CN112665821A - 在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置及方法，装置包括通道内可移动的浸入式的探针，控制探针运动的位移装置，通过屏蔽线连接探针电势信号的多通道高精度同步电压采集系统；基于电势探针原理，将探针采集到的电势信号，与流速建立关系，直接得到流场的局部速度分布，通过电势差和磁场强度测得涡量；本发明通过信号采集和数据处理，能够在外部强磁场条件下，高精度测量液态金属流场内部局部速度和涡量分布，解决强磁场下液态金属局部流场特征的高精度测量的难题。
Description
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，特别涉及一种在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置及方法。
背景技术
液态金属流动现象可以理解为电磁学与流体动力学特性的结合，其蕴含丰富的基础研究意义。在磁约束核聚变装置的包层结构中，金属流体在磁场中的流动问题是一个重大的研究方向，另外，在一些工业过程中，比如金属冶炼过程中，需要利用外加磁场实现对金属流体的流动控制。如何在高温强磁场的条件下实现对金属流体流场特征的精确测量一直以来是一个严峻的挑战，而且，由于金属流体不透光、容易氧化、高导电率、高导热性等特征，使得对于流速的直接测量变得更加困难。
依据文献调研，可用于测量磁场条件下液态金属流动内部流场特征的方案有：
1、直接接触的测量方法：(1)电势探针法。通过探针浸入液态金属并保持与流体良好的电接触，测量恒定磁场中流体产生的垂直于磁场方向的电势差来得到流场局部速度。其优势是时间分辨率高，探针和间距可以设计的非常小以提高空间测量精度，也便于设计为壁面矩阵式阵列以得到丰富的瞬态流场信息；(2)电阻探针法。其原理是液相通过探针区域时测得的电阻显著下降，而气相通过时电阻急剧升高。该方法常用于液态金属两相流的测量，必须谨慎调节探针与液体的电接触性能；(3)热线测速仪技术。该方法与传统热线风速计原理一致，基于加热状态下的电阻丝与流场的热交换，其温度与周边液体流速呈线性相关；(4)精密光学-机械方法。该方法基于流体对浸入的微小探头的机械作用力。但是，对安装精度要求很高。
2、间接接触的测量方法：脉冲超声波多普勒测速法。超声波探头向流体中发送单一方向的脉冲，同时接受被不同距离处的流体微团反射的信号。通过发送到接收信号的时间差计算出流体微团的空间位置，通过发送到接收信号的多普勒频移计算出流体微团的速度。在该方法中，探头可以装入壁面而不必浸入液体，对流场无影响。但是，根据超声信号只能得到超声波发射方向的一维流场信息，且超声信号受到周围环境噪声和磁场噪声的影响显著。
3、非接触的测量方法：(1)射线测量方法。通过γ射线，X射线和中子射线在液态金属流场中照射，得到的图像可以分析出丰富的二维流场信息。然而射线在流体中衰减很快，其在沿射线方向的测量深度通常仅为厘米级。而且，该方法主要用于液态金属两相流的研究，主要的技术限制在于提高其时间分辨率以及改进为三维测量系统；(2)洛伦兹力测速计方法。通过测量流体产生的感应磁场对永磁体的反作用力来得到流速。但是，其空间分辨率受限于永磁体的尺寸，时间分辨受限限于传感器的机械结构特性。
综上，要实现强磁场下金属流体内部任意局部的速度和涡量的测量，最直接有效的方法是通过直接接触的电势探针方法来实现。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的目的在于提供在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置及方法，基于电势探针原理，通过信号采集和数据处理，能够在外部强磁场条件下，高精度测量液态金属流场内部局部速度和涡量分布。解决强磁场下液态金属局部流场特征的高精度测量的难题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置，包括可移动的浸入式的探针5，控制探针5运动的位移装置6，通过屏蔽线7连接探针5电势信号的多通道高精度同步电压采集系统8；
所述的探针5为单体浸入式探针，每个单体包括直径为0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝，铜丝穿过且固定在直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体表面覆盖一层绝缘层，保证浸入后探针5只有铜丝尖端与液态金属保持电接触
所述的位移装置6与探针5固定，并与六轴可移动电机启动输出轴相连，通过电脑编程控制，实现探针5沿六个不同方向的移动，移动步长根据测量的位置需求进行选取。
所述的屏蔽线7由一束双屏蔽的铜线组成。
所述的多通道高精度同步电压采集系统8通过屏蔽信号线7与浸入式探针5的电极相连，采集并存储电压信号。
所述的探针5的相邻两电极之间的间距h为2-5mm。
所述的探针信号采集速度高于500S/s。
基于上述在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)、速度测量：通过侵入式的探针5的各个电极测量得到的电势信号，与流速建立关系，直接得到流场的局部速度分布，数据分析基于欧姆定律：
其中，
为电流密度，σ为液态金属电导率，
为电势差即测得电压信号，
为流速，
为外加磁场强度，假设磁场2的外加磁场强度
速度为
电流密度
磁场强度很大时，判断出主流区的电流密度极小，即是jx≈0，jz≈0，通过探针5测量主流区中某个特定位置处沿垂直磁场平面内各个方向上的电势梯度，通过换算得到该位置处在此平面内的两个速度分量，即水平速度u和竖直速度w分别为：
其中，B0为均匀磁场强度，
为电极测得的电压信号；如果在制作探针时保持同一方向上相邻两个探针之间的间隔相等，且都等于h，即Δz＝Δx＝h，测量的水平速度u和竖直速度w分别记为
测量得到的A电极9和B电极10的电压信号之差
与水平速度u成正比，C电极11和D电极12的电压信号之差
与竖直速度w成正比；
(2)、涡量测量：探针5采用七极探针，即共有7个测量电极，实现沿每个方向上测量得到三个电势差信号，通过数据处理，与沿磁场方向的涡量ωy建立关系，直接得到流场的局部涡量ωy分布，数据分析依然基于欧姆定律，如(1)式所示，两边求散度处理，得到
通过张量运算，且
可以得到沿着磁场方向的涡量
涡量ωy只与电势差和磁场强度有关，于是，测量得到电势相关量
即可测得涡量ωy。
本发明的创新点：
(1)本方法适用于不透明的液态金属测量，相比其他测量手段，本发明可以实现流场内部局部速度和涡量的同步测量，测得的结果精确度高，达到毫秒级的时间分辨率和毫米级的空间分辨率。
(2)本发明探针测点处小，对流动的影响可以忽略不计。还可承受高温和强磁场环境等极端环境，信号响应快，耐振动性能好。
附图说明
图1为Q2D流动以及浸入式探针电势测量原理图。
图2为七极探针的结构示意图。
图3为信号处理流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
本发明是一种液态金属局部流场测量方法，测量对象为流场在探针间形成的电势差，测量装置为七极浸入式探针5及其三维位移装置6、屏蔽线7和多通道高精度同步电压采集系统8。
以强磁场条件下的金属流体管道流动为例，本发明测量装置在以下的场景中实现，如图1所示，液态金属主流速度方向1，外部磁场方向2，矩形截面管道3，管道主流区流场4。主流速度1由外部循环回路系统提供。外部均匀磁场2可以由永磁体、电磁体或超导磁体提供，均匀性高于97％。
本发明的装置，包括通道内可移动的浸入式的探针5，控制探针5运动的位移装置6，通过屏蔽线7连接浸入式探针5电势信号的多通道高精度同步电压采集系统8；探针5与其辅助的位移装置6固定，可以实现6个自由度的运动，以便测得各位置的局部速度和涡量。多通道高精度同步电压采集系统8经由屏蔽线7与探针5相连，采集、存储电势信号数据，并将其换算速度场信息。
所述的探针5为单体浸入式探针，每个单体包括直径为0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝7，铜丝7穿过且固定在直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体表面覆盖一层绝缘层，保证浸入后探针5只有铜丝7尖端与液态金属保持电接触，每根铜丝与液态金属接触的地方称为一个电极，同一方向上两电极的间距一般取为2-5mm.
七极浸入式探针5的结构如图2所示。根据欧姆定律，垂直于磁场2方向的两个速度分量、电流密度jy和涡量ωy与其电势差正相关，即
浸入式探针各电极测得的电势差数据，根据同一位置不同方向电势差与物理量的对应关系，反映空间同一位置的三维流场信息。
关于探针相邻两电极之间的间距。相邻两测点要尽量接近，即h要尽量小。而h越小则电势信号的幅值越低，信噪比越小，环境噪音的影响更加显著，越不易测量。因此，需要根据测试的需求，选择一个合适的h。对于液态金属流体局部速度的测量，以h＝4mm，u＝0.1-0.5m/s，B＝0.1-1.5T为例，测量信号
的大小约为40-3000微伏。对液态金属流动测量，本发明建议h为2-5mm。
基于上述在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置的测量方法，包括以下内容：
1、速度测量：通过侵入式的探针5的各个电极测量得到的电势信号，与流速建立关系，直接得到流场的局部速度分布，数据分析基于欧姆定律：
其中
为电流密度，σ为液态金属电导率，
为电势差即测得电压信号，
为流速，
为外加磁场强度。图1中，假设磁场2为
速度为
电流密度
那么当磁场2强度很大时，如果管道的壁面都为绝缘条件，沿着磁场方向的速度脉动将会被抑制，使得动量和涡量沿着磁场方向扩散，形成了准二维的流动形态，在准二维流动中，沿着磁场方向的电势守恒。在垂直磁场方向的平面内，电流会经过主流区域，在靠近壁面的边界层内形成闭环，而边界层的厚度与磁场强度成反比，因此，磁场强度很大时，可以判断，主流区的电流密度极小，即是jx≈0，jz≈0.于是，通过探针5测量主流区中某个特定位置处沿垂直磁场平面内各个方向上的电势梯度，通过换算得到该位置处在此平面内的两个速度分量，即水平速度u和竖直速度w分别为：
其中B0为均匀磁场强度，
为电极测得的电压信号。如果在制作探针时保持同一方向上相邻两个探针之间的间隔相等，且都等于h，即Δz＝Δx＝h，测量的水平速度u和竖直速度w分别记为
测量得到的A电极9和B电极10的电压信号之差
与水平速度u成正比，C电极11和D电极12的电压信号之差
与竖直速度w成正比；
(2)、涡量测量：侵入式探针5为七极探针，即共有7个测量电极，可以实现沿每个方向上测量得到三个电势差信号，通过数据处理，与沿磁场方向的涡量ωy建立关系，直接得到流场的局部涡量ωy分布，数据分析依然基于欧姆定律，如(1)式所示，两边求散度处理，得到
通过张量运算，且
可以得到沿着磁场方向的涡量
涡量ωy只与电势差和磁场强度有关。于是，如果能够测量得到电势相关量
便可以测得涡量ωy。
同样的，在制作探针时保持同一方向上相邻两个探针之间的间隔相等，且都等于h，即Δz＝Δx＝Δy＝h，那么，
其中B0为均匀磁场强度，
为每个电极测量得到的电压信号。
如果我们把C电极15作为公共负极的话，那么只需要测量电极9到14相对于电极15的电势差便可以求得ωy。
不同电极之间的间距，为了保持测量数据的系统性，在制作探针5时保持同一方向上相邻两个电极之间的间隔相等，且都等于h，即Δz＝Δx＝Δy＝h，另外，相邻两测点要尽量接近，即h要尽量小。而h越小则电势信号的幅值越低，信噪比越小，环境噪音的影响更加显著，越不易测量。因此，需要根据测试的需求，选择一个合适的h。对于液态金属流体局部速度的测量，以h＝4mm，u＝0.1-0.5m/s，B＝0.1-1.5T为例，测量信号
的大小为40-3000微伏。对液态金属流动测量，建议h为2-5mm。
关于信号采集频率。电势探针各电极直接测得的速度和涡量实际是空间h尺度上的空间平均流场信息。考虑到测量的金属流体流动可能为稳定湍流的情况，如果采样频率足够高，我们对测量得到的脉动速度和脉动涡量时序信号进行频谱分析可以获得更多高频信息，建立起局部速度和局部涡量的时间尺度与空间尺度的联系，获得极小空间尺度下的局部速度和局部涡量脉动信息。一般情况，对液态金属流动测量，本发明建议采样速度高于500S/s。
关于电压信号数据分析。数据分析流程如图3所示。浸入式探针5测量得到的电势信号，直接与速度和涡量建立关系，可进行进一步的流场特征分析。另外，速度和涡量的测量建立在流场为准二维流动结构的基础上，即外部磁场2很强的情况下，此时从浸入式探针5可测得jy～0，即
因此，本发明不仅可以用来测量速度分量和涡量，其实，潜在的一个用途便是测量通过
来判断流动呈现三维特征或者二维特征。当判断流动为Q2D以后，我们便可以对测量的电势信号通过频谱分析和统计分析，对流场的一些流动特征和统计特性进行下一步更加详细的分析讨论。
Claims (4)
1.在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置，其特征在于，包括可移动的浸入式的探针(5)，控制探针(5)运动的位移装置(6)，通过屏蔽线(7)连接探针(5)电势信号的多通道高精度同步电压采集系统(8)；
所述的探针(5)为单体浸入式探针，每个单体包括直径为0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝，铜丝穿过且固定在直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体表面覆盖一层绝缘层，保证浸入后探针(5)只有铜丝尖端与液态金属保持电接触；
所述的位移装置(6)与探针(5)固定，并与六轴可移动电机启动输出轴相连，通过电脑编程控制，实现探针(5)沿六个不同方向的移动，移动步长根据测量的位置需求进行选取；
所述的屏蔽线(7)由一束双屏蔽的铜线组成；
所述的多通道高精度同步电压采集系统(8)通过屏蔽线(7)与浸入式探针(5)的电极相连，采集并存储电压信号。
2.根据权利要求1所述的在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置，其特征在于，所述的探针(5)的相邻两电极之间的间距h为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置，其特征在于，所述的探针信号采集速度高于500S/s。
4.根据权利要求1所述的在强磁场条件下测量导电流体中速度和涡量的装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)、速度测量：通过侵入式的探针(5)的各个电极测量得到的电势信号，与流速建立关系，直接得到流场的局部速度分布，数据分析基于欧姆定律：
其中，
为电流密度，σ为液态金属电导率，
为电势差即测得电压信号，
为流速，
为外加磁场强度，假设磁场2为
速度为
电流密度
磁场强度很大时，判断出主流区的电流密度极小，即是jx≈0，jz≈0，通过探针(5)测量主流区中某个特定位置处沿垂直磁场平面内各个方向上的电势梯度，通过换算得到该位置处在此平面内的两个速度分量，即水平速度u和竖直速度w分别为：
其中，B0为均匀磁场强度，
为电极测得的电压信号。如果在制作探针时保持同一方向上相邻两个探针之间的间隔相等，且都等于h，即Δz＝Δx＝h，测量的水平速度u和竖直速度w分别记为
测量得到的A电极(9)和B电极(10)的电压信号之差
与水平速度u成正比，C电极(11)和D电极(12)的电压信号之差
与竖直速度w成正比；
(2)、涡量测量：探针(5)采用七极探针，即共有7个测量电极，实现沿每个方向上测量得到三个电势差信号，通过数据处理，与沿磁场方向的涡量ωy建立关系，直接得到流场的局部涡量ωy分布，数据分析依然基于欧姆定律，如(1)式所示，两边求散度处理，得到
通过张量运算，且
可以得到沿着磁场方向的涡量
涡量ωy只与电势差和磁场强度有关，于是，测量得到电势相关量
即可测得涡量ωy。
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