一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统

1.本发明涉及两相流测量技术领域，特别涉及一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统。


背景技术：

2.核反应堆棒束通道中两相流的测量是根据被探测区域内部物质各异，其体现的电阻不同，从而实现被探测区域的测量。在实际测量中，需要先向被探测区域注入电流，然后通过布置在周边的电极测量电势，如果被探测区域物质变化，就会导致电极上测量的电势大小变化。通过测量电极上电势的变化就可以反推被探测区域的物质分布。该方法具有非侵入、速度快、系统简单、成本低等优势，被广泛应用在两相流测量领域。
3.采用子通道空泡仪进行测量时，电极布置在被测区域的周边，所以其被测区域存在特定的应用条件。对于普通的探测区域，可以采用电极位置的改变测量不同区域的两相流特性。例如，将空泡仪布置于通道四周，即可测得在子通道范围内的电压信号。
4.例如中国专利(cn105784785b)公开了一种基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统，包括贴片电极组、电阻层析成像模块、数据采集卡和计算机；每一个贴片电极组包括八片贴片电极，每相邻的四根棒束的中间形成一个单棒束通道，每个单棒束通道配置一个贴片电极组，每根棒束面向单棒束通道的一侧贴有两片电极，如图1所示。
5.但是由于各种因素，棒束可能会出现变形，就导致四根棒束的中间形成的单棒束通道不规则甚至闭合的情况(统称为异型棒束通道，如图2所示)，原有的贴片电极分别就不能精确地接收信号，导致测量精度较低。


技术实现要素：

6.针对现有技术中核反应堆棒束出现异型棒束通道时两相流测量精度较低的问题，本发明提出一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统，改变电极的位置、数目以及夹角的方法，提高对异型棒束通道内的两相流测量的精确度。
7.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统，第一棒束面向异型棒束通道一侧贴有第一电极组，第二棒束面向异型棒束通道一侧贴有第二电极组，弯曲棒束面向异型棒束通道一侧贴有第三电极组，第四棒束面向异型棒束通道一侧贴有第四电极组，所述第一电极组和第四电极组均包括两个电极，所述第二电极组和第三电极组均包括三个电极。
9.优选的，所述核反应堆中，未发生形变时，相邻的四根棒束分别标记为第一棒束、第二棒束、第三棒束、第四棒束，中间形成一个单棒束通道；当第三棒束发生形变时，更新标记为弯曲棒束，第一棒束、第二棒束、第四棒束的位置和标记不变，中间形成异型棒束通道。
10.优选的，以第一棒束中心和第四棒束中心的连线作为分界线，分界线的右侧的5个电极为激励电极，分界线的左侧的5个电极为接受电极。
11.优选的，每个所述电极组分别和对应的信号处理电路连接，信号处理电路测量各个电极上的电压信号，将其送入到数据采集卡中，控制器通过数据采集卡得到电压信号，通过将电压信号进行标定获取异型棒束通道两相流动特性。
12.优选的，每个电极组中相邻电极的夹角为30
°
。
13.优选的，所述信号处理电路包括用于提供激励电流信号的信号源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制接受电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心。
14.优选的，所述信号源由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器。
15.优选的，所述控制核心为微信号处理器msp430，用于完成门阵列的控制指令产生、数据/命令通信、同步触发信号产生。
16.综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明通过改变电极的布置位置和数量，来保证对异型棒束通道内的两相流测量；通过改变电极夹角，确保测量范围的完整性。通过改变激励电极和接受电极的位置，保证整个异型棒束通道区域都能够实现两相流的测量。通过频率复用和触发同步，保证整个棒束通道区域都能够实现两相流的测量。通过实验标定以及模拟标定的方法，保证标定结果的可行性，确保最终所得空泡份额的真实性。
附图说明：
18.图1为现有技术的的一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统示意图。
19.图2为根据本发明示例性实施例的异型棒束通道示意图。
20.图3为根据本发明示例性实施例的异型棒束通道电极组布置示意图。
21.图4为根据本发明示例性实施例的本发明的电极组在不同闭合度下产生的电势线分布图；图4(a)表示电极组在直棒下产生的电势线分布图；图4(b)表示电极组在闭合度为50％产生的电势线分布图；图4(c)表示电极组在闭合度为80％产生的电势线分布图；图4(d)表示电极组在闭合度为100％下产生的电势线分布图。
22.图5为根据本发明示例性实施例的异型通道标定曲线示意图。
23.图6为根据本发明示例性实施例的异型通道标定曲线标定模拟示意图。
24.图7为根据本发明示例性实施例的激励电极和接受电极划分示意图。
25.图8为根据本发明示例性实施例的电极组中相邻电极夹角示意图。
具体实施方式
26.下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限
制。
28.核反应堆棒束通道内具有n
×
m个棒束，n和m均为大于或等于2的自然数；这些棒束中，每相邻的四根棒束的中间形成一个单棒束通道。当棒束发生形变时，每相邻的四根棒束的中间形成的通道为异型棒束通道，将发生形变的棒束标记为弯曲棒束，如图2所示。由于异型棒束通道内存在不规则甚至闭合的情况，原有空泡仪无法很好的接收信号。因此本发明通过改变电极电极位置、数目以及夹角的方法解决无法测量异型棒束通道的问题。
29.本发明提供一种用于核反应堆异型棒束通道的两相流测量系统，包括4个电极组，每个电极组分别和对应的信号处理电路连接，信号处理单路均和控制器连接。
30.如图3所示，未发生形变时，相邻的四根棒束分别标记为第一棒束、第二棒束、第三棒束、第四棒束。当第三棒束发生形变时，其位置发生变化即可标记为弯曲棒束，第一棒束、第二棒束、第四棒束的位置不变。
31.本实施例中，棒束的直径为9.5mm，相邻棒束的中心间距为12.6mm，电极的长度为10mm，宽度为1mm。
32.本实施例中，第一棒束面向异型棒束通道一侧贴有第一电极组，第二棒束面向异型棒束通道一侧贴有第二电极组，弯曲棒束面向异型棒束通道一侧贴有第三电极组，第四棒束面向异型棒束通道一侧贴有第四电极组。
33.本实施例中，信号源产生激励电压信号，通过信号处理电路转换成激励电流信号，并加载到对应的电极组，数据采集卡通过信号处理电路采集待测区域的交流电压信号并传输到控制器进行分析。
34.本实施例中，第一电极组和第四电极组均包括两个电极，第二电极组和第三电极组均包括三个电极。
35.本实施例中，如图7所示，将4个电极组总共10个电极划分为激励电极和接受电极。以布置较少电极的两个棒束的中间点进行连线作为分界线，分界线的一侧为激励电极，另一侧的电极为接受电极；这种设置结构有利于电极组适应棒束弯曲甚至与其他棒束产生接触带来影响。实际使用中，被测区域内充满两相流体，通过气泡与电解质水之间电导率的巨大差异，接收到不同幅值的交流电压信号，在信号处理电路的作用下转化成直流电压信号。
36.例如第一电极组和第四电极组中的电极为两个，第二电极组和第三电极组中的电极为三个，因此以第一棒束的中心o1和第四棒束的中心o1连线作为分界线，分界线的右侧的5个电极为激励电极，分界线的左侧的5个电极为接受电极，这种结构形成的电场分布较其他的电极布置方式来说是最均匀的了。例如，分界线的右侧的电极可以为3个或6个，分界线的左侧的电极可以为7个或4个，只是这样形成的电场分布存在偏差，不均匀，但也可以实现测量。
37.本实施例中，如图8所示，可通过设置每个电极组中相邻电极之间的夹角a，增加被测区域接收信号的覆盖率，例如夹角a为30
°
的布置方式，保证电压信号集中在异型棒束通道内。
38.现有技术中电极的设置适用于规则通道，当棒束发生形变时，电极之间的电势线就会发生变化导致测量不精确。本发明通过对电极位置和角度的布置，即使棒束发生形变，也能保证电势线分别均匀，测量精度更高。
39.如图4所示，为本发明的电极组产生的电势线分布图，可以看到等势线在不同闭合
度(直棒、50％、80％、100％)下的棒束通道间分布明显更为密集，且整体分布更加均匀。而分布越密集意味着电场强度越大，测量信号随着两相流的变化改变的越多，电极的灵敏度也更高；分布越均匀电极测量的线性度越好。
40.本实施例中，信号处理电路具有低功耗、低成本的特点，包括用于提供激励电流信号的信号源、用于控制激励电极的门阵列、用于控制接受电极的门阵列、用于通信的接口和用于逻辑控制的控制核心。其中，信号源由两个运算放大器组成，其中一个运算放大器被配置成howland电路，用于形成电流源；另外一个运算放大器被配置成跟随器。门阵列由4个单刀8掷开关组成，其中两个开关用于控制激励电流源加载的电极，另外两个开关用于控制测试输出信号连接的电极，测量交流电压信号的电极同时连接在4组开关上，输出的电极电压通过仪表放大器转换成单端信号输出。
41.信号源，用于提供精确的电流激励信号，可以使用具有宽频带视频运算放大器，保证信号噪声低、输出电流频率能快速跟随输入电压信号频率变化。该电流源接收外部电压信号源产生的精确电压信号，并输出精度确激励电流信号。
42.门阵列的芯片具有纳秒级别的控制速度，保证电极的选择速度能够满足子通道空泡仪测量要求的速度。
43.控制核心为微信号处理器msp430，其用于完成门控电路的控制指令产生、数据/命令通信、同步触发信号产生
44.本实施例中，还包括与信号处理电路输出端连接的数据采集卡，用于采集测量电极上的电势信息，同时采集每个信号处理电路的同步触发信号,便于后期控制器的数据处理。
45.本实施例中，控制器，用于利用采集卡得到的电压数据，实时获取棒束通道两相流的分布；还用于对信号处理电路进行配置，设置合适的采集模式和参数。值得说明的是，本实施例公开的方案中，不使用棒束区域边界的电极来对棒束通道两相流进行测量，而是对每个异型棒束通道使用4个电极组进行测量。
46.将通过多物理场计算软件得出模拟的标定曲线与实验标定得出的曲线进行整理，并综合标定实验数据，另外添加全水、全气的工况点，进行标定。为了达到更高的精度，分别选用不同函数对标定结果进行覆盖，选取符合良好的函数进行拟合，最终得出异型棒束通道标定曲线(如图5)。
47.根据实验过程中所测量得到的电压信号，通过与所得的异型棒束通道标定曲线进行数据处理，得到所需两相流动特性。
48.异型通道标定曲线的获取方法为：
49.a.标定盒子内放置有模拟的四个棒束，构成异型棒束通道，再采用绝缘棒模拟异型棒束通道的气泡。将不同直径的绝缘棒在异型棒束通道内移动测量动态点，以及采用多根绝缘棒簇拥在一起测量静态点。
50.在实际标定过程中，将所测得的电压用下式进行归一化处理：
[0051][0052]
公式(1)中，v表示实时测量的电压，v
*
表示归一化后的电压，v
min
最小为充满空气
时电压值，v
max
最大为充满水时电压值；然后用matlab对不同工况下的归一化电压v
*
进行处理，获得归一化电压的标定曲线。
[0053]
b.如图6所示，还可以通过在异型棒束通道中填充大小不一的圆用来模拟实验过程中气泡通过的实验过程。由于气泡对通道内电场的影响，通过多物理场计算软件测量接受电极处的电场模，对其进行积分。由积分关系可知，测得电压为：
[0054][0055]
公式(2)中vn表示测量电压，表示电场模。
[0056]
经过计算，将不同数量气泡下的电压与电极组进行对应，得出模拟的标定曲线。
[0057]
本实施例中，由于电场分布不均导致电极少的点存在不确定性，将归一化电压的标定曲线和模拟的标定曲线进行整理得到异型棒束通道标定曲线。
[0058]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。