CN107179104A - 一种永磁式液态金属涡街流量计及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于流量测量技术领域，涉及一种永磁式液态金属涡街流量计及其应用。所述的永磁式液态金属涡街流量计包括一次传感器、二次仪表、信号电缆，其中一次传感器包括磁钢组件、电极、管道、漩涡发生体，磁钢组件为测量信号的生成提供稳定磁场；管道被夹持在磁钢组件中间；漩涡发生体设置在管道内，用于将管道内三维的管流变成二维的漩涡流；电极设置在管道上，并使其轴线与管道的轴线、磁钢组件产生的磁场的磁力线三者互相垂直；二次仪表通过信号电缆连接电极，用于对电极的输出信号进行相关法计算。利用本发明的永磁式液态金属涡街流量计及其应用，能够结构简单、高精度、宽量程范围的测量液态金属流量，并可实现液态金属流量的在线校准。

Description

一种永磁式液态金属涡街流量计及其应用

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，涉及一种永磁式液态金属涡街流量计及其应用。

背景技术

由于液态金属的固有特性，例如温度较高、化学性质活泼，并且常应用在高辐照的环境中，所以常规的流量计无法应用在液态金属流量测量领域。通常采用永磁式流量计进行液态金属流量测量，但通常无法通过实流标定获得准确的精度。

永磁式液态金属涡街流量计基于卡门涡街原理，即通过测量漩涡发生体后方漩涡频率，根据漩涡频率与流体流速之间的关系，测得液态金属流量。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种永磁式液态金属涡街流量计，以能够结构简单、高精度、宽量程范围的测量液态金属流量，并可实现液态金属流量的在线校准。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，所述的永磁式液态金属涡街流量计包括一次传感器、二次仪表、信号电缆，其中所述的一次传感器包括磁钢组件、电极、管道、漩涡发生体，

所述的磁钢组件为测量信号的生成提供稳定磁场；

所述的管道被夹持在所述的磁钢组件中间；

所述的漩涡发生体设置在所述的管道内，用于将所述的管道内三维的管流变成二维的漩涡流；

所述的电极设置在所述的管道上，并使其轴线与所述的管道的轴线、所述的磁钢组件产生的磁场的磁力线三者互相垂直；

所述的二次仪表通过所述的信号电缆连接所述的电极，用于对所述的电极的输出信号进行相关法计算。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，其中所述的磁钢组件由永磁体、磁极、磁轭(导磁体)组成。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，其中所述的二次仪表还用于对所述的一次传感器输出电压信号进行放大、滤波、模数转换，频谱分析，计算通道流量，显示输出流量。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，其中所述的一次传感器还包括上管夹、下管夹，用于在所述的磁钢组件中间夹持所述的管道。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，其中所述的一次传感器还包括螺栓和平垫圈，用于进一步夹持所述的上管夹与所述的下管夹。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种永磁式液态金属涡街流量计，其中所述的永磁式液态金属涡街流量计还包括设置在所述的一次传感器外的防护罩，用于保护所述的一次传感器。

本发明的第二个目的是提供前述永磁式液态金属涡街流量计在测量液态金属流量中的应用，以能够结构简单、高精度、宽量程范围的测量液态金属流量，并可实现液态金属流量的在线校准。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供前述永磁式液态金属涡街流量计在测量液态金属流量中的应用

本发明的有益效果在于，利用本发明的永磁式液态金属涡街流量计及其应用，能够结构简单、高精度、宽量程范围的测量液态金属流量，并可实现液态金属流量的在线校准。

本发明的特点是根据法拉第电磁感应定律，采用永磁体作为漩涡频率信号的检测方式，通过在垂直于磁场的管道中液态金属流动时切割磁力线，从而在与液态金属运动方向和磁力线方向相垂直的两电极上产生感应电压，通过对信号进行频谱分析得到液态金属的漩涡频率，漩涡频率大小与流体流速成正比，从而求得液态金属流量。该流量计的流量测量方法对流体温度、压力等不敏感，因采用频谱分析方法，对感应电压信号的大小(也即对应的液体电导率)不敏感，从而可通过在相似的雷诺数的情况下，采用水等介质对其进行检定，从而解决永磁式液态金属流量计的检定等问题。

本发明的永磁式液态金属涡街流量计具有结构简单、测量精度高、量程范围宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小、对流体流动特征不敏感、耐振动性好等优点，可应用于液态金属的流量测量领域。

本发明的永磁式液态金属涡街流量计与现有技术的液态金属流量测量计相比，具有以下优点：本发明的流量计用于测量液态金属流量，通过频谱分析利用涡街原理计算得到液态金属的流量，测量精度高，量程范围宽；结合配套的相关法流量在线校准方法和装置，可实现液态金属流量计的在线校准。

附图说明

图1为示例性的本发明的永磁式液态金属涡街流量计的俯视图。

图2为图1中一次传感器垂直于管道3方向的剖视图。

图3为图2中管道组件沿管道3垂直轴向的剖视图。

图4为二次仪表9的相关法流量校准原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的永磁式液态金属涡街流量计的结构如图1-3所示，包括一次传感器(包括磁钢组件1、电极2、管道3、漩涡发生体4、平垫圈5、上管夹6、螺栓7、下管夹11)、防护罩8、二次仪表9、信号电缆 10。

磁钢组件1为测量信号的生成提供稳定磁场，由永磁体、磁极、磁轭 (导磁体)组成。

管道3设置的上管夹6、下管夹11用于在磁钢组件1中间夹持、固定管道3。上管夹6、下管夹11之间通过螺栓7和平垫圈11进一步固定。

漩涡发生体4设置在管道3内，用于将管道3内三维的管流变成二维的漩涡流。

电极2设置在管道3上，并使其轴线与管道3的轴线、磁钢组件1产生的磁场的磁力线三者互相垂直。

根据法拉利电磁感应定律，一次传感器的输出电压信号由液态金属流量信号和噪声信号两部分组成。二次仪表9通过信号电缆10连接电极2 及其引线，用于对一次传感器输出电压信号进行放大、滤波、模数转换、频谱分析，滤除噪声信号，将管道3内液态金属流量信号提取，对电极2 的输出信号进行相关法计算，从而得到液态金属的漩涡频率。

防护罩8设置在一次传感器外，用于保护一次传感器。

上述示例性的本发明的永磁式液态金属涡街流量计进行液态金属流量测量的原理如下。

永磁式液态金属涡街流量计中，液态金属经过漩涡发生体4形成涡流，当液态金属在垂直于永磁体形成磁场切割磁力线时，在与液态金属运动方向和磁力线方向相垂直的两电极2上产生感应电动势。对信号进行频谱分析，滤掉噪声信号，得到液态金属的漩涡频率，利用涡街原理计算得到液态金属的流量。在校准方法中，将两对电极2输出的感应电压信号输入相关法流量测量装置中，用相关分析法计算出这两个信号相关函数峰值，从而得到传输时间，在两电极2间距恒定情况下，传输时间与液态金属流速成反比，通过测量传输时间就可以计算得到流量值，从而实现在线校准。

永磁式液态金属涡街流量计主要由一次传感器和二次仪表组成，通过频谱分析利用涡街原理计算得到液态金属的流量，并通过相关流量测量方法对流量计进行校准。

其中一次传感器结构主要包括：磁钢组件1、管道组件、漩涡发生体4、电极2及引线、支承定位组件等组成。一次传感器的主要功能为：1)磁钢组件1一般由永磁体、磁极、磁轭(导磁体)组成，为测量信号的生成提供稳定磁场；2)漩涡发生体4将管道3内三维的管流变成二维的漩涡流； 3)管道3轴线、电极2轴线、磁力线三者互相垂直，当液态金属(如钠)从管道3内流过时切割磁力线，在电极2上产生感应电动势；4)支撑定位组件实现导管的固定支承，并防止导管的周向及径向运动，保证管道3轴线、电极2轴线、磁力线三者互相垂直。

其中二次仪表9的主要功能为：对一次传感器输出电压信号进行放大、滤波、模数转换，频谱分析、计算通道钠流量、显示输出流量、对两对电极的输出信号进行相关法计算等。

管道3内的液态金属流量可用下式表示：

式中：D为管道3内径(m)；Sr斯特劳哈尔数；d为漩涡发生体4迎流面的特征宽度(m)；f为液态金属流漩涡频率(Hz)；m为漩涡发生体4两侧的弓形流通面积之和与测量管横截面积之比。

因液态金属回路运行温度通常很高(＞350℃)，因此液态金属流量计通常无法通过常规检定得到准确的误差，而本发明设计的永磁式液态金属涡街流量计，因其通过频谱分析的方法得到涡街频率，与感应电势信号的大小无关，也即与液体的电导率大小无关，故可在雷诺数相似条件下，通过水流量计检定回路得到其流量系数与误差，从而实现其低温检定。

图4为相关法流量校准原理说明图，液态金属流经漩涡发生体4后分别在纵向布置的电极2上产生交流波动信号，这两个波动信号的间隔时间即漩涡在流道中的传输时间为τ。用相关分析法计算出这两个波动信号相关函数峰值就是传输时间τ。如果不考虑流体内部存在的粘性阻力及管道3 内壁对流体的摩擦作用，则可简单的认为，截面上各处的流体以平均流速从截面aa’流动到截面bb’。

当液态金属稳定流动时，上、下游传感器将分别输出随机流动噪声信号x(t)和y(t)，可以分别看做是来自各态历经的平稳随机过程{x(t)}和{y(t)} 的样本函数，为确定随机信号x(t)通过给定系统所需时间，将输出信号y(t) 与输入信号x(t)作互相关运算，实质上就是在不同的延时值下比较两个信号波形的相似程度。

互相关函数定义为:

互相关函数图形峰值位置所对应的时间位移就是随机信号x(t)在该系统的传递时间，即流体从截面aa’流动到截面bb’的时间T。

因此，管道3内钠流量可用下式表示：

相关法流量测量技术的优点在于它不受环境因素(辐照、热循环、时间推移等)的影响，是一种绝对校准法。

本发明的永磁式液态金属涡街流量计测量液态金属流速的范围为(0.5-7)m/s，测量精度为±1.5％FS(液态金属温度不高于550℃)。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于，所述的永磁式液态金属涡街流量计包括一次传感器、二次仪表、信号电缆，其中所述的一次传感器包括磁钢组件、电极、管道、漩涡发生体，

所述的磁钢组件为测量信号的生成提供稳定磁场；

所述的管道被夹持在所述的磁钢组件中间；

所述的漩涡发生体设置在所述的管道内，用于将所述的管道内三维的管流变成二维的漩涡流；

所述的电极设置在所述的管道上，并使其轴线与所述的管道的轴线、所述的磁钢组件产生的磁场的磁力线三者互相垂直；

所述的二次仪表通过所述的信号电缆连接所述的电极，用于对所述的电极的输出信号进行相关法计算。

2.根据权利要求1所述的永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于：所述的磁钢组件由永磁体、磁极、磁轭组成。

3.根据权利要求1所述的永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于：所述的二次仪表还用于对所述的一次传感器输出电压信号进行放大、滤波、模数转换，频谱分析，计算通道流量，显示输出流量。

4.根据权利要求1所述的永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于：所述的一次传感器还包括上管夹、下管夹，用于在所述的磁钢组件中间夹持所述的管道。

5.根据权利要求4所述的永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于：所述的一次传感器还包括螺栓和平垫圈，用于进一步夹持所述的上管夹与所述的下管夹。

6.根据权利要求1所述的永磁式液态金属涡街流量计，其特征在于：所述的永磁式液态金属涡街流量计还包括设置在所述的一次传感器外的防护罩，用于保护所述的一次传感器。

7.根据权利要求1-6任一所述的永磁式液态金属涡街流量计在测量液态金属流量中的应用。