Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства для измерения локальных характеристик и структуры одно двухфазных потоков . 12
1.1. Измерение средних и локальных температур потока 13
1.1.1. Измерение истинных температур фаз двухфазного потока 13
1.2. Измерение скорости (расхода) одно и двухфазного потока 15
1.2.1. Скорости одно и двухфазного потока 16
1.2.2.Расход двухфазной смеси... 19
1.3. Среднее по сечению канала истинное объемное паросодержание и плотность смеси РСМ
1 АИстинное локальное объемное паросодержание, <рл 31
Заключение к главе 1 34
Литература к главе 1 37
ГЛАВА2 Определение характеристик двухфазного потока методом электрозондирования 43
2.1 Определение локального истинного объемного паросодержания, (рл 43
2.1.1 Обоснование метода 43
2.1.2 Погрешность определения срл 48
2.1.3 Методика определения локального истинного объемного паросодержания ХРЛ ... '. 53
2.2 Определение скоростей фаз двухфазного потока 58
2.2.1 Обоснование метода. 58
2.2.2 Алгоритм определения скоростей фаз двухфазного потока 63
2.2.3 Оценка точности определения скоростей фаз 65
2.3 Определение истинного объемного паросодержания в нестационарных: режимах 68
2.3.1. Определение истинного объемного паросодержания в нестационарных режимах течения двухфазной смеси 69
2.3.2 Алгоритм определения истинного объемного паросодержания в нестационарных режимах течения двухфазной смеси 70
2.4. Определение истинного объемного паросодержания с помощью методов зондирования на стендах ЭНИЦ 71
Заключение к главе 2 83
Литература к главе 2 85
ГЛАВА 3. Определение характеристик двухфазного потока методом оптозондирования ... 90
3.1. Методы оптозондирования 91
3.1.1 Фазовая модуляция 91
3.1.2. Поляризационные ВОД 92
3.1.3. Амплитудная модуляция 94
3.2 Определение истинного объемного паросодержания 99
3.2.1. Погрешность определения <рл 99
3.2.2. Алгоритм определения локального истинного объемного паросодержания ФЛ 109
3.3. Измерительная схема для проведения измерений методом оптозондирования 110
3.4. Результаты измерений истинного объемного паросодержания методом оптозондирования..., 112
Заключение к главе 3 114
Литература к главе 3 117
ГЛАВА 4. Определение : характеристик: однофазных потоков методом теплового зондирования 120
4.1. Методы теплового зондирования потока 120
4.2. Тепловое зондирование потока с помощью термопары с прямым нагревом чувствительного элемента. 124
4.2.1 Конструкции термопар с прямым нагревом чувствительного элемента 124
4.2.2 Схемные решения для осуществления измерений с помощью термопары с прямым нагревом чувствительного элемента 129
4.3. Характеристики термопар с прямым нагревом чувствительного элемента 134
4.4. Определение тегоіогидравлических характеристик однофазного потока жидкости (газа) с помощью термопарного измерителя скорости ТИС 144
4.4.1 Определение скорости однофазного потока жидкости (газа) 144
4.4.2 Определение скорости жидкости с помощью ТИС в импульсном режиме ', 147
4.4.3. Экспериментальное определение характеристик ТИС 152
Заключение к главе 4 163
Литература к главе 4 165
ГЛАВА5 Определение истинных и расходных характеристик двухфазного потока на основе данных полученных методами зондирования 167
5.1. Истинные и расходные характеристики двухфазных потоков 167
5.2. Режимы течения двухфазных смесей 171
5.3. Истинные и расходные характеристики адиабатных двухфазных потоков 176
5.3.1 Горизонтально ориентированные каналы 176
5.3.2 Вертикально ориентированные каналы 179
5.4 Двухфазные потоки в условиях теплообмена.. .: 181
5.4 Алгоритм определения истинных и расходных характеристик двухфазного адиабатного потока 186
5.4.1 Горизонтально ориентированные каналы 188
5.4.2 Вертикально ориентированные каналы .189
Заключение к главе 5 190
Литература к главе 5 191
Заключение к работе
- Измерение скорости (расхода) одно и двухфазного потока
- Методика определения локального истинного объемного паросодержания ХРЛ
- Алгоритм определения локального истинного объемного паросодержания ФЛ
- Схемные решения для осуществления измерений с помощью термопары с прямым нагревом чувствительного элемента
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.
Атомная энергетика России базируется на реакторах двух типов: ВВЭР и канальных уран-графитовых РБМК. Развитие атомной энергетики возможно при выполнении основного условия - уровень безопасности АЭС должен отвечать жестким требованиям. Характеристикой этого уровня служит расчетное доказательство безопасности АЭС с использованием теплогидравлических кодов улучшенной оценки, верифицированных на экспериментальных данных. Для верификации математических моделей в переходных и аварийных режимах, построеїшя физически обоснованных методик расчета теплогидравлических характеристик установок необходимы экспериментальные данные, как по интегральным характеристикам потока, так и данные о локальных характеристиках и структуре потока: истинное объемное паросодержание, скорости фаз, скорость и расход одно- двухфазной смеси. Определение локальных характеристик и структуры потока наталкивается на ряд трудностей, обусловленных, с одной стороны, сложностью объекта исследования (высокие давления, температуры, наличие двух фаз движущихся с различными скоростями, нестационарность процессов и т. д.), а с другой, скудостью средств, имеющихся в распоряжении экспериментатора. В настоящее время при определении характеристик одно- двухфазных потоков применяются зондовые методы. В силу различных причин методы зондирования потока имеют ограниченный диапазон применения. Во многих случаях получение достаточно представительных и точных данных по локальным характеристикам одно и двухфазных потоков не представляется возможным. Для безаварийной работы ЯЭУ необходимо контролировать интенсивность теплогидравлических процессов протекающих в элементах оборудования как в стационарных, так и переходных режимах. К таковым можно отнести расход теплоносителя, температура воды на входе и выходе A3 (паросодержание на выходе в кипящих РУ), мощность энерговыделения. Используемые в настоящее время методы не позволяют полностью контролировать ряд важных характеристик (скорость воды, истинное и (или) объемное паросодержание ). Таким образом, задача совершенствования известных и разработка новых методик зонда -з рования потока с целью расширения диапазона применимости, повышения точности и представительности полученных данных весьма актуальна. ЦЕЛЬ диссертационной работы заключалась в следующем: В проведении экспериментальных исследований по созданию методов зондирования с улучшенными характеристиками в области режимов характерных для исследований аварий на экспериментальных интегральных стендах: высокие давления, температуры, нестационарные режимы течения одно - двухфазных потоков. Конкретными задачами работы являлись:
1. Экспериментальные исследования взаимодействия электрозонда с двухфазным потоком, направленные на получение зависимости истинного объемного паросодержания, скоростей фаз от уровня дискриминации сигнала, полу-чешюго при взаимодействии зонда с двухфазным потоком.
2. Экспериментальные исследования метода оптозондирования, направленные на разработку структурной схемы и волоконно-оптического датчика, позволяющего проводить исследования двухфазного потока в области высоких температур и давлений.
3. Экспериментальные исследования метода теплового зондирования, направ-леїшьіе на создание термопарного измерителя скорости (ТИС) с прямым нагревом чувствительного элемента, позволяющие реализовать метод в области высоких температур и давлений однофазной среды.
4. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при взаимодействии термопарного измерителя скорости с однофазным потоком и определение функциональной связи температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Показано, что зависимость истинного объемного паросодержания срл от уровня дискриминации сипіала содержит область плато, уровень дискриминации, выбранный на участке плато оптимален, его использование при обработке сигнала дает минимальную погрешность при определении рл. На основе данных, полученных при взаимодействию зонда с двухфазным потоком, разработана методика оп -ю ределения истинного объемного паросодержания и методика, позволяющая с помощью метода электрозондирования определять скорости фаз в двухфазном потоке. Методики защищены патентами РФ.
Определена структурная схема, реализующая метод оптозондирования. На этой основе создана принципиальная схема и изготовлен макетный образец прибора. Разработан и изготовлен волоконно-оптический зонд, позволяющий проводить измерения истинного объемного паросодержания в пароводяном потоке высокого давления.
Разработаны датчики и схемы, позволяющие реализовать метод теплового зондирования с помощью нагретого чувствительного элемента термопары, ТИС.
Получена функциональная связь температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева. Схемы и датчики защищены патентами РФ.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивалась тщательной проработкой методик, отработкой предложенных, методик на водо-воздушных и пароводяных стендах высокого давления, сравнением полученных результатов с известными методиками, проведением большого количества тестовых экспериментов, статистической обработкой результатов измерений.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА.
Автор принимал участие на всех этапах исследований. Автором лично проведены исследования, на основе которых выбрана структурная схема, реализующая метод оптозондирования, разработана, изготовлена схема и волоконно-оптический зонд ВОД. При участии автора разработаны: методика, на основе которой возможен выбор оптимального с точки зрения повышения точности определения истинного объемного паросодержания уровня дискриминации, методика, позволяющая с помощью метода электрозондирования определить скорости фаз в двухфазном потоке, метод теплового зондирования с помощью прямого нагрева чувствительного элемента термопары.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Разработанные методики расширяют экспериментальные определения характеристик одно- двухфазных потоков в условиях высоких давлений и температур при исследовании стационарных и аварийных режимов работы АЭС. Комплексное использоваїше методов зондирования дает возможность определения характеристик многофазных потоков (нефть, вода, воздух).
Методики используются на экспериментальных интегральных стендах ФГУП «ЭНИЦ» при исследованиях аварийных режимов АЭС с ВВЭР и РБМК. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
- методика выбора оптимального с точки зрения минимальной погрешности определения истинного объемного паросодержания уровня дискриминации;
- -методика определении скоростей фаз в двухфазном потоке на основе метода;
- схема и датчик, реализующие метод оптозонднрования;
- датчики и измерительная схема, на основе которых реализован метод теплового зондирования с помощью прямого нагрева чувствительного элемента термопары, ТИС; - функциональная зависимость температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты исследований докладывались и обсуждались: • на V Минском международном форуме по тепло - массообмену 24-28 Мая, 2004 г. Минск. 2004; на международной конференции International Youth Nuclear Congress 2004, May 9-13 Toronto, Canada; на второй всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА 2004» 23-25 марта 2004 г. Обнинск; на 4-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ ГП., Подольск, 23-26 мая 2005 г.; на международной конференции 11 International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulic (NURETH-11) popes Palace Conference Center, Avignon, France, October 2-6,2005.
Измерение скорости (расхода) одно и двухфазного потока
Физическим обоснованием практической реализации кондуктометрическоііз и диэлькометрического методов является существенная разница в удельной электрической проводимости и диэлектрической проводимости воды -ужи ЕЖ, по сравнению со значениями для равновесного пара - уг и г, соответственно. По мере повышения давления пароводяной смеси отношение ЕЖ и Ег уменьшается, в то же время с большой точностью, вплоть до давления, близкого к критическому, пар можно считать неэлектропроводным, [30]. Эти методы могут быть реализованы с помощью электродов, помещенных в двухфазную среду, между которыми приложена определенная разность потенциалов. Однако, при использовании постоянного тока может возникнуть процесс электролиза на измерительных электродах, приводящий к изменению состояния их поверхности и влияющий на чувствительность. При приложении к электродам переменного напряжения высокой частоты ионы не разряжаются на электродах, а только испытывают колебания около них, и процесс электролиза не возникает. При этом датчик представляет собой комплексное со противление с эквивалентными активной и реактивной (емкостной) составляющими - 2Г и Zc, подобным образом зависящими от геометрии пластин: и та и другая пропорциональны площади поверхности электродов и обратно пропорцисіїїліньї расстоянию между ними. Полная проводимость между электродами датчика в двухфазном потоке смеси уем определенным образом зависит от газосодержаїшя в измерительной ячейке.
Определенную погрешность, в такого рода измерениях, вносит поляризация электродов датчика, зависящая от природы материала электродов и условий проведения опытов. Повышение частоты тока существешга ослабляет поляризацию электродов, однако с повышением частоты все большее значение приобретают диэлектрические характеристики двухфазной среды и коїщуктометрический метод переходит в диэлькометрический. Для расчета диэлектрической проницаемости двухфазной среды „, существует много соотношений, полученных на основе различных теоретических и экспериментальных данных. В свою очередь, многообразие режимов течения двухфазных потоков (пузырьковый, снарядный, эмульсионный, расслоенный), не позволяет использовать единую зависимость для расчета ср, по измеренным значениям у или ет во всем диапазоне изменения (р от 0 до 100%. Однако, если в практическом диапазоне скоростей потока, паросодержаний и давлений смены режимов течения не происходит, объем измерительной ячейки Vu существенно больше объема парового включения Уг и электрическое поле однородно, то возможно однозначное определение р по Уем. Для этого в лабораторных условиях моделируют структуру смеси в реальном диапазоне изменения р и подбирают подходящее эмпирическое соотношение.
Таким образом, для определения р по измеренным значениям уш или єш необходимо иметь тарировочные зависимости, т. е. в каждом конкретном случае необходимо калибровать измерительную систему. Последнее довольно сложно, ввиду необходимости проведения тщательных калибровочных опытов в условиях высоких температур и давлений, характерных для действующих энергетических установок.
Методы визуализации потока. Оптические методы сыграли большую роль в исследовании структуры двухфазного потока. Оптические методы измерения можно условно разделить на три основных класса [31-37]: - методы, которые дают информацию только о пространственной интенсивности распространения изображения объекта; - методы, которые совместно с этой информацией дают информацию о фазе распространения света; - методы, которые измеряют силу рассеянного света.
Примерами этих классов могут служить фотосъемка, голография и рассеивание света Релея соответственно. На рис. 1 показаны некоторые методы, соответствующие каждому из трех классов.
Наиболее широкое распространение, как метод экспериментального изучения гидродинамики двухфазных систем в практике научно-исследовательской работы, получила фотосъемка (видеосъемка). В ряде случаев информация о течениях в двухфазных системах, полученная с помощью видеосъемки, оказывается вполне достаточной не только для качественных оценок, но и для количественного анализа характеристик движения фаз. Фотосъемка позволяет зафиксировать мгновенное состояние исследуемого объекта, ее применение предполагает, что стенки аппарата, в котором изучается гидродинамика двухфазной системы, должны быть прозрачными для электромагнитного излучения в видимой части спектра. В некоторых случаях, достаточно иметь прозрачными только часть стенок аппарата.
Недостатком методов фото- и киносъемки является то, что свет, проходя через смотровые окна и двухфазный поток, претерпевает сложную серию преломлений, вследствие чего получающиеся изображения элементов структуры зачастую туманны и искажены и, следовательно, расшифровка фотоизображений становится затруднительной.
Методика определения локального истинного объемного паросодержания ХРЛ
Метод измерения рД, использующий акустическое зондирование двухфазного потока, основан на различии акустической проводимости жидкой и паровой фаз [41]. Ультразвуковой зонд состоит из пары акустических волноводов, (волноводы представляют собой нержавеющую проволоку, обычно диаметром около 1 мм), кончик одного из них является излучателем, а второго - приемником звуковых импульсов [41]. На других концах волноводов, выведенных из потока, прикреплены пьезокерамические преобразователи. Работает датчик следующим образом. Электрические импульсы с выхода генератора поступают на преобразователь излучающего волновода, преобразуются в ультразвуковые сигналы и по волноводу поступают в контролируемый объем. При этом, контролируемым объемом является область среды, примыкающая к излучаемому и приемному шарикам, и всякое нарушение сплошности потока жидкости в этой зоне ведет к изменению амплитуды сигнала на выходе зонда. Метод акустического зондироваїшя потока использовался как для определения истинного объемного паросодержания (рл в стендовых условиях, так и для диагностики потока в реакторных условиях, [40-42]. Оптическое зондирование потока
Для создания физически обоснованных методик расчета кризиса теплоотдачи в каналах ЯЭУ необходимы данные о локальных характеристиках одно двухфазного потока, [50]. Наиболее сложно данные такого рода получить в характерных ячейках сборок. Последнее связано с тем, что характерные размеры ячеек малы в связи с этим необходимо использование зондов весьма малых размеров (менее 1 мм). В работе [51] показана возможность моделирования теплогидравлических процессов, имеющих место в диабатных пароводяных системах. В качестве модельных жидкостей используются низкокипящие жидкости - хладоны. Основное преимущество проведения опытов в диабатных условиях на модельных жидкостях заключается в том, что опыты проводятся при низких давлениях, например, для хладона давлеігае 1,06 - 1,37 МПа соответствует давлению на воде Р = 6,86- 13,72 МПа. Вторым важным преимуществом проведения опытов на модельных жидкостях являются сравнительно низкие плотности критических тепловых потоков и температур теплоотдающих поверхностей. Последнее позволяет, например, проводить исследования структуры потока при наличии кризиса теплоотдачи на тепло-отдающих поверхностях. Использование в качестве модельной жидкости хладона позволило получить информацию по кризису в различных каналах, а также информацию о распределении локальных параметров по сечению сборки (температура теплоносителя в ячейках), [52, 53].
Таким образом, для получения информации о локальных параметрах потока, необходимы зонды удовлетворяющие двум требованиям. Зонды должны быть достаточно малых размеров и должны позволять проводить измерения, как в электропроводных, так и неэлектропроводных жидкостях (хладоны). Этим требованиям удовлетворяет методика, основанная на оптическом зондировании потока.
Метод измерения срм использующий оптическое зондирование двухфазного потока, основан на различии оптической проводимости жидкой и паровой фаз. В литературе имеются сведения об использовании метода оптического зондирования для определения толщины пристенной пленки, [49], локального истинного объемного паросодержания в ячейках сборки (фреон-12), [50] и других величин, [55] .
Сведения о конструкции опто-волоконных зондов, аппаратуре позволяющей записать и обработать сигнал .возникающий при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, отсутствуют.
Заключение к главе 1.
1. Проведен обзор методов и средств, используемых для определения локальных характеристик и структуры одно двухфазных потоков.
2. Измерение скорости однофазного потока возможно с помощью механических зондовых методов (трубка Пито - Прандтля). Метод теплового зондирования (термоанемометр) позволяет дать информацию как о скоростях потока, так и ее флуктуациях. В силу ряда ограничений метод теплового зондирования используется, в основном, для диагностики газовых потоков. Метод теплового зондирования с помощью нагретого чувствительного элемента термопары возможно использовать для определения скоростей однофазного потока. Метод не получил широкого распространения из-за значительных технических трудностей, возігакающих при его реализации.
3. Методы измерения скоростей двухфазного потока практически отсутствуют.
4. Анализ методов для измерения расхода двухфазной смеси показывает, что в настоящее время отсутствуют методики, на основе которых возможны измерения расхода двухфазной смеси во всем диапазоне существования двухфазного потока. Измерение расхода двухфазной смеси с помощью сужающих устройств наиболее надежно в области дисперсного режима с малым содержанием жидкой фазы.
5. Метод измерения расхода двухфазной смеси G с помощью у - денситометра и измерителя среднего динамического напора двухфазного потока позволяет проводить измерения во всей области существования двухфазного потока. Наиболее надежные и точные результаты могут быть получены в области пузырькового и дисперсного режима течения, в которой реализуется гомогенная структура двухфазного потока
Алгоритм определения локального истинного объемного паросодержания ФЛ
Предлагаемая методика определения скорости границы раздела фаз, реализуется следующим образом [37,38]: 1. Электрокоитактный зонд размещается нормально (« = %) к набегающему потоку. (Для проведения измерений электроконтактный зонд в простейшем случае должен иметь следующие элементы, рис. 2.8 - вігутрештай электрод 1, наружный электрод 2, снабженный удлшгательным проводом 3. Электроды разделены диэлектриком 4. Внутренний электрод и удлинительный провод образуют межэлектродный промежуток 5 шириной Д рис.2.8). 2. Осуществляется взаимодействие зонда с двухфазным потоком и записывается сигнал, образующийся при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, до получения зависимости вида U /(т). 3. Выбирается время экспозиции Т (отрезок времени на зависимости U = f(r), достаточный для получения статистически значимого результата). 4. Определяется уровень дискриминации Ud. 5. На зависимости U =/(т) на временном промежутке, равном времени экспозиции Т, в интервале Umax - Umin, выбирают различные уровни дискриминации Ud. 6. Определяют ср, соответствующие выбрашплмуровням дискриминации [/&. ср - определяют на основе зависимости: р(г)=- 7. Строится зависимость р =f(Ub). 8. Определяется на зависимости р =f(Ud) точка перегиба и (или) область плато. Значение Ud, соответствующее точке перегиба и (или) области плато, являет -sy двухфазный поток Рис. 2.8 Характер взаимодействия зонда с двухфазным потоком. Зонд ориентирован нормально потоку. - внутренний электрод; 3 - удлинительный провод; 5 - межэлектродный промежуток. - наружный электрод; 4 - электроизолятор; ся оптимальным уровнем дискриминации на временном промежутке, равном
Времени ЭКСПОЗИЦИИ Т, Т. Є. Udonm = Ud 9. Определяются точки пересечения Ud с зависимостью U =f(r) , /,. и tM. 10. Определяется скорость границы раздела фаз как - скорость границы раздела фаз в процессе прохождения от первого по ходу потока электрода до второго электрода; w = г— 2 U-Uu макс мин Аи At r=tu (2.21) - скорость прохождения границы раздела фаз в процессе выхода фазы из межэлек тродного промежутка и потери контакта с первым по ходу движения потока элек тродом и вторым электродами; ... А - расстояние между электродами зонда.
Под границей раздела фаз подразумевается граница раздела парового пузыря и несущей жидкости (пузырьковый режим течения - несущая фаза жидкость), в этом случае определяется скорость паровой фазы. В случае парокапельного режима граница раздела - это граница между каплей и паровой несущей фазой, в этом случае определяется скорость капель, переносимых паром.
В предлагаемом методе повышение точности определения скорости границы раздела фаз и представительность результатов обеспечивается тем, что взаимодействие зонда с фазой проводят при размещении зонда нормально к набегающему потоку [a = %), в этом случае возможна однозначная интерпретация фронтов, возникающих при входе фазы в зонд и выходе фазы из него. Повышение точности оп ределения скорости границы раздела фаз достигается также за счет того, что определяется оптимальный уровень дискриминации, что, в свою очередь, позволяет правильно определить точки пересечения фронтов с уровнем дискриминации и исключить ошибки, возникающие при определении, производных.
Повышение точности достигается также за счет настройки прибора. В случае пузырькового режима предпочтительно настройку прибора проводить таким образом, чтобы при взаимодействии зонда с несущей фазой (жидкость) имел место максимальный сигнал, т. е. имакс = иж, ишм = U„. При капельном режиме предпочтительно иметь настройку прибора так, чтобы при взаимодействии зонда с несущей фазой (пар) имел место максимальный сигнал, т. е. UMaKC = Un UMUH = иж.
Для проверки предлагаемого метода было проведено определение скорости раздела фаз (скорость пузырей) в условиях барботажного режима. Барботажный режим создавался путем подачи воздуха через пористую вставку, установленную в нижней части трубы вьшолненной из плексиглаза, рис.2.4. Воздух подавался от компрессора (марка СХ-1000). Электроконтактный зонд устанавливался нормально оси трубы (труба ориентировалась вертикально). На рис.2.8 показана зависимость U =f(r) записанная при взаимодействии водовоздушного потока (барботажный режим) с электроконтактным зондом, а также различные стадии взаимодействия пузыря с зондом (рис.2.8 а, б, в). Как видно из рис.2.8, фронты симметричны, что кроме всего прочего свидетельствует о минимальном искажении формы пузырей при взаимодействии с зондом
Скорость границы раздела фаз определялась следующим образом. Электроконтактный зонд размещался так, чтобы двухфазный поток был направлен нормально к электродам электроконтактного зонда. Далее проводилась запись сигнала, возникающего при взаимодействии зонда с потоком. В данном случае вторичная аппаратура была настроена таким образом, что максимальный сигнал имел место при взаимодействии зонда с жидкостью (водой), минимальный при взаимодействии зонда с паром. Далее многократно определялось истинное объемное паросо-держание (р при различных уровнях дискриминации Ud, выбранных в интервале Umax - Umin, и определялся оптимальный уровень дискриминации Ud по местоположению точки перегиба (плато) на зависимости р f(Ub)-
Схемные решения для осуществления измерений с помощью термопары с прямым нагревом чувствительного элемента
Для получения информации о локальных параметрах потока необходимы методы, позволяющие проводить измерения как в электропроводных, так и неэлектропроводных жидкостях. Зонды должны оказьшать минимальное воздействие на исследуемый поток. Этим требованиям удовлетворяет методика, основанная на оптическом зондировании потока.
Метод оптозондирования сходен с электрозондированием, однако, имеет по сравнению с ним ряд достоинств. 1. В методе оптозондирования отсутствуют ограничения по величине электросопротивления рабочей среды, что позволяет существенно расширить диапазон сред (хладоны, криогенные жидкости, взрывоопасные жидкости и т. д.). 2. Ввиду малого затухания оптического сигнала в современных световодах практически снимаются ограничения по длине измерительной линии, которые существуют в электрозондовом методе в связи с электрической емкостью кабеля. 3. Обеспечивается высокая помехоустойчивость от электромагнитных полей. 4. Чувствителный элемент оптического зонда имеет малые поперечные размеры (50-200 мкм), что обеспечивает хорошее пространственное разрешение и уменьшает влияние зонда на исследуемый поток.
Методы оптозондирования можно, в зависимости от типа модуляции света, разделить на несколько групп: Методы, использующие фазовую модуляцию Методы, использующие поляризацию света Методы, использующие амплитудную модуляцию
Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменения фазы электромагнитной волны, распространяющейся по оптическому каналу. Эти изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферомет-рическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. Техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменение фазы колебания вплоть до 10"8 рад. Поскольку используются оптические сигналы с длинами волн порядка микрометра, можно регистрировать ничтожно малые изменения оптической длины канала [4].
В общем случае изменение фазы А(р, обусловленное внешним воздействием на светодиод, складывается из изменения постоянной распространения волны /? и изменения его длины L: Ap-pAL + LAp (3.1) Ар=Апдр/дп + Аадр/да (3.2) где: An - разность показателей преломления сердцевины и оболочки световода; f» a - радиус сердцевины световода.
Основной вклад в изменение фазы вносит изменение длины световода. Изменение таких внешних воздействий, как температура, давление, магнитное поле и т. д., также приводит к изменению фазы колебания.
Оптическая частота составляет около 10 4 Гц. Поэтому фотодетекторы, применяемые в световодной технике, нельзя использовать для непосредственной регистрации результатов фазовой модуляции. Необходимо в устройствах рассматриваемого вида пользоваться специальными преобразователями, чтобы в конечном итоге иметь возможность наиболее точно измерять сдвиг фазы. Иначе говоря, необходимо отображать результаты фазовой модуляции, приводя их к результатам амплитудной модуляции. Эту функцию могут выполнять оптические интерферометры.
ВОД фазовой модуляции строятся по одной из следующих наиболее распространенных схем: 1) на основе .гомодинного и гетеродинного интерферометра Ма ха-Цендера; 2) на основе межмодовых интерферометров; 3) на основе одноволо-конного интерферометра Саньяка с двунаправленной оптической связью; известно также использование схемы интерферометра Фабри-Перо [5] и Майкельсона [6]. Каждый из них является преобразователем излучения, модулированного по фазе, в регистрируемое фотодетектором излучение, модулированное по амплитуде.
Волоконно-оптические устройства с фазовой модуляцией значительно сложнее устройств с амплитудными датчиками, дороже их, но чувствительность датчиков с фазовой модуляцией гораздо выше. В таких датчиках, для наиболее полного использования их преимуществ, применяется одномодовое оптическое волокно.
Поляризационные ВОД основаны на зависимости изменения поляризации излучения при прохождении его через оптические среды, находящиеся под воздействием измеряемой величины. Особенность поляризованной электромагнитной волны заключается в наличии преимуществешюго направления колебаний вектора напряженности электрического поля Е, а следовательно, и вектора напряженности магнитного поля Н. Поляризация света может возникать непосредственно в излу-v чателе, при распространении световой волны в некоторых анизотропных средах, при преломлении или отражении света на границе раздела двух сред, а также при воздействии на среду, в которой распространяется свет, ряда внешних возмущающих факторов. В последнем случае внешнее физическое возмущение изменяет анизотропию оптических свойств материала световода, [7].
Состояние поляризации света, распространяющегося по оптическому волноводу, определяется экспериментально, путем выявления характера поведения вектора Е. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то волна именуется плоскополяризованной. При суперпозиции волн, генерируемых двумя или большим числом излучателей, если напряжешюсть электрического поля беспорядочно изменяется со временем по амплитуде и направлению (в плоскости, перпендикулярной лучу), то результирующая волна называется неполяризованной или "естественной". Когда в двух волнах, распространяющихся в одном и том же направлении вдоль оси z, и поляризованных в плоскостях xz и yz, напряженности электрического поля изменяются гармонически с одинаковой круговой частотой а, и при этом вектор Е в результирующей волне вращается, и его конец с круговой частотой со описывает эллипсы в плоскости, перпендикулярной оси волоконного световода, то такая поляризация называется эллиптической. Поляризация света называется полной, если в рассматриваемом световом потоке все волны, генерируемые различными излучателями, поляризованы одинаково.
Если рхп ру- начальные фазы волн, поляризованных в плоскостях xz и yz, то распространение средних квадратичных значений Е в плоскости, перпендикулярной оси z, определит положеіше и ориентировку полуосей эллипса, а направление вращения вектора Е будет соответствовать знаку разности фаз (срх - ру). При изменении фаз (рх или ру таким образом, что \ рх- фу\ равно ті/l и Ех = Еу, эллиптическая поляризация становится круговой или циркулярной, а при рх = ру результирующая волна будет плоскополяризовашгой.
Если в световоде одновременно возникают волны, поляризовашгыё в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и волны некогерентные, то получается частичная поляризация. Можно выделить поляризованную компоненту в частично поляризовагаюм свете, введя некоторый сдвиг фазы в одну из составляющих век- . тора Ё по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у. Пользуясь этим приемом, можно также определить степень поляризации, т. е. отношение потока энергии поляризованной компоненты к общему значению потока энергии распространяющегося по оптическому волноводу пучка света, а также установить характер поляризации, [8].
