Способ количественного анализа состава газовой смеси и соответствующее измерительное устройство
Изобретение относится к способу количественного анализа состава газовой смеси, в частности атмосферы гермооболочки (4) ядерной установки. Согласно предложенному изобретению предусмотрено измерительное устройство (2), содержащее детектор (16) теплопроводности с первым измерительным мостом, детектор (14) тепловыделения реакции со вторым измерительным мостом и общий блок (26) обработки результатов. Причем в блоке (26) обработки результатов на основании приложенных к обоим измерительным мостам напряжений питания мостовой схемы определяется содержание водорода (H2) и одновременно содержание кислорода (O2). Технический результат - повышение простоты и надежности прямого определения физических параметров, которые характеризуют область зажигания и характеристики горения газовых смесей. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способу количественного анализа состава газовой смеси, в частности, атмосферы гермооболочки ядерной установки. Кроме того, изобретение относится к устройству, подходящему для осуществления этого способа.
В ядерных установках с заложенным ядерным топливом (например, атомная электростанция, установка для регенерации отработавшего топлива, промежуточное хранилище) в случае отказов или аварий следует учитывать выделение водорода, возможно, значительное, в зависимости от соответствующей неисправности и от принимаемых при необходимости контрмер. При этом неконтролируемая реакции с имеющимся кислородом может привести к дефлаграции или даже к детонации, что представляет угрозу для гермооболочки.
В частности, при сравнительно тяжелых авариях с возможным расплавлением активной зоны выделение водорода в гермооболочке может происходить в особенно высоких концентрациях (например, 30 об.%), так что при наличии значительных утечек из гермооболочки может произойти значительное выделение этого водорода в находящееся поблизости здание реактора, как это имело место при аварии на Фукусима.
Для контроля имеющихся защитных мер в целях поддержания целостности гермооболочки (например, действие каталитических рекомбинаторов), а также перед принятием мер против серьезной аварии ("Severe-Accident") (например, меры по инертизации и/или вентиляции гермооболочки), необходимо знать соответствующие параметры воспламеняемости атмосферы гермооболочки и граничащих частей здания.
В частности, в случае инертизованных гермооболочек (как правило, гермооболочки реактора с кипящей водой) для суждения о состоянии и возможно необходимого целенаправленного принятия мер, важное значение имеет, наряду с концентрацией водорода, сохранение инертных условий и, тем самым, одновременное знание эволюции концентрации кислорода.
В принципе, раннее обнаружение выделения H2 в атмосферу гермооболочки важно для оценки прогрессирования аварии и планирования действий, которые необходимо предпринять. Таким образом, в нижнем диапазоне измерений (ниже нижней границы воспламенения) требуется более высокая точность измерения, чем в широком диапазоне аварии (>10 об.%).
По этим причинам измерение H2 имеет большое значение для безопасности, и обычно его осуществляют избыточным образом (т.е. вне зависимости от единичных погрешностей).
Прежние измерительные системы для оценки атмосферы гермооболочки или прогрессирования аварии требовали для измерения H2 затратной системы отбора проб с запорной арматурой для здания, а также дорогой системы газоподготовки для конденсации водяного пара и отвода конденсата. Для измерения концентрации H2 и O2 требуется два отдельных датчика с определенными функциями и соответствующие электронные блоки для подготовки данных.
Относительно большие потоки пробы, идущие наружу гермооболочки, и их радиоактивность осложняют радиационную сертификацию датчиков и их электроники, или делают их сертификацию для этого применения совершенно невозможной.
Кроме того, эти системы потребляют много электроэнергии и/или требуют охлаждающей воды для конденсации водяного пара. Однако энергоснабжение, в частности, в постулируемом случае обесточивания станции ("Station Blackout") является проблематичным или не гарантируется.
Особенно невыгодно, что из-за конденсации водяного пара необходимо пересчитывать истинную концентрацию H2 или O2, то есть, возможно только опосредованное определение. Тем самым речь больше не идет о прямом измерении. Для определения/расчета реально имеющейся концентрации по этой методике необходимы дополнительные измерения давления и температуры.
В основе настоящего изобретения стоит задача разработать способ количественного анализа состава газовой смеси, который не имеет указанных недостатков. В частности, способ должен позволять и в сложных условиях, какие имеют место при тяжелой аварии в ядерной установке, простое, надежное и по возможности прямое определение физических параметров, характеризующих область зажигания и характер горения газовой смеси.
Кроме того, следует указать устройство, подходящее для осуществления этого способа.
В отношении способа задача согласно изобретению решена посредством отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения. Что касается устройства, задача решена посредством отличительных признаков пункта 5.
Идея изобретения отличается от современного уровня техники тем, что оно комбинирует два способа измерения, основанных на измерении сопротивления посредством мостовой схемы Уинстона, т.е. позволяет избыточное и диверсифицированное измерение H2, которое дополнительно допускает одновременное измерение/балансировку содержания O2.
Один измерительный мост работает по принципу теплового эффекта каталитической реакции (детектор тепловыделения реакции, сокращенно WT-детектор), а другой измерительный мост работает по принципу измерения теплопроводности (детектор теплопроводности, сокращенно WL-детектор). Сигналы от детектора теплопроводности и детектора тепловыделения реакции направляются для усиления и обработки на электронный блок обработки результатов. Электроника может обрабатывать сигналы с нескольких датчиков.
Обе радиационно-стойкие измерительные камеры предпочтительно находятся в несжимаемом и термостойком корпусе датчика и могут быть сейсмостойко скреплены друг с другом. Измерительные камеры соединены с атмосферой гермооболочки через мембрану, которая может состоять из металлокерамики. Подлежащие измерению горючие газы: водород (альтернативно моноксид углерода), а также кислород, переносятся в измерительные ячейки преимущественно путем диффузии.
Кроме того, в месте измерения находится температурный датчик, например, на основе измерения температурного коэффициента сопротивления или измерения термопотенциала, который можно использовать, например, для определения содержания пара в предположении условий насыщенного пара.
Измерение концентрации водорода предпочтительно проводят диверсифицированно и избыточно с помощью WL-детектора и WT-детектора.
В нижнем диапазоне измерений, вплоть до нижней границы воспламенения, измерение осуществляют по методу теплового эффекта с требуемой для начинающейся аварии сравнительно высокой точностью измерения (например, ±0,25 об.%).
При содержании кислорода в атмосфере ниже стехиометрического состава смеси H2/O2 значения, измеренные с помощью моста Уинстона WT-детектором, сравниваются с калибровочной кривой для измерения кислорода. Таким образом, концентрацию O2 можно измерить напрямую.
Если сравнение дает, что сигналы от обоих измерительных мостов одинаковы (с учетом точности измерения/допуска), концентрацию O2 можно с успехом вычислить косвенно из измерения суммарной теплопроводности анализируемого газа с помощью WL-детектора. Для этого следует использовать разумные предположения о вкладе теплопроводностей отдельных компонентов состава атмосферы в гермооболочке. Так как начальная концентрация воздуха известна, концентрацию N2 можно определить из измерения H2 и концентрации пара. Концентрацию пара можно определить на основании измерений температуры в предположении условий насыщенного пара. В результате ошибка определения O2 зависит в основном от погрешности измерения H2 и тем меньше, чем точнее измерено содержание H2.
Основные преимущества концепции изобретения по сравнению с уровнем техники можно резюмировать следующим образом:
- избыточное и диверсифицированное измерение содержания водорода в головке датчика
- комбинированный диапазон выгорания H2 (0-10 об.%), а также измерение в широком диапазоне (до 100 об.%)
- не требуется кислорода для измерения H2 (это важно, в частности, для инертизованной гермооболочки)
- высокая точность в диапазоне нижнего предела воспламеняемости (например, при 4 об.% точность ±0,25 об.%)
- одновременное измерение и/или балансировка концентрации O2
- тем самым возможна оценка области зажигания и характеристик горения (дефлаграция, детонация)
- прямое измерение H2/O2 в инертизованной гермооболочке с концентрацией O2<5 об.% и избытке H2
- измерение in-situ
- не требуется выведения радиоактивности за пределы гермооболочки
- не требуется запорная арматура для гермооболочки
- не требуется подготовка анализируемого газа
- высокая радиологическая стойкость, так как не нужно использовать органические детали
- отсутствие уязвимой электроники в жестких условиях "harsh environment" (гермооболочка)
- низкая потребность в энергии (<500 Вт), которая в случае обесточивания электростанции ("Station Blackout") может обеспечиваться от автономного аккумуляторного блока
- более низкая вероятность отказа
- более быстрые измерительные циклы (онлайн-измерение)
- меньшая занимаемая площадь
- менее сложная измерительная техника
- меньшие инвестиционные расходы
- более простое оснащение дополнительным оборудованием
- простая калибровка
Далее на чертежах подробнее поясняется один пример осуществления изобретения. При этом в сильно упрощенном и схематическом представлении показано:
| фиг. 1 | измерительная система для измерения концентраций газообразных компонентов, присутствующих в газовой смеси, в данном случае водорода и кислорода, в атмосфере гермооболочки атомной электростанции, |
| фиг. 2 | принципиальная схема одного особенно предпочтительного варианта осуществления схемы моста Уинстона, подходящего для применения в измерительной системе с фиг. 1, и |
| фиг. 3 | график калибровочных кривых для датчика теплового эффекта для измерительной системы с фиг. 1. |
Схематически изображенное на фиг. 1 измерительное устройство 2 служит в первую очередь для одновременного определения содержаний водорода (H2) и кислорода (O2) в анализируемом газе, в частности, в атмосфере внутри защитной оболочки атомной электростанции 6, называемой также гермооболочкой 4. Сама защитная оболочка 8, называемая также противоаварийной оболочкой, показана лишь фрагментами.
Измерительное устройство 2 содержит для этого две измерительные камеры 10, 12, расположенные внутри гермооболочки 4 в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что расстояние между измерительными камерами 10, 12 настолько мало по сравнению с размером гермооболочки 4, в частности, составляет менее 10 см, что можно говорить о локализованном измерении в одной пространственной точке измерения.
Одна из измерительных камер, а именно измерительная камера 10 образует головку датчика каталитического детектора тепловыделения реакции, сокращенно WT-детектора 14 или WTD, который работает по принципу каталитического горения или рекомбинации. Другая измерительная камера 12 образует головку датчика детектора теплопроводности, сокращенно WL-детектор 16 или WLD (или TCD от английского обозначения Thermal Conductivity Detector).
Обе измерительные камеры 10, 12 в этом примере осуществления закреплены на общей электрической соединительной коробке 18, от которой электрические соединительные провода 20 (линии сигнализации и линии электропитания) ведут через аварийно-стойкий соединительный штекер 22 и несжимаемый кабельный ввод 24 в защитной оболочке 8 в расположенный снаружи гермооболочки 4 электронный блок 26 обработки результатов с встроенным или внешним электропитанием. Соединительные провода 20, ведущие через гермооболочку 4, выполнены, например, как кабель с неорганической изоляцией. Распределение целесообразно выбирать так, чтобы в измерительных камерах 10, 12 внутри гермооболочки 4 находились только необходимые для осуществления принципа измерений и сравнительно стойкие к облучению и прочные электрические измерительные ячейки, а чувствительные компоненты электронной системы оценки находились снаружи гермооболочки 4.
Радиационно-стойкие измерительные ячейки обеих измерительных камер 10, 12 находятся, каждая, в несжимающемся и термостойком корпусе и сейсмостойко скреплены друг с другом. Измерительные камеры 10, 12 через мембрану 28, которая может быть выполнена из металлокерамики, гидравлически сообщаются с атмосферой гермооболочки. Анализируемые газы переносятся в измерительные камеры 10, 12 преимущественно путем диффузии.
Кроме того, в непосредственной близости от WT-детектора 14 и WL-детектора 16 внутри гермооболочки 4 находится наполняемый анализируемым газом радиационно-стойкий температурный датчик 30, соединительные провода которого также ведут через соединительную коробку 18 и кабельную проводку 24 в защитной оболочке 8 к электронному блоку 26 обработки результатов. Температурный датчик 30 выполнен, например, с термопарой.
В непоказанном варианте WT-детектор 14 и WL-детектор 16, а также при необходимости температурный датчик 30 могут быть встроены в общую измерительную камеру.
WL-детектор 16 типично содержит металлический блок с по меньшей мере двумя измерительными ячейками 32, 34 одинаковой конструкции. Через одну из этих измерительных ячеек 32 течет анализируемый газ, т.е. пробный газ или измеряемый газ, а другая измерительная ячейка 34 прочно изолирована от омывающего анализируемого газа, и вместо этого через нее течет чистый газ с предпочтительно известным и неизменным составом. Эта закрытая от объема анализируемого газа измерительная ячейка 34 служит для сравнительного измерения.
В обеих измерительных ячейках 32, 34 находится нить накала (называемая также филаментом), например, из платины, вольфрама, никеля или их сплавов, которая нагревается до более высокой температуры, чем окружающий ее детекторный блок. Поэтому имеет место непрерывный поток тепла от нитей накала через окружающие газовые потоки к детекторному блоку, зависящий от теплопроводности (и, тем самым, от состава) газа. Следовательно, изменения в составе анализируемого газа обуславливают изменения температуры в измерительной ячейке 32 и, тем самым, изменение электрического сопротивления в нитях накала. Таким образом, принцип измерений основан на непрерывном измерении разности теплопроводности потока анализируемого газа и потока эталонного газа.
То, что измерительная и эталонная ячейки 32, 34 заключены в схему моста Уинстона, позволяет измерить и записать разность температуры нитей накала через разность потенциалов. При этом нити накала обеих измерительных ячеек 32, 34 образуют два расположенных по типу делителя напряжения электрических сопротивления, которые можно уравновесить через промежуточное плечо моста с параллельно соединенным делителем напряжения. При этом измеренный таким образом сигнал детектора в первом приближении пропорционален концентрации пробы, в данном случае, например, концентрации H2 в анализируемом газе.
В варианте, показанном на фиг. 1, в измерительной камере 12 находится в общей сложности четыре измерительных ячейки 32, 32a, 34, 34a, которые действуют попарно как измерительные и эталонные ячейки. Таким образом, в каждой из двух линий делителя напряжения, которые по одной из диагоналей снабжаются рабочим напряжением, а по другой диагонали (в плече моста) синхронизируются посредством устройства измерения напряжения, имеется по одной измерительной и по одной эталонной ячейке. При этом устройство измерения напряжения в виде модуля 36 оценки теплопроводности встроено в блок 26 обработки результатов, находящийся снаружи гермооболочки 4.
В непоказанном альтернативном варианте с двумя измерительными ячейками 32, 34 делитель напряжения, находящийся напротив делителя напряжения, состоящего из измерительной и эталонной ячейки, образован из двух постоянных сопротивлений, которые, в частности, могут быть выведены в блок 36 обработки результатов.
WT-детектор 14 также работает по известному принципу.
Через мембрану 28 измерительной камеры 10, в частности, в виде пористой металлокерамической пластины, анализируемый газ поступает в измерительную камеру 10. Там находятся два нагревательных элемента, образованных из проволоки высокого сопротивления, которые при приложении напряжения накала разогреваются до рабочей температуры примерно 500-600ºC. Один из нагревательных элементов, пеллистор 40, покрыт на поверхности катализатором 42, чтобы возможно имеющийся водород (H2) при одновременном присутствии кислорода (O2) каталитически сгорал или рекомбинировал без пламени с получением водяного пара (H2O). Возникшее в результате повышение температуры ведет к повышению электрического сопротивления в нити накала пеллистора 40. Второй нагревательный элемент, компенсатор 44, покрыт химически инертным слоем и служит эталонным сопротивлением для пеллистора 40. Этим способом компенсируется влияние окружающей среды, например, влияние температуры и влажности воздуха, которое ведет к изменению температуры нагревательных элементов.
Возникающую при реакции рекомбинации разницу значений сопротивления измерительных ячеек 46, 48, образованных из пеллистора 40 и компенсатора 44а, определяют, как и в случае WL-детектора 16, с помощью моста Уитстона. В варианте, показанном на фиг. 1, для этого оба постоянных сопротивления 50, 52 второй линии делителя напряжения вынесены во внешний блок 26 обработки результатов. Измерение напряжения питания мостовой схемы осуществляется в модуле 54 оценки теплового эффекта.
Независимый источник питания 56, который выполнен, в частности, по принципу агрегата бесперебойного питания (USV), берет на себя подачу тока/напряжения на мостовые схемы и модули обработки данных.
По подводящей линии 90 можно в целях испытания и калибровки ввести в измерительные камеры 10, 12 тест-газ с вполне определенным известным составом.
Напряжения питания мостовой схемы, определенные в модуле 36 оценки теплопроводности и модуле 56 оценки теплового эффекта, обрабатываются, например, непосредственно в этих модулях и/или в подсоединенном ниже модуле 58 обработки результатов измерений способом, описываемым подробнее ниже.
Один особенно предпочтительный вариант схемы моста Уинстона, согласно которому WT-детектор 14 и WL-детектор 16 интегрированы в общую схему с двумя измерительными мостами, схематически представлен на фиг. 2.
Сдвоенная мостовая схема 60 содержит две однотипные каталитически активные измерительные ячейки 62, 62a, которые обтекаются или через которые течет анализируемый газ, что схематически указано проточным каналом 64. Кроме того, она содержит две однотипные каталитически неактивные измерительные ячейки 66, 66a, которые также обтекаются или через которые протекает анализируемый газ, что схематически показано проточным каналом 68. Альтернативно измерительные ячейки могут также располагаться в общем проточном канале для анализируемого газа, если благодаря подходящим образом выбранному минимальному расстоянию можно избежать термических помех между активными и неактивными измерительными ячейками. Наконец, имеются еще две однотипные каталитически неактивные измерительные ячейки 70, 70a, которые изолированы от анализируемого газа, что схематически показано расположением в объеме сравнения 72, закрытом от окружающей среды и, в частности, наполненном эталонным газом.
Разводка выбирается таким образом, чтобы каталитически неактивные, обтекаемые анализируемым газом измерительные ячейки 66, 66a в середине исполняли роль сравнительных ячеек как для каталитически активных, обтекаемых анализируемым газом измерительных ячеек 62, 62a вверху, так и для каталитически неактивных, закрытых для анализируемого газа измерительных ячеек 70, 70a внизу. При этом каталитически неактивные обтекаемые анализируемым газом измерительные ячейки 66, 66a в середине образуют, с одной стороны, вместе с каталитически активными, обтекаемыми анализируемым газом измерительными ячейками 62, 62a вверху детектор, действующий по принципу теплового эффекта (WT-детектор 14), а с другой стороны, образуют вместе с нижними каталитически неактивными, закрытыми от анализируемого газа измерительными ячейками 70, 70a детектор, работающий по принципу теплопроводности (WL-детектор 16). Обозначения "вверху, внизу, в середине" служат, разумеется, только для облегчения понимания чертежа и не содержат никаких ограничений для фактического пространственного расположения измерительных ячеек.
В частности, каждая каталитически активная измерительная ячейка (например, 62), обтекаемая анализируемым газом, образует с лежащей крестообразно напротив каталитически неактивной и обтекаемой анализируемым газом измерительной ячейкой (например, 66a) делитель напряжения WT-детектора 14, который через плечо моста 74 соединен со вторым делителем напряжения. В плече моста 74 установлен вольтметр 76 для измерения напряжения питания мостовой схемы через тепловой эффект. Подача напряжения на мостовую схему осуществляется источником напряжения 78.
Сказанное выше справедливо для подключенного осесимметрично WL-детектора 16 с измерительными ячейками 66, 66a и 70, 70a. Здесь источник напряжения 80 берет на себя подачу напряжения на измерительный мост, и в плече моста 82 установлен вольтметр 84 для измерения напряжения питания мостовой схемы через теплопроводность.
Одно существенное преимущество этой схемы по сравнению с другими мыслимыми вариантами состоит в том, что к датчикам требуется подводить меньше кабелей.
Из-за сравнительно низкой чувствительности WL-детектора 16 в настоящем случае он используется предпочтительно для измерения концентрации H2 в верхнем диапазоне измерений, от >10 об.% до 30 об.% и вплоть до 100 об.% (так называемый широкий диапазон аварии).
Кроме того, WL-детектор 16 можно также использовать для грубого измерения концентрации H2 в нижнем диапазоне измерений <10 об.%, в частности, для сравнительного измерения и сопоставления соответствия с WT-детектором 14.
В частности, измерение концентрации H2 в анализируемом газе можно осуществить с помощью WL-детектора 16, если в анализируемом газе присутствует мало или совсем не имеется кислорода. Это возможно, так как функция WL-детектора 16, как описано выше, не зависит от наличия O2 в анализируемом газе. Такую ситуацию с нехваткой кислорода можно надежно распознать с помощью WT-детектора 14, так как идущая там обычно каталитическая рекомбинация зависит от достаточного содержания кислорода в анализируемом газе.
Наконец, измеренная WL-детектором 16 концентрация H2 служит входным параметром для поддерживаемого каталитически определения концентрации O2 во взаимодействии с WT-детектором 14, как описывается подробнее ниже.
WT-детектор 14 служит предпочтительно для измерения концентрации H2 в нижнем диапазоне измерений, <10 об.%, при достаточном, предпочтительно по меньшей мере стехиометрическом содержании O2 для возбуждения и поддержания реакции рекомбинации. Таким образом, именно в начальной фазе тяжелой аварии становится возможным надежно и быстро обнаружить выделение H2 и контролировать изменения соответствующих концентраций.
Так как эффективность рекомбинации H2/O2 и, следовательно, измеренного WT-детектором 14 напряжения питания мостовой схемы зависит от содержания обоих компонентов в анализируемом газе, с помощью WT-детектора 14 в принципе можно определить также концентрацию O2.
При достаточно высокой концентрации H2, например, >10 об.%, это можно сделать напрямую на основе выявленных ранее эмпирически в серии испытаний и, при необходимости, теоретически обоснованных характеристических кривых напряжения питания мостовой схемы в зависимости от концентрации H2, с одной стороны, и от концентрации O2, с другой стороны. В итоге, измерение концентрации O2 в указанном режиме высоких концентраций H2 осуществляется путем калибровки измерительного сигнала каталитической реакции от WT-детектора 14.
Это для примера поясняется на фиг. 3, где напряжение питания мостовой схемы U в мВ, измеренное на WT-детекторе 14, схематически представлено как функция концентрации O2, C(O2), в об.%, причем для трех разных концентраций O2 (10, 20 и 30 об.%) как параметра семейства кривых. В показанном интервале ход кривых является почти линейным. Таким образом, при известной концентрации H2, в частности, измеренной WL-детектором 16, можно на основании измеренного напряжения питания мостовой схемы однозначно считать концентрацию O2 из семейства кривых (при необходимости путем интерполяции).
Аналогичные характеристики можно вычислить для напряжения питания мостовой схемы как функции концентрации H2 при концентрации O2 как связующем параметре.
При низких концентрациях H2, например, <2,5 об.% и, соответственно, при сниженной каталитической реакции определение концентрации O2 проводится косвенно и полуаналитически через измерение суммарной теплопроводности анализируемых газов с помощью WL-детектора 16, выражая ее через отдельные теплопроводности и концентрации газов при дополнительных допущениях, в частности, при определении концентрации пара через измерение температуры в предположении условий насыщенного пара.
В этом случае оценка основывается, например, на следующих предположениях.
Если исходить из того, что в гермооболочке сначала имеется воздух (air) при температуре окружающей среды 293K, и затем в начале аварии сначала выделяются в основном водород (H2) и водяной пар (H2O), то в предположении сохранения массы в гермооболочке для концентраций C и давлений p справедливы соотношения:
(1) C(total)=C(air)+C(H2)+C(H2O)=1
(2) p(total)=p(air)+p(H2)+p(H2O)
Присутствующий изначально воздух состоит в основном из кислорода (O2) и азота (N2), причем концентрация кислорода в гермооболочке в процессе аварии изменяется вследствие реакций окисления, тогда как азот является инертным и не принимает участия в реакциях. Его доля в изначально имевшемся воздухе составляет, как известно, около 79%:
(3) C(N2)=0,79 C(air)
Суммарная теплопроводность анализируемого газа, измеренная с помощью WL-детектора 16, с хорошим приближением аддитивно складывается из теплопроводностей отдельных компонентов H2, O2, N2 и H2O:
(4) λ(total)=λ(H2)C(H2)+λ(Ο2)C(O2)+λ(Ν2)C(Ν2)+λ(H2Ο)C(H2O)
При этом λ означают известные из литературы удельные теплопроводности.
Кроме того, отдельные концентрации можно выразить следующим образом через парциальное давление этих отдельных компонентов:
(5) C(H2O)=p(H2O)/p(total)
(6) C(H2)=p(H2)/p(total)
(7) C(H2O)=p(H2O)/p(total)
Парциальное давление воздуха можно аппроксимировать с помощью закона идеального газа p=kT следующим образом:
(8) p(air)=1 бар * T/293K
При этом T означает температуру анализируемого газа, измеренную температурным датчиком 30. Константа k была нормирована на давление окружающей среды 1 бар при температуре окружающей среды 293K (=20°C).
Если предположить, кроме того, условия насыщенного пара (равновесное давление пара при равновесии между жидкой и паровой фазами), то парциальное давление водяного пара H2O можно взять из стандартных табличных значений как функцию измеренной температуры:
(9) p(H2O)=Psteam(T)
Подставив теперь уравнения (1)-(3) и (5)-(9) в уравнение (4) и решив его относительно концентрации кислорода, получают выражение, которое зависит только от напрямую измеряемых параметров λ(total), C(H2) и T и от известных из литературы параметров λ(H2), λ(Ο2), λ(Ν2), λ(H2Ο), а также от известных кривых давления насыщения водяного пара H2O:
(10) C(O2)=F(λ(total), C(H2), T|λ(H2),λ(O2),λ(Ν2),λ(H2Ο))
Таким образом, в принятых предположениях C(O2)>C(H2) и C(H2)≤2,5 об.% можно вычислить концентрацию кислорода C(O2), зная значение λ(total), измеренное WL-детектором 16, значение C(H2), измеренное на WT-детекторе 14 с применением способа калибровки, аналогичного описанному выше, и значение температуры T анализируемого газа, выявленное с помощью температурного датчика 30.
Расчет стандартной ошибки в приближении распределения Гаусса с дополнительным предположением, что основной вклад в погрешность вносит измеренная концентрация H2, дает для погрешности измерений (стандартное отклонение):
(11) ΔC(O2)≈(λ(H2)/λ(O2))ΔC(H2)≈7ΔC(H2)
Таким образом, выявленное значение концентрации O2 неизбежно включает ошибку, которая примерно в 7 раз выше погрешности измерений концентрации H2. Однако в принятых предположениях, обоснованных фактическими условиями на начальной стадии тяжелой аварии, это является все же разумным приближением.
Вышеописанные оценки и расчеты целесообразно осуществлять автоматически в модуле 58 обработки данных измерений, который имеет соответствующее аппаратурное и/или программное обеспечение для этой задачи.
При этом предпочтительно проводится сравнение соответствия измеренных параметров, поступающих от обоих детекторов 14 и 16, и автоматический выбор наиболее подходящего в данных условиях метода оценки на основе указанных выше критериев.
Как следует из приведенного выше описания, в диапазоне малых концентраций H2, <10 об.%, определение концентрации O2 по методу теплового эффекта каталитической реакции или путем комбинации измерения теплопроводности и теплового эффекта каталитической реакции является неточным, в частности, при измерениях в диапазоне высоких концентраций O2, >15 об.%. Это может иметь место, в частности, когда суммарное содержание H2 в атмосфере, во всяком случае, вблизи головки датчика, изменяется в результате каталитической реакции.
Чтобы можно было надежно и с относительно высокой точностью определить концентрацию O2 и в таких условиях, когда в атмосфере имеется мало или совсем не имеется водорода, в головку датчика в дополнение к измерительным ячейкам с детекторами WL/WT можно с успехом встроить измерительную ячейку 92 с диоксидом циркония. Необходимый для измерения эталонный газ (предпочтительно воздух) находится при этом в герметично изолированной от окружающей среды камере головки датчика. Мембрана 94 из диоксида циркония, нагреваемая, например, электронагревательным элементом, отделяет эталонный газ от атмосферы гермооболочки.
Принцип действия следующий: начиная с температуры примерно 650°C, в диоксиде циркония (ZrO2) запускаются следующие основные физические механизмы:
- ZrO2 выделяет ионы кислорода и становится твердотельным электролитом для кислорода. Применив источник тока, окружающий кислород можно перенести через ZrO2.
- Так как ZrO2 при указанных температурах ведет себя как электролит, можно измерить напряжение гальванического элемента (так называемый потенциал Нернста), если на границах ZrO2-элемента имеется перепад давления кислорода.
Таким образом, с помощью обогреваемой измерительной ячейки 92 с ZrO2 можно посредством потенциометрического анализа выявить содержание кислорода в окружающей атмосфере относительно эталонного газа. Соответствующий измерительный сигнал подается по дополнительной линии сигнализации 96 на блок 26 обработки результатов и там обрабатывается, тем самым определяя содержание O2 в анализируемой атмосфере.
Таким образом, в указанном диапазоне малых концентраций H2 (<10 об.%) измерение на основе ZrO2 может быть эффективным как метод избыточного измерения, и можно достичь высокой точности во всем диапазоне измерений O2 (обычно 0-25 об.%).
Когда концентрации H2 являются >10 об.%, то при неблагоприятных концентрациях O2 вследствие нагрева ячейки с ZrO2 при указанных температурах может произойти спонтанная конверсия содержащегося H2 (реакция гремучего газа, воспламенение). Чтобы предотвратить эти процессы, основанное на ZrO2 измерение при повышенных содержаниях H2, >10 об.%, исключают из общего электронного блока обработки результатов, в частности, деактивируют нагревательный элемент для обогрева ZrO2-мембраны 94. Необходимую для этого величину концентрации H2 предпочтительно обеспечивают измерением теплопроводности. Измерение концентрации O2 в диапазоне концентраций H2 10 об.% осуществляют затем, как описано выше, путем комбинированного измерения теплопроводности и теплового эффекта.
Хотя измерительное устройство 2 было описано выше исключительно в связи с мониторингом атмосферы в гермооболочке атомной электростанции, ясно, что оно может применяться и в других ядерных установках, например, в промежуточных хранилищах или в установке регенерации отработавшего топлива. Кроме того, возможно применение в любой промышленной установке, где следует учитывать выделение водорода и кислорода и где, соответственно, имеется опасность взрыва гремучего газа. Наконец, этот принцип измерений можно перенести и на другие газы, которые могут рекомбинировать друг с другом в условиях катализа.
СПИСОК ПОЗИЦИЙ ДЛЯ ССЫЛОК
| 2 | измерительное устройство |
| 4 | гермооболочка |
| 6 | атомная электростанция |
| 8 | защитная оболочка |
| 10 | измерительная камера |
| 12 | измерительная камера |
| 14 | детектор тепловыделения реакции, WT-детектор |
| 16 | детектор теплопроводности, WL-детектор |
| 18 | соединительная коробка |
| 20 | соединительная проводка |
| 22 | соединительный штекер |
| 24 | кабельная проводка |
| 26 | блок обработки результатов |
| 28 | мембрана |
| 30 | температурный датчик |
| 32, 32a | измерительная ячейка |
| 34, 34a | измерительная ячейка |
| 36 | модуль оценки теплопроводности |
| 40 | пеллистор |
| 42 | катализатор |
| 44 | компенсатор |
| 46 | измерительная ячейка |
| 48 | измерительная ячейка |
| 50 | постоянное сопротивление |
| 52 | постоянное сопротивление |
| 54 | модуль оценки теплового эффекта |
| 56 | устройство электропитания |
| 58 | модуль обработки данных измерений |
| 60 | мостовая схема |
| 62, 62a | измерительная ячейка |
| 64 | проточный канал |
| 66, 66a | измерительная ячейка |
| 68 | проточный канал |
| 70, 70a | измерительная ячейка |
| 72 | эталонный объем |
| 74 | плечо моста |
| 76 | вольтметр |
| 78 | источник напряжения |
| 80 | источник напряжения |
| 82 | плечо моста |
| 84 | вольтметр |
| 90 | подводящая линия |
| 92 | измерительная ячейка с диоксидом циркония |
| 94 | мембрана из диоксида циркония |
| 96 | линия сигнализации |
1. Способ количественного анализа состава газовой смеси, в частности атмосферы гермооболочки (4) ядерной установки, посредством измерительного устройства (2), содержащего
- детектор (16) теплопроводности с первым измерительным мостом,
- детектор (14) тепловыделения реакции со вторым измерительным мостом и
- общий блок (26) обработки результатов,
причем в блоке (26) обработки результатов на основании приложенных к обоим измерительным мостам напряжений питания мостовой схемы определяют содержание водорода (H2) и одновременно содержание кислорода (O2).
2. Способ по п. 1, причем в блоке (26) обработки результатов на основании приложенных к обоим измерительным мостам напряжений питания мостовой схемы диверсифицированно выявляют два измеренных значения содержания водорода (H2).
3. Способ по п. 1 или 2, причем при концентрациях водорода предпочтительно >10 об.% содержание кислорода (O2) выявляют непосредственно из выявленной эмпирически калибровочной кривой для напряжения питания мостовой схемы на измерительном мосте детектора (14) тепловыделения реакции.
4. Способ по одному из пп. 1-3, причем при концентрациях водорода предпочтительно <2,5 об.% концентрацию кислорода оценивают по
- теплопроводности газовой смеси, измеренной на детекторе (16) теплопроводности,
- концентрации водорода в газовой смеси, выявленной с помощью калибровки детектором (14) тепловыделения реакции, и
- температуре газовой смеси, выявленной с помощью температурного датчика (30),
причем для этой оценки давление присутствующего в газовой смеси водяного пара выявляют по температуре в предположении насыщения.
5. Способ по одному из пп. 1-4, причем при концентрациях водорода <10 об.% содержание кислорода (O2) определяют путем избыточного измерения напряжения гальванического элемента, снятого на нагретой измерительной ячейке (92) с диоксидом циркония.
6. Способ по п. 5, причем обогрев измерительной ячейки (92) с диоксидом циркония отключают, если концентрация водорода, выявленная с помощью детектора (16) теплопроводности и/или детектора (14) тепловыделения реакции, составляет >10 об.%.
7. Измерительное устройство (2) для количественного анализа состава газовой смеси, в частности атмосферы гермооболочки (4) ядерной установки, содержащее
- детектор (16) теплопроводности с первым измерительным мостом,
- детектор (14) тепловыделения реакции со вторым измерительным мостом и
- общий блок (26) обработки результатов,
причем блок (26) обработки результатов выполнен с возможностью осуществления способа по одному из пп. 1-4.
8. Измерительное устройство (2) по п. 7, содержащее
- две обтекаемые анализируемым газом каталитически активные измерительные ячейки (62, 62a), которые вместе с двумя обтекаемыми анализируемым газом каталитически неактивными ячейками (66, 66a) образуют измерительный мост детектора (14) тепловыделения реакции,
- две изолированные от анализируемого газа каталитически неактивные измерительные ячейки (70, 70a), которые вместе с упомянутыми двумя обтекаемыми анализируемым газом каталитически неактивными ячейками (66, 66a) образуют измерительный мост детектора (16) теплопроводности.
9. Измерительное устройство (2) по п. 7 или 8 с обогреваемой измерительной ячейкой (92) с диоксидом циркония для диверсифицированного избыточного определения содержания кислорода (O2) в блоке (26) обработки результатов при концентрациях водорода <10 об.%.
10. Система мониторинга атмосферы в гермооболочке (4) атомной электростанции (6) при тяжелых авариях, содержащая измерительное устройство (2) по одному из пп. 7-9.
