一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)及其應(yīng)用的制作方法

本發(fā)明屬于流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

由于液態(tài)金屬的固有特性，例如溫度較高、化學(xué)性質(zhì)活潑，并且常應(yīng)用在高輻照的環(huán)境中，所以常規(guī)的流量計(jì)無法應(yīng)用在液態(tài)金屬流量測(cè)量領(lǐng)域。通常采用永磁式流量計(jì)進(jìn)行液態(tài)金屬流量測(cè)量，但通常無法通過實(shí)流標(biāo)定獲得準(zhǔn)確的精度。

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)基于卡門渦街原理，即通過測(cè)量漩渦發(fā)生體后方漩渦頻率，根據(jù)漩渦頻率與流體流速之間的關(guān)系，測(cè)得液態(tài)金屬流量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的是提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，以能夠結(jié)構(gòu)簡單、高精度、寬量程范圍的測(cè)量液態(tài)金屬流量，并可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬流量的在線校準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，所述的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)包括一次傳感器、二次儀表、信號(hào)電纜，其中所述的一次傳感器包括磁鋼組件、電極、管道、漩渦發(fā)生體，

所述的磁鋼組件為測(cè)量信號(hào)的生成提供穩(wěn)定磁場(chǎng)；

所述的管道被夾持在所述的磁鋼組件中間；

所述的漩渦發(fā)生體設(shè)置在所述的管道內(nèi)，用于將所述的管道內(nèi)三維的管流變成二維的漩渦流；

所述的電極設(shè)置在所述的管道上，并使其軸線與所述的管道的軸線、所述的磁鋼組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁力線三者互相垂直；

所述的二次儀表通過所述的信號(hào)電纜連接所述的電極，用于對(duì)所述的電極的輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)法計(jì)算。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，其中所述的磁鋼組件由永磁體、磁極、磁軛(導(dǎo)磁體)組成。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，其中所述的二次儀表還用于對(duì)所述的一次傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，頻譜分析，計(jì)算通道流量，顯示輸出流量。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，其中所述的一次傳感器還包括上管夾、下管夾，用于在所述的磁鋼組件中間夾持所述的管道。

在一種更加優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，其中所述的一次傳感器還包括螺栓和平墊圈，用于進(jìn)一步夾持所述的上管夾與所述的下管夾。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，其中所述的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)還包括設(shè)置在所述的一次傳感器外的防護(hù)罩，用于保護(hù)所述的一次傳感器。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供前述永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)在測(cè)量液態(tài)金屬流量中的應(yīng)用，以能夠結(jié)構(gòu)簡單、高精度、寬量程范圍的測(cè)量液態(tài)金屬流量，并可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬流量的在線校準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供前述永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)在測(cè)量液態(tài)金屬流量中的應(yīng)用

本發(fā)明的有益效果在于，利用本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)及其應(yīng)用，能夠結(jié)構(gòu)簡單、高精度、寬量程范圍的測(cè)量液態(tài)金屬流量，并可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬流量的在線校準(zhǔn)。

本發(fā)明的特點(diǎn)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，采用永磁體作為漩渦頻率信號(hào)的檢測(cè)方式，通過在垂直于磁場(chǎng)的管道中液態(tài)金屬流動(dòng)時(shí)切割磁力線，從而在與液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)方向和磁力線方向相垂直的兩電極上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析得到液態(tài)金屬的漩渦頻率，漩渦頻率大小與流體流速成正比，從而求得液態(tài)金屬流量。該流量計(jì)的流量測(cè)量方法對(duì)流體溫度、壓力等不敏感，因采用頻譜分析方法，對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)的大小(也即對(duì)應(yīng)的液體電導(dǎo)率)不敏感，從而可通過在相似的雷諾數(shù)的情況下，采用水等介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行檢定，從而解決永磁式液態(tài)金屬流量計(jì)的檢定等問題。

本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量精度高、量程范圍寬、無可動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、壓力損失小、對(duì)流體流動(dòng)特征不敏感、耐振動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于液態(tài)金屬的流量測(cè)量領(lǐng)域。

本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)的液態(tài)金屬流量測(cè)量計(jì)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的流量計(jì)用于測(cè)量液態(tài)金屬流量，通過頻譜分析利用渦街原理計(jì)算得到液態(tài)金屬的流量，測(cè)量精度高，量程范圍寬；結(jié)合配套的相關(guān)法流量在線校準(zhǔn)方法和裝置，可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬流量計(jì)的在線校準(zhǔn)。

附圖說明

圖1為示例性的本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)的俯視圖。

圖2為圖1中一次傳感器垂直于管道3方向的剖視圖。

圖3為圖2中管道組件沿管道3垂直軸向的剖視圖。

圖4為二次儀表9的相關(guān)法流量校準(zhǔn)原理示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步的說明。

示例性的本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，包括一次傳感器(包括磁鋼組件1、電極2、管道3、漩渦發(fā)生體4、平墊圈5、上管夾6、螺栓7、下管夾11)、防護(hù)罩8、二次儀表9、信號(hào)電纜10。

磁鋼組件1為測(cè)量信號(hào)的生成提供穩(wěn)定磁場(chǎng)，由永磁體、磁極、磁軛(導(dǎo)磁體)組成。

管道3設(shè)置的上管夾6、下管夾11用于在磁鋼組件1中間夾持、固定管道3。上管夾6、下管夾11之間通過螺栓7和平墊圈11進(jìn)一步固定。

漩渦發(fā)生體4設(shè)置在管道3內(nèi)，用于將管道3內(nèi)三維的管流變成二維的漩渦流。

電極2設(shè)置在管道3上，并使其軸線與管道3的軸線、磁鋼組件1產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁力線三者互相垂直。

根據(jù)法拉利電磁感應(yīng)定律，一次傳感器的輸出電壓信號(hào)由液態(tài)金屬流量信號(hào)和噪聲信號(hào)兩部分組成。二次儀表9通過信號(hào)電纜10連接電極2及其引線，用于對(duì)一次傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻譜分析，濾除噪聲信號(hào)，將管道3內(nèi)液態(tài)金屬流量信號(hào)提取，對(duì)電極2的輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)法計(jì)算，從而得到液態(tài)金屬的漩渦頻率。

防護(hù)罩8設(shè)置在一次傳感器外，用于保護(hù)一次傳感器。

上述示例性的本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)進(jìn)行液態(tài)金屬流量測(cè)量的原理如下。

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)中，液態(tài)金屬經(jīng)過漩渦發(fā)生體4形成渦流，當(dāng)液態(tài)金屬在垂直于永磁體形成磁場(chǎng)切割磁力線時(shí)，在與液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)方向和磁力線方向相垂直的兩電極2上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，濾掉噪聲信號(hào)，得到液態(tài)金屬的漩渦頻率，利用渦街原理計(jì)算得到液態(tài)金屬的流量。在校準(zhǔn)方法中，將兩對(duì)電極2輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)輸入相關(guān)法流量測(cè)量裝置中，用相關(guān)分析法計(jì)算出這兩個(gè)信號(hào)相關(guān)函數(shù)峰值，從而得到傳輸時(shí)間，在兩電極2間距恒定情況下，傳輸時(shí)間與液態(tài)金屬流速成反比，通過測(cè)量傳輸時(shí)間就可以計(jì)算得到流量值，從而實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)。

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)主要由一次傳感器和二次儀表組成，通過頻譜分析利用渦街原理計(jì)算得到液態(tài)金屬的流量，并通過相關(guān)流量測(cè)量方法對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

其中一次傳感器結(jié)構(gòu)主要包括：磁鋼組件1、管道組件、漩渦發(fā)生體4、電極2及引線、支承定位組件等組成。一次傳感器的主要功能為：1)磁鋼組件1一般由永磁體、磁極、磁軛(導(dǎo)磁體)組成，為測(cè)量信號(hào)的生成提供穩(wěn)定磁場(chǎng)；2)漩渦發(fā)生體4將管道3內(nèi)三維的管流變成二維的漩渦流；3)管道3軸線、電極2軸線、磁力線三者互相垂直，當(dāng)液態(tài)金屬(如鈉)從管道3內(nèi)流過時(shí)切割磁力線，在電極2上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；4)支撐定位組件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的固定支承，并防止導(dǎo)管的周向及徑向運(yùn)動(dòng)，保證管道3軸線、電極2軸線、磁力線三者互相垂直。

其中二次儀表9的主要功能為：對(duì)一次傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，頻譜分析、計(jì)算通道鈉流量、顯示輸出流量、對(duì)兩對(duì)電極的輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)法計(jì)算等。

管道3內(nèi)的液態(tài)金屬流量可用下式表示：

式中：d為管道3內(nèi)徑(m)；sr斯特勞哈爾數(shù)；d為漩渦發(fā)生體4迎流面的特征寬度(m)；f為液態(tài)金屬流漩渦頻率(hz)；m為漩渦發(fā)生體4兩側(cè)的弓形流通面積之和與測(cè)量管橫截面積之比。

因液態(tài)金屬回路運(yùn)行溫度通常很高(＞350℃)，因此液態(tài)金屬流量計(jì)通常無法通過常規(guī)檢定得到準(zhǔn)確的誤差，而本發(fā)明設(shè)計(jì)的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)，因其通過頻譜分析的方法得到渦街頻率，與感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)的大小無關(guān)，也即與液體的電導(dǎo)率大小無關(guān)，故可在雷諾數(shù)相似條件下，通過水流量計(jì)檢定回路得到其流量系數(shù)與誤差，從而實(shí)現(xiàn)其低溫檢定。

圖4為相關(guān)法流量校準(zhǔn)原理說明圖，液態(tài)金屬流經(jīng)漩渦發(fā)生體4后分別在縱向布置的電極2上產(chǎn)生交流波動(dòng)信號(hào)，這兩個(gè)波動(dòng)信號(hào)的間隔時(shí)間即漩渦在流道中的傳輸時(shí)間為τ。用相關(guān)分析法計(jì)算出這兩個(gè)波動(dòng)信號(hào)相關(guān)函數(shù)峰值就是傳輸時(shí)間τ。如果不考慮流體內(nèi)部存在的粘性阻力及管道3內(nèi)壁對(duì)流體的摩擦作用，則可簡單的認(rèn)為，截面上各處的流體以平均流速從截面aa’流動(dòng)到截面bb’。

當(dāng)液態(tài)金屬穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，上、下游傳感器將分別輸出隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)x(t)和y(t)，可以分別看做是來自各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程{x(t)}和{y(t)}的樣本函數(shù)，為確定隨機(jī)信號(hào)x(t)通過給定系統(tǒng)所需時(shí)間，將輸出信號(hào)y(t)與輸入信號(hào)x(t)作互相關(guān)運(yùn)算，實(shí)質(zhì)上就是在不同的延時(shí)值下比較兩個(gè)信號(hào)波形的相似程度。

互相關(guān)函數(shù)定義為:

互相關(guān)函數(shù)圖形峰值位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移就是隨機(jī)信號(hào)x(t)在該系統(tǒng)的傳遞時(shí)間，即流體從截面aa’流動(dòng)到截面bb’的時(shí)間t。

因此，管道3內(nèi)鈉流量可用下式表示：

相關(guān)法流量測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它不受環(huán)境因素(輻照、熱循環(huán)、時(shí)間推移等)的影響，是一種絕對(duì)校準(zhǔn)法。

本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計(jì)測(cè)量液態(tài)金屬流速的范圍為(0.5-7)m/s，測(cè)量精度為±1.5％fs(液態(tài)金屬溫度不高于550℃)。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。上述實(shí)施例或?qū)嵤┓绞街皇菍?duì)本發(fā)明的舉例說明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實(shí)施方式從任何方面來看均應(yīng)視為說明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。