CN113884136A - 一种分离式温度速度耦合电势探针及制备和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种分离式温度速度耦合电势探针及制备和测量方法，包括探头前端护壳和探头后端护壳，探头前端护壳与探头后端护壳连接的一端刻有等间隔分布的长槽，探头前端护壳的另一端刻有等间隔分布的埋线槽；铜线和康铜线穿过探头后端护壳、长槽、埋线槽处于探头前端护壳之外；使用分离热电偶的方式，即组成热电偶的两种铜线和康铜材料导线不焊接，能够在简单的电势回路的基础上将温差电势和速度引起的电势分离处理并同时测量，与液态金属直接接触，高精度测量液态金属内部局部速度和温度；测得的结果直观性好且精确度高，温度信号的响应速度快，在使用数据采集系统接线时，也可以按照公共负极的方式接线，有效节约了数据采集通道资源。
Description
技术领域
本发明涉及液态金属测量技术领域，特别涉及一种分离式温度速度耦合电势探针及制备和测量方法。
背景技术
目前，聚变装置自冷包层的研究中存在许多与磁流体力学效应有关的不确定性还未得到解决的问题，液态金属湍流局部速度的准确测量是关键问题之一。很多对于常见流体的速度测量方法并不适用于液态金属，热膜感应测量的工作温度不能超过100℃，毕托管受到液态金属凝固的限制，流量计的要求也更加严格，需要300℃以上耐化学腐蚀，同时电平信号不能受到磁场的影响。同时，液态金属湍流热流信息的获取也十分必要，这对液态金属湍流模型的建立和应用具有指导意义，同样也是测量技术的发展方向之一。
长期以来，电势法测量液态金属的温度和局部速度是最简易且有效的测量手段之一，现有技术的示意图如图1所示，探头主体由探头外壳和置于其内部的一个永磁铁组成，在上部探头区域和下部探头区域，分别有两个三线热电偶焊接在探头外壳内部，用来获取电势信号，探头顶部布置一个双线热电偶来测量流动中的温度，构成三线热电偶的三种材料分别为镍铬(C)、镍铝(A)和不锈钢(S)，外部施加沿y轴的均匀磁场，来流方向沿x方向。热电偶的焊点的直径为0.25mm，整个探头的外径为2.5mm，上下探头区域的距离为3.0mm。
液态金属在磁场中流动时，考虑欧姆定律：
①和②位置之间因为液态金属流动所产生的电势梯度为：
因为jy与磁场方向一致并且不与磁场相互作用，符合假设jy≥jx，jy≥jz，则：
其中E21仅为由于速度引起的电势差。
在下部探头区域可以直接测量得到①和②号热电偶之间的电势，所测得的电势由3个速度温度电势U21A，U21C和U21S构成，①和②号热电偶之间的电势回路为：
整理得：
E21为速度引起的电势，与流动速度和磁场强度成比例，ΔT21为①和②号热电偶位置处的温度差，Tc为热电偶冷端温度，SA，C，S为理想的镍铬、镍铝和不锈钢的塞贝克系数，
为下部探头区域的液态金属的修正塞贝克系数。
同理，上部探头区域的③和④号热电偶之间的电势回路为：
通过实验矫正可以得到速度的比例系数以及温度梯度的比例系数。
该测量方法使用了两个三线热电偶，电势回路包含了镍铬、镍铝和不锈钢三种金属的塞贝克系数，同时温差电势和由速度引起的电势混合在一起，电势回路复杂，此外，热电偶焊点焊接在不锈钢护壳内部，一方面制作方法复杂，另一方面没有直接接触液态金属，温度信息响应较慢。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分离式温度速度耦合电势探针及制备和测量方法，使用分离热电偶的方式，即组成热电偶的两种材料导线不焊接，能够在简单的电势回路的基础上将温差电势和速度引起的电势分离处理并同时测量，与液态金属直接接触，高精度测量液态金属内部局部速度和温度。
一种分离式温度速度耦合电势探针，包括探头前端护壳1和探头后端护壳2，探头前端护壳1与探头后端护壳2连接的一端刻有等间隔分布的长槽3，探头前端护壳1另一端刻有等间隔分布的埋线槽4；铜线和康铜线穿过探头后端护壳2、长槽3、埋线槽4处于探头前端护壳1之外。
基于上述一种分离式温度速度耦合电势探针的制备方法，具体步骤为：
(1)、将至少2根铜线及至少2根康铜线穿过探头后端护壳2，将铜线及康铜线两两一组，即每组中含有1根铜线和1根康铜线，将每组线贯穿壁面的长槽3位置分布之后，再将探头前端护壳1与探头后端护壳2连接；
(2)、将每组线再延伸置于探头前端护壳1另一端的埋线槽4中，使用改性丙烯酸酯胶粘剂固定，并用改性丙烯酸酯胶粘剂均匀填充在探头前端护壳1与探头后端护壳2连接处，防止液态金属进入探头护壳内部；
(3)、将铜线和康铜导线裁剪，保证导线地裸露端部处于探头前端护壳1之外，即得到至少两组分离式T型铜-康铜组成的热电偶，在所有护壳外壁涂上绝缘涂层，防止液态金属与探头护壳形成电接触。
所述的分离式T型铜-康铜组成的热电偶为4组，编号分别为a、b、c、d，每组热电偶的直径为0.5mm，其中热电偶a、d在水平方向无距离，竖直方向距离为3mm；热电偶b、c在水平方向的距离为3mm。
探头前端护壳1与探头后端护壳2连接的一端刻有等间隔分布的4个贯穿壁面的长槽3，探头前端护壳1另一端刻有等间隔分布的4个埋线槽4。
一种分离式温度速度耦合电势探针的测量方法，包括以下步骤：
(1)整个探针与液态金属形成电接触的地方只有每组导线的裸露端部，优选4组导线的探针，测量电势的部分由4组分离式T型铜-康铜热电偶组成，焊点不接触探头的金属外壳，4组热电偶得到4个空间位置上的温度波动；
(2)同时，通过热电偶b、热电偶c这两个热电偶中的相同材料的导线，获得由y轴方向主流速度产生的电势，同样，通过热电偶a、热电偶d两个热电偶中的相同材料的导线，获得由z轴方向速度产生的电势，以热电偶a、热电偶d两组热电偶的相同材料补偿线上的电势回路为例：
UaCu，dCu＝SCu(Tam-Tac)+SCu(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (10)
UaCuNi，dCuNi＝SCuNi(Tam-Tac)+SCuNi(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (11)
其中：SL为液态金属的塞贝克系数，Tam为热电偶a的测点温度，Tac为热电偶a的参考冷端温度，SCu-Ni和SCu分别为康铜和铜的塞贝克系数；所有热电偶的冷端参考温度都设为0℃，即Tac＝Tdc，根据式(10)和(11)得到速度电势的表达式：
Eda＝[(SL-SCuNi)UaCu，dCu-(SL-SCu)UaCuNi，dCuNi]/(SCuNi-SCu) (12)
由式(12)可得Eda，基于Eda与沿z轴方向速度成比例关系，即可通过实验标定的方法获得Eda与沿z轴方向速度的比例系数。
本发明的优点：
本方法适用于强磁场条件下不透明液态金属内部局部速度和温度的同步测量，相比现有技术，在同一组热电偶的温差电势中不包含由速度引起的电势，温差电势和速度电势同时测量但分开处理，测得的结果直观性好且精确度高，探针的测量位置与液态金属直接接触，温度信号的响应速度快，在使用数据采集系统接线时，也可以按照公共负极的方式接线，有效节约了数据采集通道资源。
附图说明
图1是现有技术中微型永磁电势探头的结构示意图。
图2是本发明电偶分离式电势耦合探针结构示意图。
图3是本发明电偶分离式电势耦合探针外观示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
参照图2、图3，一种分离式温度速度耦合电势探针，包括探头前端护壳1和探头后端护壳2，探头前端护壳1与探头后端护壳2连接的一端刻有等间隔分布的长槽3，探头前端护壳1另一端刻有等间隔分布的埋线槽4；铜线和康铜线穿过探头后端护壳2、长槽3、埋线槽4处于探头前端护壳1之外。
探头前端护壳1为内径3mm、外径5mm的黄铜管，探头后端护壳2为内径2mm、外径3mm的黄铜管。
所述的铜线及康铜线的直径均为0.2mm。
一种分离式温度速度耦合电势探针的制备方法，具体步骤为：
(1)、将4根直径0.2mm的铜线及4根0.2mm的康铜线穿过探头后端护壳2，将8根线分为4组，每组中含有1根铜线和1根康铜线，将4组线贯穿壁面的长槽3位置分布之后，再将探头前端护壳1与探头后端护壳2连接；
(2)、将4组线再延伸置于探头前端护壳1另一端的埋线槽4中，使用改性丙烯酸酯胶粘剂固定，并用改性丙烯酸酯胶粘剂均匀填充在探头前端护壳1与探头后端护壳2连接处，防止液态金属进入探头护壳内部；
(3)、将导铜和康铜导线裁剪，保证导线地裸露端部处于探头前端护壳1之外，即得到4组分离式T型铜-康铜组成的热电偶，在所有护壳外壁涂上绝缘涂层，防止液态金属与探头护壳形成电接触。
所述的4组分离式T型铜-康铜热电偶编号分别为a、b、c、d，如图2所示，每组热电偶的直径为0.5mm，其中热电偶a、d在水平方向无距离，竖直方向距离为3mm；热电偶b、c在水平方向的距离为3mm。
一种分离式温度速度耦合电势探针的测量方法，包括以下步骤：
(1)、整个探针与液态金属形成电接触的地方只有4组导线的裸露端部，测量电势的部分由这4组分离式T型铜-康铜热电偶组成，焊点不接触探头的金属外壳，减少了两种金属材料和外壳接触产生的电势，从而简化了电势回路，同时，由水平方向和竖直方向的两组热电偶(ad和bc)可以获得来流方向的速度以及沿z轴方向的流动速度的大小，此外，4组热电偶的测量位置距探头护壳之外，所测速度受到探头柱体影响可以忽略不计。
每一组分离式热电偶由双线(铜-康铜)构成，电势回路简单，4组热电偶得到4个空间位置上的温度波动，对于同一组热电偶，虽然双线没有焊接，但都与液态金属电接触，由中间金属定律可知其电势回路为，以热电偶a为例：
UaCu，aCu-Ni＝SaCu-Ni(Tm-Tc)+SaCu(Td-Tm)＝(Tm-Tc)(S1Cu-Ni-S1Cu) (9)
其中：Tm为测量端温度，Tc为参考冷端温度，取0℃，SaCu-Ni和SaCu分别为康铜和铜的塞贝克系数。
(2)、同时，通过热电偶b、热电偶c这两个热电偶中的相同材料的导线，获得由y轴方向主流速度产生的电势，同样，通过热电偶a、热电偶d两个热电偶中的相同材料的导线，获得由z轴方向速度产生的电势，以热电偶a、热电偶d两组热电偶的相同材料补偿线上的电势回路为例：
UaCu，dCu＝SCu(Tam-Tac)+SCu(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (10)
UaCuNi，dCuNi＝SCuNi(Tam-Tac)+SCuNi(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (11)
其中：SL为液态金属的塞贝克系数，Tam为热电偶a的测点温度，Tac为热电偶a的参考冷端温度，所有热电偶的冷端参考温度都设为0℃，即Tac＝Tdc，根据式(10)和(11)得到速度电势的表达式：
Eda＝[(SL-SCuNi)UaCu，dCu-(SL-SCu)UaCuNi，dCuNi]/(SCuNi-SCu) (12)
其中仅存在3种材料的塞贝克系数，与式(6)相比减少了热电偶焊点与金属外壳焊接的接触电势，简化了电势回路。由式(12)可得Eda，同时，由已知公式(5)可知，
Eda与沿z轴方向速度成比例关系，通过实验标定的方法获得Eda与沿z轴方向速度的比例系数。
所述的4组热电偶使用共负极的接线方法实现对温度和速度电势信号的采集，即取这8根导线的其中1根作为负极，其余7根线作为正极，得到这7根线相对于公共负极的电势差，任意热电偶的温差电势及沿z轴和沿y轴方向的速度电势均可求得。
Claims (5)
1.一种分离式温度速度耦合电势探针，包括探头前端护壳(1)和探头后端护壳(2)，其特征在于，探头前端护壳(1)与探头后端护壳2连接的一端刻有等间隔分布的长槽(3)，探头前端护壳(1)另一端刻有等间隔分布的埋线槽(4)；铜线和康铜线穿过探头后端护壳(2)、长槽(3)、埋线槽(4)处于探头前端护壳(1)之外。
2.基于权利要求1所述的一种分离式温度速度耦合电势探针的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将至少2根铜线及至少2根康铜线穿过探头后端护壳(2)，将铜线及康铜线两两一组，每组中含有1根铜线和1根康铜线，将每线贯穿壁面的长槽(3)位置分布之后，再将探头前端护壳(1)与探头后端护壳(2)连接；
(2)将每组线再延伸置于探头前端护壳(1)另一端的埋线槽(4)中，使用改性丙烯酸酯胶粘剂固定，并用改性丙烯酸酯胶粘剂均匀填充在探头前端护壳(1)与探头后端护壳(2)连接处，防止液态金属进入探头护壳内部；
(3)将铜线和康铜导线裁剪，保证导线地裸露端部处于探头前端护壳(1)之外，即得到至少两组分离式T型铜-康铜组成的热电偶，在所有护壳外壁涂上绝缘涂层，防止液态金属与探头护壳形成电接触。
3.根据权利要求2所述的一种分离式温度速度耦合电势探针的制备方法，其特征在于，所述的分离式T型铜-康铜组成的热电偶为4组，编号分别为a、b、c、d，每组热电偶的直径为0.5mm，其中热电偶a、d在水平方向无距离，竖直方向距离为3mm；热电偶b、c在水平方向的距离为3mm。
4.根据权利要求2所述的一种分离式温度速度耦合电势探针的制备方法，其特征在于，探头前端护壳(1)与探头后端护壳(2)连接的一端刻有等间隔分布的4个贯穿壁面的长槽(3)，探头前端护壳(1)另一端刻有等间隔分布的4个埋线槽(4)。
5.基于权利要求1所述的一种分离式温度速度耦合电势探针的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)整个探针与液态金属形成电接触的地方只有每组导线的裸露端部，优选4组导线的探针，测量电势的部分由4组分离式T型铜-康铜热电偶组成，焊点不接触探头的金属外壳，4组热电偶得到4个空间位置上的温度波动；
(2)同时，通过热电偶b、热电偶c这两个热电偶中的相同材料的导线，获得由y轴方向主流速度产生的电势，同样，通过热电偶a、热电偶d两个热电偶中的相同材料的导线，获得由z轴方向速度产生的电势，以热电偶a、热电偶d两组热电偶的相同材料补偿线上的电势回路为例：
UaCu，dCu＝SCu(Tam-Tac)+SCu(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (10)
UaCuNi，dCuNi＝SCuNi(Tam-Tac)+SCuNi(Tdc-Tdm)+SL(Tdm-Tam)-Eda (11)
其中：SL为液态金属的塞贝克系数，Tam为热电偶a的测点温度，Tac为热电偶a的参考冷端温度，SCu-Ni和SCu分别为康铜和铜的塞贝克系数；所有热电偶的冷端参考温度都设为0℃，即Tac＝Tdc，根据式(10)和(11)得到速度电势的表达式：
Eda＝[(SL-SCuNi)UaCu，dCu-(SL-SCu)UaCuNi，dCuNi]/(SCuNi-SCu) (12)
由式(12)可得Eda，基于Eda与沿z轴方向速度成比例关系，即可通过实验标定的方法获得Eda与沿z轴方向速度的比例系数。
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