Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Критический анализ методов контроля уровня теплоносителя ядерных энергетических установок
1.1 Механические и акустические методы контроля уровня теплоносителя 8
1.2 Электрические и оптические методы определения уровня 20
1.3 Методы измерения уровня теплоносителя, основанные на использовании термодатчиков 26
1.4 Радиоизотопные сигнализаторы уровня 30
1.5 Системы контроля уровня применяемые на АЭС 31
1.6 Критический анализ методов измерения уровня теплоносителя 33
1.7 Выводы 39
Глава 2 Разработка акустозондового метода измерения уровня двухфазного теплоносителя
2.1 Методика измерения уровня двухфазного теплоносителя 42
2.1.1 Распространение ультразвука по волноводам 43
2.1.2 Прохождение ультразвука через контролируемую среду 49
2.2 Обоснование выбора конструкции электромеханических преобразователей 52
2.3 Конструктивно-технологические выводы. 55
Глава 3 Принципы построения оборудования для контроля уровня теплоносителя акустозондовым методом
3.1 Разработка и исследование моделей акустозондовых датчиков уровнемера 58
3.2 Эксперименты по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и сборки на примере четырех волноводной модели 65
3.3 Разработка вторичного электронного блока обработки сигналов 75
3.4 Разработка программного обеспечения 79
Глава 4. Экспериментальные исследования моделей акустозондового уровнемера теплоносителя ЯЭУ .
4.1 Результаты лабораторных исследований уровнемера 82
4.1.1 Конструкция модели уровнемера 82
4.1.2 Предварительные лабораторные исследования модели уровнемера 84
4.1.3 Изучение функционирования модели уровнемера на барботажном стенде 90
4.1.4 Разработка методики обработки и анализ полученных экспериментальных данных 95
4.1.5 Оценка погрешности результатов измерений 97
4.2 Результаты исследований акустозондового уровнемера на теплофизическом стенде 103
4.2.1 Эксперименты на холодном стенде 106
4.2.2 Эксперименты с разгерметизацией контролируемого сосуда 106
Выводы и заключение
- Методы измерения уровня теплоносителя, основанные на использовании термодатчиков
- Обоснование выбора конструкции электромеханических преобразователей
- Эксперименты по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и сборки на примере четырех волноводной модели
- Изучение функционирования модели уровнемера на барботажном стенде
Введение к работе
Создание современных ядерных энергетических установок (ЯЭУ), повышение их надежности и безопасности требует совершенствования существующих и разработки новых методов и средств контроля теплоносителя в оборудовании ЯЭУ, особенно ориентированных на исследования состояния теплоносителя и его динамики во всех режимах их работы.
В связи с интенсивным развитием транспортных установок с водо-водяными реакторами, часть которых является кипящими системами, а другая может стать таковой при аварийных ситуациях, к наиболее актуальным проблемам относят задачи диагностики двухфазного теплоносителя и, в частности, контроль уровня и количества жидкой фазы. Информация, например, о паросодержании необходима для предсказания общих свойств двухфазного потока, таких как градиент давления и характеристик теплообмена. Существенна так же связь паросодержания с реактивностью активной зоны реактора, устойчивостью течения теплоносителя и критической тепловой нагрузкой. Решение данных вопросов весьма актуально для современных водо-водяных реакторных установок в моноблочном исполнении, ориентированных на работу в режиме естественной циркуляции в некоторых штатных или аварийных ситуациях.
Как показывает анализ литературных данных, традиционные методы измерения уровня двухфазного теплоносителя, а так же предложенные в последние годы [9,15,16,28], далеко не всегда позволяют проводить надежные измерения в практически важных случаях. Например, широко известный метод диагностики, основанный на просвечивании потока теплоносителя излучением от радиоактивного источника, не пригоден для использования в условиях первого контура ЯЭУ.
Разработанные акустические датчики, описание которых дано в [54, 69], обладают серьезными функциональными недостатками. Напри- мер, контролируемый объем составляет несколько кубических сантиметров. При появлении газовой фазы в виде пузырьков пара датчик показывает отсутствие жидкости, что не соответствует развитию реальной ситуации. Применение погружных пьезоэлементов приводит к недостаточности ресурса датчика.
Отсутствие разработанных методов и надежных средств диагностики двухфазного теплоносителя в условиях ЯЭУ стимулировало проведение работ по разработке новых методов измерения уровня, в частности, основанных на применении волноводно-акустической технологии и соответствующей акустической и электронной техники.
Темой данной работы является разработка и исследование акусто-зондового метода контроля уровня, с целью создания системы измерения уровня двухфазного теплоносителя для ЯЭУ.
Обычно под измерением уровня жидкости понимается индикация положения границы раздела двух сред различной плотности, относительно какой - либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Однако существуют разные трактовки термина "уровень" для случая кипящей жидкости, в частности, различают гидростатический, весовой, истинный, физический и т.д. [26,33,35], что говорит о некоторой неопределенности в данном вопросе. Можно констатировать, что на сегодняшний день не решена проблема контроля уровня среды при кипении. Это связано, в частности, с тем, что определять уровень, как однозначную границу раздела газовой и жидкой фаз в случае наличия пенного слоя, вызванного кипением, не представляется возможным, а в случае всплытия одиночного крупного пузыря (паровой пробки) может наблюдаться несколько межфазных границ.
Целью данной работы является разработка новой ультразвуковой многоволноводнои системы, предназначенной для измерения уровня двухфазного водяного теплоносителя ЯЭУ и исследование влияния раз-
6 личных технологических и конструктивных факторов на условия осуществления процесса контроля уровня с использованием предложенного метода. Принцип действия этой системы основан на измерении акустической проводимости двухфазной смеси в локальных объемах, распределенных по высоте контролируемого сосуда.
Разработка подобных контрольно-измерительных систем стала возможна только в последние годы, благодаря интенсивному развитию электронно-вычислительной техники. А так же благодаря созданию быстродействующих компьютеров, т.к. в процессе измерений при динамических режимах необходимо оперировать большими объемами экспериментальных данных, что требует значительных машинных ресурсов и высокого быстродействия систем обработки информации, особенно для анализа результатов в масштабе реального времени.
По сравнению с другими датчиками, ультразвуковые волноводные системы обладают целым рядом весьма важных преимуществ и достоинств (о которых подробнее будет рассказано далее) и, что самое главное, обладают достаточной надежностью и долговечностью при эксплуатации в условиях ЯЭУ (высокое давление и температура, ионизирующее излучение), ориентируясь на которые и разрабатывалась данная ультразвуковая волноводная измерительная система.
В диссертационной работе автор защищает: -методику определения уровня двухфазного водяного теплоносителя, основанную на измерении параметров акустических сигналов, пропущенных через контролируемые объемы, распределенные по высоте сосуда; - принципы построения и конструктивные особенности ультразвуковой волноводной многоточечной системы, предназначенной для измерения уровня двухфазного водяного теплоносителя ЯЭУ; - результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения ультразвуковых сигналов в сложных многоволно-водных системах и прохождения ультразвука через контролируемые объемы;
Диссертация содержит четыре главы, выводы и список использованной литературы. В первой главе приведен сравнительный анализ систем измерения и контроля уровня, основанных на различных физических принципах и их критическая оценка с точки зрения решения поставленной задачи. Вторая глава посвящена разработке акустозондового метода измерения уровня двухфазного теплоносителя, в частности анализу вопросов распространения ультразвука в среде и по волноводам. В качестве выводов по второй главе выступают основные технологические ограничения и конструктивные принципы построения многоволноводной акустической измерительной системы. В третьей главе изложено описание экспериментов по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и тестирования. Четвертая глава содержит результаты тестовых испытаний и лабораторных экспериментов с использованием разработанной системы, изложение методики обработки и анализ экспериментальных данных, и оценку погрешности измерений, основанную на статистическом анализе результатов. Здесь же приведены результаты экспериментов с разработанной системой, проведенных на реальном те-плофизическом стенде. Описывается сравнение результатов, полученных с помощью разработанной акустической системы и результатов, полученных с применением немецкой измерительной многоточечной системы, работающей на другом физическом принципе.
Методы измерения уровня теплоносителя, основанные на использовании термодатчиков
И сравнительно низким КПД, обусловленным отражением значительной доли энергии звуковой волны от границы раздела жидкости и газа, что существенно ограничивает их применимость.
Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометриче-ских уровнемеров - непостоянство площадей поперечных сечений электродов, вследствие этого непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов, а также образование на электродах пленки (по причине окисления или солеотложения) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности датчика с течением времени. Кроме того, на точность показаний кондуктометрических уровнемеров существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, появление примесей, поляризация среды вблизи электродов, возможный электролиз. Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов измерения уровня (даже при использовании различных компенсационных схем) достаточно высоки (5-10 %), поэтому они находят преимущественное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жидкостей.
Вследствие простоты, удобства монтажа и обслуживания, надежности и потенциально высокой точности (основная погрешность может быть снижена до 0.2%), емкостные уровнемеры получили весьма широкое распространение в промышленности.
К недостаткам емкостных уровнемеров относятся: высокая чувствительность к изменению электрических свойств жидкостей, что обусловлено изменением их химического состава, температуры и т.п., образование на элементах датчика электропроводящей или непроводящей
пленки, вследствие химической активности жидкости, конденсации ее паров, образования осадка на контактирующих элементах и т.д. Указанные недостатки обуславливают появление существенных дополнительных погрешностей, с которыми борются, применяя различные компенсационные схемы, используя различные антиадгезионные покрытия элементов датчика, вводя специальные присадки в контролируемую жидкость, применяя "снос" образующейся пленки и т. д.
Наиболее существенное и неконтролируемое влияние на показания (и на погрешность) индуктивных уровнемеров оказывают изменения электропроводности жидкости и защитного чехла вследствие старения материала чехла и осаждения окисной пленки. Кроме того, высокое давление в реакторе вынуждает применить настолько толстостенный защитный чехол, что приведет к снижению уровня полезного сигнала практически до уровня собственных шумов датчика.
Сильное волнение на поверхности и пенообразование, вызванное кипением теплоносителя, исключает возможность применения всех типов фотометрических уровнемеров.
Высокое давление и мощное радиоактивное излучение вблизи реактора, а так - же ряд чисто технических причин, таких как: осаждение непрозрачного осадка на оптические поверхности, сложность дистанционных измерений, невозможность их использования в системах регулирования автоматизированными технологическими процессами препятствует возможности применения всех видов визуальных уровнемеров для контроля уровня теплоносителя.
Несмотря на относительную простоту и надежность дилатометрические и терморезисторные уровнемеры вследствие малых диапазонов измерения, невысокой точности и огромной инерционности (по сравнению с характерными периодами динамических режимов), а также нелинейности выходных характеристик не могут быть использованы для измерения уровня кипящего теплоносителя.
Затруднения в эксплуатации из - за возможной опасности для персонала, сложность конструкции многоточечных систем и невысокая точность, а так - же высокий уровень радиоактивного фона вблизи реактора, заглушающий полезный сигнал - все это препятствует применению группы уровнемеров, использующих различные виды проникающего излучения.
Каждая из описанных систем имеет свои неоспоримые достоинства и специфические недостатки, характерные только для нее и ограничивающие область ее применения. Все это говорит о том, что наряду с совершенствованием существующих измерительных систем, необходимо разрабатывать новые, основанные на других физических принципах и не имеющие перечисленных недостатков.
Критический анализ литературного обзора выявил, что ни один из рассмотренных методов измерения или контроля уровня, разработанных до настоящего времени, не всегда позволяет производить надежные измерения уровня двухфазного теплоносителя ЯЭУ.
При наличии объемного кипения или образования быстро всплывающей паровой пробки в средней части тепловыделяющего канала сам термин "уровень" в понимании горизонтальной границы между жидкой и газовой фазами, теряет смысл.
В случае кипения, особенно объемного, можно говорить лишь о некотором распределении фаз по высоте канала или контролируемого сосуда. А в случае всплытия большого одиночного газового пузыря можно наблюдать несколько межфазных границ. Эти наблюдения и умозаключения привели к выводу о том, что решение задачи контроля уровня жидкости при кипении, которая решалась с целью определения количества водяного теплоносителя в оборудовании ЯЭУ, целесообразно перевести в плоскость решения задачи индикации фазового состояния контролируемой среды по высоте сосуда. Таким образом, решая задачу индикации распределения фазового состояния среды по высоте контролируемого сосуда, т.е. о наличии и количестве пара в контролируемой жидкости, можно судить о количестве жидкой фазы теплоносителя, т.е. о достаточности или недостаточности теплосъема с тепловыделяющего объекта и текущем режиме теплообмена.
На мой взгляд, на основе выше приведенного литературного обзора, наиболее перспективным, с точки зрения решения поставленной задачи измерения распределения фазового состояния среды по высоте сосуда, можно считать применение акустических сигнализаторов уровня.
Дискретные ультразвуковые сигнализаторы уровня ("на прохождение") являются разновидностью диссипативных уровнемеров, их принцип действия основан на резко различном поглощении энергии звуковой волны в жидкой и газовой фазе.
К неоспоримым достоинствам этих методов можно отнести возможность их эффективного использования для измерения уровня в средах с экстремальными параметрами, в частности в широком диапазоне температур (200-800 К), при высоком давлении (до 25 МПа), а так - же стойкость к ионизирующим излучениям.
Обоснование выбора конструкции электромеханических преобразователей
Типы возбудителей и регистраторов упругих волн, используемые в ядерной энергетике, весьма разнообразны. Разработаны и успешно применяются следующие основные методы: механические, радиационные, лазерные, электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. Из ряда перечисленных, обратимые преобразователи, т.е. преобразователи, которые могут быть использованы как для возбуждения, так и для регистрации колебаний, могут быть созданы только при использовании эффекта магнитострикции и пьезоэлектрического эффекта. Однако сложности технологии изготовления серии миниатюрных магнитострикционных преобразователей препятствуют их применению в разрабатываемой системе. Потенциально достижимые частоты порядка 200 кГц являются недостаточными для эффективной работы данной системы.
Вышеизложенное ограничивает диапазон выбора преобразователей до одного типа - пьезоэлектрических.
Пьезокерамика - наиболее широко используемый класс пьезоэлектрических материалов, получаемых методами керамического производства [5, 6, 17, 38, 45, 46, 52]. Ее свойства можно изменять в широких пределах соответствующим изменением технологии. Отличительная особенность пьезокерамики - ее высокие пьезоэлектрические характеристики и диэлектрическая проницаемость. Надежность пьезоэлектрических преобразователей характеризуется интенсивностью отказов, составляющей даже для относительно сложных по конструкции биоморфных преобразователей всего 10"6 ч 1. Пьезокерамические материалы устойчивы к воздействию ионизирующих излучений и агрессивных сред (разрушаются только в плавиковой кислоте).
Пьезокерамические материалы представляют собой твердые растворы, в которых подбором соотношения компонентов и введением модифицирующих добавок достигается некоторый оптимальный набор свойств материала. Наиболее широко применяют цирконат - титанат свинца (ЦТС), обладающий гексагональной структурой.
Сравнительно высокая точка Кюри обеспечивает работоспособность пьезокерамики ЦТС при температурах, характерных для водо-водяных реакторов. Большая диэлектрическая проницаемость упрощает проблему согласования преобразователей с электронными схемами даже при использовании длинных соединительных линий, позволяющих вынести электронную измерительную аппаратуру в помещение с температурой, близкой к нормальной. Большие значения пьезоэлектрических коэффициентов свидетельствуют о возможности эффективного возбуждения и регистрации колебаний.
Пьезокерамические материалы обладают хорошей радиационной стойкостью. При воздействии реакторных излучений со спектром нейтронов, характерным для реакторов на тепловых нейтронах, подавление пьезоэлектрических свойств наблюдается после достижения флюенсов порядка 1019 нейтр/см2 (для быстрых нейтронов 1018 нейтр/см2). При флюенсах до 10 нейтр/см изменения свойств незначительны и обратимы, даже если облучение происходит при повышенных (до 200 С) температурах [5, стр.92].
Прикрепление пьезоэлемента диаметром 3 мм к волноводу диаметром 1мм встречает серьезные технологические проблемы. Возникает необходимость в согласующем элементе. Выбор конического согласующего элемента обусловлен следующими причинами. При подаче электрических импульсов частотой 700 кГц, амплитудой 60 В на обкладку пьезоэлемента формируются две моды колебаний: осевые и радиальные. В связи с тем, что одна обкладка прикреплена к основанию конуса, имеет место распределение давления по оси пьезоэлемента (рис. 2.3), это приводит к тому, что осевые колебания достигают частот 1-2 МГц, а волновод диаметром 1 мм не пропускает колебания таких частот (нарушается условие [2.3] fd/cCT 0.4). Эти колебания преобразуются в нераспространяющиеся моды колебаний и вырождаются на расстоянии порядка длинны волны.
Радиальные колебания прикрепленного пьезоэлемента приводят к возникновению радиальных колебаний той же частоты 700 кГц в основании конуса, а в связи с тем, что коэффициент Пуассона материала конуса не равен нулю, эти колебания преобразуются в теле конуса в осевые, которые и распространяются по волноводу, прикрепленному к вершине конуса.
Электрическое подключение пьезоэлемента осуществляется припаиванием проводника на верхнюю обкладку. Появление накладки из припоя на верхней обкладке положительно сказывается на резонансных характеристиках преобразователя. Наблюдается уменьшение высокочастотных осевых резонансов и усиление низкочастотного радиального резонанса. Но это приводит так же к увеличению продолжительности сигнала за счет увеличения времени затухания реверберационных колебаний.
Преобразование электрического импульса в акустический, в данной системе будет осуществляться пьезокерамическими преобразователями, прикрепленными к основаниям конических концентраторов пайкой.
Излучение акустической энергии будет осуществляться благодаря осевым колебаниям концов волноводов - излучателей.
Волноводные сборки должны быть помещены в герметичные защитные чехлы, из которых в контролируемую среду выведены лишь торцы волноводов. После излучения торцом волновода акустические колебания распространяются в окружающей среде (в данном случае - в объеме кипящего водяного теплоносителя) и улавливаются торцом принимающего волновода. Между торцами волноводов организуется зазор, (контролируемый объем).
В каждом контролируемом объеме будет измеряться амплитуда акустических импульсов, прошедших от излучателей к приемникам. Эта амплитуда зависит от акустического волнового сопротивления среды (2.11):
Эксперименты по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и сборки на примере четырех волноводной модели
Как уже отмечалось в первой главе, параметры теплоносителя ЯЭУ и условия проведения измерений существенно ограничивают диапазон выбора средств измерений. Акустическая волноводная измерительная техника - одна из немногих разновидностей измерительных технологий, позволяющих производить измерения в столь агрессивных условиях
Применение волноводов для решения проблемы устойчивости акустических датчиков при контроле различных характеристик двухфазных теплоносителей с экстремальными параметрами, было предложено еще в 70-е годы [41, 58, 59, 60]. Конструкция датчика, в котором для подвода энергии акустической волны в контролируемый объем, находящийся под давлением высокотемпературного двухфазного теплоносителя, используются волноводы, в виде проволоки, пластин или стержней, проще и надежнее, чем применение термостойких пьезоэле-ментов или создание специальной системы их охлаждения. При таком подходе достигается достаточное дистанционирование от агрессивных условий для тех элементов, которые не обладают достаточной термостойкостью и инертностью к другим агрессивным факторам, например к ионизирующему излучению (электронные компоненты, полупроводники и т.д.).
На основе этого конструктивного принципа были разработаны, экспериментально проверены и успешно внедрены на энергетических предприятиях: локальные акустические зонды [58], импедансные и резонансные зонды [59, 60], которые в ходе продолжительной интенсивной эксплуатации подтвердили свою работоспособность безотказным функционированием.
Принципы действия этих устройств основаны на фиксации разрыва акустического контакта между излучателями и приемниками в локальных акустических зондах и на измерении затухания ультразвуковой волны в резонаторе или в волноводе в резонансных и импедансных зондах соответственно.
Идеи реализации данной многоточечной волноводно-акустической системы основаны на достижениях при создании локальных и импедансных зондов. Принципиально новой конструктивной особенностью стала разработка и применение не единичных волноводов, а многоволноводной системы, для создания оригинальной конструкции датчика с равномерно распределенными контролируемыми объемами по высоте контролируемого сосуда.
Ключевым элементом любой измерительной системы является датчик, который размещается непосредственно в потенциально агрессивной контролируемой среде и подвергается воздействию всех негативных факторов с ее стороны.
Для заданных условий датчик целесообразно сконструировать с использованием волноводно-акустической технологии (WATechnology [57]), основным принципом которой, как уже отмечалось, является применение металлических волноводов в акустическом тракте, что позволяет удалить из зоны воздействия агрессивных факторов со стороны контролируемой среды, элементы, не обладающие достаточной стойкостью и надежностью.
Однако это не единственный фактор, который обеспечивает стабильность, надежность и возможность долговременной эксплуатации системы в условиях ядерно-энергетической установки. Волноводно-акустическая технология включает в себя еще целый ряд проектных, конструкторских и технологических решений, о которых более подробно будет сказано ниже.
Простой акустический канал (рис. 3.1) состоит из излучающего и принимающего пьезоэлементов (2,7) и двух волноводов (4,5) между концами которых организован зазор (контролируемый объем).
К излучающему пьезоэлементу подключен генератор импульсов (1), а к принимающему - осциллограф (8). Для эффективной передачи энергии акустической волны от пьезоэлемента к волноводу возникла необходимость в применении конических концентраторов (3,6). Торцевая поверхность конуса полируется для обеспечения наилучшего контакта между поверхностями конуса и пьезоэлемента. На начальном этапе экспериментов были применены конические концентраторы, выполненные по линейной образующей.
Волноводы и концентраторы выполнены из нержавеющей стали ОХ18Н10Т. Конус прикреплен к волноводу при помощи точечной электросварки. Пьезоэлемент изготовлен на базе стандартного элемента пьезокерамики ЦТС-19 и обточен до диаметра 2.5 мм. К торцу согласующего конуса пьезоэлемент припаян тугоплавким припоем ПОС-10. Толщина пьезоэлемента 0.8 мм, резонансная частота Vpe3=700 кГц.
С выхода генератора (1) электрический сигнал частотой 700 кГц, амплитудой 60 В, что необходимо для работы пьезоэлемента, поступает на излучающий пьезоэлемент (2), где происходит его преобразование в акустический сигнал. Через конический концентратор (3) продольная акустическая волна распространяется по волноводу (4) и излучается его торцом в окружающую среду. Пропущенная через контролируемый объем, акустическая волна улавливается торцом принимающего волновода (5) и через конический концентратор (6) достигает принимающего пьезоэлемента (7), где происходит обратное преобразование акустического сигнала в электрический, который, затем поступает на вход осциллографа (8).
Изучение функционирования модели уровнемера на барботажном стенде
После анализа серии вариантов был сделан выбор в пользу цилиндрических прокладок из термостойкой резины, диаметром на 1-1.5 мм больше, чем внутренний диаметр защитного чехла, толщиной 3 мм. Прокладки надеваются на волноводы перед их размещением в защитном чехле. После вывода излучающего торца волновода в отверстие и подгибания его на 90 до горизонтали, прокладка топится в защитный чехол с некоторым усилием, обусловленным превышением диаметра прокладки по сравнению с внутренним диаметром защитного чехла. Конечное положение прокладки на 1 см выше отверстия, из которого выведен излучающий конец волновода.
Прокладки надеваются не на все волновода, а через один. Каждая следующая прокладка поджимает все предыдущие волноводы к внутренней поверхности стенки защитного чехла.
В ходе тестирования не выявлено никакого негативного влияния на акустические характеристики волновода, напротив наблюдается эффект демпфирования шумов, сигнал становится более четким. Сборка получается достаточно прочной, попытки изменить геометрию раскладки волноводов внутри сборки оказались безуспешными. Примененная резина сохраняет эластичные свойства до температуры 300С, что вполне достаточно.
С целью улучшения акустических характеристик системы была проведена замена линейных согласующих конусов на конические концентраторы, выполненные по экспоненциальной образующей.
Это позволило снизить потери энергии акустической волны при излучении, а так же практически исключить явления, связанные с реверберацией излученного сигнала в теле конуса, что позволило, в конечном итоге, увеличить амплитуду полезного сигнала. Таким образом, эксперименты с четырех волноводной моделью позволили детально проработать каждый узел и технологии изготовления и монтажа предлагаемой конструкции многоточечной акустической волноводной системы контроля уровня двухфазного теплоносителя. Чувствительный элемент (датчик) системы представляет собой две восьми волноводных сборки, помещенные в защитные чехлы, длинной 1000 мм. С целью уменьшения потерь энергии акустической волны за счет поглощения в волноводах, нержавеющая проволока, из которой они изготавливались, предварительно отжигалась. Отжиг снимает внутренние напряжения, вследствие чего коэффициент затухания уменьшается в несколько раз. Кроме этого волноводы становятся значительно более пластичными, что значительно облегчает технологию сборки. Каждый волновод снабжается приваренным согласующим экспоненциальным конусом. Второй (нижний) конец каждого волновода выводится через заранее заготовленные отверстия в защитном чехле диаметром 3 мм, расположенные с шагом 50 мм. На выведенные концы волноводов надеты капилляры, которые приварены к защитным чехлам точечной электросваркой, общий торец капилляра и волновода герметично заварен. Нижние торцы защитных чехлов загерметизированы торцевыми резьбовыми заглушками. Защитные чехлы с размещенными в них вол-новодными сборками стянуты в крайних точках дистанционирующими пластинами, в конструкции которых предусмотрена возможность точной настройки взаимного положения точек излучения и приема акустических сигналов.
Все конструктивные элементы выполнены из нержавеющей стали ОХ18Н10Т за исключением дистанционирующих пластин, которые изготовлены из дюралюминия. Для облегчения параллельного доступа ко всем пьезоэлементам концы волноводов с конусами размещены на диэлектрической распределительной пластине, что позволило разместить все 16 конусов с пьезоэлементами в одной плоскости. На поверхности распределительной пластины находится медная фольга, выполняющая роль экрана, излучающие волноводы так же экранированы от принимающих с целью исключения появления наведенного сигнала от импульса-посылки.
Верхняя часть чувствительного элемента (распределительная пластина) помещена в защитный экранирующий корпус, выполненный из дюралюминия. В этом же корпусе смонтирован блок из восьми предварительных усилителей (поканально) и блок из восьми выходных каскадов генератора импульса-посылки.
В корпусе датчика смонтирован разъем РП 15-23 ШК, при помощи которого датчик подключается к вторичному блоку обработки сигналов через 18-ти канальный кабель (16 информационных и два канала питания), в котором каждый канал индивидуально экранирован.
В ходе изготовления и монтажа узлов датчика проводилось пошаговое тестирование и внимательная проверка каждого сварного и паяного соединения, тщательно контролировались все электрические соединения, каждый волновод протестирован в режиме излучение-прием. Это позволило добиться приемлемых результатов, несмотря на ручное, "кустарное", изготовление макета датчика. На рис. 3.10 представлены результаты тестирования волноводов в режиме излучение-приём, измерялось время распространения акустической волны по волноводу при известной скорости распространения. Отклонение экспериментальных результатов от теоретической зависимости (сплошная линия на рис. 3.10) не превышает погрешности измерения, что говорит о равномерности отжига и незначительности разброса акустических характеристик волноводов.
