CN102788618B

CN102788618B - 一种高温液态金属温差流量计

Info

Publication number: CN102788618B
Application number: CN 201210265955
Authority: CN
Inventors: 鲍国刚; 贺建; 朱志强; 黄群英; 陈红丽
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: CN102788618A

Abstract

本发明为一种高温液态金属温差流量计，基于温差测量的原理实现高温液态金属的流量测量。该高温液态金属温差流量计的结构包括传感器、转换器。高温液态金属沿管道流动时存在热量损失，沿流动方向产生温差。流动速度发生变化，沿着单位长度管道损失的热量相应发生变化，温差线性改变。传感器测量单位长度的管道中由于温差而产生的热电势，经转换器分析计算得到高温液态金属流量。本发明可以实现200℃~1250℃液态金属流量的测量；同时，灵活的安装方式，降低了对流体驱动系统等外部条件的要求。

Description

一种高温液态金属温差流量计

技术领域

本发明为一种高温液态金属温差流量计，属能源、材料工程领域。

背景技术

液态金属，比如汞、钠、铅铋等，由于具有良好的热传导特性和中子特性已被选作先进快中子反应堆的冷却剂材料。用于快中子反应堆的冷却剂液态金属（钠、铅铋等）熔点高，其正常运行温度范围为200℃~600℃。同时，液态金属锂、锂铅等由于其良好的传热特性和氚增殖特性，在未来先进核聚变反应堆研究中被优先选为反应堆中的冷却剂材料和氚增殖材料。为了研究液态金属对反应堆材料的腐蚀以及其热工特性等，目前世界很多国家都已经建造或正在建在液态金属回路开展相关实验。中科院合肥物质科学研究院已经建造的DRAGON-IV液态锂铅回路是目前国际上独有的多功能强迫对流锂铅实验回路，近期还将建设系列高温液态铅铋强迫对流回路，用于演示加速器驱动液态铅铋冷却快中子嬗变堆技术，并作为综合实验平台获取液态金属铅铋对结构材料腐蚀率、热工水力学规律等，本发明可以有效的对高温（>200℃）液态金属进行流量测量，为实验提供必要的工况参数与控制输入信号。

现有的流量计种类很多，比如电磁流量计、涡街流量计、节流流量计、超声波流量计、热式质量流量计、差压流量计、容积流量计等，其中最突出的特点就是：流量计种类繁多，其测量原理、结构特性、使用范围、使用方法等各不相同，但每种都有它特定的适用性，也都有它的局限性。从使用范围上说，目前应用于液态金属测量的流量计种类贫乏，虽然液态金属良好的导电性可以优先选择电磁流量计，但是电磁流量计可以应用的最高温度只有400℃，且存在信号稳定性差、需要考虑液态金属与管壁材料的润湿性等缺点。而超声波流量计由于受压电材料居里温度、超声波探头与液态金属润湿性、不同界面处超声波传播的耦合性等限制，在液态金属测量中存在很大的技术难点。同时考虑到液态金属的物性条件、液态金属的驱动等问题，其它类型的流量计往往也很难应用到高温液态金属的测量中。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高温液态金属温差流量计，可以实现200℃~1250℃液态金属流量的测量；同时，两种导体或者半导体不同材料的导线头尾相接处形成两个连接点的安装方式有三种，尤其是第三种方法的使用可以降低局部压损小，从而降低对流体驱动等外部条件的要求。

本发明为一种高温液态金属温差流量计，其基本测量原理是：高温液态金属以一定的流速在管道中流动时，由于与外界环境存在换热，在管道中流经一定长度后，该段管道前后两处的液态金属存在温差。液态金属的流动速度不同，即流量不同，那么前后端管道的温差也将不同。因此，通过该段管道前后液态金属的温差，得到高温液态金属的流量大小。管道内为高温液态金属，比如，铅、铅铋、锂铅、钠等，在管道两端A和B处为测量点，其中A和B之间相距为L。设管道中液态金属在A和B处的温差为ΔT，管道与外界环境外界存在换热，但环境的温度不因管道内液态金属与外界环境的换热温度升高（这一点通过实验室的排气扇等是可以近似实现的）。那么，理想情况下，温差ΔT是高温液态金属流动速度V和A和B之间管道长度L的函数。即：

ΔT=ΔT(V,L)

A和B之间的管道长度L可以根据实际工况条件选择确定。那么温差ΔT就仅是高温液态金属流动速度V的函数了。因此，通过温差测量就可以得到高温液态金属的流动速度。管道中高温液态金属流速与流量的关系为：

Q=πD²V/4

其中D为管道的内径，V为高温液态金属的流动速度，Q为高温液态金属的流量。

本发明技术解决方案；

（1）高温液态金属温差流量计包括传感器和转换器,传感器由两种导体或者半导体材料的导线头尾相接构成闭环结构，整个闭环结构安装于保护套管内，保护套管与环路之间填满绝缘材料。两种不同材料的导线头尾相接处形成两个连接点，两个连接点位于保护套管的两端。各有一根导线与两种不同材料的导线中点连接，穿过保护套管引出测量信号。传感器的两个连接点所在处分别安装于管道的两端，即A、B端；传感器中与两种不同材料的导线连接并引出测量信号的部分处于远离管道且温度(大小为T₀)稳定的环境中，引出测量信号的导线连接于转换器；

（2）转换器的功能是将传感器测得的电势信号最终转换为流量值直接输出。上述（1）中引出的测量信号为电势信号，转换器首先将电势信号转换成4~20mA标准电流信号，然后通过校准确定的电流-温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值，最后通过校准实验确定温差与高温液态金属流动速度V的关系，理想情况下，温差ΔT=ΔT(V,L)，L已知则测得温差ΔT之后，即可确定高温液态金属流动速度V。高温液态金属流速V与高温液态金属流量Q的关系为：

Q=πD²V/4

其中D为管道的内径。最终将传感器中引出的测量信号转换成了高温液态金属的流量值。

（3）高温液态金属温差流量计附设温度测量功能，传感器一端位于测量点A或者B，另一端位于温度(大小为T₀)稳定的环境，两端存在温差，传感器中引出的测量信号为电势信号，转换器首先将电势信号转换成4~20mA标准电流信号，然后通过校准确定的电流-温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值ΔTˊ，稳定环境的温度T₀已知，则可确定高温液态金属的温度T=ΔTˊ+T₀。最终根据实验标定的高温液态金属的密度随温度的变化关系：ρ=ρ（T）以及上述（2）中得到的体积流量Q计算得出高温液态金属的质量流量Q_m=Q*ρ。

为了保证高温液态金属温差流量计的可以应用在高温液态金属工况环境中，两种不同的导体或半导体材料有三种组合，分别为：铬镍合金与镍铅合金、铬镍合金与康铜、铂与13%铑-铂，三种组合构成传感器的一部分，使得其最高使用温度范围可达到0~1250℃，因此高温液态金属温差流量计可使用的最高温度也可以达到1250℃。用于快中子反应堆的冷却剂液态金属（钠、铅铋等）熔点高，其正常运行温度范围为200℃~600℃。现有普通流量计最高可以测量温度只能达到400℃左右，因此结合测量方法与实际工况应用情况，该高温液态金属温差流量计可以有效实现高于400℃情况下液态金属的流量。亦即该高温液态金属温差流量计可以应用的温度范围为：200℃~1250℃。

传感器中两种不同材料的接点Iˊ安装方法有三种：保护套管将接点Iˊ保护起来插入到液态金属中测量；接点Iˊ直接插入到液态金属中测量；接点Iˊ测量管壁温度间接测量液态金属的温差。这三种方法都可以实现高温液态金属温差流量计中温差的测量，对于第一种方法可以保证高温液态金属温差流量计的寿命，在温差测量中，可以通过保护套管的使用保护温度测量点处的仪表部件。第二种方法，可能会受到高温液态金属的腐蚀等，但是这种安装方法，可以保证高温液态金属温差流量计在测量时的时间相应以及测量的准确度。第三种方法，直接安装在管壁上，间接反映高温液态金属的温度，这种方法可以更好为仪表部件提供保护，只要液态金属与管壁的温度相同，测量时间相应也将会非常好，同时测量精度也会有所保证。

工况条件一致的情况下，高温液态金属在流动速度不同，流动过程中热量损失不同，相应温差不同。温差测量点距离大小范围为100~1500mm，实现不同流速下流量的测量。管道A和B两点之间的长度L很小时，由于温差比较小，测得的信号可能会很弱。为了精确测量计算，保证有足够的温差信号ΔT，在测量时，对于同一个温差测量时，垂直于流动方向的管道截面上环绕设置三组测量点，且呈120度夹角，取三组测量点的电势平均值作为真实测量值。其计算方法为：ΔT=（ΔT1+ΔT2+ΔT3）/3。由于直接测得的是三组温差值所对应的电势之和，因此可以提高小温差测量时信号大小。同时，三组温差值所对应的电势之和在取平均值的过程中可以消除部分系统误差，从而提高测量的精度。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明可以对高温200~1250℃的液态金属进行测量。

（2）本发明不仅可以测量体积流量，而且可以同时测量高温液态金属的温度，进而测量高温液态金属的质量流量。

（3）本发明安装测量方式灵活，取三组测量点的平均值得到最终结果，可以满足不同流速和精度下的要求。

附图说明

图1为本发明高温液态金属温差流量计原理图；

图2为本发明高温液态金属温差流量计的温差测量示意图；

图3为本发明温度测量点的安装方式图；

图4为本发明温差测量方式的安装方式图。

具体实施方式

如图1所示，高温液态金属温差流量计包括传感器1和转换器2两部分。当管道中有高温液态金属流过时，管壁温度与高温液态金属温度相同。在流动过程中即使有良好的保温设备，仍会存在于外界环境的换热存在，热量的损失在管道3的A、B两端会存在相应大小的温差，理想情况下，温差ΔT是高温液态金属流动速度V和A和B之间管道长度L的函数。即：

ΔT=ΔT(V,L)

L确定的情况下，温差ΔT仅是高温液态金属流动速度V的函数。工况条件一致的情况下，高温液态金属在流动速度不同，流动过程中热量损失不同，相应温差不同。温差测量点距离大小范围为100~1500mm，实现不同流速下流量的测量。管道3的A、B两端存在温差时，组成传感器1的闭环结构中就有电势产生，将产生的电势由传感器1引出连接到转换器2并转换为4~20mA标准电流I。转换器2的功能是将传感器测得的电势信号最终转换为流量值直接输出。温差ΔT与标准电流信号的关系是：I=KΔT，K为比例常数。实验标定后可以确定比例常数K，从而根据电流-温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值，即ΔT，最终得到高温液态金属流动速度V。高温液态金属流速V与高温液态金属流量Q的关系为：

Q=πD²V/4

其中D为管道的内径。最终将传感器中引出的测量信号转换成了液态金属的流量值。高温液态金属温差流量计附设温度测量功能，传感器一端位于测量点A或者B，另一端位于温度(大小为T₀)稳定的环境，两端存在温差，传感器中引出的测量信号为电势信号，转换器首先将电势信号转换成4~20mA标准电流信号，然后通过校准确定的电流-温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值ΔTˊ，稳定环境的温度T₀已知，则可确定高温液态金属的温度T=ΔTˊ+T₀。最终根据实验标定的高温液态金属的密度随温度的变化关系：ρ=ρ（T）以及体积流量Q计算得出高温液态金属的质量流量Q_m=Q*ρ。

如图2所示，传感器1由两种不同材料的导体或者半导体的导线头尾相接构成闭环结构，整个闭环结构安装于保护套管内，保护套管与闭环结构之间填满绝缘材料。两种不同材料的导体或半导体有三种组合，分别为：铬镍合金与镍铅合金、铬镍合金与康铜、铂与13%铑-铂，三种组合构成传感器1的一部分，使得其最高使用温度范围可达到0~1250℃，因此高温液态金属温差流量计可使用的最高温度也可以达到1250℃。两种不同材料的导体或半导体的导线头尾相接处形成两个连接点，两个连接点位于保护套管的两端。两种不同材料的导体或半导体的导线中点处各有一根导线与其连接，穿过保护套管引出测量信号。

如图3所示，传感器1中两种不同材料的导体或半导体的接点Iˊ安装方法有三种：保护套管将接点Iˊ保护起来插入到液态金属中测量,即M1所示；接点Iˊ直接插入到液态金属中测量，即M2所示；接点Iˊ测量管壁温度间接测量液态金属的温差，即M3所示。这三种方法都可以实现高温液态金属温差流量计中温差的测量，对于第一种方法可以保证高温液态金属温差流量计的寿命，在温差测量中，可以通过保护套管的使用保护温度测量点处的仪表部件。第二种方法，可能会受到高温液态金属的腐蚀等，但是这种安装方法，可以保证高温液态金属温差流量计在测量时的时间相应以及测量的准确度。第三种方法，直接安装在管壁上，间接反映高温液态金属的温度，这种方法可以更好为仪表部件提供保护，只要液态金属与管壁的温度相同，测量时时间相应也将会非常好，同时测量精度也会有所保证。三种方法的选择取决于工况条件的要求。

如图4所示，为了精确测量计算，保证有足够的温差信号ΔT，在测量时，对于同一个温差测量时，垂直于流动方向的管道截面上环绕设置三组测量点，且呈120度夹角，取三组测量点的电势平均值作为真实测量值。其计算方法为：ΔT=（ΔT1+ΔT2+ΔT3）/3。由于直接测得的是三组温差值所对应的电势之和，因此可以提高小温差测量的信号大小。同时，三组温差值所对应的电势之和在取平均值的过程中可以消除部分系统误差，从而，提高测量的精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高温液态金属温差流量计，其特征在于：包括传感器和转换器；

（1）所述传感器由两种不同材料的导体或者半导体的导线头尾相接构成闭环结构，整个所述闭环结构安装于保护套管内，保护套管与闭环结构之间填满绝缘材料；两种不同材料的导体或者半导体的导线头尾相接处形成两个连接点，两个连接点位于保护套管的两端；各有一根导线与两种不同材料的导体或者半导体的导线中点连接，穿过保护套管引出测量信号；传感器的两个连接点所在处分别安装在管道的两端，即A、B端；传感器中与两种不同材料的导体或半导体的导线连接并引出测量信号的部分远离管道且处于温度大小为T₀的稳定的环境中，引出测量信号的导线连接于转换器；

（2）转换器的功能是将传感器测得的电势信号最终转换为流量值直接输出，上述（1）中引出的测量信号为电势信号，转换器首先将电势信号转换成4~20mA标准电流信号，然后通过校准确定的电流-温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值，最后通过校准实验确定温差与高温液态金属流动速度V的关系，理想情况下，温差ΔT=ΔT(V,L)，L已知则测得温差ΔT之后，即可确定高温液态金属流动速度V，高温液态金属流速V与高温液态金属流量Q的关系为：

Q=πD²V/4

其中D为管道的内径；最终将传感器中引出的测量信号转换成了高温液态金属的流量值；

（3）高温液态金属温差流量计附设温度测量功能，传感器一端位于测量点A或者B，另一端位于温度大小为T₀的稳定的环境，两端存在温差，传感器中引出的测量信号为电势信号，转换器首先将电势信号转换成4~20mA标准电流信号，然后通过校准确定的电流温差关系将标准电流信号转换成体现温差的数值ΔTˊ，稳定环境的温度T₀已知，则能够确定高温液态金属的温度T=ΔTˊ+T₀；最终根据实验标定的高温液态金属的密度随温度的变化关系：ρ=ρ（T）以及上述（2）中得到的体积流量Q计算得出高温液态金属的质量流量Q_m=Q*ρ。

2.根据权利要求1所述的高温液态金属温差流量计，其特征在于：所述两种不同材料的导体或半导体有三种组合，分别为：铬镍合金与镍铅合金、铬镍合金与康铜、铂与13%铑-铂，三种组合任选其一，最高使用温度范围为0~1250℃，高温液态金属温差流量计最高温度为1250℃。

3.根据权利要求1所述的高温液态金属温差流量计，其特征在于：所述两种导体或者半导体不同材料的导线头尾相接处形成两个连接点的安装方式有三种：一是保护套管将连接点保护起来插入到高温液态金属中测量；二是将两个连接点直接插入到高温液态金属中测量；三是两个连接点测量管壁温度间接测量高温液态金属的温差。

4.根据权利要求1所述的高温液态金属温差流量计，其特征在于：所述A、B点之间距离为100~1500mm，适用于不同流速下流量的测量。

5.根据权利要求1所述的高温液态金属温差流量计，其特征在于：所述管道中，垂直于流动方向的管道截面上环绕设置三组测量点，每组测量点上安装一个所述传感器，所述传感器的连接点安装在测量点上，所述传感器环绕管道呈120度夹角，引入到所述转换器的电势信号是三组传感器测得的电势信号的平均值。