本發(fā)明涉及一種流體參數(shù)測量裝置，尤其涉及一種高溫導(dǎo)電液體的流體參數(shù)測量裝置、方法，屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)、熔鹽集熱技術(shù)等的發(fā)展，熔鹽作為能量的儲存和轉(zhuǎn)移媒介，越來越受到重視，高溫環(huán)境下的熔鹽流速測定亟待研究。例如，第四代核反應(yīng)堆-熔鹽堆因其具有固有安全性及高效等優(yōu)點，成為了未來核電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。該反應(yīng)堆運行溫度為600℃～700℃，以抗熔鹽腐蝕的鎳基高溫合金(例如美國橡樹嶺實驗室開發(fā)的Hastelloy N合金或我國科研單位開發(fā)的GH3535合金)作為結(jié)構(gòu)材料，采用腐蝕性強(qiáng)的熔鹽作為冷卻劑。熔鹽換熱器作為反應(yīng)堆的核心設(shè)備，為了保證其安全可靠運行，有必要對其中的熔鹽流速、壓力等流體參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測量。

常溫下的流體測量技術(shù)經(jīng)長期發(fā)展，已比較成熟。依據(jù)測量原理的不同，大致可分為以下幾種類型：1、機(jī)械法，其是根據(jù)置于流體中的葉輪旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比的原理進(jìn)行流速測量。2、散熱率法測流速，將發(fā)熱的傳感器置于被測流體中，利用發(fā)熱傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點，通過測量傳感器的散熱率來獲得流體流速。3、動力測壓法，根據(jù)伯努利方程，通過測量出流體總壓與靜壓之差(即動壓)來測量流體流速，由于該方法為法國工程師Henri Pitot所發(fā)明，因此，此種流體測速裝置通常被稱為“皮托管”或“畢托管”。4、激光多普勒法，其原理是：當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運動的微粒時，其中微粒散射的散射光頻率將偏離入射光頻率(此現(xiàn)象稱為激光多普勒效應(yīng))，散射光與入射光之間的頻率偏移量(稱為多普勒頻移)與微粒的運動速度(及流體速度)成正比，通過測量多普勒頻移即可獲得流體流速。

雖然上述技術(shù)在常溫流體流速測量方面已得到廣泛應(yīng)用，但對于高溫液體(例如熔鹽、熔融金屬等)而言，由于高溫、腐蝕性以及不透明等原因的影響，這些方法均難以適用，需要使用針對高溫液體的特殊流速測量方法，但這些方法均存在一些缺陷。例如，有研究者提出利用卡門渦街法測量液態(tài)金屬的流速，該方法為接觸式測量，高溫探頭的使用壽命極其有限，且受流體雷諾數(shù)、探頭浸入深度與探頭直徑比值等限制。又如，利用超聲波多普勒法測量液體金屬的流速，但受限于超聲探頭材料特性，該方法僅適用于較低溫度下的液體金屬流速測量(通常在200℃以下)。還有研究人員提出了火法冶煉過程中高溫熔體，特別是鋁電解過程中電解質(zhì)熔鹽及鋁液流速的測定方法，其主要原理為將阻流件放入待測流體區(qū)域，將阻流件所受的作用力，經(jīng)剛性連接的傳遞件至力傳感器，將力的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷男盘?。該方法需要?jīng)過剛性連接的傳遞至力傳感器，可靠性難以保證，且不能同時獲取靜態(tài)壓力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種高溫導(dǎo)電液體的流體參數(shù)測量裝置，可對包括熔鹽和熔融金屬在內(nèi)的高溫導(dǎo)電液體的流速等流體參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，且結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)成本低廉。

本發(fā)明的高溫導(dǎo)電液體的流體參數(shù)測量裝置，包括：總壓管、靜壓管、氣罐、溫控單元、電氣檢測單元；所述總壓管的下端管口設(shè)置于高溫導(dǎo)電液體所在管道的中軸線上，且管口開口朝向高溫導(dǎo)電液體的來流方向，上端管口從高溫導(dǎo)電液體所在管道壁穿出后豎直向上延伸；所述靜壓管的下端管口與高溫導(dǎo)電液體所在管道壁上的一個靜壓孔密封連接，上端管口在高溫導(dǎo)電液體所在管道壁外豎直向上延伸；所述氣罐為充有氣體的密閉容器，氣罐內(nèi)部與總壓管上端管口、靜壓管上端管口分別密封連接；所述溫控單元用于使總壓管和靜壓管的溫度與高溫導(dǎo)電液體的溫度一致，其包括將總壓管的豎直向上延伸段和靜壓管的豎直向上延伸段包裹住的保溫層以及溫控組件；在總壓管的豎直向上延伸段以及靜壓管的豎直向上延伸段上均設(shè)置有一組分別對應(yīng)于不同高度的液位指示機(jī)構(gòu)，所述液位指示機(jī)構(gòu)包括一根具有剛性導(dǎo)線芯的陶瓷管，該陶瓷管的一端垂直插入所對應(yīng)高度處總壓管/靜壓管內(nèi)，該陶瓷管的另一端位于所述保溫層之外，在該陶瓷管位于總壓管/靜壓管外的部分的外層密封嵌套有金屬管；所述電氣檢測單元用于檢測各液位指示機(jī)構(gòu)中陶瓷管位于保溫層外一端的剛性導(dǎo)線芯與高溫導(dǎo)電液體之間的電氣連接情況。

為了能夠在測量流速的同時測量總壓和靜壓，進(jìn)一步地，所述裝置還包括可監(jiān)測氣罐內(nèi)部氣壓的氣壓表。

為了能有效擴(kuò)展測量量程，更進(jìn)一步地，所述裝置還包括可調(diào)節(jié)氣罐內(nèi)部氣壓的氣壓調(diào)節(jié)裝置。

為了防止溫度過高情況下的密封措施失效，進(jìn)一步地，所述裝置還包括冷卻系統(tǒng)，用于對各液位指示機(jī)構(gòu)位于保溫層外的部分進(jìn)行降溫。

本發(fā)明的高溫導(dǎo)電液體的流體參數(shù)測量方法，利用上述裝置實現(xiàn)，具體為：首先利用電氣檢測單元檢測出總壓管/靜壓管上與高溫導(dǎo)電液體之間電氣導(dǎo)通的液位指示機(jī)構(gòu)，并從中選出所對應(yīng)高度最大的一個，以該液位指示機(jī)構(gòu)所對應(yīng)高度作為總壓管/靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度；然后利用以下公式計算出管道中心的高溫導(dǎo)電液體流速：

u＝(2g·Δh)^1/2，

式中，u為管道中心的高溫導(dǎo)電液體流速，單位為m/s；g為重力加速度，單位為m/s²；Δh為總壓管與靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度差，單位為m。

或者，首先利用電氣檢測單元檢測出總壓管/靜壓管上與高溫導(dǎo)電液體之間電氣導(dǎo)通的液位指示機(jī)構(gòu)，并從中選出所對應(yīng)高度最大的一個，以該液位指示機(jī)構(gòu)所對應(yīng)高度作為總壓管/靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度；然后利用以下公式計算出管道中高溫導(dǎo)電液體的總壓/靜壓：

P＝P₀+ρgh，

式中，P為管道中高溫導(dǎo)電液體的總壓/靜壓，單位為Pa；P₀為氣罐中的氣壓，單位為Pa；ρ為高溫導(dǎo)電液體的密度，單位為kg/m³；g為重力加速度，單位為m/s²；h為總壓管/靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度，單位為m。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明可實現(xiàn)包括熔鹽和熔融金屬在內(nèi)的高溫導(dǎo)電液體的流速、總壓等參數(shù)的實時測量，且測量結(jié)果準(zhǔn)確，裝置結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)成本低廉，可廣泛應(yīng)用于熔鹽堆、熔鹽集熱、金屬冶煉等諸多領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為液位指示機(jī)構(gòu)一個優(yōu)選結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)號含義具體如下：

1、氣壓調(diào)節(jié)裝置，2、主刻度；3、輔刻度；4、總壓管、5、氣罐、6、靜壓管，7、熔鹽管壁，8、總壓管管口，9.靜壓管管口，10、熔鹽，11、刻度處電氣連線，12、熔鹽電氣連線，13、電氣檢測單元，200、冷卻水管，201、螺紋，202、陶瓷管，203、金屬管，204、密封墊圈，205、剛性導(dǎo)線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明的思路是在動力測壓原理基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有畢托管測速裝置進(jìn)行大幅改進(jìn)，從而實現(xiàn)對包括熔鹽和熔融金屬在內(nèi)的高溫導(dǎo)電液體的流速、總壓等參數(shù)的實時準(zhǔn)確測量。

現(xiàn)有畢托管采用U型管進(jìn)行壓力測定，U型管中指示劑液體的密度需高于流體密度，且與流體不互溶,常用于氣流速度和風(fēng)速測定。高溫流體常為離子化合物或金屬液體，難以找到另外一種熔點接近、密度更高、且不互溶的流體。另，現(xiàn)有畢托管采用透明玻璃作為U型管材質(zhì)，采用光學(xué)法直接讀取液位高度。高溫下，需采用金屬材料，指示管外面需包裹加熱和保溫元件,無法采用光學(xué)法讀取液位高度，因此傳統(tǒng)的畢托管并無法應(yīng)用于高溫流體的測量。

本發(fā)明針對高溫導(dǎo)電流體流速測量的問題，基于動力測壓法測速的原理，采用n型管成功解決了指示劑問題，采用特殊結(jié)構(gòu)的液位指示機(jī)構(gòu)，解決了讀取金屬材料中液體液位的關(guān)鍵問題，從而實現(xiàn)高溫下利用動力測壓法進(jìn)行流體流速的測定。

圖1顯示了本發(fā)明高溫導(dǎo)電液體的流體參數(shù)測量裝置的一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)原理。如圖1所示，該裝置包括：總壓管4、靜壓管6、氣罐5、溫控單元(圖中未示出)、電氣檢測單元13；如圖1所示，所述總壓管4的下端管口8設(shè)置于高溫導(dǎo)電液體(本實施例以熔鹽為例)所在管道的中軸線上，且管口開口朝向熔鹽的來流方向，上端管口從熔鹽管壁7穿出后豎直向上延伸；靜壓管6的下端管口9與熔鹽管壁7上的一個靜壓孔密封連接，上端管口在熔鹽管道壁外豎直向上延伸；所述氣罐5為充有氣體(可以是空氣或惰性氣體)的密閉容器，如圖1所示，氣罐5內(nèi)部與總壓管4上端管口、靜壓管6上端管口分別密封連接，這樣，三者就形成了一個相互連通整體?？倝汗芄芸?與靜壓管管口9在熔鹽中的位置、方向等要求與現(xiàn)有畢托管測速的要求一致，此處不再贅述。

所述溫控單元是用于使總壓管4和靜壓管6的溫度與管道內(nèi)熔鹽的溫度一致，為便于描述，圖1中并未示出。本實施例中的溫控單元包括將總壓管4的豎直向上延伸段和靜壓管6的豎直向上延伸段包裹住的保溫層以及溫控組件；所述溫控組件包括設(shè)置于保溫層內(nèi)的電熱元件、熱電偶及溫控器等。

如圖1所示，在總壓管4的豎直向上延伸段以及靜壓管6的豎直向上延伸段上均設(shè)置有一組分別對應(yīng)于不同高度的液位指示機(jī)構(gòu)，即在每一條主刻度2和輔刻度3處均設(shè)置有一個相應(yīng)的液位指示機(jī)構(gòu)。如圖2所示，本發(fā)明所采用的液位指示機(jī)構(gòu)包括一根具有剛性導(dǎo)線205芯的陶瓷管202，該陶瓷管202的一端垂直插入所對應(yīng)高度處總壓管4(或者靜壓管6)內(nèi)，該陶瓷管202的另一端位于所述保溫層之外，這樣的結(jié)構(gòu)可使得剛性導(dǎo)線205與總壓管4(或者靜壓管6)的金屬管壁絕緣；為了保護(hù)陶瓷管202并同時起到將陶瓷管202與總壓管4(或者靜壓管6)的連接處進(jìn)行密封的作用，如圖2所示，在陶瓷管202位于總壓管4(或者靜壓管6)外的部分的外層密封嵌套有金屬管203；金屬管203端部帶金屬螺紋201，并采用螺母和橡膠圈進(jìn)行密封，防止熔鹽從陶瓷管道與金屬管道的間隙中流出。冷卻水管200可降低金屬管端部溫度，保證陶瓷管與金屬管之間的密封效果。其中，所述具有剛性導(dǎo)線205芯的陶瓷管202可以通過在剛性導(dǎo)線205上利用燒結(jié)方式制備出一層陶瓷層的方法制得，這樣，剛性導(dǎo)線205與陶瓷管202之間緊密結(jié)合，不會產(chǎn)生空隙；或者，也可以在空心的陶瓷管202中插入剛性導(dǎo)線205，這樣的方式會在剛性導(dǎo)線205與陶瓷管202之間產(chǎn)生空隙，因此還需要在剛性導(dǎo)線205與陶瓷管202之間用高溫膠進(jìn)行密封，以防止熔鹽從縫隙中流出。

電氣檢測單元13用于檢測各液位指示機(jī)構(gòu)中陶瓷管位于保溫層外一端的剛性導(dǎo)線芯與高溫導(dǎo)電液體之間的電氣連接情況，如圖1所示，電氣檢測單元13通過刻度處電氣連線11、熔鹽電氣連線12分別與剛性導(dǎo)線205、熔鹽金屬管道電連接。電氣檢測單元13可以是電阻測量或電流測量或電壓測量設(shè)備，例如最常用的萬用表，或者串接有指示燈的電壓源。如圖1所示，總壓管4(或者靜壓管6)中的熔鹽10的液面上升到某一高度，此時，在液面高度以下的所有液位指示機(jī)構(gòu)中的剛性導(dǎo)線205均與管道中的熔鹽電氣導(dǎo)通，則指示燈會亮起，或者測得的電阻極小；而處于液面高度以上的所有液位指示機(jī)構(gòu)中的剛性導(dǎo)線205均與管道中的熔鹽電氣斷開，則指示燈不會亮，或者測得的電阻極大；因此，利用電氣檢測單元13檢測出總壓管4(或靜壓管6)上與熔鹽電氣導(dǎo)通的液位指示機(jī)構(gòu)，并從中選出所對應(yīng)高度最大的一個，則該液位指示機(jī)構(gòu)所對應(yīng)高度即為總壓管4(或靜壓管6)內(nèi)的熔鹽液位高度。

確定總壓管4和靜壓管6內(nèi)的熔鹽液位高度后，與現(xiàn)有皮托管測速原理相似，根據(jù)伯努利方程經(jīng)簡單推導(dǎo)即可得到流速計算公式如下：

u＝(2g·Δh)^1/2，

式中，u為管道中心的高溫導(dǎo)電液體流速，單位為m/s；g為重力加速度，單位為m/s²；Δh為總壓管與靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度差，單位為m。

類似地，還可以得到壓力(總壓或靜壓)公式如下：

P＝P₀+ρgh，

式中，P為管道中高溫導(dǎo)電液體的總壓/靜壓，單位為Pa；P₀為氣罐中的氣壓，單位為Pa；ρ為高溫導(dǎo)電液體的密度，單位為kg/m³；g為重力加速度，單位為m/s²；h為總壓管/靜壓管內(nèi)高溫導(dǎo)電液體的液位高度，單位為m。

由于測量總壓或靜壓需要知道氣罐5內(nèi)部的壓力，因此需要增加一個可測量出氣罐5內(nèi)部氣壓的壓力表。

為了利用較短的總壓管和靜壓管來實現(xiàn)更大流速范圍和更大壓力范圍的測量，從而有效擴(kuò)展測量量程，本實施例中還增加了可調(diào)節(jié)氣罐內(nèi)部氣壓的氣壓調(diào)節(jié)裝置1，利用氣壓調(diào)節(jié)裝置1適當(dāng)增加氣罐內(nèi)部的氣壓，可降低總壓管和靜壓管中的液面高度(但對液面高度差無影響)。

為了提高測量的自動化程度，可以通過單片機(jī)或計算機(jī)控制的多路選擇開關(guān)實現(xiàn)液位指示機(jī)構(gòu)的自動掃描測量，并利用單片機(jī)或計算機(jī)直接計算并輸出流速、壓力的測量結(jié)果。

本發(fā)明測量裝置中的總壓管和靜壓管的材質(zhì)可根據(jù)所測量的高溫導(dǎo)電液體的類型來確定，對于鋼水這樣不具有腐蝕性的液體金屬，采用常規(guī)高溫合金即可，而對于熔鹽來說，則最好選擇Hastelloy N合金或GH3535合金等抗熔鹽腐蝕的鎳基高溫合金。

本發(fā)明適用于高溫導(dǎo)電液體的流速、總壓、靜壓的實時測量，尤其適用于熔鹽堆和太陽能集熱領(lǐng)域中熔鹽流體參數(shù)的測量，具有測量結(jié)果準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)成本低廉的優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。