CN114088228A - 强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法，装置包括速度测量模块和温度测量模块，速度测量模块包括通道壁面固定的阵列探针，通道内可移动的浸入式的探针，控制探针运动的位移装置，连接阵列探针和浸入式探针电势信号的温度和电势同步采集控制器；所述的温度测量模块，包括通道壁面固定的阵列热电偶探头，连接阵列热电偶探头电势信号的温度和电势同步采集控制器；本发明使用电势探针测量速度，热电偶测温传感器测量温度，高精度测量液态金属流场内部局部速度和温度分布，实现强磁场条件下的金属流体内部温度和速度的准确高效测量，解决了强磁场下液态金属局部流场特征的高精度测量的难题。

Description

强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，特别涉及一种强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法。

背景技术

金属流体在外加高温强磁场条件下的流动问题涉及到电磁学理论、传热学和流体动力学特性方面的特征，蕴含丰富的研究价值。包层结构是磁约束核聚变装置的关键部件，其中对于金属流体的流动和传热问题研究非常重要，另外，在金属冶炼等一些工业过程中，利用外加磁场可以实现对金属流体的流动控制。由于金属流体通常在高温强磁场的条件下流动，而且金属流体本身具有不透光、易氧化、导电率极高、高导热性等特征，使得对于金属流体的流场特征和温度进行精确的测量变得极其困难。

目前，在文献中发现的用于磁场条件下金属流体速度的测量的方法是：(1)电势探针法。通过探针与金属流体接触，测量强磁场条件下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，结合壁面探针和浸入探针，可以实现金属流体内部任何位置局部速度的有效测量；(2)热线测速仪技术。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；(3)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，通过接收信号与发射信号的时间差，以及回声信号的多普勒频移计算出流体的速度。由于不与流体直接接触，通过该方法的测量对流场无影响。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，且超声信号容易受到周围环境噪声和磁场噪声的干扰，金属流体的氧化也会对超声信号的传播产生显著影响；(4)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；(5)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。

对于金属流体温度的测量，可以实现的方法是：(1)热电偶温度传感器。两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势，基于此效应，通过测量热电动势，可以实现流体内部局部温度测量；(2)红外测温仪测量。基于黑体辐射定律，不同温度的物体表面，辐射的红外线强度不一样，通过红外传感器进行信号处理可以得到物体表面温度。红外测量仪是非接触式测量，不会干扰被测温度场的状态，且响应时间快，测量精度高。但是，测量仅限于物体外部温度，易受环境因素影响。

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强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法，基于实验测点的设计，通过信号采集和数据处理，能够在外部强磁场条件下，使用电势探针测量速度，热电偶测温传感器测量温度，高精度测量液态金属流场内部局部速度和温度分布，实现强磁场条件下的金属流体内部温度和速度的准确高效测量，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：

一种强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，包括速度测量模块和温度测量模块；

所述的速度测量模块，包括通道壁面固定的阵列探针7，通道内可移动的浸入式的探针8，控制探针8运动的位移装置9，阵列探针7和浸入式探针8的电势信号分别通过双屏蔽线10、11连接在温度和电势同步采集控制器12的信号采集通道上；

所述的温度测量模块，包括通道壁面固定的阵列热电偶探头6，阵列热电偶探头6的电势信号通过双屏蔽线13连接在温度和电势同步采集控制器12的信号采集通道上。

所述的阵列探针7为阵列多探针，与外部磁场方向2垂直的两个通道壁面上布置相同数量的测量点，每个测点用铜丝相连，每根铜丝尖端打磨处理，且铜丝的位置保持与壁面平齐而不浸入到流体内部，每两个测点之间间距2±0.5mm。

所述的探针8为单体浸入式探针，每个单体包括若干具有绝缘层的铜丝，铜丝穿过且固定在空心铜管体或不锈钢管体中，且铜丝尖端超出管体，管体表面覆盖一层绝缘层，铜丝尖端与液态金属保持电接触，每根铜丝尖端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为2±0.5mm。

所述的位移装置9与六轴可移动电机相连，通过电脑编程控制实现探针8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。

所述的阵列热电偶探头6在通道3内部壁面5上，沿着x方向每隔2±0.5mm设置一个，阵列热电偶探头6浸入到流体内部。

所述的屏蔽线10、11和13由一束双屏蔽的铜线组成。

温度和电势同步采集控制器12为多通道同步采集，采集速度高于200S/s，内部集成了温度采集模块和电势采集模块。

基于上述强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)、速度测量：通过阵列探针7和侵入式的探针8各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，φ为电势差即测得电压信号，

为流速，

为外加磁场强度，假设外部磁场方向2为

速度为

磁场强度很大时，判断出流动沿外部磁场的方向是二维状态，且沿着外部磁场方向2(即y方向)的电势守恒，通过阵列探针7和探针8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，φ为电极测得的电压信号。

对于浸入式的探针8，如果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＝h，测量的水平速度u和竖直速度w分别记为

测量得到的两个竖直电压信号之差与水平速度u成正比，两个水平电压信号之差与竖直速度w成正比，公式中

是两个竖直电压信号，

是两个水平电压信号。

(2)、温度测量：通过阵列热电偶探头6测量得到流体距离壁面5不同高度处的电压信号，经过信号屏蔽线13与温度和电势同步采集控制器12相连接，经过采集系统内部的数据处理模块，可以直接输出测量得到的温度值。

本发明的优势：

(1)本方法适用于不透明的金属流体测量，相比其他测量手段，本发明可以实现流场内部局部速度和温度的同步测量，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)本发明探针测点处尺寸小，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。

附图说明

图1为金属流体内部速度和温度测量原理图。

图2为四极探针示意图。

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。

本发明是一种强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法，测量对象为流场在探针间形成的电势差。对速度测量模块，包括壁面固定的阵列探针7，通道内可移动的浸入式探针8，控制探针8运动的位移装置9，信号屏蔽线10和11以及温度和电势同步采集控制器12。对于金属流体温度测量模块，包括通道壁面固定的阵列热电偶探头6，信号屏蔽线13以及温度和电势同步采集控制器12。

下面以强磁场条件下测量管道流动中金属流体局部的速度和温度为例做说明，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，回路的体积流量恒定且已知。外部均匀磁场2可以由永磁体、电磁体或超导磁体提供，磁场强度均匀性高于97％。壁面5表面的恒定温度通过水浴加热实现，壁面温度均匀性大于95％，且其余壁面通过保温层维持一个较低的温度。回路中的大功率换热器使得管道入口的流体温度在实验过程中保持与冷壁面温度一致，差异在3％以内。

本发明的装置，包括速度测量模块和温度测量模块；所述的速度测量模块，包括通道壁面固定的阵列探针7，通道内可移动的浸入式的探针8，控制探针8运动的位移装置9，阵列探针7和浸入式探针8的电势信号分别通过双屏蔽线10、11连接在温度和电势同步采集控制器12的信号采集通道上；探针8与其辅助位移装置9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。多温度和电势同步采集控制器12经由屏蔽线10和11与探针7和8相连，采集、存储电势信号数据，并将其换算速度场信息。对于金属流体温度的测量装置，包括通道壁面固定的阵列热电偶探头6，阵列热电偶探头6的电势信号通过双屏蔽线13连接在温度和电势同步采集控制器12的信号采集通道上。阵列热电偶探头6测量得到的电压信号，经过信号屏蔽线13与温度和电势同步采集控制器12相连接，经过采集系统内部的数据处理模块，可以直接输出测量得到的温度值。

所述的阵列热电偶探头6在通道3内部，壁面5表面的温度高于其他壁面，在壁面5上，沿着x方向每隔2mm设置一个，阵列热电偶探头6浸入到流体内部，通过改变探头浸入流体的长度，可以测量距离壁面5不同位置出的流体温度。

所述的阵列探针7为阵列多探针，与外部磁场方向2垂直的两个通道壁面上布置相同数量的测量点，每个测点用直径为0.35mm的铜丝相连，为了保持与金属流体的良好接触，每根铜丝尖端需要经过打磨处理，且铜丝的位置保持与壁面平齐而不浸入到流体内部，以避免影响金属流体的流动状态。可以沿x方向和z方向每个方向至少布置两个测点，每两个测点之间间距2mm。

所述的探针8为单体浸入式探针，每个单体包括直径为0.35mm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，且铜丝尖端超出管体30mm，管体表面覆盖一层绝缘层，保证浸入探针8整体不与液体产生电接触，只有铜丝尖端与液态金属保持电接触，每根铜丝尖端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为2mm.

四极浸入式探针8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与电势差正相关，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流场信息。

关于探针相邻两电极之间的间距。如果间距过大，则相邻测点的电势差反应的不是该点的实际速度；如果间距过小，相邻两测点间电势差极小，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，选择一个合适的间距h。对于液态金属流体局部速度的测量，以h＝2mm，u＝0.5m/s，B＝0.1-2.0T为例，测量信号

的大小约为100-2000微伏。经过实际测量对比，本发明建议h为2mm。

所述的屏蔽线10、11和13由一束双屏蔽的铜线组成。

所述的温度和电势同步采集控制器12采集并存储电压信号.采集速度高于200S/s。

基于上述强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置的测量方法，包括以下内容：

1、速度测量：通过阵列探针7和侵入式的探针8各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，φ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

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，通过探针7和探针8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，φ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

测量得到的电极16和电极15的电压信号之差

与水平速度u成正比，电极17和电极16的电压信号之差

与竖直速度w成正比。

2、温度测量：通过阵列热电偶探头6测量得到流体距离壁面5不同高度处的电压信号，经过信号屏蔽线13与温度和电势同步采集控制器12相连接，经过采集系统内部的数据处理模块，可以直接输出测量得到的温度值。

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7和8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＝h，另外，如果间距过大，则相邻测点的电势差反应的不是该点的实际速度；如果间距过小，相邻两测点间电势差极小，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＝2mm，u＝0.5m/s，B＝0.1-2.0T为例，测量信号

的大小约为100-2000微伏。经过实际测量对比，本发明建议h为2mm。

3、信号采集频率。探针各电极直接测得的速度实际是空间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200S/s。

4、电压信号数据分析。数据分析流程如图3所示。探针7和8测量得到的电势信号，直接与速度建立关系，可进行进一步的流场特征分析。另外，速度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，流体沿y方向的不定常波动几乎不会发生，因此，可以对探针7测得的两个管道壁面相对应位置测点的时间序列结果做互相关分析，判断流动状态是否为准二维状态。当判断流动为准二维以后，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 (7)

1.强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，包括速度测量模块和温度测量模块；

所述的速度测量模块，包括通道壁面固定的阵列探针(7)，通道内可移动的浸入式的探针(8)，控制探针(8)运动的位移装置(9)，阵列探针(7)和浸入式探针(8)的电势信号分别通过双屏蔽线(10、11)连接在温度和电势同步采集控制器(12)的信号采集通道上；

所述的温度测量模块，包括通道壁面固定的阵列热电偶探头(6)，阵列热电偶探头(6)的电势信号通过双屏蔽线(13)连接在温度和电势同步采集控制器(12)的信号采集通道上。

2.根据权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述的阵列探针(7)为阵列多探针，与外部磁场方向(2)垂直的两个通道壁面上布置相同数量的测量点，每个测点用铜丝相连，每根铜丝尖端打磨处理，且铜丝的位置保持与壁面平齐而不浸入到流体内部，每两个测点之间间距2±0.5mm。

3.根据权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述的探针(8)为单体浸入式探针，每个单体包括若干具有绝缘层的铜丝，铜丝穿过且固定在空心铜管体或不锈钢管体中，且铜丝尖端超出管体，管体表面覆盖一层绝缘层，铜丝尖端与液态金属保持电接触，每根铜丝尖端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为2±0.5mm。

4.根据权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述的位移装置(9)与六轴可移动电机相连，通过电脑编程控制实现探针(8)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。

5.根据权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述的屏蔽线(10、11、13)由一束双屏蔽的铜线组成。

6.根据权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，温度和电势同步采集控制器(12)为多通道同步采集，采集速度高于200S/s，内部集成了温度采集模块和电势采集模块。

7.基于权利要求1所述的强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、速度测量：通过阵列探针(7)和侵入式的探针(8)各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，φ为电势差即测得电压信号，

为流速，

为外加磁场强度，假设外部磁场方向2为

速度为

磁场强度很大时，判断出流动沿外部磁场的方向是二维状态，且沿着外部磁场方向2(即y方向)的电势守恒，通过阵列探针7和探针8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，φ为电极测得的电压信号；

对于浸入式的探针8，如果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＝h，测量的水平速度u和竖直速度w分别记为

测量得到的两个竖直电压信号之差与水平速度u成正比，两个水平电压信号之差与竖直速度w成正比，公式中

是两个竖直电压信号，

是两个水平电压信号；

(2)、温度测量：通过阵列热电偶探头6测量得到流体距离壁面5不同高度处的电压信号，经过信号屏蔽线13与温度和电势同步采集控制器(12)相连接，经过采集系统内部的数据处理模块，可以直接输出测量得到的温度值。

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