в том, что на его основе невозможно определить уровни раздела фаз в каналах, где присутствует паровая, жидкая фаза и двухфазный слой.
Предлагается.
п
п
ж
ж
2
2
1. Способ определения уровня раздела фаз в каналах заключающийся в том, что устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести, нагревают датчик путем пропускания тока через датчик, измеряют электрическое сопротивление датчика R, отличающийся тем, что измеряют ток I, проходящий через датчик, определяют приращение температуры датчика на участках датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δt=IR/(πdLα), Δt=IR/(πdLα).
ж
п
п
0
п
ж
0
ж
п
ж
Определяют удельное электрическое сопротивление датчика, контактирующего с жидкой ρ и паровой ρ фазами ρ=ρ(1+βΔt), ρ=ρ(1+βΔt), определяют толщину парового h и жидкостного слоя h.
п
ж
п
ж
ж
п
ж
п
0
п
ж
h=(R·S-ρL)/(ρ-ρ), h=L-h, где ρ и ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой и паровой фазе соответственно; R - электрическое сопротивление датчика; I - ток через датчик; L - длина датчика; S - поперечное сечение датчика, ρ термический коэффициент сопротивления, d - диаметр датчика, ρ - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°С, α, α - коэффициенты теплоотдачи при взаимодействии датчика с паровой и жидкой фазами соответственно определяются в предварительных опытах.
2. Способ определения уровня раздела фаз в каналах по п.1 отличающийся тем, что устанавливают дополнительный датчик, длина которого равна длине основного датчика, в виде электропроводной проволоки в сечении канала, в котором отсутствует двухфазный слой, нагревают дополнительный датчик путем пропускания тока, измеряют ток I1, измеряют электрическое сопротивление дополнительного датчика R1, определяют приращение температуры датчика на участках дополнительного датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами
п
п
ж
ж
2
2
Δt=I1R1/(πdLα), Δt=I1R1/(πdLα)
Определяют удельное электрическое сопротивление дополнительного датчика, контактирующего с паровой и жидкой фазами
п
0
п
ж
0
ж
ρ=ρ(1+βΔt), ρ=ρ(1+βΔt),
п1
п
дв
п1
ж
п1
определяют толщину слоя, соответствующего суммарной толщине парового и двухфазного слоя h=h+h, h=(R1·S-ρL)/(ρ-ρж)
определяют толщину жидкостного слоя,
ж
ж
п1
ж
п1
п1
ж
ж
h=L-(R1·S-ρL)/(ρ-ρ), определяют электрическое сопротивление основного датчика, соответствующее длине h - суммарной толщине парового и двухфазного слоя, R=R-ρh/S,
определяют толщину парового и двухфазного слоя
п
п1
дв
п1
п
дв
дв
ж
п
h=(R·S-ρh))/(ρ-ρ), h=L-h-h,
дв
п
ж
где R1 электрическое сопротивление дополнительного датчика; L - длина датчика; I1 - ток через дополнительный датчик; S - поперечное сечение дополнительного датчика; ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в двухфазном слое, ρ в паровом слое, ρ - в жидкостном слое; R - электрическое сопротивление основного датчика.
п
п
ж
ж
ж
п
п
0
п
ж
0
ж
п
ж
2
2
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения уровня раздела паровой и жидкой фаз, что обеспечивается тем, что измеряют ток I, проходящий через основной датчик, определяют приращение температуры датчика на участках датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δt=IR/(πdLα), Δt=IR/(πdLα). Определяют удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой ρ фазах ρ=ρ(1+βΔt), ρ=ρ(1+βΔt), определяют толщину парового h и жидкостного слоя h
п
ж
п
ж
ж
п
ж
п
ж
0
п
ж
h=(RS-ρL)/(ρ-ρ), h=L-h, где ρ и ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой фазе соответственно; R - электрическое сопротивление основного датчика; I - ток через датчик; L - длина датчика; S - поперечное сечение датчика, β - термический коэффициент сопротивления, d - диаметр датчика, ρ - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°C, α, α - коэффициенты теплоотдачи на поверхности датчика при взаимодействии с паровой и жидкой фазами соответственно - определяются в предварительных опытах.
п
п
ж
ж
п
0
п
ж
0
ж
п1
п
дв
2
2
В случае наличия в канале двухфазного слоя технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения уровня раздела паровой, жидкой фаз и двухфазного слоя, что обеспечивается тем, что устанавливают дополнительный датчик, длина которого равна длине основного датчика, в виде электропроводной проволоки в сечение канала, в котором отсутствует двухфазный слой, нагревают дополнительный датчик путем пропускания тока, измеряют ток I1, измеряют электрическое сопротивление дополнительного датчика R1, определяют приращение температуры датчика на участках дополнительного датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δt=I1R1/(πdLα), Δt=I1R1/(πdLα), определяют удельное электрическое сопротивление дополнительного датчика, контактирующего с паровой и жидкой фазами ρ=ρ(1+βΔt), ρ=ρ(1+βΔt), определяют толщину слоя, соответствующего суммарной толщине парового и двухфазного слоя h=h+h,
п1
ж
п1
ж
ж
ж
п1
ж
п1
п1
ж
ж
п
п1
дв
п1
п
дв
h=(R1·S-ρL)/(ρ-ρ), определяют толщину жидкостного слоя, h=L-(R1·S-ρL))/(ρ-ρ), определяют электрическое сопротивление основного датчика, соответствующее длине h - суммарной толщине парового и двухфазного слоя, R=R-ρh/S, определяют толщину парового и двухфазного слоя, h=(R·S-ρh))/(ρ-ρ),
дв
ж
п
дв
п
ж
h=L-h-h, где R1 - электрическое сопротивление дополнительного датчика; L - длина датчика; I1 - ток через дополнительный датчик; S - поперечное сечение дополнительного датчика; ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в двухфазном слое, ρ в паровом слое, ρ - в жидкостном слое; R - электрическое сопротивление основного датчика.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения уровней раздела паровой и жидкой фаз, обеспечивается за счет различного приращения температур частей датчика, находящегося в паровой и жидкой фазах и, соответственно, различного изменения удельных электрических сопротивлений датчика при пропускании тока через датчик.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения уровней раздела паровой, жидкой фаз и двухфазного слоя, обеспечивается за счет установки дополнительного датчика в сечении канала, в котором отсутствует двухфазный слой, измерения сопротивления дополнительного датчика R1, определения сопротивления основного датчика, соответствующую суммарному сопротивлению парового и двухфазного слоя и определения толщины парового и двухфазного слоя.
Способ определения уровня раздела фаз в каналах осуществляется следующим образом.
1. Устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести
2. Нагревают датчик путем пропускания тока через датчик
3. Измеряют ток, проходящий через датчик
4. Измеряют электрическое сопротивление датчика R
5. Определяют приращение температуры на участках датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазах
п
п
п
ж
Δt=q/α, Δt=q/α
п
ж
п
п
ж
ж
2
2
2
2
α, α - коэффициенты теплоотдачи при нахождении датчика в паровой и жидкой фазах соответственно, кВТ/м2°С, q плотность теплового потока на поверхности датчика кВТ/м, q=IR/П, где П обогреваемый периметр П=πdL, Δt=IR/πdLα, Δt=IR/πdLα
ж
п
т
0
0
т
6. Определяют удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой ρ фазах - используется зависимость удельного электрического сопротивления материала датчика от температуры, ρ=ρ(1+βΔt), ρ - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°С, β - температурный коэффициент сопротивления. Для нержавеющей проволоки ρ=0.71(1+0.00091 Δt)
п
ж
п
ж
п
ж
ж
п
ж
п
ж
7. Определяют толщину парового (газового) h и жидкостного слоя h:h=(RS-ρL)/(ρ-ρ), h=L-h, где ρ и ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой фазе соответственно; R - электрическое сопротивление датчика; L - длина датчика; S - поперечное сечение датчика.
п
ж
п
ж
п
ж
Полученные значения h, h являются первым приближением. Далее значения h, h уточняются. Определяется новое значение R, R на участках датчика, взаимодействующего с паровой и жидкой фазах
п
п
п
ж
ж
ж
п
п
п
ж
п
п
п
п
п
ж
ж
ж
п
ж
п
ж
п
пn+1
пn
пn+1
пn
n
2
2
2
2
R=ρh/S, R=ρ h/S, тепловые потоки q=IR/πdh, q=IR/πdh, Δt=Iρ/πdSα, Δt=Iρ/πdS α и новые значения ρ, ρ, h, h. Расчет заканчивается при достижении определенной разности Δh=h- h≤δ, где h, h - n и n+1 значения толщины парового слоя h, δ = точность расчета.
Способ определения уровня раздела фаз в каналах, в которых присутствует двухфазный слой, осуществляется следующим образом.
1. Устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести
2. Нагревают датчик путем пропускания тока через датчик
3. Измеряют ток I, проходящий через датчик
4. Измеряют электрическое сопротивление датчика R
5. Устанавливают дополнительный датчик в виде электропроводной проволоки в сечении канала, где отсутствует двухфазный слой
6. Нагревают датчик путем пропускания тока через датчик
7. Измеряют ток I1, проходящий через дополнительный датчик
8. Измеряют электрическое сопротивление дополнительного датчика R1
ж
п
9. Определяют удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой ρ фазах соответственно,
ж
п
п
п
п
ж
п
ж
2
2
Для определения ρ, ρ определяют приращение температур на участках дополнительного датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δt=q/α, Δt=q/α α, α - коэффициенты теплоотдачи в паровой и жидкой фазах соответственно, кВТ/м2°С, q - плотность теплового потока на поверхности датчика кВТ/м, q=I1R1/П, где П - обогреваемый периметр П=πdL.
ж
п
т
0
0
т
10. Определяют удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой ρ фазах - используется зависимость удельного электрического сопротивления материала датчика от температуры, ρ=ρ(1+βΔt), ρ - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°С, β - температурный коэффициент сопротивления. Для нержавеющей проволоки ρ=0.71(1+0.00091 Δt)
п1
п
дв
11. Определяют толщину слоя, соответствующего суммарной толщине парового и двухфазного слоя h=h+h
п1
ж
п1
ж
h=(R1·S-ρL)/(ρ-ρ), определяют толщину жидкостного слоя
ж
ж
п1
ж
п1
п1
ж
ж
п
п1
дв
п1
п
дв
дв
ж
п
дв
п
ж
п
ж
дв
п
ж
дв
h=L-(R1·S-ρL))/(ρ-ρ), определяют электрическое сопротивление основного датчика, соответствующее длине h - суммарной толщине парового и двухфазного слоя, R=R-ρh/S, определяют толщину парового и двухфазного слоя, h=(R·S-ρh))/(ρ-ρ), h=L-h-h, где R1 электрическое сопротивление дополнительного датчика; L - длина датчика; I1 - ток через дополнительный датчик; S - поперечное сечение дополнительного датчика; ρ - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в двухфазном слое, ρ в паровом слое, ρ - в жидкостном слое; R - электрическое сопротивление основного датчика. Полученные значения h, h, h являются первым приближением. Далее значения h, h, h уточняются.
п
ж
п
ж
ж
дв
п1
ж
п1
дв
п
0
ж
п
ж
п
п
ж
ж
п
ж
п
ж
2
-6
2
2
2
-3
2
2
На фиг.1 показана схема размещения датчика в парогенераторе, где отсутствует двухфазный слой. В парогенерирующем устройстве 1 имеем паровой слой толщиной h и жидкостный слой толщиной h. Через электроизолятор 2 введен датчик 3, выполненный в виде электропроводной проволоки. Длина датчика 3 равна L=h+h. На фиг.2 показана схема размещения датчика в парогенераторе, где присутствует двухфазный слой. В парогенерирующем устройстве 1 имеем паровой слой толщиной hп, жидкостный слой толщиной h и двухфазный слой толщиной h. Через электроизоляторы 2 введен основной датчик 3 и дополнительный датчик 4. Датчики выполнены в виде электропроводной проволоки. Длина датчика 4 равна L=h+h. Паровой слой h=h+h. Пример определения уровня раздела фаз в парогенераторе АЭС при наличии двухфазного слоя. В качестве базовой длины принята длина 4 м. В качестве датчика используем нержавеющий провод диаметром 1 мм, длина 4 м. Ток, пропускаемый через основной и дополнительный датчик, I=I1=10А. Измеренное сопротивление основного датчика - R=4,05 Ом, дополнительного R1=4,15 Ом, S=πd/4=0,78510м, ρ=0,71 Ом мм/м. Определим удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρ и паровой фазе. Для этого определим среднюю плотность теплового потока на поверхности дополнительного датчика q=W/П=I1 R/πd L=100·4,15/πd L=100 4,15/π·1·4·10=33,04 кВт/м, W, П - электрическая мощность, подведенная к проводнику и обогреваемый периметр проводника соответственно, d - диаметр проводника. Определяем приращение температуры Δt, Δt на частях провода, находящихся в контакте с паровой и жидкой фазой., Δt=q/α, Δt=q/α, α, α - коэффициенты теплоотдачи провода с паровой и жидкой фазах соответственно, кВТ/м°С. Определяются либо в предварительных опытах, либо из литературных источников. Примем следующие значения α, α.
п
ж
п
п
ж
ж
п
п1
п
ж
п1
ж
2
2
α=100 Вт/м°С, α=5000 Вт/м°С, Δt=q/α=33040/100=330,4°С, Δt=q/α=33040/5000=6,608°С, ρ=0,71(1+0,00091·330.4)=0,9237, ρ=ρ, ρ=0,71(1+0,00091·6,608)=0,7143, h=(4,15·0,785-0,714·4)/(0,916-0,714)=1,98886, h=4-1,98886=2,011
п1
Определяем электрическое сопротивление основного датчика, соответствующее длине h - суммарной толщине парового и двухфазного слоя
п1
ж
ж
R=R-ρ h/S=4,05-0,714 2,011/0,785=2,2208
п
п1
дв
п1
п1
дв
дв
h=(R·S-ρ h))/(ρ-ρ)=(2,2208 0,785-0,715 1,98886)/(0,916-0,715)=1,5996, h=4-2,011-1,5996=0,3894,
дв
дв
дв
дв
2
где ρ=0,71(1+0,00091·1,612)=0,715, Δt=q/α=1,612. α - коэффициент теплоотдачи в двухфазном слое - принят равным 20000 Вт/м°С.
п
п
п
ж
п
п
ж
п
ж
2
Второе приближение - определяем электрическое сопротивление датчика (провода), находящегося в паровой и жидкой фазах, R=ρ h/S=0,9237 1,98886/0,785=2,3403, R=1,809. Определяем тепловые потоки и, соответственно, приращение температур на части датчика, находящегося в паровой и жидкой фазах q=100 2,3403/3,14·1·1,9886=37149,5 Вт/м, Δt=371,49°С, Δt=5,73°С. ρ=0,947, ρ=0,7137
п1
h=(4,15·0,785-0,7137·4)/(0,947-0,7137)=1,727
ж
п1
ж
ж
h=4-1,7274=2,273, R=R-ρ h/S=4,05-0,7137 2,273/0,785=1,933,
п
дв
п1
п1
дв
дв
дв
дв
дв
h=(Rп1·S-ρh))/(ρ-ρ)=(1,933·0,785-0,711 1,727)7(0,947-0,7137)=1,2396, h=4-2,273-1,273=0,454, где ρ=0,71(1+0,00091·1,447)=0,711, Δt=q/α=1,447. Разница между первым и вторым приближением толщины β=(0,454-0,3894)-100/0.454=14,2%.
Третье приближение двухфазного слоя.
Определяем электрическое сопротивление датчика (провода), находящегося в паровой и жидкой фазах
п
п
п1
ж
п
п
ж
R=ρ h/S=0,947 1,727/0,785=2,0834, R=0,7137 2,273/0,785=2,066, q=100 2,0834/(3,14 1 1,727)=38419, Δt=384,19°С, Δt=5,789°С.
п
ж
ρ=0,955, ρ=0,7136. Определяем тепловые потоки и приращение температур на части датчика, находящегося в паровой и жидкой фазах.
п
п
ж
2
q=100 2,3403/3,14·1·1,9886=37149,5 Вт/м, Δt=371,49°С, Δt=5,73°С.
п
ж
п1
ρ=0,947, ρ=0,7137. h=(4,15·0,785-0,7136·4)/(0,955-0,7136)=1,6706
ж
h=4-1,7274=2,3294Rп1=R-ρж hж/S=4,05-0,7136 2,3294/0,785=1932,
дв
дв
п
п1
дв
п1
п1
дв
дв
R=0,711 0,454/0,785=0,4112, q=100 0,4112/(3,14 1 0,454)=28845. h=(R·S-ρ h))/(ρ-ρ)=(1,9324·0,785-0,711 1,6706)/(0,955-0,7109)=1,352, h=4-2,2304-1,35=0,4196,
дв
дв
дв
где ρ=0,71(1+0,00091·1,447)=0,711, Δt=q/α=1,442. Разница между вторым и третьим приближением толщины двухфазного слоя составляет β=(0,454-0,4196)-100/0,454=7,5%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность определения уровня раздела паровой, жидкой фаз и двухфазного слоя, что обеспечивается за счет различного приращения температур частей датчика, находящегося в паровой и жидкой фазах и, соответственно, различного изменения удельных электрических сопротивлений датчика при пропускании тока через датчик.