Электрофизическая диагностика состояния водного теплоносителя в двухфазном состоянии на основе СВЧ-метода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрофизическая диагностика состояния водного теплоносителя в двухфазном состоянии на основе СВЧ-метода

Ю.В. Мулев, М.Ю. Мулёв

НПО ЮМАС, г. Москва, Россия

А.С. Совлуков

ИПУ РАН, г. Москва, Россия

Методы электрофизической диагностики позволяют оценивать состояние тепло- и энергоносителей в двухфазном состоянии, в процессе химических реакций, при фазовых переходах/1-6,10,например/. Эти методы могут применяться для определения концентраций различных веществ в смесях, а также даже незначительных концентраций паров теплоносителей в нейтральных газах и во многих других случаях. Все это открывает уникальные возможности в совершенствовании работы энергетических установок, получении более полной информации о состоянии рабочего тела в процессе работы технологического оборудования, в создании современных систем контроля, измерения и автоматизации, технологических защит.

Электрофизическая диагностика в зависимости от частотного диапазона включает в себя кондуктометрический, емкостной, СВЧ и др. методы.

Кондуктометрический метод, один из наиболее известных в разделе электрофизической диагностики, успешно применялся и остается перспективным при определении характеристик пароводяных потоков, отдельных его составляющих. В /1-3, например/ путем регистрации замыкания пространства между двумя электродами определялись характеристики водного теплоносителя в двухфазном состоянии: толщина и волновые показатели пристенных пленок, паровые включения в жидкой фазе и капельные включения в паре, режимы пароводяных потоков и другие.

В /4,5/ предложена схема управления энергетическим оборудованием с использованием сигнала по интегральной влажности пароводяной смеси на основе емкостного метода измерения. Экспериментальные и промышленные испытания продемонстрировали работоспособность такого способа контроля состояния водного теплоносителя в двухфазном состоянии в промышленных условиях.

В /6,5/ разработаны методики и приведены градуировочные характеристики для определения состояния различных веществ, включая газы, смеси жидких веществ, по их электрофизическим характеристикам. Следует отметить, что на основе электрофизических характеристик могут успешно, как показали результаты работ /5,6/, функционировать диагностические системы по контролю фазовых переходов, где измерения другими методами затруднено.

В настоящей работе предложен метод контроля состояния тепло- и энергоносителей на основе устройств, функционирующих на сверхвысоких частотах. Бесконтактность этого метода, а также широкий по своим приложениям спектр разных по своим характеристикам измерительных схем позволяют применить сверхвысокие частоты (СВЧ) для создания различных устройств измерения интегральных и локальных характеристик пароводяных потоков, малых концентраций водяных паров в нейтральных газах и многих других приложениях.

Целью настоящей работы является исследование качественной картины зависимости затухания энергии электромагнитных волн от толщины пленки водного теплоносителя и как одного из вариантов работы на основе этой зависимости СВЧ-метода электрофизической диагностики. Исследование предусматривает апробацию предлагаемого метода на имитируемом расслоенном режиме воздух-вода при нормальных температурах.

В наиболее общем виде взаимодействие электромагнитной волны с теплоносителем описывается уравнениями Максвелла, следствием которых являются волновые уравнения.

Процессы, происходящие в диэлектрических материалах, подверженных воздействию внешнего электрического поля, могут быть описаны с помощью комплексной диэлектрической проницаемости e*/7/:

--e*--=--e'-----je”=--eоп--+--(es-----eоп)/(1+j--wt),--(1)

электрофизический диагностика теплоноситель электромагнитный

где: e' и e” - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости, соответственно отражающие емкостную и активную составляющие; j= ; es и eоп - статическая и оптическая диэлектрические проницаемости; - круговая частота; - время релаксации.

Из (1) можно получить выражения отдельно для емкостной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости:

----e'=--eоп+--(es-----eоп)--/(1+--w2t2)),--(2)

и для активной составляющей, отражающей диэлектрические потери в веществе,

e”=--(es-----eоп)--wt/(1+--w2t2).--(3)

Формула (1) устанавливает связь комплексной диэлектрической проницаемости e* с круговой частотой w. На основе этого можно рассмотреть особенности диэлектрических характеристик воды. Молекула воды является ярко выраженным естественным диполем, что обуславливает ее аномально высокие значения диэлектрической проницаемости.

Дипольная поляризация, когда диполь воды следует за внешним переменным электрическим полем, приводит к ослаблению (затуханию, поглощению) электромагнитного импульса. У воздуха и большинства других диэлектриков дипольная поляризация отсутствует и имеет место только электронная или атомная поляризация, оказывающие незначительное влияние на изменение электромагнитного импульса.

Емкостная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости воды e', как следует из многих работ/8 и др./, в диапазоне сверхвысоких частот уменьшается от 88 до 5 единиц, что существенно ограничивает возможность применения емкостного метода на этих частотах.

Активная составляющая e” воды в резонансном диапазоне (3-30 ГГц) достигает значения 40 единиц. Причем с возрастанием частоты она увеличивается, проходит максимум, а затем уменьшается. Активная же составляющая комплексной диэлектрической проницаемости воздуха, соответствующая коэффициенту диэлектрических потерь, стремится к нулю.

Значение e” пропорционально коэффициенту поглощения a исследуемого материала, который с определенными допущениями может быть представлен в следующем виде/9/:

a----=p/l----e”/e'--1/2,--(4)

где l - собственная длина волны рабочего СВЧ-волновода.

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн (при частотах -->3 ГГц) при существенном преобладании активной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости воды над емкостной определение коэффициента поглощения пароводяной смеси aпв сводится к решению достаточно простой практической задачи, известной в радиоинженерии как определение уровня ослабления радиоволн, проходящих через диагностируемый теплоноситель/10/,

aпв----=--N--=--8,686aвWrL.--(5)

Здесь N - измеренное затухание (ослабление, поглощение) энергии электромагнитных волн в Дб; aв - коэффициент затухания воды; W - относительная влажность теплоносителя; r - плотность; L - толщина исследуемого образца.

По ориентировочным данным работы /11/ коэффициент затухания (поглощения) воды в диапазоне частот от 8 до 36 ГГц изменяется в пределах 24,09 - 204,6 Дб/см и имеет однозначную зависимость, зависящую только от рабочей частоты.?

Коэффициент затухания электромагнитных волн в сухом насыщенном паре практически равен нулю. Поэтому теоретически не существует ограничений на повышение точности измерения влажности пароводяной смеси методом поглощения. В реальных условиях необходимо учитывать влияние эффекта отражения волн от поверхности включений воды, который может иметь место в некоторых режимах движения пароводяной смеси, а также от границы раздела вода-пар.

Нами на основе коэффициента преломления проведены оценочные расчеты по вкладу коэффициента отражения электромагнитных волн от поверхности раздела вода-воздух в итоговое значение коэффициента затухания электромагнитных волн смеси вода-воздух. Этот вклад варьирует в пределах 2-4%. Мы полагаем, что влияние структуры пароводяного потока на эффект отражения волн также находится в пределах указанных величин. Причем эта составляющая при определенных режимах движения пароводяной смеси может иметь систематический характер. Соответственно, значения такого влияния могут учитываться в результирующем сигнале. Кроме этого, с повышением параметров уменьшается различие в физических характеристиках пара и воды, и, соответственно, граница раздела пар-вода становится менее явной, не имеющей высокой контрастности, что также приводит к уменьшению коэффициента отражения.

Дополнительной мерой, способствующей уменьшению влияния эффекта отражения электромагнитной волны от поверхности включений на результат измерения, длина волны должна выбираться исходя из соотношения/10/:

Dвкл<l/4,

где l - длина волны; Dвкл - диаметр включения.

Таким образом, используя выражение (5), можно сделать вывод, что основным фактором, определяющим ослабление энергии электромагнитных волн в пароводяной смеси является количество воды, находящейся в зазоре межэлектродного пространства, т.е. между генератором СВЧ и детектором.

Для подтверждения такого вывода авторами проведены описанные ниже экспериментальные исследования. Из работ /например,/5/,/6/ известно, что существенное различие в электрофизических характеристиках воды и пара наблюдается вплоть до критической точки. При этом наблюдается близкие к линейным зависимости от температуры и давления. Поэтому авторами сделан вывод, что первичная апробация метода может быть произведена на упрощенной модели вода-воздух.

Схема установки показана на рис.1. Генератор электромагнитных волн 1 и детектор этих волн смонтированы на штативе 3, на котором между этими блоками также закреплена диэлектрическая кювета 4. Выходы генератора 1 и детектора 2 соединены со входом измерительного блока 5.

Рис.1. Схема установки для исследования влияния толщины пленки водного теплоносителя на затухание энергии электромагнитных волн: 1 и 2 - генератор и детектор соответственно, 3 - штатив, 4 - кювета с теплоносителем, 5 - измерительный блок.

Как следует из /11/, поглощение воды существенно зависит от рабочей частоты, т.е. для каждого вида измерений при решении конкретных задач необходимо обоснованно выбирать параметры измерительной схемы. Нами для исследований сверхтонких пленок и малых значений влажности пароводяных потоков принята частота 40 ГГц. Для водяных пленок в несколько миллиметров разработана измерительная схема, функционирующая на частоте 10 ГГц. Измерение интегральных значений влажности можно проводить на частоте 4 ГГц. Эти три частоты приняты для разработки измерительных схем экспериментальных исследований.

Перед началом эксперимента с целью обеспечения равномерного распределения воды по плоскому дну кювета с помощью инструментального уровня выставлялась по горизонтальным образующим. Определение уровня жидкости в кювете осуществлялось путем замера добавляемой в кювету воды и отношении этого объема к площади кюветы. Контроль уровня проводился также механическим замером с помощью инструментальной линейки. Погрешность определения уровня по нашим оценкам составляла около 4%.

По данным работы/11/, наличие в воде проводящих растворов солей незначительно влияет на величину затухания. Для подтверждения такого вывода принята вода с разной проводимостью: дистиллят с электропроводностью 5,1 мкСм/см; водопроводная вода (из крана) - 254 мкСм/см; вода минерализированная с добавлением солей - 4680 мкСм/см.

Температура воды, при которой проводился эксперимент составляла 20 оС с отклонением +/- 2 оС.

Результаты проведенных восьми серий экспериментов по определению затухания энергии электромагнитных волн в воде в зависимости от толщины ее слоя на частоте 10 ГГц показаны на рис. 2.

Рис. 2. Затухание энергии электромагнитных волн водного теплоносителя на частоте 10 ГГц при комнатной температуре в зависимости от толщины слоя: 1,2,3,6,7 - дистиллят, 5 - вода водопроводная; 4 - минерализованная вода.

Из рис.2 видна явная зависимость затухания энергии электромагнитных волн в зависимости от толщины пленки, которая изменялась от 0 до 10 мм. Полученная зависимость близка к прямолинейной. При этом поглощение варьировалось в пределах от 10 до 56 Дб в зависимости от слоя воды в кювете, установленной в зазоре генератора и детектора электромагнитного излучения. Очевидно также, что существенное изменение электрической проводимости (на порядок и более), как это следует из результатов эксперимента (зависимость 5 для водопроводной воды и зависимость 4 для минерализованной воды в сравнении с дистиллятом - зависимости 1,2,3,6,7,8,) не существенно влияют на результирующее поглощение воды.

Проведенные четыре серии экспериментов по определению поглощения воды в зависимости от толщины ее слоя на частоте 4 ГГц, как это следует из результатов эксперимента (рис. 3), также показали однозначную зависимость поглощения от толщины пленки в зазоре генератора и детектора измерительной схемы. При этом толщина слоя воды в зазоре генератора-детектора варьировалась в пределах от 0 до 40 мм, а величина поглощения при этом изменялась от 5 до 42 Дб.

Рис. 3. Затухание энергии электромагнитных волн водного теплоносителя на частоте 4 ГГц при комнатной температуре в зависимости от толщины слоя: 1 - дистиллят, 2,3,4 - вода водопроводная.

Основное количество экспериментов проведено на водопроводной воде (зависимости 2,3,4). Один эксперимент - на дистилляте (зависимость 1). В результате проведенных исследований в пределах погрешности проводимого эксперимента нами не было установлено влияние электрической проводимости на величину поглощения воды на частоте 4 ГГц.

Диагностика более тонких пленок потребовала применения более высоких частот. Измерительная схема, использованная для этих целей, функционировала на частоте 40 ГГц. Однако даже минимальные слои воды, равномерно покрывающие плоское дно кюветы, вызывали «зашкаливание» показаний, т.е. на таких частотах измерительные схемы, функционирующие на принципе поглощения, имеют очень высокую чувствительность. Для уменьшения толщины имитируемой пленки нами применена тонкая («папиросная») бумага, на которую выливался определенный объем воды. После выдержки в несколько минут, контроля равномерного распределения воды по площади влаговпитываемой бумаги снимались показания. Для эксперимента использовался дистиллят.

На рис.4 показаны результаты такого эксперимента. Удалось сымитировать пленки воды различной толщины в диапазоне от 0 до 1 мм. При этом поглощение изменялось в пределах 12 - 48 Дб.

Рис. 4. Затухание энергии электромагнитных волн водного теплоносителя (дистиллята) на частоте 40 ГГц при комнатной температуре в зависимости от толщины слоя.

Влияние солесодержания на показания метода СВЧ-поглощения при диагностировании водного теплоносителя в процессе трех отдельных экспериментов отмечено не было.

Таким образом, проведенные исследования подтверждают теоретические выводы о возможности применения СВЧ-излучений для диагностики состояния теплоносителей в различных фазовых состояниях и открывают широкие возможности разработки такого метода как для экспериментальных, так и промышленных условий. Рабочая частота измерительной схемы является определяющей в решении формируемых задач как по определению отдельных характеристик пароводяных потоков, так и измерении интегральных значений влажности.

Литература

1. К расчету газосодержания смеси при пузырьковом течении по данным измерения резистивным и емкостным методами/В.И.Субботин,Ю.Е.Похвалов,Л.Е.Михайлов и др.-Теплоэнергетика,1975,№4,с.70-75.

2. Электрозондирование высокотемпературного пароводяного потока/Е.П.Свистунов, Б.П.Голубев,Ю.Д.Пигилов.-Теплоэнергетика,1980,№3,с.67-69.

3. Методика измерения толщины и волновых характеристик поверхности жидкой пленки в пароводяном дисперсно-кольцевом потоке/ Б.И.Нигматулин, А.А.Виноградов, В.А.Виноградов, Ш.Э.Курбанов. - ТВТ,1982,т.20,№6,с.1145-1152.

4. Мулёв Ю.В. Управление встроенными сепараторами прямоточных котлоагрегатов СКД на основе контроля влажности отсепарированного пара. - Дисс…канд. техн.наук, Мн.: БПИ, 1984.-212с.

5. Мулёв Ю.В. Электрофизические свойства теплоносителей ТЭС и АЭС при разработке современных диагностических систем.- Дисс…доктора техн.наук,М.:МЭИ,1992.-383с.

6. Смирнов С.Н. Расчетно-экспериментальное определение диэлектрической проницаемости сжатых газов, газовых смесей и таблицы для автоматизации контроля теплофизических свойств в энергетике.- Дисс…доктора техн.наук,М.:МЭИ,1986.-547с.

7. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.:Энергоиздат,1982.-320с.

8. Ахадов Ю.Я. Диэлектрическая проницаемость чистых веществ. - М.:Изд-во стандартов. - 1972. -280с.

9. Хиппель А.П. Диэлектрики и волны. - Иностранная литература, 1960.- с.

10. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов/Кричевский Е.С.,Бензарь В.К.,Венедиктов М.В. и др. - М.:Энергия,1980.-240с.

11. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. - Минск: Вышэйшая школа,1974. - 352с.

Размещено на Allbest.ru