СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ БОРНОЙ КИСЛОТЫ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
SYSTEM OF MEASURING CONCENTRATION OF BORIC ACID IN FIRST CIRCUIT OF HEAT CARRIER OF NUCLEAR POWER REACTOR

3
3
Изобретение относится к области измерительной техники и ядерной энергетике и предназначено для использования в составе ядерного энергетического реактора атомной электростанции для непрерывного контроля и оперативного измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора типа ВВЭР. Борная кислота, содержащаяся в виде водного раствора в составе теплоносителя, содержит химический элемент Бор-10, атомное ядро которого является эффективным поглотителем нейтронов, образующихся при работе ядерного реактора. Количество атомов Бора-10 в составе теплоносителя является фактором, определяющим режим работы ядерного реактора. Изменяя количество атомов бора в составе теплоносителя, можно изменять режим работы ядерного реактора. В состав одной молекулы борной кислоты (НВО) входит один атом Бора-10. Концентрация атомов Бора-10 пропорциональна концентрации борной кислоты в ее водном растворе в составе теплоносителя ядерного реактора. Поэтому измерение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя тождественно определению концентрации атомов Бора-10 в указанном теплоносителе, что является важным фактором управления работой и обеспечения безопасности работы ядерного энергетического реактора.
Известны различные методы определения концентрации атомов бора и борной кислоты в составе контура теплоносителя ядерного реактора. Одним из наиболее известных и практически применяемых методов является метод непосредственного отбора пробы из контура теплоносителя ядерного реактора и последующего химического измерения концентрации борной кислоты в составе полученной пробы - так называемый хемолюминесцентный метод определения концентрации борной кислоты [1, 13]. Согласно данному методу материал отобранной из контура теплоносителя пробы подвергается обработке люцигенином, щелочью и перекисью водорода. Концентрация борной кислоты определяется по уровню люминесцентного свечения обработанной пробы, которое пропорционально концентрации борной кислоты. К недостаткам такого метода измерений следует отнести низкую точность измерений, вследствие большого числа факторов, возникающих при обработке пробы набором специальных веществ и влияющих на уровень люминесцентного свечения, помимо собственно концентрации борной кислоты. Реализация данного метода связана с рядом больших технических сложностей, обусловленных радиоактивностью, присутствующей в контуре теплоносителя и окружающих помещениях ядерного реактора, что приводит к необходимости применения специальных и дорогостоящих средств, для предотвращения облучения технического персонала реактора, обеспечивающего взятие пробы из контура теплоносителя. Аппаратура для взятия пробы непосредственно из контура теплоносителя является весьма сложной и громоздкой вследствие высокой температуры и давления рабочего вещества - дистиллированной воды - в контуре теплоносителя и вносит дополнительные погрешности в процесс измерения. Кроме того, процесс отбора пробы и последующего химического определения концентрации борной кислоты занимает много времени, и не позволяет быстро и оперативно получать информацию о концентрации атомов бора в теплоносителе, что необходимо для эффективного управления работой ядерного реактора. Известны радиационные методы определения концентрации Бора-10 в теплоносителе ядерного реактора [2], основанные на регистрации нейтронного потока на выходе ядерного реактора. К таким методам относится способ контроля содержания Бора-10 в первом контуре теплоносителя ядерного реактора по патенту РФ №2025800 [3]. Способ основан на измерении нейтронного потока через теплоноситель на выходе ядерного реактора. При этом регистрируются раздельно нейтроны с энергией до 0,6 эВ в и нейтроны с энергией свыше 0,6 эВ, и по отношению этих потоков нейтронов судят об увеличении концентрации Бора-10 в составе теплоносителя ядерного реактора. К недостаткам данного метода следует отнести низкую точность измерений, позволяющую осуществлять измерение концентрации бора порядка единиц грамм на литр теплоносителя. Кроме того, для реализации данного метода необходимо расположение измерительной аппаратуры непосредственно в рабочей зоне ядерного реактора, что представляет большие сложности в контроле функционирования и технического обслуживания работы аппаратуры.
Наиболее эффективным и точным методом измерения концентрации бора и борной кислоты в ее водном растворе, т.е. в теплоносителе ядерного реактора, является оптический фотометрический метод измерения. Применение данного метода основано на прямом фотометрировании и измерении светового потока соответствующей длины волны, прошедшего через вещество теплоносителя в контуре ядерного реактора непосредственно в его рабочем режиме, без какого либо отбора пробы и без использования каких-либо дополнительных воздействий на вещество теплоносителя химическими веществами, как в хемолюминесцентном методе измерений, а также без измерений радиационных потоков излучения. Для осуществления данного метода измерений необходима врезка в первый контур теплоносителя ядерного реактора измерительной проточной кюветы с оптически прозрачными окнами-иллюминаторами с помощью байпаса - специального ответвляющего трубопровода. Фотометрические методы измерения концентрации веществ в газовой или водной среде известны и с успехом применяются в различных технических отраслях. Однако применение данного метода в ядерной энергетике предъявляет определенные технические требования к аппаратуре и требует решения ряда сложных проблем и задач. Здесь следует отметить невозможность расположения аппаратуры вблизи рабочей зоны реактора и необходимость выноса измерительной аппаратуры из зоны радиационного воздействия и расположения ее на значительном расстоянии от измерительной кюветы, требование высокой точности измерения весьма малых концентраций борной кислоты (порядка 0,5 мг/л вещества теплоносителя) в конце рабочей сессии работы ядерного реактора, обеспечение высокой достоверности и доверительности полученных результатов измерений, а также требование высокой оперативности в проведении измерений. Представляемое изобретение направлено на решение указанных задач.
Известные устройства, реализующие фотометрический метод измерения концентрации веществ, содержат источник излучения, фотоприемник, измерительную кювету, с помощью которой образованы измерительный и опорный каналы измерения, схему обработки измерений. Недостатком данных устройств является сравнительно низкая точность измерений, особенно проявляющаяся при низкой концентрации измеряемых веществ из-за низкой поглощательной способности самого измеряемого вещества. Для преодоления этого недостатка обычно осуществляют увеличение длины измерительной кюветы, или используют многопроходную кювету. Однако эти методы повышения точности неприменимы при проведении измерений в условиях ядерного реактора. Известен двухлучевой фотометр с многоходовой кюветой [4] по патенту Англии №1157086. Устройство содержит источник излучения, измерительный и сравнительный каналы (кюветы), зеркальный модулятор, фотоприемник, блок преобразования сигналов. К недостаткам устройства следует отнести низкую точность измерений.
Известно устройство [5] по патенту РФ №2022239, предназначенное для оптико-абсорбционного анализа газовой смеси. Устройство содержит инфракрасный источник излучения, широкополосный фильтр, измерительную кювету, интерференционный фильтр, фотоприемник, заполненный закисью азота. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения, что обусловлено нестабильностью параметров источника ИК излучения и приемника излучения и отсутствием возможности компенсации данной нестабильности. В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по технической сущности устройство по патенту РФ №750287 [6]. Устройство представляет собой двухлучевой фотометр и предназначено для оптико-абсорбционного анализа и определения концентраций веществ в жидкой фазе. Данное устройство содержит источник излучения с конденсором, многоходовую (двухходовую) кювету с исследуемым веществом, измерительный и сравнительный каналы, интерференционный фильтр, два фотоприемника, зеркальный механический модулятор, разностный каскад, блок обработки сигналов и управления. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерений, особенно проявляющуюся при измерении малых концентраций веществ. Это обусловлено невозможностью увеличения длины измерительной кюветы при измерении малых концентраций вещества, а также влиянием разброса в чувствительности двух используемых фотоприемников и отсутствия компенсации этого разброса. Следует также отметить принципиальную невозможность использования измерительного оптического устройства, созданного по данной схеме, для проведения измерений в условиях действующего ядерного реактора. Это обусловлено рядом специфических требований, предъявляемых к аппаратуре для измерения параметров теплоносителя в первом контуре ядерного реактора. К таким требованиям и действующим факторам относится невозможность расположения измерительной аппаратуры вблизи ядерного реактора и необходимость выноса аппаратуры в отдельное, защищенное от радиации помещение на значительном расстоянии от реактора - порядка 25 метров, а также невозможность увеличения длины измерительной кюветы свыше одного метра и невозможность использования многоходовой кюветы, имеющей увеличенные габариты (в диаметре) и требующей периодического обслуживания техническим персоналом.
Целью предлагаемого изобретения является преодоление указанных недостатков и создание измерительной системы для оптико-абсорбционного анализа и непрерывного дистанционного измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора типа ВВЭР с высокой точностью, обеспечивающей измерение малых концентраций борной кислоты. Измерение параметров первого контура теплоносителя ядерного реактора осуществляется дистанционно в автоматическом режиме и с высокой оперативностью, без участия обслуживающего персонала, который не подвергается при этом какой-либо радиационной опасности. Предлагаемая измерительная система обеспечивает возможность измерения с высокой точностью больших концентраций борной кислоты в составе теплоносителя порядка десятков грамм на литр вещества теплоносителя - в начале рабочей сессии ядерного реактора, а также измерение малых концентраций борной кислоты в составе вещества теплоносителя порядка 0,5-0,1 мг/л в конце рабочей сессии ядерного реактора. Это реализуется благодаря использованию специальных средств, обеспечивающих многократное прохождение измерительного лазерного излучения через измерительную кювету с ограниченными габаритами, допускающими использование в условиях ядерного реактора.
Достигаемым техническим результатом является увеличение точности измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора, реализация измерений малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя, обеспечение высокой оперативности проведения измерений дистанционно на значительном расстоянии от действующего ядерного реактора без участия обслуживающего персонала.
Указанный технический результат достигается следующим образом и продемонстрирован в виде двух вариантов построения системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора.
Первый вариант построения системы измерения
1. В системе измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные фотоприемный блок, блок обработки сигналов и блок управления, при этом фотоприемный блок снабжен объективом, а управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку управления, введены второй лазерный генератор, первый и второй модуляторы лазерного излучения, первый, второй и третий оптические переключатели, четыре волоконно-оптические линии, три управляемых оптических ослабителя, управляемый спектральный фильтр, блок измерения параметров лазерного излучения, пять отражательных зеркал и пять полупрозрачных зеркал, при этом оптические выходы первого и второго лазерных генераторов связаны с оптическими входами, соответственно, первого и второго модуляторов лазерного излучения, оптический выход первого модулятора лазерного излучения связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных на оптической оси первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход первого модулятора лазерного излучения дополнительно связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический выход второго модулятора лазерного излучения связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством четвертого отражательного зеркала, первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход второго модулятора лазерного излучения дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством четвертого отражательного зеркала, первого и второго полупрозрачных зеркал, первый оптический выход первого оптического переключателя оптически связан с входом первой волоконно-оптической линии через первый оптический ослабитель, оптический выход первой волоконно-оптической линии связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан с входом третьей волоконно-оптической линии через второй управляемый ослабитель, оптический выход третьей волоконно-оптической линии связан с оптическим входом эталонной кюветы, оптический выход измерительной кюветы связан с входом второй волоконно-оптической линии, оптический выход которой связан с первым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход эталонной кюветы связан с оптическим входом четвертой волоконно-оптической линии, выход которой связан со вторым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя оптически связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных и оптически связанных третьего отражательного зеркала, пятого полупрозрачного зеркала, второго отражательного зеркала и третьего полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего оптического переключателя дополнительно связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя посредством третьего отражательного зеркала и пятого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя связан со вторым оптическим входом второго оптического переключателя посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого и пятого отражательных зеркал, оптический выход третьего управляемого ослабителя дополнительно связан с оптическим входом блока измерения параметров лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока, управляющий вход второго лазерного генератора и управляющие входы первого и второго модуляторов лазерного излучения подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических переключателей и трех управляемых ослабителей подсоединены к блоку управления, управляющий вход управляемого спектрального фильтра подключен к блоку управления.
2. В системе измерения по пункту 1 в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.
3. В системе измерения по пункту 1 первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
4. В системе измерений по пункту 1 оптические переключатели содержат отражательное зеркало и шаговый электродвигатель.
5. В системе измерения по пункту 1 управляемый спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в диапазоне ультрафиолетовых длин волн и в коротковолновой части видимого диапазона длин волн.
6. В системе измерения по пункту 1 управляемый спектральный фильтр содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.
7. В системе измерения по пункту 1 эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.
Второй вариант построения системы измерения
Технический новый результат достигается следующим:
8. В системе измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные фотоприемный блок, блок обработки сигналов и блок управления, при этом фотоприемный блок снабжен объективом, а управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку управления, введены второй лазерный генератор, первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый, второй и третий оптические переключатели, четыре волоконно-оптические линии, три управляемых оптических ослабителя, управляемый спектральный фильтр, блок измерения параметров лазерного излучения, пять отражательных зеркал и семь полупрозрачных зеркал, при этом оптический выход первого лазерного генератора связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных на оптической оси первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход первого лазерного генератора дополнительно связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический выход второго лазерного генератора связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством четвертого отражательного зеркала, первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход второго лазерного генератора дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством четвертого отражательного зеркала, первого и второго полупрозрачных зеркал, первый оптический выход первого оптического переключателя оптически связан со входом первой волоконно-оптической линии через первый оптический ослабитель, оптический выход первой волоконно-оптической линии связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан со входом третьей волоконно-оптической линии через второй управляемый ослабитель, оптический выход третьей волоконно-оптической линии связан с оптическим входом эталонной кюветы, оптический выход измерительной кюветы связан со входом второй волоконно-оптической линии, оптический выход которой связан с первым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход эталонной кюветы связан с оптическим входом четвертой волоконно-оптической линии, выход которой связан со вторым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя оптически связан с оптическим входом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством третьего отражательного зеркала, пятого полупрозрачного зеркала и второго отражательного зеркала, оптический выход второго блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством третьего полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего оптического переключателя дополнительно связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя посредством третьего отражательного зеркала и пятого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя связан со вторым оптическим входом второго оптического переключателя посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого отражательного зеркала и шестого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя дополнительно связан с оптическим входом блока измерения параметров лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим входом первого блока сдвига частоты лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого отражательного зеркала и шестого полупрозрачного зеркала, оптический выход первого блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока посредством шестого отражательного зеркала и седьмого полупрозрачного зеркала, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока через седьмое полупрозрачное зеркало, управляющие входы второго лазерного генератора, первого и второго блоков сдвига частоты лазерного излучения подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических переключателей и трех управляемых ослабителей подсоединены к блоку управления, управляющий вход управляемого спектрального фильтра подключен к блоку управления.
9. В системе измерения по пункту 8 в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.
10. В системе измерения по пункту 8 первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
11. В системе измерения по пункту 8 оптические переключатели содержат отражательное зеркало и шаговый электродвигатель.
12. В системе измерения по пункту 8 управляемый спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в диапазоне ультрафиолетовых длин волн и в коротковолновой части видимого диапазона длин волн.
13. В системе измерения по пункту 8 управляемый спектральный фильтр содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.
14. В системе измерения по пункту 8 первый блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.
15. В системе измерения по пункту 8 второй блок сдвига частоты лазерного излучения содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.
16. В системе измерения по пункту 8 эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.
17. Система измерения по пункту 8 содержит три измерительные кюветы, оптически связанные посредством волоконно-оптических линий с оптическими входами шести дополнительных оптических переключателей, поочередно включающих измерительные кюветы в оптическую схему системы измерения, причем измерительные кюветы подключены к первому контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора в его различных точках.
На фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта построения предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. Цифрами на фиг. 1 обозначены следующие элементы:
1 - первый лазерный генератор;
2 - измерительная кювета, снабженная окнами, прозрачными для лазерного излучения;
3 - эталонная кювета;
4 - фотоприемный блок;
5 - блок обработки сигналов;
6 - блок управления;
7 - объектив фотоприемного блока;
Далее представлены следующие вновь введенные элементы:
8 - второй лазерный генератор;
9 - первое полупрозрачное зеркало;
10 - второе полупрозрачное зеркало;
11 - третье полупрозрачное зеркало;
12 - первый оптический переключатель;
13 - отражательное зеркало первого оптического переключателя;
14 - первый управляемый ослабитель с блоком управления поз. 15;
15 - блок управления первым ослабителем;
16 - второй управляемый ослабитель с блоком управления поз. 17;
17 - блок управления вторым ослабителем;
18 - третий управляемый ослабитель с блоком управления поз. 19;
19 - блок управления третьим ослабителем;
20 - блок измерения параметров лазерного излучения;
21 - второй модулятор лазерного излучения;
22 - первый модулятор лазерного излучения;
23 - второй оптический переключатель;
24 - отражательное зеркало второго оптического переключателя;
25 - третий оптический переключатель;
26 - отражательное зеркало третьего оптического переключателя;
27 - управляемый спектральный фильтр;
28 - первая волоконно-оптическая линия;
29, 30 - адаптеры волокна первой волоконно-оптической линии, выполняющие функцию согласования оптических пучков и являющиеся оптическими входами и выходами волоконно-оптической линии;
31 - вторая волоконно-оптическая линия;
32, 33 - адаптеры волокна;
34 - третья волоконно-оптическая линия;
35, 36 - адаптеры волокна;
37 - четвертая волоконно-оптическая линия;
38, 39 - адаптеры волокна;
40 - четвертое полупрозрачное зеркало;
41, 42, 43 и 44 - первое, второе, третье и четвертое отражательные зеркала, соответственно;
45 - пятое полупрозрачное зеркало;
46 и 47 - входной и выходной патрубки измерительной кюветы для подсоединения ее к первому контуру теплоносителя ядерного реактора;
49 - блок наполнения эталонной кюветы рабочим веществом;
50 - пятое отражательное зеркало.
В состав первого и второго лазерных генераторов (поз. 1 и 8) входят формирователи лазерного излучения.
На фиг. 2 приведена блок-схема второго варианта построения системы измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. На фиг. 2 элементы, сходные с первым вариантом построения системы измерений на фиг. 1, обозначены теми же цифрами. Во втором варианте системы на фиг. 2 имеются следующие отличия от первого варианта системы на фиг. 1.
Отсутствуют (исключены) модуляторы лазерного излучения позиции 21 и 22.
Пятое отражательное зеркало поз. 50 исключено и заменено на шестое полупрозрачное зеркало поз. 51, установленное на прежнем месте отражательного зеркала 50 в оптической схеме.
Добавлены (вновь введены) следующие элементы:
52 - первый блок сдвига частоты лазерного излучения;
53 - второй блок сдвига частоты лазерного излучения;
54 - шестое отражательное зеркало;
55 - седьмое полупрозрачное зеркало.
На фиг. 1 и фиг. 2 пересечение волоконно-оптических линий 34 и 38 с открытыми оптическими линиями происходит в разных плоскостях и не влияет на работу измерительной системы.
На фиг. 3 приведена блок-схема управляемого спектрального фильтра (27 на фиг. 1), содержащего следующие элементы, обозначенные цифрами:
56 и 57 - акустооптические ячейки;
58 и 59 - блоки управления, содержащие генераторы электрических сигналов;
60 и 61 - оптические переключатели;
62-65 - отражательные зеркала;
66 и 67 - пьезоэлементы;
68 и 69 - входная и выходная диафрагмы.
На фиг. 4 приведена блок-схема первого блока сдвига частоты лазерного излучения (поз. 52 на фиг. 2), где обозначены следующие элементы:
70 и 71 - акустооптические ячейки;
72 и 73 - блоки управления, содержащие электрические генераторы;
74 и 75 - оптические переключатели;
76-79 - отражательные зеркала.
80 и 81 - входная и выходная диафрагмы.
На фиг. 5 приведена блок-схема второго блока сдвига частоты лазерного излучения (поз. 53 на фиг. 2), где обозначены следующие элементы:
82 - акустооптическая ячейка, 82.1 - пьезоэлемент;
83 - блок управления, содержащий генератор электрических сигналов;
84 - линза;
85 - точечная диафрагма.
86 - линза;
87, 88 - входная и выходная диафрагмы.
На фиг. 6 приведен вариант выполнения системы измерений, основанный на использовании открытых линий оптической связи измерительной кюветы 2 с измерительной схемой вместо волоконно-оптических линий. Элементы, совпадающие с элементами на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены прежними цифрами. Новыми цифрами обозначены следующие вновь введенные элементы:
89-94 - отражательные зеркала;
95 и 96 - защитные кожуха.
На фиг. 7 приведена схема первого оптического переключателя (поз. 12 на фиг. 1 и фиг. 2), который находится в состоянии подключения эталонной кюветы к измерительной схеме. Обозначения соответствуют аналогичным элементам на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 8 представлена блок-схема варианта построения измерительной системы, содержащая несколько измерительных кювет. В данном варианте система измерений содержит три измерительных кюветы. Прежние элементы обозначены соответствующими прежними цифрами. Новые элементы обозначены следующими цифрами:
97 и 98 - дополнительные измерительные кюветы;
99-104 - дополнительные оптические переключатели;
105-108 - дополнительные волоконные линии.
На фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 11 представлены результаты моделирования измерительного процесса при осуществлении измерений в данной измерительной системе параметров теплоносителя с концентрацией борной кислоты, составляющей 0,5 мг/л (фиг. 9), 0,25 мг/л (фиг. 10) и 0,1 мг/л (фиг. 11).
Измерительная система (фиг. 1 и фиг. 2) работает следующим образом. Система осуществляет непрерывное измерение оптических параметров вещества теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерение оптических параметров осуществляется абсорбционно-спектральным методом, путем пропускания лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором поз. 1 (см. фиг. 1) через измерительную кювету 2 и последующего измерения оптических параметров прошедшего через кювету 2 лазерного излучения с помощью фотоприемного блока 4. Измерительная кювета 2 с помощью специальных патрубков 46 и 47 соединена с первым контуром теплоносителя ядерного реактора посредством специального байпаса (обходного трубопровода). Этим обеспечивается заполнение объема измерительной кюветы 2 веществом теплоносителя, циркулирующего в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерительная кювета 2 снабжена специальными оптическими окнами, прозрачными для лазерного излучения лазерных генераторов поз. 1 и 8. Измерительная кювета 2 размещена вблизи ядерного реактора в зоне действия радиации, и соединена с остальной измерительной аппаратурой, размещенной в зоне отсутствия радиации, волоконно-оптическими линиями 28 и 31. Таким образом, с помощью измерительной кюветы 2, размещенной отдельно от измерительной аппаратуры, осуществляется измерение оптических параметров теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. В системе измерений первый лазерный генератор поз. 1 является основным источником зондирующего лазерного излучения, на длине волны которого осуществляется измерение характеристик оптического пропускания зондирующего лазерного излучения исследуемым веществом теплоносителя - раствора борной кислоты. Второй лазерный генератор 8 является вспомогательным генератором и генерирует лазерное излучение в более длинноволновой области спектра. С помощью данного лазерного излучения осуществляется контроль и тестирование работы системы измерения, параллельная настройка оптических параметров пропускания излучения измерительной и эталонной кювет. Эталонная кювета 3 снабжена волоконно-оптическими линиями (поз. 34 и 37), аналогичными волоконно-оптическим линиям 28 и 31, подключающим измерительную кювету 2 к оптической схеме системы измерений. Это позволяет осуществить точную настройку и калибровку системы измерений с использованием точно известных параметров эталонного раствора борной кислоты, содержащегося в эталонной кювете 3.
Абсорбционно-спектральный метод основан на определении оптических характеристик пропускания и поглощения веществ в определенных спектральных диапазонах и длинах волн. Применение абсорбционно-спектрального метода для измерения оптических характеристик веществ основано на физических законах Бера и Бугера-Ламберта. Закон Бугера-Ламберта определяет, что при прохождении светового излучения через слой вещества доля поглощенной энергии определяется толщиной L (длиной) пройденного светом пути в исследуемом веществе. В соответствии с этим величина энергии светового потока I, прошедшего через слой исследуемого вещества с толщиной L, может быть определена по формуле:
0
где I - исходный (входной) падающий световой поток (на входе в измерительную кювету 2); α - коэффициент поглощения светового излучения при прохождении через слой исследуемого вещества, находящийся в измерительной кювете 2. Оптическая плотность вещества (поглощаемость) D равна:
Согласно закону Бера оптическая плотность D пропорциональна концентрации С исследуемого вещества
где K - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом экстинкции и характеризующий экстинкцию (гашение). Таким образом, основное уравнение, связывающее падающий и прошедший световые потоки и концентрацию исследуемого вещества С, можно представить в следующей форме:
-1
-1
где использованы следующие величины и размерности: L [см] - толщина слоя исследуемого вещества (длина измерительной кюветы), С [г/л] - концентрация исследуемого вещества, K [л·гсм] - коэффициент экстинкции.
Коэффициент экстинкции является величиной, определяющей ослабляющую световой поток способность некоторой единичной концентрации исследуемого вещества на единичном пути прохождения светового излучения (L=1 см). Коэффициент экстинкции зависит от длины волны λ светового излучения, проходящего через слой исследуемого вещества K=K(λ).
Таким образом, при использовании абсорбционно-спектрального метода для определения концентрации какого-либо вещества, например, концентрации борной кислоты в ее водном растворе, необходимо вначале определить (или иметь заранее по прежним исследованиям) коэффициент экстинкции раствора борной кислоты K на длине волны оптического излучения, использованного для просвечивания исследуемого слоя вещества. Далее осуществляется измерение величин (энергии) падающего и прошедшего оптического излучения. После проведения измерений величин световых потоков осуществляется определение искомой концентрации исследуемого вещества - концентрации борной кислоты в измерительной кювете 2, через которую проходил световой поток от первого лазерного генератора 1, по следующей формуле, полученной из основного соотношения (4):
где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L.
Уравнение (5) является основным для определения концентрации вещества в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известно по технической литературе. В предлагаемой измерительной системе данное уравнение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора - в пределах от десятков грамм на литр в начале сессии работы ядерного реактора, до десятых долей грамма на литр объема вещества теплоносителя в середине сессионного периода работы. Для измерения меньших концентраций используется специальный режим измерений, рассмотренный далее. Следует отметить, что борная кислота, присутствующая в составе теплоносителя в виде водного раствора, характеризуется очень малой величиной поглощения оптического излучения и, соответственно, малой величиной коэффициента экстинкции. Заметное поглощение оптического излучения борной кислотой имеет место в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 200-400 нанометров, однако и в этом диапазоне поглощение излучения борной кислотой является очень малым и обусловливает принятие специальных мер для повышения чувствительности абсорбционно-спектрального метода при измерении малых значений концентрации борной кислоты, необходимых при осуществлении контроля и управления работой ядерного энергетического реактора.
изм
0
изм
изм
0
изм
изм
Следует отметить, что величина (произведение) KL в соотношении (5) определяет чувствительность абсорбционно-спектрального метода измерений. Действительно, основной технически измеряемой величиной является величина V в (5), которая определяется и обусловлена уменьшением уровня светового потока после прохождения измерительной кюветы, по сравнению с уровнем светового потока на входе в измерительную кювету. Измерение параметров светового потока (излучения) после прохождения через слой исследуемого вещества является основной операцией абсорбционно-спектрального метода. Основным измеряемым параметром здесь является отношение Р=V/I, которое далее используется в соотношении (5) для непосредственного определения концентрации борной кислоты или других измеряемых данным методом веществ. Для обеспечения достаточно высокой точности измерений уровней световых потоков с помощью современной аппаратуры отношение Р должно превышать некоторый пороговый уровень измерения малых величин в указанной аппаратуре. Для современной измерительной аппаратуры такой уровень составляет величину порядка 1%, отсюда величина регистрируемого относительного уменьшения светового потока Р=V/I должна быть не меньше 0,01:Р>0,01. Таким образом, при осуществлении измерений абсорбционно-спектральным методом для получения высокой требуемой точности измерений относительная величина Р уменьшения светового потока должна быть не меньше одного процента от величины светового потока, поступающего на вход измерительной кюветы и удовлетворять соотношению
изм
min
Можно утверждать, что величина отношения Р=0,01 определяет пороговую величину минимальной концентрации борной кислоты, которую можно измерить при данной известной величине экстинкции K на выбранной для измерений длине волны оптического излучения. Согласно соотношениям (4) и (5) минимальная измеряемая концентрация C равна следующей величине, определяемой из соотношения
min
Разлагая в ряд экспоненту при малых величинах K и С, получаем для C:
min
min
Величина C в (5.3) определяет минимально-возможную измеряемую концентрацию борной кислоты и является чувствительностью (потенциальной) абсорбционно-спектрального метода и одновременно чувствительностью аппаратуры, применяемой для измерений. Из (5.3) следует, что чувствительность метода определяется произведением величин KL и увеличивается (в смысле уменьшения минимально-регистрируемой величины C) при увеличении произведения KL. Борная кислота характеризуется весьма малой величиной экстинкции K, что существенно увеличивает согласно (5.3) величину минимальной регистрируемой концентрации борной кислоты и, соответственно, приводит к ухудшению чувствительности используемой измерительной аппаратуры. Поэтому при осуществлении измерений малых концентраций борной кислоты возникает проблема увеличения чувствительности измерительной аппаратуры, решение которой предложено в представляемом изобретении. Стандартным абсорбционно-спектральным методом возможно проведение измерений сравнительно больших концентраций борной кислоты.
Измерение больших и средних величин концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора, циркулирующего через измерительную кювету 2, осуществляется следующим образом (в первом варианте построения системы измерений).
0
0
Лазерный генератор 1 является основным и генерирует лазерное излучение (ЛИ) в ультрафиолетовой области спектра, в которой борная кислота обладает наибольшей поглощательной способностью, т.е. коэффициент экстинкции K имеет наибольшее значение. Второй лазерный генератор поз. 8 выполняет дополнительные функции контроля и настройки режима работы системы измерений. Лазерный генератор 8 осуществляет генерацию лазерного излучения в синей или зеленой области видимого спектра, в которой поглощение оптического излучения борной кислотой практически отсутствует, что позволяет осуществить с помощью данного ЛИ от лазерного генератора 8 совместную настройку и тестирование измерительной 2 и эталонной 3 кювет. Лазерные генераторы 1 и 8 работают по отдельности. Модулятор лазерного излучения 22 осуществляет формирование импульсов лазерного излучения с некоторой короткой длительностью, например, порядка 100 нс. Частота повторения импульсов порядка один импульс в секунду. Более высокая частота повторения не требуется, так как по одному сформированному импульсу лазерного излучения определяется концентрация борной кислоты в теплоносителе, протекающем через измерительную кювету 2. Концентрация С - основной измеряемый параметр измерительной системы. Сформированный импульс лазерного излучения с выхода модулятора лазерного излучения 22 поступает на вход адаптера волокна 30 первой волоконно-оптической линии 28 через следующие элементы, размещенные по ходу распространения данного импульса лазерного излучения: через полупрозрачные зеркала поз. 9, 10 и 11, а также после отражения от отражательного зеркала 13 первого оптического переключателя 12 и через первый управляемый ослабитель 14. При этом первый, второй и третий оптические переключатели включены, как это показано на фиг. 1, для осуществления подачи ЛИ в измерительную кювету 2, приема излучения, прошедшего через измерительную кювету 2 и для передачи прошедшего лазерного излучения на вход фотоприемного блока 4. После прохождения по первой волоконно-оптической линии 28 лазерное излучение через адаптер волокна 29 поступает на вход измерительной кюветы 2, проходит через нее, и далее через адаптер волокна 32, вторую волоконно-оптическую линию 31 и адаптер волокна 33 поступает далее на ряд оптических элементов, направляющих прошедший через измерительную кювету 2 импульс лазерного излучения на вход фотоприемного блока 4. Для направления данного импульса ЛИ на вход фотоприемного блока 4 используются следующие оптические элементы, через которые проходит импульс лазерного излучения: отражательное зеркало 26 третьего оптического переключателя 25, отражательное зеркало 43, далее через полупрозрачное зеркало 45 в прямом ходе, отражательное зеркало 24 второго оптического переключателя 23, через управляемый оптический фильтр 27. С выхода последнего лазерный импульс поступает на вход объектива 7 и далее на фотоприемный блок 4. В последнем осуществляется регистрация лазерного импульса, преобразование его в электрический импульс, который поступает далее в блок обработки сигналов 5. В последнем осуществляется усиление импульса, оцифровка импульса, измерение амплитуды импульса в цифровой форме. После этого информация о параметрах импульса в цифровой форме поступает в блок управления 6, где осуществляется запоминание информации в специальном регистре памяти. Параллельно с регистрацией параметров импульса лазерного излучения, прошедшего через измерительную кювету 2, осуществляется измерение и регистрация параметров импульса лазерного излучения, поступившего на оптический вход измерительной кюветы 2 с выхода адаптера волокна 29. Для этого с помощью блока измерения параметров лазерного излучения 20 осуществляется измерение параметров импульса ЛИ, поступившего на вход блока 20 с выхода модулятора лазерного излучения 22 через полупрозрачные зеркала 9 и 10, третий управляемый ослабитель 18 и полупрозрачное зеркало 40. Блок 20 содержит фотоприемник для регистрации поступившего импульса ЛИ, а также схему для усиления и оцифровки импульса электрического сигнала. Далее полученная информация с выхода блока измерения 20 поступает в блок управления 6, где осуществляется запоминание параметров импульса и обработка его совместно с импульсом, поступившим на вход фотоприемного блока 4. При обработке импульса с выхода блока измерения параметров ЛИ 20 осуществляется учет заранее известной и находящейся в памяти блока обработки 6 информации о параметрах пропускания лазерного излучения элементами, через которые проходит ЛИ до входа в блок 20, а именно: пропускание полупрозрачных зеркал 9, 10 и 40, пропускании управляемого ослабителя 18, которое в тот момент времени установлено по командам от блока управления 6. Одновременно в блоке обработки 6 осуществляется учет ослабления лазерного излучения при его распространении от выхода модулятора ЛИ 22 до оптического входа в измерительную кювету 2 (выход адаптера волокна 29). При этом осуществляется учет пропускания элементов полупрозрачных зеркал 9, 10, 11, а также учет небольшого ослабления в волоконной линии 28 и в первом управляемом ослабителе 14, которое устанавливается по командам от блока управления 6. С учетом указанных факторов в блоке управления 6 образуется информация о величине амплитуды (энергии) импульса лазерного излучения I, поступившего на оптический вход измерительной кюветы 2. Аналогично в блоке управления 6 вычисляется величина амплитуды (энергии) импульса лазерного излучения, прошедшего через измерительную кювету 2 и зарегистрированного фотоприемным блоком 4. При этом осуществляется учет пропускания волоконной линии 31, полупрозрачного зеркала 45 и пропускание управляемого фильтра 27, величина пропускания которого на длине волны лазерного генератора 1 устанавливается по командам от блока управления 6. Далее в блоке управления 6 по полученным (измеренным) данным об уровнях величин импульсов лазерного излучения до I и после I прохождения через измерительную кювету 2 по формуле (5) осуществляется вычисление величины концентрации борной кислоты С в составе вещества теплоносителя, проходящего через кювету 2 с длиной рабочей зоны L. При этом используется значение коэффициента экстинкции K на длине волны излучения лазерного генератора, полученное из паспортных данных на борную кислоту, или величина K, полученная при специальных измерениях, например, с помощью предлагаемой измерительной системы. Полученная информация передается далее на пульт управлением ядерным реактором.
Для увеличения точности измерений в измерительной системе предусмотрен специальный режим тестирования и совместной калибровки чувствительности фотоприемников, входящих в состав блока измерения параметров лазерного излучения 20 и фотоприемного блока 4. Для осуществления указанного режима калибровки второй оптический переключатель 23 по команде от блока управления 6 осуществляет поворот отражательного зеркала 24 на 180 градусов (относительно оси блока 23), в результате чего отражательное зеркало занимает положение, при котором импульс лазерного излучения, распространяющийся от модулятора ЛИ 22 через элементы поз. 9, 10, 18, 40 и 41, после отражения от отражательного зеркала 50 и отражательного зеркала 24 в его новом положении поступает на оптический вход управляемого спектрального фильтра 27 и далее на вход фотоприемного блока 4. При регистрации фотоприемным блоком 4 поступившего импульса лазерного излучения используется информация о пропускании указанных оптических элементов. В результате осуществляется совместная взаимная калибровка, уточнение показаний и приведение к единой шкале измерений фотоприемного блока 4 и блока измерения параметров лазерного излучения 20, что позволяет исключить влияние разброса параметров чувствительности указанных элементов. При выполнении операций калибровки фотоприемников, измерение прошедшего через измерительную кювету 2 лазерного излучения не производится.
1
45
11
Измерение концентрации борной кислоты на основе однократного прохождения лазерного излучения через измерительную кювету возможно только для достаточно больших значений концентраций борной кислоты порядка десятых долей грамм на один литр вещества теплоносителя и более высоких концентраций (0,1-100 г/л). Для осуществления измерения меньших значений концентрации борной кислоты согласно формуле (5) и классическому методу измерений необходимо увеличивать длину измерительной кюветы L, или увеличивать поперечные габариты кюветы и использовать несколько проходов излучения по многоходовой измерительной кювете. Эти способы увеличения чувствительности используемого абсорбционно-спектрального метода неприемлемы для системы измерений, предназначенной для работы в условиях ядерного реактора, как это было отмечено выше. Поэтому для решения задачи увеличения чувствительности измерительной системы в условиях работы ядерного реактора в предлагаемом варианте построения измерительной системы использовано многократное прохождение измерительного (зондирующего) лазерного излучения через измерительную кювету 2 путем организации обратной связи выхода измерительной кюветы 2 с ее оптическим входом посредством ряда оптических элементов, как это показано на фиг. 1. Указанная оптическая обратная связь организована следующим способом. Лазерное излучение, прошедшее один раз через измерительную кювету 2, с выхода адаптера волокна 33 отражается от отражательного зеркала 26 третьего оптического переключателя 25, далее отражается от отражательного зеркала 43, отражается от полупрозрачного зеркала 45 в его боковом ходе, отражается от отражательного зеркала 42 и от полупрозрачного зеркала 11 в его боковом ходе. Далее лазерное излучение после отражения от отражательного зеркала 13 первого оптического переключателя 12 через первый управляемый ослабитель 14 поступает на вход адаптера волокна первой волоконно-оптической линии 28, и далее поступает во второй раз на оптический вход измерительной кюветы 2. Таким образом, замыкается петля обратной оптической связи по измерительной кювете 2. Импульс лазерного излучения с выхода модулятора ЛИ 22, однажды запущенный в оптическую систему через полупрозрачное зеркало 11, попадает в кольцо оптической обратной связи и будет многократно циркулировать по этому кольцу до полного поглощения импульса в оптических элементах и в измерительной кювете 2. При этом на каждом обороте по оптическому кольцу часть лазерного импульса ответвляется полупрозрачным зеркалом 45 в прямом ходе на вход фотоприемного блока 4 и подвергается измерению и регистрации в блоке управления 6, как это было изложено выше. После ответвления лазерного импульса, циркулирующего по оптическому кольцу, с помощью полупрозрачного зеркала 45 в его прямом ходе, данный импульс поступает на вход фотоприемного блока 4 после отражения от отражательного зеркала 24 второго оптического переключателя 23 и через управляемый спектральный фильтр 27, как это было рассмотрено выше. При этом оптический переключатель 23 установлен в положение передачи излучения от измерительной кюветы 2 (от полупрозрачного зеркала 45) на управляемый спектральный фильтр 27 и фотоприемный блок 4, как это показано на фиг. 1. Таким образом, с помощью введенной обратной связи осуществляется многократное прохождение исходного импульса лазерного излучения через измерительную кювету 2 с фиксированной ограниченной длиной рабочей зоны кюветы L. В результате физический путь импульса лазерного излучения через исследуемое вещество кюветы увеличивается на каждом обороте импульса ЛИ по кольцу обратной оптической связи. При осуществлении N оборотов импульса излучения по кольцу обратной связи его путь, пройденный в веществе измерительной кюветы, увеличивается в TV раз и составляет величину NL. Соответственно, импульс лазерного излучения, зарегистрированный в фотоприемном блоке 4 после прохождения N раз по кольцу оптической обратной связи через измерительную кювету 2, будет ослаблен в exp(NLKC) раз за счет многократного прохождения через измерительную кювету 2 (N-кратного прохождения) согласно формуле (4), которая определяет величину ослабления импульса лазерного излучения при однократном прохождении его через слой вещества длиной L, с концентрацией С, коэффициентом экстинкции K. Таким образом, при осуществлении многократного прохождения зондирующего лазерного импульса через измерительную кювету 2 эквивалентная действующая длина L измерительной кюветы возрастает в N раз и становится равной величине NL, что обеспечивает соответствующее увеличение чувствительности процесса измерения концентрации борной кислоты в составе теплоносителя, протекающего через измерительную кювету 2. Для того, чтобы осуществить определение концентрации С борной кислоты по формуле (5), необходимо учесть ослабление лазерного излучения при каждом прохождении импульса ЛИ по кольцу оптической обратной связи. Ослабление импульса лазерного излучения при его прохождении по кольцу обратной связи происходит вследствие поглощения излучения в оптических элементах, прежде всего в первой и второй волоконно-оптических линиях 28 и 31 и в адаптерах волокна 30, 29, 32, 33. Такие поглощения (ослабления) лазерного излучения могут быть достаточно малыми, но при многократном прохождении они должны быть учтены. Далее на каждом обороте лазерного импульса происходит его ответвление с помощью полупрозрачного зеркала 45 на фотоприемный блок 4, в результате чего дальше на отражательное зеркало 42 проходит часть лазерного импульса. Часть энергии лазерного импульса теряется на полупрозрачном зеркале 11, которое играет роль оптического сумматора и через которое осуществляется введение излучения зондирующего лазерного импульса в кольцо оптической обратной связи и в измерительную кювету. Дополнительно в кольцо обратной оптической связи осуществляется введение фиксированного заданного ослабления с помощью первого управляемого ослабителя 14, служащего для уравнивания величин ослабления лазерного излучения в измерительной 2 и эталонной 3 кюветах, что будет показано ниже. Следует отметить, что величины ослабления лазерного излучения, циркулирующего по кольцу обратной связи, в полупрозрачных зеркалах 45 и 11 могут быть сделаны достаточно малыми за счет уменьшения ответвляемой доли лазерного излучения в прямом ходе полупрозрачного зеркала 45 в сторону отражательного зеркала 24, и за счет увеличения величины лазерного излучения, отражаемого полупрозрачным зеркалом 11 в сторону отражательного зеркала 13. Обозначим величину пропускания лазерного излучения за один его оборот распространения по оптическому кольцу в измерительной кювете 2 символом Т. Здесь индекс 1 означает принадлежность к измерительной кювете 2. Направление движения (распространения) лазерного импульса считаем по часовой стрелке от полупрозрачного зеркала 45. При этом коэффициент ответвления лазерного импульса полупрозрачным зеркалом поз. 45 на вход фотоприемного блока 4 (на отражательное зеркало 24) обозначим символом T. Соответственно, обозначим коэффициент пропускания полупрозрачным зеркалом 11 зондирующего лазерного излучения от модулятора 22 лазерного излучения в сторону отражательного зеркала 13 (на оптическое кольцо) символом Т. Отсюда величину (энергии) импульса лазерного излучения, зарегистрированного фотоприемным блоком 4 (без учета пропускания управляемого спектрального фильтра 27), после N-кратного прохождения по кольцу оптической обратной связи, можно представить в следующей форме:
01
11
01
0
Здесь величина I является величиной импульса лазерного излучения с выхода модулятора лазерного излучения 22 с учетом пропускания в полупрозрачных зеркалах 9 и 10. Данное пропускание полупрозрачных зеркал 9 и 10 можно учесть в величине пропускания Т полупрозрачного зеркала 11. Тогда в формуле (6) вместо I можно сразу подставить I.
0
11
0
11
Представленное соотношение наиболее полно отражает все факторы, влияющие на характеристики лазерного зондирующего импульса, прошедшего N раз по кольцу оптической обратной связи и зарегистрированного фотоприемным блоком 4. Данное соотношение позволяет определить искомую величину концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя на основании измерений величины амплитуды импульса лазерного излучения I(N), регистрируемого и измеряемого фотоприемным блоком 4, и измерения величины импульса лазерного излучения IT, который поступает в кольцо оптической обратной связи однократно. Величина импульса лазерного излучения I с выхода модулятора лазерного излучения 22 измеряется с помощью блока измерения параметров лазерного излучения 20. Величина пропускания Т известна как технический параметр полупрозрачного зеркала 11.
Из соотношения (6) видно, что чувствительность реализуемой процедуры проведения измерений увеличивается в соответствии с увеличением эффективной длины измерительной кюветы в N раз. Это позволяет осуществить измерение малых концентраций С борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора. В соотношении (6) неизвестной является только одна величина - концентрация борной кислоты С, которая может быть определена из соотношения (6) решением соответствующего уравнения. Величина концентрации С на основании решения уравнения (6) может быть представлена в следующем виде:
0
По сравнению с соотношением (5) из (7) видно, что в новом методе измерений с увеличением в N раз числа прохождения лазерного излучения через измерительную кювету 2 появляется возможность измерения в N раз меньших концентраций С исследуемого вещества теплоносителя, протекающего через кювету 2 (первая составляющая в формуле (7)). В то же время под знаком логарифма кроме отношения измеряемых лазерных импульсов до и после измерительной кюветы I/I(N) появляется множитель
который свидетельствует об уменьшении уровня лазерного импульсного излучения (сигнала), поступающего на фотоприемный блок 4 при увеличении числа проходов данного зондирующего импульсного излучения в N раз. Это является естественным следствием и платой за более высокую чувствительность реализуемого метода (технологии измерений концентрации С). Однако представляется, что данная плата за высокую чувствительность не является слишком высокой, так как в настоящее время существуют достаточно мощные лазерные генераторы в УФ диапазоне длин волн и высокочувствительные фотоприемники УФ диапазона (ФЭУ), при использовании которых в предлагаемой измерительной системе указанное уменьшение величины лазерного импульса в соответствии с приведенной величиной R (8) может быть скомпенсировано и не является существенным. Рассмотрим еще раз соотношение (7) для определения концентрации С при однократном проходе лазерного импульса через измерительную кювету 2, при котором N=1:
1
11
45
1
1
11
45
1
1
11
45
1
эт
эт
где R=ТТТ. В соответствии с (8) R равно R при N=1. При этом единичном проходе лазерного импульса через измерительную кювету соотношение (9) совпадает с основной формулой вычисления концентрации С (5), если учесть, что пропускания полупрозрачных зеркал поз. 11 и 45 ТТ были учтены при выводе (5) в процессе измерения величины лазерного зондирующего импульса в блоке измерения параметров лазерного излучения 20, и при измерении лазерного импульса, прошедшего через измерительную кювету, в фотоприемном блоке 4. Величина ослабления Т лазерного импульса при однократном проходе при выводе (5) полагалась равной 1 и была опущена. Таким образом, соотношение (9) является более точной формулой для расчета концентрации С при одном проходе по сравнению со стандартной формулой (5) вследствие учета дополнительных технических параметров элементов оптической схемы измерительной системы. Параметры пропускания оптических элементов R=ТТТ в (9) являются в принципе известными величинами и не изменяются в процессе выполнения измерений концентрации С. Вместе с тем данные параметры влияют на конечный результат, и в процессе проведения измерений величина этих параметров должна быть точно известна и оставаться неизменной для обеспечения высокой точности и чувствительности измерений малых концентраций борной кислоты. Поэтому для достижения высокой точности проведения измерений при малых концентрациях измеряемого вещества в предлагаемой измерительной системе использованы ряд средств, направленных на измерение и стабилизацию указанных параметров R, входящих в основную формулу для определения концентрации С (7). К таким средствам относится использование эталонной кюветы и использование второго лазерного генератора 8. Эталонная кювета 3 является полным аналогом измерительной кюветы 2, но расположена вместе с основной измерительной аппаратурой в отдельном помещении, защищенном от действия радиации ядерного реактора. Эталонная кювета 3 снабжена волоконно-оптическими линиями 34 и 37 с адаптерами волокна аналогично измерительной кювете. При этом волоконные линии 34, 37 в эталонной кювете 3 имеют такую же длину, как и волоконные линии 28 и 31 в измерительной кювете 2. Волоконные линии 28 и 34, обеспечивающие подачу зондирующего лазерного импульса на входы измерительной и эталонной кювет, подключены одинаковым образом к оптическим входам первого оптического переключателя 12 через первый 14 и второй 16 управляемые ослабители. Соответственно оптические выходы измерительной и эталонной кювет одинаковым образом посредством волоконных линий 31 и 37 подключены к оптическим входам третьего оптического переключателя 25. Эталонная кювета 3 снабжена блоком наполнения рабочим веществом 49. Оператор посредством данного блока 49 осуществляет заполнение эталонной кюветы 3 раствором борной кислоты в дистиллированной воде необходимой (заданной) концентрации С. В результате этого в режиме тестирования возможно осуществление полного и точного моделирования работы всей измерительной системы при измерении любых заданных концентраций С борной кислоты в эталонной кювете в условиях и при длине подключающих волоконно-оптических линий, аналогичных используемым в измерительной кювете. Различие состоит только в отсутствии радиации в зоне расположения эталонной кюветы 3. Для осуществления режима тестирования в предлагаемой системе измерений от блока управления 6 на первый 12 и третий 25 оптические переключатели подается управляющий сигнал на переключение оптической системы в положение подключения эталонной кюветы 3 вместо измерительной кюветы 2. По этому сигналу в оптических переключателях 12 и 25 осуществляется поворот на 180 градусов отражательных зеркал 13 и 26, в результате которого лазерное излучение от полупрозрачного зеркала 11 поступает через второй управляемый ослабитель 16 на адаптер волокна 35 и далее через волоконную линию 34 на вход эталонной кюветы 3. Соответственно оптический выход эталонной кюветы 3 через волоконную линию 37, адаптер волокна 38 и отражательное зеркало 26 в его новом положении поступает на отражательное зеркало 43. Таким образом, осуществляется включение в кольцевую оптическую систему эталонной кюветы 3 вместо измерительной кюветы 2. На фиг. 7 показано положение первого оптического переключателя 12 в состоянии включения эталонной кюветы в оптическую измерительную систему и соответствующее положение отражательного зеркала 13. Далее в измерительной системе осуществляется измерение концентрации вещества в эталонной кювете 3 аналогично тому, как это было показано выше при измерении концентрации в измерительной кювете 2. При этом осуществляется подача лазерного зондирующего импульса на вход эталонной кюветы 3 и прием и регистрация лазерных импульсов с выхода эталонной кюветы 3 с помощью фотоприемного блока 4. Результаты обработки сигналов с выхода блока обработки 5 поступают в блок управления 6, где осуществляется запоминание полученной информации.
Дополнительным измерительным средством является вновь введенный второй лазерный генератор 8. Данный лазерный генератор работает на длине волны, которая лежит в сине-зеленой части видимого диапазона длин волн, при которой коэффициент экстинкции K раствора борной кислоты уменьшается до нуля. Это означает, что оптические поглощательные свойства (оптическая плотность) раствора борной кислоты любой концентрации тождественны оптическим свойствам чистой дистиллированной воды без борной кислоты. Это позволяет осуществить тестирование и определить пропускание измерительной кюветы и подключающих ее оптических элементов без откачки из измерительной кюветы рабочего вещества теплоносителя. Таким образом, тестирование и проверка основных оптических параметров измерительной кюветы и подключающих элементов можно осуществить в рабочем режиме ядерного реактора путем простого подключения лазерного генератора, работающего на другой длине волны. На практике переход в данный режим тестирования осуществляется выключением основного первого лазерного генератора 1 и включением второго лазерного генератора поз. 8, а также и включением соответствующего модулятора лазерного излучения 21. В оптическую систему на отражательное зеркало 13 в этом случае будет поступать лазерный импульс от лазерного генератора 8. Следует отметить, что при работе измерительной системы в режиме тестирования со вторым лазерным генератором на новой длине волны лазерного излучения управляемый спектральный фильтр 27 перестраивается на фильтрацию лазерного излучения с этой новой длиной волны по команде от блока управления 6.
Перечислим основные режимы работы первого варианта предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора, начиная от режима тестирования системы измерения.
1) На первом этапе осуществляется работа измерительной системы по эталонной кювете 3 при заполнении данной кюветы чистой дистиллированной водой без присутствия борной кислоты. При этом первый 12 и третий 25 оптические переключатели устанавливаются в положение подключения к измерительной системе эталонной кюветы 3, в отличие того, как это показано на фиг. 1, где к измерительной системе подключена измерительная кювета 2. На данном первом этапе работает второй лазерный генератор 8, а первый лазерный генератор 1 выключен. Модулятор лазерного излучения 21 формирует один зондирующий импульс лазерного излучения на длине волны лазерного генератора 8. Далее этот импульс ЛИ поступает через полупрозрачное зеркало 11 в кольцо оптической обратной связи, включающее эталонную кювету 3, и начинает циркулировать по этому кольцу, аналогично тому, как это было рассмотрено выше для измерительной кюветы 2. При этом фотоприемный блок 4 принимает и регистрирует лазерные импульсы на каждом обороте излучения по кольцу. Информация о параметрах этих импульсов от первого до некоторого импульса с номером N регистрируется в блоке управления 6, как это было рассмотрено выше. При проведении измерений на длине волны лазерного генератора 8 управляемый спектральный фильтр 27 переключается на фильтрацию и пропускание соответствующей длины волны.
2) На втором этапе процесс измерений с эталонной кюветой 3 осуществляется на длине волны первого лазерного генератора 1, а лазерный генератор 8 выключается. Управляемый спектральный фильтр 27 переводится в режим фильтрации лазерного излучения на длине волны первого лазерного генератора 1. Эталонная кювета 3 по-прежнему заполнена чистой дистиллированной водой. Фотоприемный блок 4 регистрирует серию импульсов лазерного излучения на рабочей длине волны первого лазерного генератора 1, которые далее запоминаются в блоке управления 6.
0
3) На последующих двух этапах осуществляется проведение измерений с эталонной кюветой 3 при заполнении ее раствором борной кислоты в дистиллированной воде с некоторой выбранной концентрацией С, например один миллиграмм на литр. Заполнение эталонной кюветы 3 осуществляется оператором с помощью блока наполнения 49. Далее осуществляется регистрация серии лазерных импульсов на длине волны лазерного генератора 8, прошедших по кольцу оптической обратной связи определенное число раз до некоторого последнего заданного номера N.
4) На четвертом последнем этапе работы с эталонной кюветой 3 осуществляется проведение измерений на длине волны первого лазерного генератора 1, как это было осуществлено на этапе 2.
0
0
В результате проведения измерений борной кислоты с эталонной кюветой 3 в блоке управления 6 образуется информация о параметрах серии лазерных импульсов, прошедших через эталонную кювету 3 различное число раз от одного до некоторого финального числа N. При этом концентрация борной кислоты в эталонной кювете 3 точно известна и равна С, а измерения уровней импульсов лазерного излучения проводились для двух известных длин волн - рабочей длины волны первого лазерного генератора 1 и длины волны второго лазерного генератора 8. Таким образом, с помощью эталонной кюветы 3 полностью промоделирован процесс проведения измерений концентрации борной кислоты С в условиях, совпадающих с условиями проведения измерений в измерительной кювете 2 в отношении оптической схемы и оптических сигналов - лазерных импульсов.
Далее система измерений переходит в режим проведения измерений с измерительной кюветой 2. Для осуществления этого режима оптические переключатели 12 и 25 устанавливаются в положение подключения измерительной кюветы 2 к оптической измерительной схеме, как это показано на фиг. 1. Далее на первом этапе работы с измерительной кюветой 2 осуществляется (как и с эталонной кюветой) проведение измерений на длине волны генерации второго лазерного генератора 8, а первый лазерный генератор 1 находится в выключенном состоянии. Производится прием и регистрация серии лазерных импульсов, прошедших по кольцу оптической обратной связи через измерительную кювету определенное число раз до максимального числа N. При этом оптические свойства измерительной кюветы 2 и эталонной кюветы 3, а также подводящих элементов, одинаковы, так как лазерный генератор 8 работает на длине волны в сине-зеленой области спектра, в которой коэффициент экстинкции борной кислоты равен нулю, вследствие чего борная кислота в измерительной кювете не вносит дополнительного поглощения в проходящий импульс лазерного излучения. Поэтому параметры набора лазерных импульсов, зарегистрированных на данном этапе измерений с использованием измерительной кюветы, должны совпадать с аналогичным набором импульсов, зарегистрированных в блоке 6 на этапе 1 проведения измерений с эталонной кюветой 3 (см. выше). В блоке управления 6 осуществляется сравнение указанных запомненных в блоке 6 групп лазерных импульсов, и при их небольшом различии по амплитуде осуществляется с помощью управляемого ослабителя 14 уравнивание пропускания в кольце обратной связи, включающей измерительную кювету 2 с аналогичным пропусканием по кольцу с включенной в это кольцо эталонной кюветой 3. Критерием уравнивания является совпадение амплитуд групп импульсов с соответствующими числами прохождения по кольцу обратной связи для измерительной и эталонной кювет при проведении измерений на длине волны второго лазерного генератора 8.
Далее осуществляется основной этап проведения измерений с измерительной кюветой 2 при работе лазерного генератора 1 на его рабочей длине волны и регистрация величин импульсов лазерного излучения на этой длине волны, прошедших определенное число оборотов по кольцу обратной связи, как это было рассмотрено выше. Полученный набор величин импульсов I(N) используется далее для расчета концентрации борной кислоты по формулам, приведенным выше. При этом могут быть использованы различные алгоритмы расчетов и определения параметров теплоносителя с использованием информации о проведенных измерениях с эталонной кюветой 3, запомненной в блоке управления 6.
Необходимо отметить, что отдельно осуществляется калибровка и приведение к единой шкале измерений характеристик фотоприемного блока 4 и блока измерения параметров лазерного излучения 20 на двух длинах волн первого 1 и второго 8 лазерных генераторов, как это было изложено выше. При проведении этой калибровки второй оптический переключатель 23 переводится в положение подачи на вход управляемого спектрального фильтра 27 лазерных импульсов от отражательного зеркала 50. Данная калибровка может отдельно осуществляться до или после проведения основных измерений. Необходимо отметить основное требование к длительности лазерных импульсов, формируемых модуляторами лазерного излучения 21 и 22, циркулирующих по кольцу оптической обратной связи. Длительность лазерного импульса не должна превышать, по крайней мере, половины времени оборота импульса по кольцу оптической обратной связи. При превышении длительности сверх указанной величины, произойдет слияние импульсов, что затруднит их разделение и определение амплитуды каждого отдельного импульса. Определим требования к длительности лазерных импульсов для стандартного расположения измерительной аппаратуры в 25 метрах от ядерного реактора. При этом длина кольца обратной связи будет составлять 50 метров, а длина одной волоконно-оптической линии составит 25 м. Время одного оборота по кольцу составит 1,6 мкс. В этих условиях длительность лазерного импульса не должна превосходить величины 0,8 мкс. Лазерный импульс с длительностью в 0,5 мкс может быть с успехом использован для разделения отдельных оборотов по цепи обратной связи в предлагаемой измерительной системе при указанной длине используемой волоконно-оптической линии, которая в предлагаемой измерительной системе выполняет вторую функцию линии задержки лазерных импульсов для их разделения по времени с целью раздельной регистрации.
В рассмотренном первом варианте построения системы измерений для повышения чувствительности измерений использован метод многократного прохождения измерительного зондирующего лазерного импульса через измерительную кювету 2. При этом разделение лазерных импульсов осуществляется по времени их прихода с помощью волоконной линии, которая не только обеспечивает дистанционное расположение измерительной аппаратуры на некотором расстоянии от ядерного реактора, но и выполняет вторую функцию - функцию линии задержки, необходимой для разделения импульсов по времени их прихода.
пр
пр
пр
пр
пр
Во втором варианте построения измерительной системы используется другой метод разделения импульсов лазерного излучения, основанный на частотном кодировании лазерных импульсов, прошедших разное число оборотов по кольцу оптической обратной связи, включающего измерительную кювету. Блок-схема второго варианта построения измерительной системы приведена на фиг. 2. Основные оптические элементы второго варианта системы измерений на фиг. 2 совпадают с аналогичными оптическими элементами первого варианта на фиг. 1, выполняют такие же функции и обозначены теми же номерами, что и сходные элементы на фиг. 1. Различие в блок-схемах на фиг. 2 и фиг. 1 состоит в следующем. Во втором варианте системы измерений исключены модуляторы лазерного излучения поз. 21 и 22 на фиг. 1. Кроме того в схеме на фиг. 2 вместо отражательного зеркала поз. 50 на фиг. 1 введено полупрозрачное зеркало 51, которое установлено в оптической схеме точно на месте отражательного зеркала 50 в первом варианте схемы на фиг. 1. При этом новое полупрозрачное зеркало 51 (шестое полупрозрачное зеркало) также выполняет и функцию прежнего отражательного зеркала 50 и направляет лазерный пучок от отражательного зеркала 41 на отражательное зеркало 24 второго оптического переключателя 23. Двумя новыми элементами во втором варианте построения системы измерений на фиг. 2 являются вновь введенные первый (поз. 52) и второй (поз. 53) блоки сдвига частоты лазерного излучения. Первый блок сдвига частоты лазерного излучения 52 своим оптическим входом связан с новым полупрозрачным зеркалом 51. Оптический выход блока сдвига частоты ЛИ 52 оптически связан с оптическим входом объектива 7 фотоприемного блока 4 посредством вновь введенных шестого отражательного 54 и седьмого полупрозрачного 55 зеркал. Через блок сдвига частоты 52 часть излучения от лазерных генераторов 1 и 8 направляется на вход фотоприемного блока 4. Эти лазерные излучения со смещенной частотой выполняют функции гетеродинных лазерных излучений. Второй блок сдвига частоты лазерного излучения 53 установлен в кольце оптической обратной связи между отражательным зеркалом 42 и полупрозрачным зеркалом 11. Управляющие электрические входы обеих блоков сдвига частоты ЛИ (c1 и с2) подключены к блоку управления 6. Блок сдвига частоты ЛИ 53 осуществляет сдвиг частоты проходящего через него по кольцу оптической обратной связи лазерного излучения (лазерного импульса) на заданную фиксированную величину сдвига F. При этом при каждом обороте лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи к его оптической частоте прибавляется фиксированная величина F. Таким образом, лазерное излучение, совершившее N оборотов по кольцу обратной связи, будет иметь дополнительный сдвиг оптической частоты, равный NF, по сравнению с исходным лазерным излучением с выхода лазерного генератора 1 или лазерного генератора 8, в зависимости от того, какой лазерный генератор работает в данный момент времени. Различие в величинах дополнительных сдвигов оптической частоты, приобретенных лазерным излучением в зависимости от числа оборотов по кольцу обратной оптической связи, используется для разделения указанных лазерных излучений (импульсов ЛИ) при приеме и регистрации этих излучений и их обработки в фотоприемном блоке 4, а также в блоке обработки сигналов 5 и в блоке управления 6. Фотоприемный блок 4 в данном втором варианте построения системы измерений на фиг. 2 работает в режиме лазерного гетеродинного приема поступающего лазерного излучения - в режиме так называемого фотосмешения. При этом первый блок сдвига частоты ЛИ 52 выполняет функцию формирования лазерного гетеродинного излучения (сигнала) с заданной оптической частотой. На оптический вход фотоприемного блока 4 поступает лазерное излучение, имеющее оптическую частоту со сдвигом NF после прохождения Ν оборотов по кольцу оптической обратной связи, а также лазерное гетеродинное излучение с выхода первого блока сдвига частоты ЛИ 52, имеющее сдвиг частоты, устанавливаемый по управляющим сигналам от блока управления 6 и равный величине NF+F, где величина F является некоторой добавкой, устанавливаемой также по сигналам от блока управления 6 и равной величине частоты пропускания (фильтрации) электрического фильтра промежуточной частоты в блоке обработки сигналов 5. Фотоприемный блок 4 регистрирует сигнал биений между принимаемым лазерным излучением со сдвигом частоты, равным NF, и гетеродинным лазерным излучением с выхода блока 52, имеющим сдвиг частоты ЛИ, равный сумме NF+F. Частота биений образующегося электрического сигнала равна F и представляет собой разность оптических частот указанных лазерных излучений, поступающих на вход фотоприемного блока 4. Далее электрический сигнал с выхода фотоприемного блока 4 усиливается в блоке обработки сигналов 5 резонансным усилителем с частотой фильтра промежуточной частоты, равной F, поступает на демодулятор, где определяется его амплитуда, далее после оцифровки поступает в блок управления 6 для дальнейшей обработки и запоминания.
пр
пр
При изменении величины частоты сдвига лазерного излучения в первом блоке сдвига частоты ЛИ 52 и при неизменной величине F возможен прием и регистрация лазерного излучения, прошедшего по кольцу оптической обратной связи заданное число оборотов. Например, при установлении в блоке сдвига частоты ЛИ 52 величины сдвига частоты ЛИ, равной (N+1)F+F по командам от блока управления 6, в фотоприемном блоке 4 и блоке обработки сигналов 5 будет осуществлен прием и регистрация лазерного излучения, прошедшего по кольцу оптической обратной связи N+1 оборотов и имеющего оптический сдвиг частоты, равный (N+1)F, где величина F равна неизменному сдвигу частоты лазерного излучения во втором блоке сдвига частоты ЛИ 53 за один проход лазерного излучения через этот блок 53. В результате в блоке управления 6 накапливается и регистрируется информация о величинах амплитуд лазерного излучения (импульсов), прошедших определенное число оборотов от одного оборота до N оборотов по кольцу оптической обратной связи, как это осуществлялось в первом варианте построения системы измерений. В остальном принцип функционирования второго варианта системы измерений аналогичен функционированию первого варианта системы измерений. Процесс приема и регистрации набора лазерных сигналов, прошедших различное число оборотов, регистрируется раздельно для каждого из лазерных генераторов, которые работают, как и в первом варианте системы измерений попеременно.
Однако в данном варианте построения системы измерения возможна одновременная работа двух лазерных генераторов 1 и 8, и одновременная регистрация наборов лазерных излучений, прошедших определенное число оборотов по кольцу обратной связи на различных длинах волн лазерного излучения, генерируемого лазерными генераторами 1 и 8. Соответственно, управляемый спектральный фильтр 27 в этом случае переводится в режим фильтрации и пропускания одновременно двух оптических длин волн первого и второго лазерных генераторов.
Блоки сдвига частоты лазерного излучения выполнены на основе акустооптических ячеек, в которых осуществляется возбуждение ультразвуковых волн, взаимодействующих с проходящим лазерным излучением, в результате чего происходит сдвиг оптической частоты лазерного излучения на величину частоты ультразвуковой волны. Ширина спектра лазерного излучения, генерируемого лазерными генераторами 1 и 8, накладывает определенные требования на величину сдвига частоты лазерного излучения в блоке сдвига частоты ЛИ 53, включенного в кольцо оптической обратной связи. Величина частотного сдвига, реализуемого в блоке сдвига 53, должна быть больше ширины спектра генерируемого лазерного излучения в лазерных генераторах 1 и 8. Это необходимо для разделения лазерных сигналов, прошедших разное количество оборотов по цепи оптической обратной связи. В настоящее время существуют и выпускаются промышленностью газовые лазерные генераторы, обладающие весьма узкой полосой генерируемого лазерного излучения, используемые в качестве оптических гетеродинов. Фотоприемный блок 4 и блок обработки сигналов 5, включающий один или несколько резонансных усилителей для усиления промежуточных частот биений оптических (лазерных) излучений, являются стандартными средствами гетеродинного метода приема лазерных излучений, имеющих сдвиги оптических частот относительно исходной частоты генерируемого лазерного излучения. Использование частотного кодирования импульсов (сигналов) лазерного излучения по цепи оптической обратной связи имеет некоторые преимущества по сравнению с первым вариантом построения системы измерений. К таким преимуществам следует отнести более высокую чувствительность гетеродинного метода приема лазерного излучения, что позволяет использовать большее число оборотов зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи, что в свою очередь существенно повышает чувствительность и возможность определения весьма малых концентраций исследуемых веществ. При использовании частотного метода кодирования лазерных сигналов нет необходимости в использовании специальной линии оптической задержки, что позволяет расположить измерительную аппаратуру вблизи от наблюдаемого объекта в случаях отсутствия радиации.
Рассмотрим вопрос о возможности измерения малых концентраций борной кислоты в предлагаемой системе измерения. Данное рассмотрение одинаково справедливо для первого и второго вариантов построения измерительной системы. Как было отмечено выше измерение концентрации борной кислоты С в измерительной кювете 2 основано на шести последовательных этапах предварительных измерений параметров наборов величин лазерных импульсов, прошедших через измерительную кювету, и импульсов, прошедших через эталонную кювету при использовании излучений первого лазерного генератора на рабочей длине волны, а также второго лазерного генератора, работающего на второй длине волны в сине-зеленой области спектра, на которой коэффициент экстинкции борной кислоты равен нулю, что позволяет определить параметры пропускания измерительной и эталонной кювет. Кроме того, параметры эталонной кюветы на указанных двух длинах волн определяются при заполнении данной кюветы чистой дистиллированной водой и раствором борной кислоты в дистиллированной воде с известной, установленной оператором концентрацией. Имеется также возможность в процессе проведения измерений изменять концентрацию раствора борной кислоты в эталонной кювете на любую заданную величину, устанавливаемую оператором. В результате указанных измерений и запоминания в блоке управления 6 наборов величин лазерных импульсов возможна реализация различных алгоритмов обработки полученной информации и различных методик измерения, обеспечивающих измерение весьма малых концентраций борной кислоты и повышение точности измерений и достоверности получаемых результатов.
0
0
Рассмотрим измерение концентрации борной кислоты, осуществляемое, как было показано выше, путем регистрации уровня лазерного импульса на рабочей длине волны первого лазерного генератора, прошедшего через измерительную кювету N раз и совершившего, соответственно, N оборотов по кольцу обратной связи. После регистрации импульса ЛИ на основании величины амплитуды этого импульса I(N), зарегистрированной в блоке управления 6, по основной формуле (7) осуществляется определение концентрации С борной кислоты в веществе теплоносителя, циркулирующего в измерительной кювете 2. При расчете по формуле (7) хорошо известными и ранее вычисленными величинами являются коэффициент экстинкции борной кислоты K на длине волны лазерного генератора 1, длина измерительной кюветы L и используемое число N оборотов лазерного импульса по кольцу оптической обратной связи. Измеряемыми величинами являются величина уровня исходного зондирующего импульса лазерного излучения I, измеряемая с помощью блока измерения параметров лазерного излучения 20 и величина импульса лазерного излучения I(N), прошедшего N раз по кольцу оптической обратной связи и зарегистрированного фотоприемным блоком 4. Указанные величины лазерных импульсов измеряются с помощью блоков 20 и 4 с высокой точностью при условии использования современных высокочувствительных фотоприемников, входящих в эти блоки, и обеспечения достаточно высоких уровней энергии излучения в регистрируемых импульсах излучения I(N) и I, поступающих на оптические входы указанных фотоприемников.
0эт
Последнее достаточно просто и надежно выполняется при использовании современных достаточно мощных лазерных генераторов УФ диапазона и высокочувствительных фотоприемников лазерного излучения - ФЭУ УФ диапазона. В составе формулы (7) имеется также величина R (8), которая определяется пропусканием оптических элементов в кольце оптической обратной связи на рабочей длине волны первого лазерного генератора 1 с измерительной кюветой. Данная составляющая с высокой точностью определяется с помощью эталонной кюветы следующим образом. Вначале эталонная кювета 3 заполняется дистиллированной водой. Осуществляется измерение уровней лазерных импульсов на длине волны второго лазерного генератора 8 с числом оборотов N, по отдельности при прохождении этих импульсов через измерительную и эталонную кюветы и уравнивание величин этих импульсов с помощью первого и второго управляемых ослабителей 14 и 16. Этим обеспечивается уравнивание пропускания кольца оптической обратной связи при включении измерительной кюветы, и при включении эталонной кюветы. Далее осуществляется просвечивание эталонной кюветы 3 лазерным излучением на рабочей длине волны лазерного генератора 1 и регистрация величины лазерного импульса I(N) для эталонной кюветы 3, заполненной, как было отмечено выше, дистиллированной водой (составляющая индекса «О» здесь означает заполнение кюветы 3 водой, а составляющая «эт» означает эталонную кювету). В этом случае при нулевой концентрации борной кислоты в эталонной кювете 3 регистрируемый импульс лазерного излучения на рабочей длине волны равен согласно соотношению (3)
Отсюда искомая величина R для вычисления по формуле (9) величины концентрации С равна:
Таким образом, величина R для вычисления С по формуле (7) получена при измерении пропускания в эталонной кювете 3 для лазерного импульса на рабочей длине волны при заполнении эталонной кюветы дистиллированной водой. В этом случае в величине импульса лазерного излучения (10), прошедшего через эталонную кювету N раз, отсутствует составляющая, определяемая концентрацией борной кислоты, так как эталонная кювета заполнена дистиллированной водой. При этом составляющая R (11) равна соответствующей составляющей R (8) для измерительной кюветы 2, так как выше оптические пропускания для измерительной и эталонной кювет были уравнены с помощью просвечивания кювет лазерным излучением с длиной волны второго лазерного генератора 8. Полученная величина R (11) позволяет вычислить концентрацию борной кислоты в следующем виде при подстановке величины R (11) в основное соотношение для определения С (7):
0эт
Формула (12) определяет искомую концентрацию борной кислоты в виде соотношения известных и измеряемых физических величин. В формуле (12) за счет использования измерения в эталонной кювете 3, представляющей собой в данном варианте методики измерений аналог измерительной кюветы 2, но без борной кислоты, исключены параметры оптической системы кольца оптической обратной связи. Измеряемыми величинами являются амплитуда лазерного импульса I(N), прошедшего через эталонную кювету с дистиллированной водой с номером N числа оборотов по кольцу обратной связи и величина амплитуды лазерного импульса I(N), прошедшего через измерительную кювету с борной кислотой искомой концентрации С и числом оборотов по кольцу обратной оптической связи также равным N. Эти лазерные импульсы измеряются одним и тем же фотоприемным блоком 4 в одинаковых условиях, как это было показано выше. Точность измерений данных лазерных импульсов может быть достаточно высокой при использовании современных высокочувствительных фотоприемников УФ диапазона и относительно мощных лазерных генераторов. Уравнивание параметров измерительной и эталонной кювет и компенсация и исключение влияния пропускания элементов оптической схемы при подключении измерительной и эталонной кювет позволяет обеспечить увеличение точности измерений малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя в измерительной кювете 2.
Как видно из (12) возможности измерения малых концентраций С борной кислоты определяются уровнем ослабления (уменьшения) импульса лазерного излучения при прохождении по кольцу оптической обратной связи, I(N). Это ослабление как было показано выше пропорционально величине exp(KCLN), которая увеличивается при увеличении числа оборотов N. Это доказывает увеличение возможности измерения малых концентраций и увеличения точности измерений при использовании предлагаемого метода измерений с осуществлением многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету по кольцу оптической обратной связи. Дополнительно точность измерений и достоверность полученной информации о величине концентрации С может быть повышена следующим образом. Эталонная кювета 3 заполняется раствором борной кислоты с концентрацией С, равной измеренной и вычисленной по формуле (12) концентрации С в измерительной кювете 2. Данная операция осуществляется оператором с помощью блока наполнения 49. Далее осуществляется измерение концентрации борной кислоты в эталонной кювете 3 изложенным выше способом с использованием лазерного излучения первого лазерного генератора 1 и расчетом по формуле (12). Полученный результат для эталонной кюветы, заполненной борной кислотой с точно известной концентрацией, равной концентрации С, измеренной ранее в измерительной кювете, сравнивается с результатом измерений в измерительной кювете 2. Сравнение осуществляется по уровням величин лазерных импульсов I(N), измеренных фотоприемным блоком 4 для измерительной и эталонной кювет.
Совпадение величин указанных лазерных импульсов, прошедших одинаковое число оборотов N по кольцу обратной связи для измерительной и эталонной кювет будет свидетельствовать о высокой точности и достоверности полученных результатов измерений. При некотором различии полученных величин импульсов возможно повторение измерений с дополнительным осуществлением уравнивания пропускания оптических элементов в кольце обратной связи при подключении к кольцу обратной связи измерительной или эталонной кювет. Здесь следует отметить, что важным преимуществом предлагаемого фотометрического метода и системы измерений по сравнению с известным хемолюминесцентным методом измерений является возможность многократного повторения и проверки проведенных измерений без вторичного сложного отбора пробы из контура теплоносителя при использовании хемолюминесцентного метода. Необходимость проведения дополнительных и вторичных измерений может возникнуть в случае получения результатов измерений, отличающихся от ожидаемых результатов, а также при возникновении нештатных ситуаций. В этой связи большое значение приобретают различные варианты и методики проведения измерений, которые можно осуществить с использованием предлагаемой системы измерений. Рассмотрим один из дополнительных вариантов измерения концентрации борной кислоты, основанный на измерении амплитуд лазерных импульсов I(N), прошедших N оборотов по кольцу оптической обратной связи, амплитуда которых определяется соотношением (6). Как было отмечено выше, в блоке управления 6 при проведении измерений с измерительной кюветой 2 на рабочей длине волны первого лазерного генератора 1 запоминается информация о наборе (серии) амплитуд импульсов лазерного излучения, прошедших по кольцу оптической обратной связи различное число оборотов, нарастающее от одного оборота до N оборотов. Амплитуда импульса, прошедшего один оборот (N=1), равна согласно (6) величине:
1
При делении (6) на (13) получаем следующее соотношение, в котором исключены параметры оптической схемы, кроме пропускания излучения по кольцу обратной связи Т:
Таким образом, осуществив измерение амплитуды первого лазерного импульса с номером N=1 и лазерного импульса с номером N можно определить из соотношения (14) величину концентрации С по следующей формуле:
1
1
1
В соотношении (14) присутствует только один параметр оптической схемы T, определяющий пропускание оптического излучения по кольцу обратной связи за один оборот. Данная величина может быть вычислена с высокой степенью точности для эталонной кюветы и распространена на измерения в измерительной кювете с использованием уравнивания и контроля пропускания обеих кювет на длине волны второго лазерного генератора. Соотношение (15) показывает, что концентрацию С можно определить, осуществляя сравнение любых двух импульсов лазерного излучения, имеющих известную разность прошедших оборотов по кольцу обратной связи, т.е. имеющих известное различие в пройденном пути через слой измеряемого вещества. В случае первого и N-го импульсов различие в числе оборотов равно Ν-1. При этом в (15) учитывается и компенсируется величина пропускания Т по кольцу оптической обратной связи в степени числа оборотов по кольцу N. При пропускании, равном единице, то есть при отсутствии поглощения в кольце обратной связи, измерения становятся идеальными, и в формуле (15) присутствуют только величины измеренных амплитуд лазерных импульсов, прошедших различное расстояние и число оборотов по кольцу обратной связи. Таким образом, изложенный метод определения концентрации С по формула (15) является хорошим дополнением к ранее изложенным методам определения концентрации в предлагаемой измерительной системе. Согласно данному методу и соотношению (15) после регистрации в блоке управления 6 набора лазерных импульсов I(N), прошедших через измерительную кювету и совершивших от одного до N оборотов по кольцу обратной связи, в блоке 6 вычисляется соответствующая оценка величины концентрации С, которая может быть сделана для каждого зарегистрированного лазерного импульса, начиная со второго импульса. Анализ полученного набора оценок концентрации С совместно с полученными оценками С по другой методике, изложенной выше, позволит повысить точность измерений и достоверность получаемой информации. Следует еще раз подчеркнуть, что точность определения параметра Τ пропускания по кольцу обратной связи может быть сделана предельно высокой. Второй и последний фактор, влияющий на точность определения концентрации С данным методом является фактор точности определения отношения амплитуд импульсов лазерного излучения фотоприемным блоком 4. Эта точность определяется параметрами фотоприемника, входящего в состав фотоприемного блока 4. В настоящее время существуют фотоприемные устройства, работающие в УФ диапазоне (до 200 нм), имеющие высокую чувствительность порядка единиц фотонов в принимаемом импульсе лазерного излучения [11]. Для реализации высокой точности измерений с помощью данных фотоприемных устройств необходимо обеспечить формирование измеряемых лазерных импульсов с энергией в импульсе, превосходящей уровень собственных шумов и флуктуаций данного фотоприемника в 10 и более раз. При использовании лазерного генератора УФ диапазона соответствующей мощности достижение режима превышения уровня пороговой чувствительности современных ФЭУ и реализация высокой точности измерений амплитуд импульсов порядка одного процента от измеряемой амплитуды вполне достижима и не представляет больших технических проблем.
0
0
1
0
1
0
1
Рассмотрим далее вопрос определения малых концентраций борной кислоты в контуре теплоносителя с помощью изложенной методики измерений в предлагаемой измерительной системе. Определение концентрации борной кислоты в измерительной кювете 2 основано на соотношении (7), в котором учтены все факторы, влияющие на процесс измерения. Для осуществления измерения концентрации С по данной формуле (7) необходимо регистрировать величину лазерного импульса I(N), прошедшего по кольцу оптической обратной связи N оборотов. Амплитуда этого импульса после проходов N, определяется величиной зондирующего лазерного импульса I, параметрами оптической схемы, пропусканием по кольцу обратной связи за N проходов и поглощением излучения при прохождении через раствор борной кислоты с искомой измеряемой концентрацией С. (см. формулу 6). Последняя составляющая поглощения, как было отмечено, пропорциональна величине ехр(KNLC). Соотношение (6) позволяет определить технические требования к аппаратуре измерительной системы для обеспечения процесса измерения заданных малых значений концентрации С с приемлемой точностью измерений. Как было отмечено выше, величина произведения KL под знаком экспоненты определяет чувствительность абсорбционного метода измерений. Поэтому увеличение числа проходов зондирующего лазерного импульса напрямую увеличивает чувствительность предлагаемого метода измерений. Для реализации и обеспечения этого метода следует только осуществить регистрацию и измерение лазерного импульса из соотношения (6), прошедшего N оборотов по кольцу, с помощью фотоприемного блока 4 с достаточной точностью. Для этого необходимо выполнить единственное условие: обеспечить существенное превышение величины уровня принимаемого лазерного импульса над уровнем собственных шумов фотоприемного блока 4. Таким образом, осуществив выбор высокочувствительного фотоприемника и достаточно мощного лазерного генератора можно обеспечить высокую чувствительность и точность измерения малых концентраций борной кислоты предлагаемым методом измерений. Представим оценку требований к параметрам лазерного генератора и чувствительности фотоприемного блока. Обозначим символом Е пороговую чувствительность фотоприемного блока 4, которая равна, например, трехкратному превышению величины уровня принимаемого лазерного импульса над уровнем собственных шумов фотоприемника. Данный уровень достаточен для обнаружения лазерного импульса, как это осуществляется в лазерной локации [7], но недостаточен для точного измерения амплитуды (уровня) принимаемого лазерного импульса. Для точного измерения величины уровня лазерного импульса необходимо увеличить энергию лазерного импульса в 10 и более раз. Обозначим символом Е=nE уровень принимаемого лазерного импульса, достаточный для точного измерения величины этого импульса современными техническими средствами, например, с точностью порядка 10%. Величина Е может превосходить уровень пороговой чувствительности в n раз, где n=10-100. Тогда величина отношения B=I/E характеризует потенциал измерительной системы по отношению параметров выбранного лазерного генератора и фотоприемника
0
1
1
0
1
Здесь величины I и Е измеряются в числах фотонов в генерируемом импульсе лазерного генератора 1 (с учетом ослабления в модуляторе ЛИ 22), а также в принимаемом лазерном импульсе I(N). Возможно также измерение величин лазерных импульсов в единицах энергии в импульсе. Величина В характеризует возможный (допустимый) уровень ослабления импульса лазерного излучения I(N) при его многократном прохождении по кольцу оптической обратной связи. Отсюда подставляя в соотношение (6) вместо I(N) его предельную величину E и с учетом взаимосвязи I и Е через указанный потенциал-отношение В, получаем следующее соотношение для определения потенциальных возможностей предлагаемой измерительной системы:
11
1
45
3
3
-4
-1
-1
Соотношение (16) позволяет при заданных или выбранных уровнях величин потенциального ослабления В (16.1), длины измерительной кюветы L, коэффициенте экстинкции K, параметрах оптической системы Т и T, Т определить возможное предельное число оборотов зондирующего лазерного импульса по кольцу оптической обратной связи N и минимальную концентрацию С борной кислоты, измеряемую в предлагаемой системе измерений с приемлемой заданной точностью измерений. На основании данной полученной формулы была проведена оценка потенциальных возможностей предлагаемой системы измерений по определению малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя. Следует отметить, что уравнение (16) невозможно решить относительно числа оборотов N, кроме как численными методами. Поэтому оценка параметров измерительной системы на основании уравнения (16) была проведена для выбранных дискретных значений числа оборотов N в виде следующего ряда N=10, 20, 30, 40. Основным оптическим параметром борной кислоты является коэффициент экстинкции K, который существенно зависит от длины волны проходящего через слой исследуемого вещества (борной кислоты HBO) оптического излучения. Как было отмечено выше, борная кислота обладает заметным поглощением оптического излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Наибольшее поглощение УФ излучения борной кислотой наблюдается в короткой части УФ диапазона. При длине волны УФ оптического излучения, равной 200 нм, коэффициент экстинкции K раствора борной кислоты в дистиллированной воде достигает наибольшего значения и равен K=1,64×10 л сммг. Данная оценка получена при измерении оптических параметров борной кислоты, проведенных на экспериментальном (опытном) образце предлагаемой системы измерений, и совпадает со справочными данными, характеризующими свойства борной кислоты [17]. В более длинноволновой части УФ диапазона поглощение борной кислоты уменьшается, и при длинах волн оптического излучения более 400 нм оптические свойства борной кислоты практически совпадают со свойствами (поглощением) дистиллированной воды. Это исключает возможность измерения концентрации борной кислоты с использованием источника излучения с длиной волны более 400 нм, но позволяет использовать данный источник излучения для тестирования пропускания оптической схемы, как это было показано выше при использовании лазерного генератора 8 в сине-зеленой области видимого спектра излучения. Поэтому для проведения измерений концентрации борной кислоты наиболее предпочтительно использовать лазерный генератор УФ диапазона с наиболее короткой длиной волны в этом диапазоне, приближающейся к величине порядка 200 нм.
эт
По материалам данной заявки разработан и исследован экспериментальный (опытный) образец системы измерения борной кислоты, проведено измерение различных концентраций растворов борной кислоты и измерение коэффициента экстинкции борной кислоты для различных длин волн зондирующего излучения, а также проведено моделирование работы системы измерения борной кислоты в контуре теплоносителя, результаты которого приведены ниже. Измерение коэффициента экстинкции K осуществлялось на эталонной кювете при заполнении ее раствором борной кислоты заранее известной (приготовленной) концентрации С. Далее осуществлялось измерение оптических параметров входного и прошедшего оптического излучения. Определение коэффициента экстинкции K осуществлялось в соответствии с основным уравнением (5), которое решалось относительно неизвестной величины K при остальных известных и измеренных величинах. В результате величина коэффициента экстинкции K определялась из следующего соотношения:
-4
-1
-1
11
45
1
Далее приведены оценки параметров предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты при использовании УФ излучения с длиной волны 200 нм и для коэффициента экстинкции K, соответствующего этой длине волны и равного выше указанной величине K=1,64×10 л/сммг. Оценки проведены в соответствии с соотношением (16) для следующих параметров оптической схемы: длина измерительной (и эталонной) кюветы L=100 см. Пропускание оптических элементов Т=Т=0,01. Пропускание по кольцу оптической обратной связи за один проход Т=0,5. Число проходов N варьировалось от 10 до 40 проходов зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи.
Для моделирования было выбрано три значения концентрации борной кислоты: С=1 мг/л, С=0,5 мг/л и С=0,1 мг/л. Полученные результаты показали возможность измерения указанных малых концентраций борной кислоты с помощью предлагаемой системы измерений. Далее полученные результаты моделирования параметров измерительной системы представлены для каждого значения концентрации С борной кислоты следующим образом. Основным параметром, полученным в результате моделирования, является параметр W, обратный введенной выше величине В потенциала оптической системы при использовании лазерного генератора определенной мощности и фотоприемного блока определенной чувствительности. В соответствии с формулой (16), параметр W=1/В определяет, какая часть (доля) от энергии излученного лазерным генератором зондирующего импульса дойдет до фотоприемного блока 4 при осуществлении N оборотов по кольцу оптической обратной связи. В соответствии с (16) оценка величины W равна:
Таким образом, параметр W определяет пропускание зондирующего излучения от лазерного генератора до фотоприемного блока 4 через многократное прохождение излучения по кольцу оптической обратной связи.
0
11
45
1
p
0
р
N
Параметр W состоит из двух частей: величины Т=TTT  и величины E=exp(-KCNL). Величина Т определяет пропускание оптической системы без борной кислоты. Величина Е определяет уровень пропускания зондирующего лазерного излучения, обусловленный поглощением при прохождении через слой борной кислоты в измерительной кювете. Обе составляющие отражают ослабление зондирующего лазерного излучения при N оборотах по кольцу.
Величина W определяет полное пропускание борной кислоты при распространении лазерного зондирующего импульса по кольцу оптической обратной связи за N оборотов по кольцу обратной связи. В представленных результатах эти две составляющие приведены раздельно, для того, чтобы можно было показать влияние каждого фактора на конечный результат и более правильно подойти к выбору параметров оптической системы. Полученные результаты представлены в виде табл. 1.
Результаты моделирования свидетельствуют о возможности осуществления измерения малых концентраций борной кислоты в диапазоне концентраций С от одного миллиграмма на литр до 0,1 мг/л. При этом для измерения концентраций от одного миллиграмма на литр (и выше) достаточно использовать N=10 оборотов зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи.
р
р
р
р
0
р
-6
-9
Так например, при измерении концентрации С=1 мг1 мг/л величина Е составляет при десяти оборотах по кольцу обратной связи Е=0,848, что свидетельствует об уменьшении величины измеряемого импульса лазерного излучения I(N), прошедшего N оборотов по кольцу оптической обратной связи на 15% по сравнению с величиной уровня импульса лазерного излучения при нулевой концентрации С=0 борной кислоты. Величина Е равна отношению величин измеряемых лазерных зондирующих импульсов фотоприемным блоком 4 при наличии концентрации С=1 мг/л и при С=0, Е=I(N)/I(N). Такого изменения (уменьшения) уровня величины импульса лазерного излучения (15%) вполне достаточно для определения и измерения концентрации С от 1 мг/л и выше. При использовании величины N=20 оборотов изменение величины уровня лазерного импульса при концентрации С=1 мг/л составляет 28% (Е=0,72), что существенно превышает необходимый уровень для высокоточного измерения (порядка 3-5%). Для реализации данных величин чисел оборотов N=10 и 20 необходимо обеспечить регистрацию лазерного импульса после ослабления излучения от лазерного генератора соответственно до уровней 10 и 10 (см. величину W в правой колонке табл. 1 для концентраций С=1 мг/л.
р
р
р
р
р
Данное условие приема и регистрации лазерного излучения выполняется при использовании современных ФЭУ УФ диапазона и лазерного генератора с весьма малой энергетикой порядка одного микроджоуля в излучаемом импульсе [11]. Соответствующая мощность при частоте повторения 1 Гц равна одному микроватту. Аналогичным образом в измерительной системе осуществляется уверенная регистрация и измерение концентрации борной кислоты С=0,5 м/л, для которой уже при N=10 оборотов величина Ер составляет Е=0,92, т.е. уменьшение величины регистрируемого импульса составляет 8% по сравнению с дистиллированной водой. Для N=20 такое уменьшение составляет 15% (Е=0,85). Следует отметить, что уменьшение величины Е по сравнению с единицей является свидетельством эффективности работы системы измерений при реализации метода многократного оборота зондирующего импульса по кольцу оптической обратной связи. Действительно, рассмотрим для сравнения величину лазерного зондирующего импульса I(N) при Ν=I, т.е. величину импульса, регистрируемого фотоприемным блоком 4 и прошедшего только один раз через измерительную кювету 2 с концентрацией С=0,5 мг/л по сравнению с величиной этого же импульса, прошедшего один раз через измерительную кювету при концентрации С=0, т.е. прошедшего через дистиллированную воду (в эталонной кювете 3). Величина Е как раз дает отношение величин таких импульсов: Е=exp(-KLC)=ехр(-0,00842)=0,991 при С=0,5 мг/л.
р
p
Таким образом, при однократном проходе через измерительную кювету изменение величины измеряемого лазерного зондирующего импульса, характеризуемое величиной Е, не дает возможности осуществить точное измерение столь малой величины концентрации С=0,5 мг/л. Действительно, в этом случае при измерении указанной малой концентрации борной кислоты величина импульса при измерении изменяется менее чем на один процент (E=0,991), что существенно снижает точность измерений при использовании классического абсорбционного метода измерений, использующего однократный проход зондирующего излучения через измерительную кювету.
13
-11
-13
Предлагаемая система измерений, в которой реализован метод многократного прохода излучения через измерительную кювету, позволяет с достаточной точностью осуществить измерение концентрации борной кислоты С=0,5 мг/л, а также измерение еще меньших концентраций, что продемонстрировано в результатах моделирования системы измерений, представленных в табл. 1. Из данной таблицы следует, что для получения точных измерений концентрации С=0,1 мг/л необходимо осуществить измерение лазерных импульсов с числом проходов N=30 и N=40. Для реализации измерений таких малых концентраций необходимо использовать лазерный генератор УФ диапазона и соответствующий фотоприемник, отношение энергии излучения и чувствительности приема которых составляет не менее обратной величины параметра W, показанной в табл. 1. Лазерные генераторы и фотоприемники УФ диапазона с такими характеристиками выпускаются промышленностью [11]. Так например, при использовании лазерного генератора УФ диапазона с энергией в импульсе порядка одного миллиджоуля и фотоприемника УФ диапазона со стандартной чувствительностью порядка 100 фотонов в импульсе уровень потенциала В системы измерений (потенциал В (16.1)) составляет величину В=10, что превышает уровень потенциального ослабления W=10 для N=30 в табл. 1 в 100 раз по обратной величине В. Допустимое ослабление W для указанных лазерного генератора и фотоприемника составляет W=1/В=10. Для обеспечения измерений с параметром N=40 необходимо использовать лазерный генератор с энергией в импульсе, равной 10 мДж (мощность излучения равна 10 мВт). Следует отметить, что предлагаемая измерительная система позволяет осуществить измерение и более меньших концентраций борной кислоты С порядка 0,05-0,01 мг/л. При этом параметр W в табл. 1 характеризует требования к параметрам лазерного генератора и фотоприемного блока и этим параметром надо руководствоваться при выборе используемых в составе системы измерений элементов, приборов и лазерных генераторов [11].
р
На фиг. 9 представлены результаты моделирования работы системы измерений в соответствии с табл. 1 при осуществлении измерений концентрации борной кислоты С=0,5 мг/л вещества теплоносителя. На фиг. 9 представлена последовательность импульсов зондирующего лазерного излучения I(N), регистрируемых фотоприемным блоком 4 после каждого прохождения зондирующего импульса по кольцу оптической обратной связи. При этом величина импульсов зондирующего ЛИ постепенно уменьшается с ростом числа оборотов N, пройденных по кольцу обратной связи. Число оборотов (прохождений) по кольцу обратной связи возрастает от одного до N. При числе оборотов N=10 величина регистрируемого импульса I(10) составляет 0,92 от величины импульса I(0), регистрируемого при нулевой концентрации борной кислоты (в эталонной кювете) - изменение на 8%. Таким образом, уже при N=10 оборотах зондирующего импульса возможны точные измерения концентрации борной кислоты порядка С=0,5 мг/л. При N=20 указанное изменение (уменьшение) амплитуды импульса составляет величину 0,85 от уровня импульса при нулевой концентрации борной кислоты (уменьшение на 15%), что позволяет осуществить процесс измерений с еще более высокой точностью. При однократном проходе зондирующего импульса I(1) через измерительную кювету уменьшение амплитуды относительно нулевого импульса I(0) составит 0,992, т.е. менее одного процента, что не позволяет обеспечить высокую точность измерений при только одном проходе зондирующего импульса через измерительную кювету, что характерно для классического абсорбционного метода. Таким образом, представленный на фиг. 9 результат показывает постепенное увеличение чувствительности и точности измерений при увеличении числа проходов N зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи. Представленные на фиг. 10 и фиг. 11 результаты моделирования измерений концентраций борной кислоты 0,25 мг/л и 0,1 мг/л, показали определенную возможность достаточно точного определения и этих малых уровней концентраций. Так например, при измерении весьма малой концентрации С=0,1 мг/л уровень уменьшения амплитуды зондирующего импульса I(N), который необходимо зарегистрировать при N=20 после осуществления двадцати оборотов импульса по кольцу обратной связи, составляет Е=0,967, т.е. 3,3%. Современные цифровые средства измерения достаточно надежно обеспечивают данную точность измерений.
Следует отметить ряд дополнительных факторов обеспечения работы измерительной системы при осуществлении измерений малых концентраций борной кислоты. При измерении малых концентраций фотоприемному блоку 4 приходится регистрировать большой диапазон величин уровней лазерных импульсов, который может превысить допустимый динамический диапазон для некоторых типов фотоприемников. Для решения этой проблемы в предлагаемой системе измерений предусмотрено использование управляемого спектрального фильтра 27, который выполняет две функции. Первая функция связана с осуществлением узкополосной спектральной фильтрации в диапазоне длин волн, генерируемых первым лазерным генератором 1 и вторым лазерным генератором 8. Переключение фильтруемых длин волн осуществляется оперативно по управляющим сигналам от блока управления 6. Блок 27 выполняет также вторую функцию динамической защиты фотоприемного блока 4 от импульсов с большой амплитудой, поступающих в первый момент генерации импульса от лазерного генератора 1, или 8. Данные импульсы поступают после первых оборотов по кольцу обратной связи, поэтому претерпели малое ослабление и имеют большую амплитуду. Блок 27 выполняет функцию стробирования по времени и открывается для пропускания только в момент поступления управляющего импульса от блока управления 6. При этом выделяется и проходит на фотоприемный блок 4 только заданный импульс с определенным номером пройденных оборотов N, время прихода которого хорошо известно. Амплитуда этого импульса регулируется пропусканием излучения в управляемом спектральном фильтре 27. Этим решается задача подавления ранее пришедших импульсов, имеющих большую амплитуду. Другой вариант решения проблемы большого динамического диапазона заключается в уменьшении энергии излучаемого лазерного зондирующего импульса лазерным генератором 1 и 8. При этом уровень генерации подбирается (например, с помощью модулятора ЛИ 22 или 21) таким, что в динамический диапазон фотоприемного блока 4 попадают только первые импульсы с числом оборотов N до 10, а остальные импульсы с N более 10 попадают в диапазон низкой чувствительности фотоприемного блока и не обрабатываются.
Следует отметить, что при уравнивании пропускания зондирующего лазерного излучения при включении в кольцо оптической обратной связи измерительной или эталонной кювет нет необходимости ограничиваться использованием только управляемых ослабителей 14 и 16. Более точное уравнивание осуществляется на втором этапе процесса уравнивания, которое осуществляется в цифровой форме в блоке управления 6 с высокой точностью по измеренным величинам амплитуд лазерных зондирующих импульсов, измеренных фотоприемным блоком 4.
Следует отметить, что при переходе от измерений малой концентрации борной кислоты к измерениям более высокой концентрации целесообразно изменить рабочую длину волны, генерируемую первым лазерным генератором 1 и использовать более длинноволновое лазерное излучение ультрафиолетового диапазона. Это позволит более точно согласовать характеристики фотоприемного блока 4 и системы измерений с характеристиками поглощения излучения в теплоносителе с более высокой концентрацией борной кислоты и обеспечит более высокую точность измерений. В настоящее время промышленностью освоены лазерные генераторы с перестройкой длины волны генерируемого излучения. Аналогично при использовании второго лазерного генератора 8 с перестройкой длины волны генерируемого излучения возможна более точная совместная калибровка измерительной и эталонной кювет на нескольких длинах волн контрольных излучений.
По материалам заявки проведено моделирование процесса распространения лазерного зондирующего импульса по кольцу оптической обратной связи и повышение чувствительности используемого метода измерений малых концентраций борной кислоты. Полученные результаты приведены на фиг. 9 - фиг. 11.
В предлагаемой системе измерений использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительная и эталонная кюветы выполняются в форме стандартных конструкторских разработок с использованием иллюминаторов, прозрачных в широком диапазоне от короткой части УФ диапазона до ИК диапазона длин волн. Лазерные генераторы и фотоприемники УФ диапазона выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав предлагаемой измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические переключатели, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами волокна на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, модуляторы лазерного излучения, управляемые ослабители, выполненные на основе, например, диафрагм, механически управляемых с помощью шаговых электрических двигателей. Блок измерения параметров лазерного излучения содержит дифракционную решетку и линейку фотоприемников с чувствительностью в диапазоне от 0,2 до 0,8 мкм. Возможно использование стандартного выпускаемого промышленностью измерительного прибора для измерения параметров лазерного излучения в диапазоне от УФ до ИК длин волн. Фотоприемный блок 4 выполнен на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. Блок обработки сигналов 5 выполнен на основе стандартных схем и элементов в первом и втором варианте выполнения системы измерений.
пр
В первом варианте построения системы измерения на фиг. 1 блок обработки сигналов 5 содержит электронный усилитель импульсов с выхода фотоприемного блока 4, блок оцифровки и блок сопряжения с ЭВМ, входящей в состав блока управления 6. Во втором варианте построения системы измерения на фиг. 2 блок обработки сигналов 5 содержит стандартные электрические схемы, используемые при приеме и регистрации сигналов при осуществлении гетеродинных методов приема в оптическом диапазоне длин волн. Блок 6 содержит в этом случае резонансный узкополосный усилитель сигналов промежуточной частоты F, образующейся при взаимодействии (фотосмешении) на входе фотоприемного блока 4 принимаемого лазерного излучения с выхода управляемого спектрального фильтра 27 и гетеродинного лазерного излучения с выхода первого блока 52 сдвига частоты лазерного излучения. Блок 5 содержит также демодулятор (детектор), блок оцифровки и блок сопряжения с блоком управления 6. Блок обработки сигналов 5 содержит несколько указанных резонансных усилителей, настроенных на различные промежуточные частоты для приема гетеродинным методом лазерных излучений, генерируемых первым лазерным генератором 1 и отдельно вторым лазерным генератором 8. Первый и второй варианты построения системы измерений содержат управляемый спектральный фильтр (УСФ) 27, выполняющий функцию управляемой узкополосной спектральной фильтрации (УСФ) на длинах волн первого лазерного генератора 1 и второго лазерного генератора 8. Одновременно УСФ 27 выполняет функцию стробирования принимаемого импульсного лазерного излучения и осуществляет пропускание лазерного импульса на вход фотоприемного блока 4 в заданный момент времени по управляющим сигналам от блока управления 6. В УСФ 27 осуществляется также заданное ослабление проходящего лазерного излучения по управлению от блока управления 6, т.е. УСФ 27 выполняет функцию управляемого фильтра-ослабителя. Управляемый спектральный фильтр 27 работает на основе акустооптического эффекта взаимодействия лазерного излучения с акустической ультразвуковой волной в специальном кристалле, входящем в состав акустооптической ячейки. Таким образом, УСФ 27 состоит из акустооптической ячейки из специального кристалла и пьезоэлемента, осуществляющего возбуждение ультразвуковых волн в данном кристалле, под воздействием которых в кристалле образуется динамическая фазовая структура, изменяющая условия распространения лазерного излучения для определенной узкой спектральной полосы пропускания. В результате этого осуществляется фильтрация узкой полосы заданной длины волны первого, или второго лазерных генераторов, ослабление уровня и стробирование по времени проходящего лазерного излучения. Генерация ультразвуковых волн осуществляется с помощью специального электрического генератора, входящего в состав управляемого спектрального фильтра 27, и осуществляющего генерацию ряда электрических частот по управляющим сигналам от блока управления 6.
Для работы в УФ диапазоне используется, например, кристалл кварца, прозрачного в УФ диапазоне длин волн. Управляемый спектральный фильтр 27 может быть выполнен на основе одной акустооптической ячейки (кристалла), работающей на обеих длинах волн первого и второго лазерных генераторов по отдельности при подаче на ячейку различных возбуждающих электрических сигналов. Возможно также использование в составе УСФ двух акустооптических ячеек, каждая из которых работает на длине волны одного из лазерных генераторов поз. 1 или 8. Блок схема управляемого спектрального фильтра 27, содержащего две акустооптические ячейки, приведена на фиг. 3, где представлены две акустооптические ячейки 56 и 57, два генератора электрических сигналов 58 и 59, два оптических переключателя 60 и 61, осуществляющих переключение оптического входа и оптического выхода УСФ на работу акустооптической ячейки 56 или акустооптической ячейки 57 по сигналам управления от блока 6, к которому подключены указанные оптические переключатели, а также генераторы электрических сигналов 58 и 59. УСФ 27 содержит отражательные зеркала 62-65 и входную и выходную диафрагмы 68, 69, а также пьезоэлементы 66 и 67. Принцип действия управляемых спектральных фильтров на основе акустооптического эффекта и использовании акустооптических ячеек приведен в монографии [8] и различных публикациях [9-10]. В настоящее время промышленностью выпускаются спектральные перестраиваемые управляемые фильтры, работающие в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных длин волн. Во втором варианте построения системы измерений (фиг. 2) содержатся блоки сдвига частоты лазерного излучения 52 и 53, которые также как и УСФ 27 выполнены на основе акустооптических (АО) ячеек, содержащих кристаллическую ячейку и пьезоэлемент для возбуждения в кристаллах АО-ячеек ультразвуковой волны, приводящее к сдвигу частоты проходящего лазерного излучения на величину частоты ультразвуковой волны, которая определяется частотой возбуждающего электрического сигнала от специального генератора электрических сигналов, входящего в состав данного блока сдвига частоты ЛИ 52 и 53. При этом второй блок сдвига 53 осуществляет сдвиг частоты проходящего лазерного излучения на фиксированную величину Ф. Акустооптическая ячейка, входящая в состав блока сдвига 53, работает в режиме дифракции Брэгга, при которой в соответствующем направлении на выходе ячейки образуется лазерное излучение со сдвинутой на заданную величину оптической частотой и имеющее максимальный уровень интенсивности преобразованного излучения. Коэффициент передачи такого преобразованного излучения близок к величине 90-95%, что особенно важно для снижения потерь лазерного зондирующего излучения при его распространении по кольцу оптической обратной связи. Для работы на двух длинах волн лазерных излучений, генерируемых лазерными генераторами 1 и 8, в составе блока сдвига частоты ЛИ 53 используются две отдельные акустооптические ячейки, включаемые при работе соответствующих лазерных генераторов 1 или 8, и работающие на соответствующих длинах волн указанных лазерных генераторов. Блок-схема второго блока сдвига частоты ЛИ 53 приведена на фиг. 4 и содержит две акустооптические ячейки 70 и 71, два генератора электрических сигналов 72 и 73. Два оптических переключателя 74 и 75, осуществляющие подключение одной из акустооптических ячеек 70 или 71 для осуществления сдвига частоты лазерного излучения соответствующей длины волны при работе первого или второго лазерных генераторов. Блок-схема фиг. 4 содержит также отражательные зеркала 76-79 и входную и выходную диафрагмы 80, 81. Блок-схема фиг. 4 по общему составу является подобием блок-схемы выполнения рассмотренного выше УСФ 27 фиг. З. и соответствует этой схеме. Это происходит вследствие того, что в УСФ 27 и в блоке сдвига частоты 53 использован один и тот же эффект взаимодействия лазерного излучения с ультразвуковыми волнами в кристалле. Однако используемые в УСФ 27 фиг. 3 и в блоке сдвига частоты 53 фиг. 4 акустооптические ячейки работают в различных режимах и выполняют различные функции. Поэтому нет полного соответствия или совпадения представленных на фиг. 3 и фиг. 4 блок-схем. Следует отметить, что в УСФ 27 и в блоке сдвига частоты 53 использованы одинаковые оптические переключатели 60, 61 и 74, 75, выполненные на основе, например, шаговых электродвигателей. Следует отметить, что второй блок сдвига частоты ЛИ 53 работает в режиме фиксированного сдвига частоты проходящего лазерного излучения на величину F. Это позволяет использовать в акустооптических ячейках, входящих в данный блок, наиболее эффективный режим дифракции Брэгга, при котором более 90% лазерного излучения получает заданный сдвиг частоты и распространяется в фиксированном направлении. Первый блок сдвига частоты ЛИ 52 осуществляет формирование лазерного гетеродинного сигнала (излучения) с некоторой заданной оптической частотой, которая должна изменятся при приеме и регистрации гетеродинным оптическим методом зондирующего лазерного излучения, прошедшего несколько оборотов по кольцу оптической обратной связи и получившего дополнительный сдвиг частоты лазерного излучения, равный NF. Блок-схема первого блока сдвига частоты ЛИ 52 приведена на фиг. 5. Блок сдвига частоты 52 содержит акустооптическую ячейку 82, работающую в широком диапазоне длин волн проходящего лазерного излучения и в широком диапазоне изменения частот электрического сигнала, поступающего на АО-ячейку 82 от генератора электрических сигналов 83, работающего в режиме генерации управляющих электрических сигналов с различной частотой, задаваемой от блока управления 6. Генератор 83 содержит в своем составе электрический синтезатор частот, обеспечивающий формирование управляющего сигнала для АО-ячейки с заданной частотой. Здесь также возможен при работе АО-ячейки режим дифракции Брэгга, а также режим дифракции Рамана-Ната. АО-ячейка 82 работает на двух длинах волн ЛИ, генерируемых лазерными генераторами 1 и 8. При этом при изменении частоты управляющих сигналов от генератора 82 происходит некоторое изменение направления распространения лазерного излучения с выхода АО-ячейки 82. Для выделения из этого излучения светового излучения, распространяющегося строго вдоль оптической оси системы при любой частоте управляющего сигнала от генератора 83 служат линзы 84, 86 и диафрагма 85. Линза 84 формирует расфокусированный световой пучок в плоскости диафрагмы 85, которая расположена ближе фокальной плоскости линзы 84. Далее диафрагма 85 выделяет часть из пучка излучения, которое локализовано на оптической оси системы, а линза 88 формирует оптическое излучение, распространяющееся вдоль оптической оси, которое далее поступает на оптический выход блока сдвига частоты ЛИ - выходную диафрагму 88. Таким образом, с помощью акустооптической ячейки 82 формируется пучок лазерного излучения с заданным сдвигом оптической частоты и распространяющийся вдоль оптической оси системы в заданном направлении. Далее данный пучок лазерного излучения направляется на вход объектива 7 фотоприемного блока 4 посредством зеркал 54 и 55 и используется в качестве гетеродинного излучения при приеме лазерного излучения, прошедшего N оборотов по кольцу оптической обратной связи. Принцип действия акустооптических ячеек и их основные параметры приведены в соответствующих монографиях и работах [8-10].
Блок управления поз. 6 в предлагаемой системе измерений выполнен на основе стандартной современной ЭВМ (персональный компьютер (ПК)), снабженной интерфейсами для связи с элементами и блоками системы, и для связи с центральной ЭВМ управления работой ядерного реактора. Таким образом, построение предлагаемой системы измерений может быть осуществлено на основе приборов и элементов современной лазерной техники и электроники, освоенных и выпускаемых промышленностью.
Следует отметить, что в прототипе и известных аналогах известно применение источника излучения и фотоприемного блока, блока обработки сигналов и управления, а также измерительной и эталонной кювет, называемых иногда измерительным и эталонным каналами. Поэтому в формуле изобретения первый лазерный генератор, выполняющий функцию основного источника излучения, введен в ограничительную часть формулы, совместно с фотоприемным блоком, блоком обработки сигналов и управления. Также в ограничительную часть введены измерительная и эталонная кюветы. В отличительную часть формулы изобретения введены волоконно-оптические линии, выполняющие новую функцию оптических линий задержки совместно с функцией связи с отдаленно находящейся измерительной кюветой.
Рассмотрим ряд модификаций предлагаемой системы измерений.
Первая модификация касается выполнения линии оптической связи между измерительной кюветой 2 и измерительной аппаратурой, находящейся в отдельном защищенном от радиации помещении. В первом и втором вариантах выполнения предлагаемой системы эта оптическая связь осуществляется с помощью волоконно-оптических линий 28 и 31, осуществляющих одновременно и функцию оптических линий задержки лазерных зондирующих сигналов, проходящих через измерительную кювету 2. Однако в условиях действия радиации параметры волоконно-оптической линии связи могут измениться (при выборе ненадлежащего материала, из которого изготовлен волоконный кабель). Для предотвращения этого явления возможны два варианта действий. Во-первых, можно поместить волоконно-оптические линии 28 и 31 в защитную свинцовую оболочку, которая предотвратит воздействие радиации на материал волоконного кабеля. Во-вторых, возможен отказ от использования волоконно-оптических линий 28 и 31 и замена их открытыми (воздушными) линиями связи, как это показано на фиг. 6. Оптическая связь между измерительной кюветой 2 и измерительной аппаратурой на фиг. 6 осуществляется с помощью открытых оптических линий, образованных отражательными зеркалами поз. 89-91 (входная линия) и поз. 92-94 (выходная линия). Оптические линии помещены в защитные кожуха 95 и 96. В оптических открытых линиях могут использоваться оптические направляющие элементы - линзы, которые на фиг. 6 не показаны. Однако вследствие высокой направленности лазерного излучения (малой расходимости) применение дополнительных направляющих элементов в виде линз не требуется. При этом введенные открытые оптические линии продолжают выполнять вторую функцию оптических линий задержки лазерных зондирующих сигналов. Волоконно-оптические линии 34 и 37 для эталонной кюветы 3 могут быть оставлены или также заменены на открытые оптические линии связи. Уравнивание оптического пропускания оптических линий связи для измерительной и эталонной кювет по-прежнему осуществляется с помощью первого и второго управляемых ослабителей 14 и 16.
Необходимо отдельно отметить использование указанных открытых оптических линий связи при применении в предлагаемой системе измерений лазерных генераторов УФ диапазона, работающих в короткой части УФ диапазона длин волн. В настоящее время разработаны лазерные генераторы, осуществляющие генерацию лазерного излучения короче 200 нм, например лазерный генератор УФ диапазона с рабочей длиной волны генерации 110 нм. Применение таких лазерных генераторов весьма эффективно, так как при уменьшении длины волны в УФ диапазоне поглощение борной кислоты и соответствующий коэффициент экстинкции значительно возрастают. Однако данное лазерное излучение имеет заметное поглощение при распространении в воздушной среде. Для снижения потерь при транспортировке данного лазерного излучения оптические линии связи на фиг. 6 следует поместить в вакуумную среду, для чего из кожухов 95 и 96 откачать воздух, или создать внутри этих кожухов пониженное атмосферное давление. Это позволит использовать в предлагаемой системе измерений более эффективное зондирующее лазерное излучение короткой части УФ диапазона длин волн и обеспечить измерение малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора.
Рассмотрим теперь второй вариант модификации предлагаемой системы измерений, связанный с использованием нескольких измерительных кювет, установленных в нескольких местах (точках) первого контура теплоносителя ядерного реактора. Блок-схема на фиг. 8 представляет такой вариант модификации предлагаемой измерительной системы, в котором содержатся три измерительных кюветы. На данной блок-схеме показаны две дополнительные измерительные кюветы поз. 97 и 98, вновь введенные помимо основной измерительной кюветы поз. 2. Указанные три измерительных кюветы посредством дополнительных линейных оптических переключателей поз. 99-104 и прежних оптических переключателей поз. 12 и 23 включаются по отдельности в оптическую измерительную систему. При этом новые измерительные кюветы 97 и 98 подключаются посредством дополнительных байпасов в отдельных дополнительных контрольных точках первого контура теплоносителя ядерного реактора. Это позволяет получить оперативную информацию о параметрах теплоносителя в различных зонах и частях контура и повысить эффективность управления работой ядерного реактора. В целом работа измерительной системы с тремя измерительными кюветами ничем не отличается от работы измерительной системы с одной измерительной кюветой. По командам от блока управления 6 по отдельности какая-либо одна измерительная кювета подключается к измерительной схеме посредством новых линейных оптических переключателей и оптических переключателей 12 и 23, далее осуществляется представленный выше измерительный процесс. На фиг. 8 не показаны трубопроводы для подключения измерительных кювет в различных точках первого контура теплоносителя.
По материалам данной заявки на изобретение разработан и исследован опытный образец системы измерений, проведены измерения параметров исследуемых материалов и растворов веществ в дистиллированной воде, определены параметры раствора борной кислоты заданной концентрации и измерены коэффициенты экстинкции борной кислоты для различных длин волн ультрафиолетового диапазона длин волн, а также параметры борной кислоты в сине-зеленой области видимого спектра. Полученные результаты свидетельствуют о возможности и перспективности измерений концентрации борной кислоты предлагаемым методом с использованием представленной системы измерений в ультрафиолетовом диапазоне длин волн и с использованием сине-зеленой части видимого диапазона, как контрольного лазерного излучения. Предлагаемая система измерений обеспечивает измерение больших концентраций борной кислоты порядка десятков грамм на литр вещества теплоносителя. Одновременно предлагаемая система измерений обеспечивает осуществление измерений малых концентраций борной кислоты до величин 0,5-0,1 мг/л вещества теплоносителя. Данная высокая чувствительность при измерении малых концентраций исследуемых веществ достигается за счет осуществления многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету с помощью организации оптической обратной связи, включающей измерительную кювету с исследуемым веществом. В результате этого чувствительность используемого абсорбционно-спектрального метода измерений возрастает в N раз, где N - число оборотов зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи, включающего и измерительную кювету. Дополнительно увеличение чувствительности и достоверности измерений обеспечивается за счет применения эталонной кюветы, в которой устанавливается любая заданная точно известная концентрация раствора борной кислоты в дистиллированной воде. При этом эталонная кювета обладает оптическими параметрами, идентичными измерительной кювете. В измерительной системе обеспечивается периодическое подключение к схеме измерений эталонной, или измерительной кювет с помощью оптических переключателей. Далее осуществляется сравнение параметров импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших через измерительную и эталонную кюветы при совершении одинакового количества оборотов N по цепи оптической обратной связи, что позволяет существенно увеличить точность и достоверность измерений и обеспечить непрерывный мониторинг параметров теплоносителя в первом контуре ядерного реактора. Важным преимуществом предлагаемой системы измерений является возможность подключения к измерительной схеме и проведения измерений на нескольких измерительных кюветах, подключенных в различных местах первого контура теплоносителя ядерного реактора. Это позволяет оперативно контролировать параметры теплоносителя в различных точках контура, что важно для эффективного и безопасного управления работой ядерного реактора. Предлагаемая система измерений обладает высоким быстродействием и оперативностью в проведении измерений. Собственно время измерения концентрации борной кислоты в проходящем через измерительную кювету теплоносителе составляет несколько миллисекунд и определяется временем обработки информации в блоке управления 6 (в ПК), полученной при регистрации одного зондирующего лазерного импульса. Важным фактором повышения точности измерений, достоверности и доверительности получаемой информации является возможность заполнения эталонной кюветы раствором борной кислоты любой заданной концентрации, выполняемое оператором, последующего проведения измерений с использованием данной эталонной кюветы и измерительной кюветы, обработки и сравнения полученных результатов. Следует отметить возможность проверки (тестирования) оптических параметров измерительной кюветы с помощью второго лазерного генератора и сравнения этих параметров с параметрами эталонной кюветы без отключения измерительной кюветы от первого контура теплоносителя в рабочем режиме ядерного реактора.
В представленной заявке на изобретение следует отметить два фактора новизны. Во-первых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию в измерительной системе нового варианта осуществления абсорбционно-спектрального метода измерений на основе многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету, реализованного посредством введения кольца оптической обратной связи, включающего как измерительную кювету, так и эталонную кювету, которая заполнена раствором борной кислоты с заданной концентрацией и точно известными оптическими параметрами. При этом для разделения пучков лазерного излучения, прошедших различное число оборотов по кольцу оптической обратной связи, используется временное разделение импульсов лазерного излучения с помощью оптической линии задержки в первом варианте построения системы измерений, или используется частотное кодирование лазерного излучения путем добавления фиксированного сдвига оптической частоты при каждом отдельном прохождении зондирующего излучения по кольцу оптической обратной связи во втором варианте построения измерительной системы. Данный новый метод измерений позволяет увеличить чувствительность классического абсорбционно-спектрального метода измерений в число раз, равное числу оборотов прохождения зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи N, что особенно важно при проведении измерений малых концентраций борной кислоты, или других веществ с малым коэффициентом экстинкции.
Во-вторых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию измерения концентрации борной кислоты непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора указанным новым вариантом абсорбционно-спектрального оптического метода, обеспечение высокой точности, достоверности и оперативности осуществляемых измерений при одновременном решении ряда проблем, возникающих при применении современных технических средств в ядерной энергетике. Следует отметить, что использование предлагаемой системы измерения в составе ядерного энергетического реактора позволяет реализовать следующие преимущества и обеспечить решение следующих проблем в области эксплуатации современных ядерных реакторов:
1) Обеспечение возможности проведения контроля состава теплоносителя непосредственно в контуре при действующих параметрах водной среды. При этом возможно определение концентрации не только борной кислоты, но и других возможных примесей, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействия радиации. Для обнаружения указанных примесей возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения, способного распространяться в водной среде.
2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливаются только измерительные кюветы. Вспомогательное оборудование измерительной системы и устройства отображения информации могут быть вынесены в любое помещение АЭС. Такая структура при высоком ресурсе работы измерительных кювет позволит снизить дозовые нагрузки обслуживающего персонала АЭС.
3) Применение предлагаемой системы измерений исключает необходимость в осуществлении отбора пробы теплоносителя из среды первого контура. Это обеспечивает снижение дозовых нагрузок персонала АЭС и исключается сброс радиоактивных сред, получаемых при отборе пробы из первого контура. Таким образом, смягчается режим работы соответствующих специальных установок АЭС.
4) Выведение из процесса измерения человека (что характерно для хемолюминесцентных методов измерений с отбором пробы) исключает субъективную случайную погрешность измерений. Значительно улучшаются метрологические характеристики измерений вследствие отсутствия транспортного запаздывания пробы в длинных импульсных линиях, повышается оперативность измерений, что имеет большое значение для системы управления ядерным реактором и повышения безопасности работы атомных электрических станций.
Предлагаемая измерительная система вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.
Источники информации
1. Сарылов В.И. Применение хемолюминесцентного метода контроля параметров реакторной воды атомных электростанций. Химия и технология воды, 1982, т. 4, №1, с. 45-47.
2. Бовин В.П. Нейтронно-абсорбционный анализатор Бора в теплоносителе первого контура ВВЭР. Атомная энергия, 1976, т. 38, вып. 5, с. 283-286.
3. Патент РФ №2025800 от 30.12.1994. Способ контроля содержания Бора-10 в теплоносителе первого контура ядерного реактора.
4. Патент Англии №1157086. Двулучевой фотометр.
5. Патент РФ №2022239 от 30.10.1994. Устройство для оптико-абсорбционного анализа.
6. Патент РФ №750287 от 23.07.1980. Устройство для оптико-абсорбционного анализа. Двухлучевой фотометр (прототип).
7. Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Патент РФ №2152056 от 27.06.2000. Способ лазерной локации и устройство для его осуществления.
8. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985, с. 134-234.
9. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, т. 12, №4.
10. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.
11. Справочник по лазерной технике// Под редакцией Напартовича А.П. М.: Энергоатомиздат, 1991.
12. Физико-химические методы исследования внутриконтурных химических процессов в системах атомных энергетических установок. Цнииатоминформ, 1986.
13. Эристова Д.И., Броучек Ф.И. Аналитические методы определения бора. Тбилиси, 1965.
14. Марченко З.И. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1976.
15. Немодрук А.А., Карамова З.К. Аналитическая химия бора. М.: Наука, 1964.
16. Химический контроль на тепловых и атомных станциях. М.: Наука, 1980.
17. Лазарев Н.В., Астраханцев П.И. Химически вредные вещества в промышленности, справочник. Часть 2. Онти-химтеорет, Ленинград, 1934.
18. Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. и др. Патент РФ №2248555 от 20.03.2005. Способ определения характеристик лазерной среды и устройство для его осуществления.