CN113092812A - 一种流速测量装置和测量方法及其在并联多通道中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流速测量装置和测量方法及其在并联多通道中的应用，该流速测量装置包括至少两组测量探头、示踪剂加载模块和电导率测量模块；所述测量探头设置于待测流速管道内，位于距离所述待测流速管道的进口端≥0.5倍管道长度处；所述测量探头与所述电导率测量模块连接；所述电导率测量模块的主处理器为ARM芯片；所述示踪剂加载模块包括示踪剂注入端和搅浑腔室；所述示踪剂注入端与所述搅浑腔室依次设置，且设于所述流速测量装置的待测流体的进口腔室的上游管道上。本发明的流速测量装置可实现对密集分布地并联多通道内的流速进行同步测量，进一步地，本发明的装置测量结果准确、测量效率高、结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种流速测量装置和测量方法及其在并联多通道中的应用。
背景技术
液态燃料熔盐核反应堆堆芯流体区域和管壳式换热器管侧流体区域均主要包括进口腔室01、出口腔室02和若干并联中间通道03，结构示意图如图1所示。流体首先从进口流入进口腔室01，其次流体以不同的流量分布进入中间通道03，然后流体从中间通道03的出口流出，最后在出口腔室02混合后从出口流出。
在这些流体区域的功能设计中，流体流经中间通道03的主要目的是进行热量的转移，其中影响热量转移的最主要因素是通道内流体的流速。鉴于不同通道内热量转移的需求存在较大差异，流量分布的不合理将会导致热量转移不足而产生温度热点等问题，因此，流体流经不同通道时的流量分布对于热量转移效率和生产安全至关重要。此外，针对于高熔点流体，若流量过低会导致通道过度冷却，使流体温度低于熔点从而在管道内发生凝固甚至冻堵。因此，出于热量转移效和安全的考虑，对于此类涉及并联多通道流体结构的设计必须开展相关的通道内流量分配设计验证。
考虑到无法对上述原型结构进行直接地流量测量，此类多通道结构内的流量分配设计验证方式主要为仿真分析验证和模型试验验证等方式，其中模型试验是获取原型内部水力特性最直接、有效的途径，为方便试验的开展，模型试验中流体介质一般采用常温液态水等常规流体，通过相似关系分析，可以确定模型结构和试验的相关参数，经过模型试验得到的流量分布可以很好的反映原型结构的流量分布。
此类依据原型结构开展的模型试验中通道内的流体流速一般较小，流动压损较小(几帕～几百帕)。常规接入式流量计的引入通常会导致较大的压损，改变此类原型结构下的流体水力特性。此外，由于并联的通道数量较大，通道间的距离较小，二维分布比较密集，无法为一些非接触式流量计提供安装空间；进一步地，由于通道数量较多，同步测量对常规流量计数量要求较高，成本较大。因此，常规流量测量仪表无法满足并联多通道的模型试验装置的流量同步测量需求。
在其他流量测试方面，CN104265276公开了一种基于电阻率示踪剂的流量测量方法和流量计，其通过示踪剂影响探头接收的信号，并对信号进行处理获取时间差，进而得到流速和流量，该流量计包括中空导管、示踪剂释放器、由激励电极和测量电极组成的电阻率探头组以及处理电路和地面系统。该流量计主要适用于油井或水井等大管径单通道的流量测试；其处理电路包括微处理单元、D/A转换器，激励驱动单元、变压器、前级处理单元、差分放大单元、全波整流单元、A/D转换器以及模式选择单元等多个模块，还需要通过电缆连接到地面系统，所以装置比较复杂；其未公开测量结果相关的数据，此外，其未提及关于流量计对流体流场的影响方面的内容，因此该测量装置的灵敏性和测量结果的准确性还有待商榷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中流体流量测量装置无法实现对密集分布地并联多通道内的流体流量进行同步测量、对流体流场造成扰动、装置结构复杂等问题，提供了一种流速测量装置和测量方法及其在并联多通道中的应用。本发明采用电导液示踪的流速测量方法来实现并联多通道内流速的同步测量，进一步地，本发明的装置测量结果准确、测量效率高、结构简单。
本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种流速测量装置，其包括至少两组测量探头、示踪剂加载模块和电导率测量模块；
所述测量探头设置于待测流速管道内，位于距离所述待测流速管道的进口端≥0.5倍管道长度处；
所述测量探头与所述电导率测量模块连接；
所述电导率测量模块的主处理器为ARM芯片；
所述示踪剂加载模块包括示踪剂注入端和搅浑腔室；所述示踪剂注入端与所述搅浑腔室依次设置，且设于所述流速测量装置的待测流体的进口腔室的上游管道上。
本发明中，较佳地，所述测量探头包括两根平行设置的电极丝，所述电极丝所在的平面与所述待测流速管道的横截面平行。
较佳地，两根所述电极丝之间的距离为2～5mm。
较佳地，所述电极丝的直径为0.1～0.3mm。
所述电极丝的材料可为本领域常规，一般地为高机械强度导电体，较佳地为不锈钢丝。
选取上述优选直径范围的电极丝以及机械强度高的电极丝，可有效减少电极丝本身及其尺寸对通道内流场的影响，从而提高测量的准确性、灵敏性和抗扰动性。
本发明中，所述测量探头设于距离所述待测流速管道的进口端≥0.5倍管道长度的位置。这有利于避免通道入口效应，减少测量误差。
本发明中，较佳地，相邻的所述测量探头之间的距离为所述待测流速管道的长度的0.2～0.5倍，例如为0.25倍。
所述测量探头用于将示踪剂的流动信号转化为电信号，通过捕捉所述电极丝间的电导率变化信号以及测量示踪剂流过特定距离所需的时间，可反推出所述待测流速管道内流体的局部流速。
本发明中，所述待测流速管道的材质可为本领域常规的非导电材质。较佳地，所述待测流速管道的材质为聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或有机玻璃(PMMA)。更佳地为有机玻璃(PMMA)。所述有机玻璃具有较好的透视性，方便所述电极丝的安装；连接方式灵活、拆卸方便；强度满足试验需求，可承受一定的压力。
本领域技术人员知晓根据流速测试结果的测量精度选择所述待测流速管道的管径。较佳地，所述待测流速管道的内径小于15cm。
本发明中，所述示踪剂注入端可为本领域常规。较佳地，所述示踪剂注入端为泵和/或注射器。所述示踪剂注入端用于定量并间歇地加载示踪剂。
较佳地，在测量单通道的所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂注入端为计量泵、蠕动泵或注射器。
较佳地，在测量多通道的所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂注入端为小流量水泵。
本发明中，所述搅浑腔室可为现有的混合装置。
较佳地，所述搅浑腔室为泵和/或流量计。所述搅浑室用于将示踪剂与通过所述待测流速管道内的流体混合均匀。
本发明中，所述电导率测量模块可为本领域常规，例如为市售的电导率测试仪。较佳地，所述电导率测量模块为电导率输出卡。
所述电导率输出卡可为现有的电导率输出卡。
本领域技术人员知晓如何根据需求调整电导率输出卡的各参数。例如，针对所述待测流速管道内流体和示踪剂的电导测量特点和其他需求，规划电导率输出卡，设计内容中的硬件包括芯片选择和电源选择等；软件包括激励信号周期切换控制、采样同步控制、信号滤波算法、电导率计算等。
本发明中，所述电导率输出卡一般用于获得所述测量探头的电导率时间响应信号，并存储所述测量探头的信号值，然后将信号值传输至电脑处理系统。
较佳地，所述待测流速管道内设置的所述测量探头均连接至同一所述电导率输出卡。这可以实现所述待测流速管道的电导率时间响应信号的统一测量与储存，便于后续流速的计算与校核。
本发明中，较佳地，所述流速测量装置还包括用于传输信号的引线，所述引线的一端连接于所述电极丝靠近所述电导率测量模块的一端，另一端连接于所述电导率测量模块。
所述引线可根据所述测量探头的数量、所述测量探头与所述电导率测量模块的距离、以及所述电导率测量模块的接口等需求定制相关规格排线，例如：XH2.54-6P。
本发明还提供了一种流速测量方法，其采用如上所述的流速测量装置，包括如下步骤：
(1)标定所述待测流速管道内流体的实际平均流速与所述流速测量装置得到的测量流速，得到所述实际平均流速与所述测量流速的关系式；
(2)在安装有所述流速测量装置的所述待测流速管道中加入示踪剂，进行流速测量；
(3)将步骤(2)的测量流速结果带入步骤(1)中的关系式，进行换算即可。
本发明中，步骤(1)～(2)中，较佳地，在测量所述待测流速管道的测量流速时，每个所述待测流速管道的测量条件保持一致。
本领域技术人员知晓，在测量流速时，测量条件一般可包括测量装置、测量过程中的操作与参数设置、数据处理过程中的操作与参数设置。
本发明中，在执行步骤(1)的操作时，本领域技术人员知晓应当首先确定所述待测流速管道需要测试的流速范围，然后分别测得所述实际平均流速和所述测量流速，再对两种流速的数据进行函数关系式拟合即可。
所述实际平均流速的测量设备可为本领域常规。较佳地，所述实际平均流速的测量设备为标定过的流量计。
较佳地，所述实际平均流速与所述测量流速的关系式的标定范围为所述待测流速管道的流量区间。这有利于提高反推目标流体真实流量时的准确性。
本发明中，在执行步骤(2)的操作时，本领域技术人员知晓，在使用所述流速测量装置进行流速测量前，需确保流体流动处于稳定状态。判断流体流动是否达到稳定的方法可为本领域常规。一般地，可通过稳压器、变频泵和流量计联动，并最终通过流量计的示数波动幅度来判断流体是否达到稳定。
本发明中，在执行步骤(2)的操作时，在测量所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂可为本领域常规，一般为盐溶液，例如硝酸盐溶液或氯盐溶液。较佳地，所述示踪剂为KCl溶液。
所述示踪剂的注入会对所述待测流速管道内流动的流体产生扰动，主要体现在对流体物性如密度和粘度以及总流量的影响。
较佳地，在测量单通道中所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂中盐的质量为0.02～0.2g，例如为0.1g。
较佳地，在测量单通道中所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂的浓度为10～50g/L。当所述示踪剂的浓度处于该范围内时，可使得流动信息转化为电信号的结果更为准确。
较佳地，在测量单通道中所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂的注入体积为1～5mL，例如为2mL。
较佳地，在测量单通道中所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂的注入时间小于3s。
采用与上述流速测量方法同样的操作即可同时得到并联通道内多个所述待测流速管道的流体流速。
本领域技术人员知晓，对于并联多通道所需的示踪剂加载量等参数可根据单通道的流速测量时示踪剂加载的参数，以及通道的数量进行外推。
较佳地，在测量多通道中每个所述待测流速管道的流速时，所述多通道中每个所述待测流速管道内所述示踪剂中盐的质量与所述测量单通道中所述待测流速管道内所述示踪剂中盐的质量一致。
本发明中，较佳地，步骤(2)中所述待测流速管道内的基础流体为去离子水。
本领域技术人员知晓，在测得所述待测流速管道内流体的实际平均流速之后，可按照本领域常规公式换算获得所述待测流速管道内流体的实际平均流量。
本发明还提供如上所述的流速测量装置在并联多通道装置中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明的流速测量装置相较于现有的流量测量仪表具有小型化和结构简单的优点，并且本发明的装置可以实现密集空间内多通道流量的同时测量，测量效率高。
(2)本发明中示踪剂不会对流体产生扰动，测量结果可以很好地表征管道内流体的实际平均流速，测量得到的流速与通用软件计算得到的结果最大偏差＜5％，表明测量结果的准确性高。
附图说明
图1为并联多通道装置结构示意图；
图2为本发明实施例1中流速测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例2中测量探头的波形-时间变化图；
图4为本发明实施例3中多通道流速测量示意图；
图1的标记：
01-进口腔室；02-出口腔室；03-中间通道；
图2～4的标记：
1-电源；2-电导率输出卡；3-测量探头；31-电极丝；4-示踪剂加载模块；41-搅浑腔室；411-泵；412-流量计；42-示踪剂注入端；5-引线；6-待测流速管道。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例1提供了一种流速测量装置，如图2所示，其包括电源1、电导率输出卡2、测量探头3、示踪剂加载模块4和引线5。其中，示踪剂加载模块4设置于待测流速管道6的外部，具体地设置于流速测量装置的待测流体的进口腔室的上游管道上，可定量输入示踪剂；电导率输出卡2也设置在待测流速管道6外部，其主处理器为ARM芯片；测量探头3设置于待测流速管道6内部，测量探头3用于将示踪剂的流动信号转化为电信号，测量探头3与电导率输出卡2配合可用于获取电导率时间响应信号，并存储测量探头3的信号值，然后将信号值传输至电脑处理系统；每个测量探头3的一端连接于引线5的一端，另一端连接于电源1，引线5的另一端连接于电导率输出卡2的一端，电导率输出卡2的另一端也连接于电源1。引线5用于将测量探头3的电信号传递给电导率输出卡2。待测流速管道6用于流通流体和示踪剂，待测流速管道6的材质为有机玻璃，内径为4cm。
具体地，示踪剂加载模块包括搅浑腔室41和示踪剂注入端42，搅浑腔室41包括泵411和流量计412，示踪剂注入端42为蠕动泵；测量探头3设于距离待测流速管道6的进口端0.5倍管道长度处；两个测量探头3为一组，相邻两个测量探头3之间的距离为待测流速管道6的长度的0.25倍。其中，每个测量探头3包括两根平行设置的电极丝31，两根电极丝31所在的平面与待测流速管道6的横截面平行，两根电极丝31之间的距离为2mm，电极丝31的直径分别为0.2mm，电极丝31的材质为不锈钢丝。选取上述直径和材质的电极丝31，可有效减少电极丝31对通道内流体流场的影响，从而提高测量的准确性。
实施例2
本实施例2提供了一种流速测量方法，其采用如实施例1所述的流速测量装置，单通道的待测流速管道具体的流速测量示意图如图2所示。对于单通道的模型装置，其测流速的步骤如下：
步骤(1)中，标定待测流速管道的流量区间内流速测量装置得到的测量流速结果与实际平均流速，得到实际平均流速与测量流速的函数关系式，关系式为V＝f(v)，其中，V为实际平均流速，由标定后的常规流量计获得；v为测量流速。具体地，部分实际平均流速与测量流速的数据见表1，当实际平均流速范围为0.01～0.1m/s时，由表1中的数据拟合得到的函数关系式为V＝2.6618v2+0.3823v+0.0037，结合多次实际平均流速与测量流速的数据，可得到更为精确的函数关系式V＝2.6267v2+0.3792v+0.0038。
表1单通道模型时标定试验的实际平均流速与测量流速数据
| 测量流速(m/s) | 实际平均流速(m/s) |
| 0.0130 | 0.0088 |
| 0.0232 | 0.0141 |
| 0.0300 | 0.0177 |
| 0.0419 | 0.0248 |
| 0.0478 | 0.0283 |
| 0.0609 | 0.0358 |
| 0.0818 | 0.0531 |
步骤(2)中，在待测流速管道中安装如实施例1所述的流速测量装置，其中，待测流速管道是模型试验装置中的一个通道，该模型试验装置在规格、材质方面与原型装置保持完全相同。两个测量探头为一组，需在待测流速管道上安装两组测量探头，每组测量探头间的距离为待测流速管道长度的0.25倍。第一个测量探头设于距离待测流速管道进口端0.5倍管道长度的位置，这有助于避免通道入口效应，可减少测量误差。将每组探头均连接至同一个电导率输出卡，电导率输出卡连接于计算机。
在待测流速管道中注入去离子水，待待测流速管道内的去离子水流动达到稳定，也即流量计的示数波动小于1％时，即可加入KCl溶液作为示踪剂。其中，该流量计设置于流速测量装置的待测流体的进口腔室的上游管道上。
首先由蠕动泵加入2mL浓度为50g/L的KCl溶液，使得待测流速管道内KCl的质量为0.1g，该浓度的KCl溶液对流体的流场影响小，有利于提高本发明测量装置的准确性；然后示踪剂依次经过泵和另一流量计，使示踪剂与去离子水混合均匀；最后根据电导率随时间的变化曲线测流速。
具体地，KCl溶液随去离子水进入待测流速管道，当KCl溶液到达第一个测量探头A的位置时，其两电极丝间的电导率会突然地增加，输出并记录A测量探头电导率随时间变化曲线xA，当KCl溶液到达第二个测量探头B的位置时，其两电极丝间的电导率会突然地增加，输出并记录B测量探头电导率随时间变化曲线xB，第一测量探头A和第二测量探头B之间的距离为LAB。
通过信号处理得到信号xA与信号xB之间的时间差，即去离子水从测量探头A流到测量探头B所用时间Δt，如图3所示。通道内两测量探头间流体的流速计算式如下：
vAB＝LAB/Δt
(3)将上述步骤(2)的测量流速结果带入步骤(1)中得到的函数关系式中，进行换算即可得到单通道的待测流速管道内的实际平均流速VAB＝f(vAB)。
实施例3
本实施例3提供了一种流速测量方法，其采用如实施例1所述的流速测量装置，多通道的待测流速管道的流速测量示意图如图4所示。对于分布区域的直径为2m，包含250个并联通道的模型装置，其测流速的步骤如下：
步骤(1)中，由于并联多通道装置中不同通道内流体流量的设定不同，通过计算可以得到所有通道的流体流速区间。标定上述计算得到的所有流速区间内流速测量装置得到的测量流速结果与实际平均流速，得到实际平均流速与测量流速的函数关系式V＝f(v)，其中，V为实际平均流速，由标定后的常规流量计获得；v为测量流速。在测量多通道中待测流速管道的流速时，每个待测流速管道的测量条件与实施例1步骤(1)中单通道的待测流速管道的测量条件相同，得到的函数关系式为V＝2.6267v2+0.3792v+0.0038。
步骤(2)中，在多通道的每个待测流速管道中安装如实施例1所述的流速测量装置。在流量计的进口端注入2.5L浓度为10g/L的KCl溶液，使得多通道中每个待测流速管道内平均流过0.1gKCl，即保证分配至并联多通道中每个待测流速管道内的示踪剂中盐的质量与实施例2中单通道的待测流速管道内的示踪剂中盐的质量一致，以尽量保证示踪剂的流过过程相同。每个待测流速管道对应的电导率输出卡记录该通道不同测点处的电导率时间信号，对每个通道得到的信号进行处理可以得到每个通道的测量流速vn。其他步骤与实施例2中的相同。
步骤(3)中，将步骤(2)的测量流速结果带入步骤(1)中得到的函数关系式中，进行换算即可得到多通道中每个待测流速管道内的实际平均流速为Vn＝f(vn)，并联多通道模型时试验的部分待测流速管道的测量流速与转化后对应的实际平均流速如表2所示。
表2并联多通道模型时试验的部分待测流速管道的测量流速与相应的实际平均流速数据
| 测量流速(m/s) | 实际平均流速(m/s) |
| 0.0328 | 0.0191 |
| 0.0308 | 0.0180 |
| 0.0268 | 0.0158 |
| 0.0258 | 0.0153 |
| 0.0249 | 0.0149 |
| 0.0245 | 0.0147 |
| 0.0235 | 0.0142 |
| 0.0234 | 0.0141 |
| 0.0225 | 0.0137 |
| 0.0220 | 0.0134 |
| 0.0212 | 0.0130 |
| 0.0199 | 0.0124 |
| 0.0191 | 0.0120 |
| 0.0177 | 0.0113 |
本实施例3中，并联多通道为模型试验装置，其在规格、材质方面与原型装置保持完全相同，通过本发明的流速测量装置和方法得到的模型试验装置中各待测流速管道的流量与通用软件计算得到的结果最大偏差＜5％，表明本发明的装置和方法的准确性高。
Claims (10)
1.一种流速测量装置，其特征在于，其包括至少两组测量探头、示踪剂加载模块和电导率测量模块；
所述测量探头设置于待测流速管道内，位于距离所述待测流速管道的进口端≥0.5倍管道长度处；
所述测量探头与所述电导率测量模块连接；
所述电导率测量模块的主处理器为ARM芯片；
所述示踪剂加载模块包括示踪剂注入端和搅浑腔室；所述示踪剂注入端与所述搅浑腔室依次设置，且设于所述流速测量装置的待测流体的进口腔室的上游管道上。
2.如权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于，相邻的所述测量探头之间的距离为所述待测流速管道的长度的0.2～0.5倍，例如为0.25倍。
3.如权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于，所述测量探头包括两根平行设置的电极丝，所述电极丝所在的平面与所述待测流速管道的横截面平行；
两根所述电极丝之间的距离为2～5mm；
所述电极丝的直径为0.1～0.3mm；
所述电极丝的材料为不锈钢丝。
4.如权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于，所述待测流速管道的材质为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或有机玻璃；
所述待测流速管道的材质较佳地为有机玻璃；
所述待测流速管道的内径小于15cm。
5.如权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于，所述示踪剂注入端为泵和/或注射器；
和/或，所述搅浑腔室为泵和/或流量计；
和/或，所述电导率测量模块为电导率输出卡。
6.一种流速测量方法，其采用如权利要求1～5中任一项所述的流速测量装置，包括如下步骤：
(1)标定所述待测流速管道内流体的实际平均流速与所述流速测量装置得到的测量流速，得到所述实际平均流速与所述测量流速的关系式；
(2)在安装有所述流速测量装置的所述待测流速管道中加入示踪剂，进行流速测量；
(3)将步骤(2)的测量流速结果带入步骤(1)中的关系式，进行换算即可。
7.如权利要求6所述的流速测量方法，其特征在于，步骤(1)～(2)中，在测量所述待测流速管道的测量流速时，每个所述待测流速管道的测量条件保持一致；
和/或，步骤(1)中所述实际平均流速与所述测量流速的关系式的标定范围为所述待测流速管道的流量区间。
8.如权利要求7所述的流速测量方法，其特征在于，在测量所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂为硝酸盐溶液或氯盐溶液，较佳地为KCl溶液；
在测量单通道中所述待测流速管道的流速时，所述示踪剂中盐的质量为0.02～0.2g，例如为0.1g；
所述示踪剂的浓度为10～50g/L；
所述示踪剂的注入体积为1～5mL，例如为2mL；
所述示踪剂的注入时间小于3s；
在测量多通道中每个所述待测流速管道的流速时，所述多通道中每个所述待测流速管道内所述示踪剂中盐的质量与所述测量单通道中所述待测流速管道内所述示踪剂中盐的质量一致。
9.如权利要求8所述的流速测量方法，其特征在于，步骤(2)中所述待测流速管道内的基础流体为去离子水。
10.一种如权利要求1～5中任一项所述的流速测量装置在并联多通道装置中的应用。
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