本發(fā)明屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計及其應(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)的流量計無法應(yīng)用在液態(tài)金屬流量測量領(lǐng)域。通常采用永磁式流量計進行液態(tài)金屬流量測量，但通常無法通過實流標定獲得準確的精度。

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計基于卡門渦街原理，即通過測量漩渦發(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，測得液態(tài)金屬流量。

技術(shù)實現(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，以能夠結(jié)構(gòu)簡單、高精度、寬量程范圍的測量液態(tài)金屬流量，并可實現(xiàn)液態(tài)金屬流量的在線校準。

為實現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計，所述的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計包括一次傳感器、二次儀表、信號電纜，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量信號的生成提供穩(wěn)定磁場；

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)生的磁場的磁力線三者互相垂直；

所述的二次儀表通過所述的信號電纜連接所述的電極，用于對所述的電極的輸出信號進行相關(guān)法計算。

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

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

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種永磁式液態(tài)金屬渦街流量計，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，其中所述的一次傳感器還包括螺栓和平墊圈，用于進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，其中所述的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計還包括設(shè)置在所述的一次傳感器外的防護罩，用于保護所述的一次傳感器。

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

為實現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實施方案中，本發(fā)明提供前述永磁式液態(tài)金屬渦街流量計在測量液態(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)金屬渦街流量計及其應(yīng)用，能夠結(jié)構(gòu)簡單、高精度、寬量程范圍的測量液態(tài)金屬流量，并可實現(xiàn)液態(tài)金屬流量的在線校準。

本發(fā)明的特點是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，采用永磁體作為漩渦頻率信號的檢測方式，通過在垂直于磁場的管道中液態(tài)金屬流動時切割磁力線，從而在與液態(tài)金屬運動方向和磁力線方向相垂直的兩電極上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過對信號進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。該流量計的流量測量方法對流體溫度、壓力等不敏感，因采用頻譜分析方法，對感應(yīng)電壓信號的大小(也即對應(yīng)的液體電導率)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)對其進行檢定，從而解決永磁式液態(tài)金屬流量計的檢定等問題。

本發(fā)明的永磁式液態(tài)金屬渦街流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、量程范圍寬、無可動部件、運行可靠、維護簡單、壓力損失小、對流體流動特征不敏感、耐振動性好等優(yōu)點，可應(yīng)用于液態(tài)金屬的流量測量領(lǐng)域。

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

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)法流量校準原理示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作出進一步的說明。

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)、防護罩8、二次儀表9、信號電纜10。

磁鋼組件1為測量信號的生成提供穩(wěn)定磁場，由永磁體、磁極、磁軛(導磁體)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由液態(tài)金屬流量信號和噪聲信號兩部分組成。二次儀表9通過信號電纜10連接電極2及其引線，用于對一次傳感器輸出電壓信號進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻譜分析，濾除噪聲信號，將管道3內(nèi)液態(tài)金屬流量信號提取，對電極2的輸出信號進行相關(guān)法計算，從而得到液態(tài)金屬的漩渦頻率。

防護罩8設(shè)置在一次傳感器外，用于保護一次傳感器。

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

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計中，液態(tài)金屬經(jīng)過漩渦發(fā)生體4形成渦流，當液態(tài)金屬在垂直于永磁體形成磁場切割磁力線時，在與液態(tài)金屬運動方向和磁力線方向相垂直的兩電極2上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。對信號進行頻譜分析，濾掉噪聲信號，得到液態(tài)金屬的漩渦頻率，利用渦街原理計算得到液態(tài)金屬的流量。在校準方法中，將兩對電極2輸出的感應(yīng)電壓信號輸入相關(guān)法流量測量裝置中，用相關(guān)分析法計算出這兩個信號相關(guān)函數(shù)峰值，從而得到傳輸時間，在兩電極2間距恒定情況下，傳輸時間與液態(tài)金屬流速成反比，通過測量傳輸時間就可以計算得到流量值，從而實現(xiàn)在線校準。

永磁式液態(tài)金屬渦街流量計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算得到液態(tài)金屬的流量，并通過相關(guān)流量測量方法對流量計進行校準。

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(導磁體)組成，為測量信號的生成提供穩(wěn)定磁場；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，當液態(tài)金屬(如鈉)從管道3內(nèi)流過時切割磁力線，在電極2上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；4)支撐定位組件實現(xiàn)導管的固定支承，并防止導管的周向及徑向運動，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：對一次傳感器輸出電壓信號進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，頻譜分析、計算通道鈉流量、顯示輸出流量、對兩對電極的輸出信號進行相關(guān)法計算等。

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量管橫截面積之比。

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

圖4為相關(guān)法流量校準原理說明圖，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)生交流波動信號，這兩個波動信號的間隔時間即漩渦在流道中的傳輸時間為τ。用相關(guān)分析法計算出這兩個波動信號相關(guān)函數(shù)峰值就是傳輸時間τ。如果不考慮流體內(nèi)部存在的粘性阻力及管道3內(nèi)壁對流體的摩擦作用，則可簡單的認為，截面上各處的流體以平均流速從截面aa’流動到截面bb’。

當液態(tài)金屬穩(wěn)定流動時，上、下游傳感器將分別輸出隨機流動噪聲信號x(t)和y(t)，可以分別看做是來自各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程{x(t)}和{y(t)}的樣本函數(shù)，為確定隨機信號x(t)通過給定系統(tǒng)所需時間，將輸出信號y(t)與輸入信號x(t)作互相關(guān)運算，實質(zhì)上就是在不同的延時值下比較兩個信號波形的相似程度。

互相關(guān)函數(shù)定義為:

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

因此，管道3內(nèi)鈉流量可用下式表示：

相關(guān)法流量測量技術(shù)的優(yōu)點在于它不受環(huán)境因素(輻照、熱循環(huán)、時間推移等)的影響，是一種絕對校準法。

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

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(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和變型在內(nèi)。上述實施例或?qū)嵤┓绞街皇菍Ρ景l(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施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實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)。