一种内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统与流程

本发明涉及流量检测领域，是一种对内嵌(带有)旋涡发生体的永磁式钠流量计进行在线校准的方法和系统。

背景技术：

这种要求定期在线校准的永磁式钠流量计主要由一次传感器、二次仪表及信号电缆等组成，其中，一次仪表由流道、旋涡发生体、第一套磁系统、第二套磁系统、电极1、电极2、电极3、电极4、电极5、电极6、电极7和电极8组成，结构示意图如图1所示。与普通的永磁式钠流量计在一次仪表的结构上有所不同，主要体现在：在流道开始处安装了半月形的旋涡发生体，用于产生流体旋涡；在旋涡发生体之后，由铝镍钴永磁合金制成的特殊磁钢，对称分布于流道前后两个位置，在流道内产生稳定的磁场；在流道被磁场区域覆盖的正上方和正下方有一对电极：电极3和电极4，拾取由管道中的液态钠流量切割磁场产生的感应电动势信号e；在前面磁钢的左右两侧，有一对平行于磁钢的电极：电极1和电极2，用来拾取由流体旋涡所产生的流量波动信号。上述所提到的磁钢和两对电极称为内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的第一套磁系统；在第一套磁系统之后，距离l的位置，安装第二套磁系统。第二套磁系统与第一套磁系统完全相同。

内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的工作原理是：该流量计正常工作时，液态钠流体切割磁场的磁力线，产生感应电动势e，根据e与流量计的分度特性关系式，计算得到当前钠流量；需要进行在线校准时，对两套磁系统采集到的两路流量波动信号进行互相关分析，互相关分析结果的峰值点对应的横坐标即为流体在两套磁系统之间的传输时间(延迟时间)τ，根据已经标定得到的q(体积流量)与τ的关系式(q与τ的关系式需要在该流量计使用之前，事先使用标准表法或者其它标定方法对该流量计进行标定得到，并保存。该关系式不受环境因素影响，长期有效)，可以得到当前的钠流量，并根据磁系统上采集到的感应电动势信号e，建立新的q与e的分度特性关系式，从而达到在线校准的目的。

永磁式钠流量计需要在线校准的原因是：液态钠作为核反应堆的冷却剂，需要采用永磁式钠流量计对其进行准确测量，以保证核反应堆的正常运行。有些永磁式钠流量计由于长期在核反应堆内，受到辐照、高温等环境影响，导致其磁钢的磁通密度下降，从而改变了分度特性，造成流量测量不准确。但是，此时永磁式钠流量计已安装在堆内，并且钠的运行环境要求全封闭，因此，无法对其进行离线校准，必须进行在线校准。为此，设计了内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计。

国内刘云焰、陈道龙等人设计了一套基于labview软件的相关钠流量测量系统(刘云焰，陈道龙，杨建伟.基于labview的相关法测量钠流量系统设计[j].原子能科学技术,2015,49(10):1865-1869.)，以满足中国实验快堆一回路主泵旁路钠流量计校准的需求。该论文主要通过仿真实验，确认了互相关方法的可行性，并分析了系统误差。但是，该论文所述的系统存在以下问题：(1)系统的测量精度有待提高；(2)未给出互相关分析方法的关键技术细节。

中国实用新型专利公布了一种永磁式电磁流量计在线标定装置(程海粟，张宇.一种永磁式电磁流量计在线标定装置，实用新型专利号：201621387744.4，申请日：2016.12.17.)，拟对永磁式电磁流量计进行在线标定。这种在线标定装置主要包括电源电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一a/d(模/数)采样电路、第二a/d采样电路、数据处理电路以及输入输出电路。该装置通过对两路流量波动信号进行调理并采样，之后利用以dsp(数字信号处理器)为核心的数据处理电路，基于互相关分析方法，计算两路流量波动信号的延迟时间，从而推算出流体的实际流速，并据此推算出新的标定系数，完成永磁式电磁流量计的在线校准。该实用新型专利具有体积小巧、使用方便以及价格低廉等优点。但是，该实用新型专利存在以下不足：(1)永磁式电磁流量计在测量液态钠流量时，分度特性关系式的建立需要考虑温度变化，而该专利中并未给出具体的关系式。(2)该专利中仅仅提到在线标定是基于互相关分析方法，并未说明进行互相关分析时的关键技术细节。(3)没有明确提出在线校准的具体步骤。(4)以dsp作为数据处理的核心，不仅系统的采样频率会受到限制，而且无法实现更为复杂的算法，人机交互界面的设计也较为简单，用户体验完全无法与计算机处理系统相比。

技术实现要素：

本发明要解决已有的系统中存在的一些关键技术问题，提供一种能够在线校准的内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的方法和系统。

本发明专利的技术方案如下：

普通电磁流量计分度特性关系式可表示为：

式中，q为体积流量，e为导电液态流体产生的感应电动势；b为流道截面上的磁通量密度(磁感应强度)；d为流量管(测量管或者流道)的内直径；为导电液态流体的流速。而永磁式钠流量计在测量液态钠流量时，需要考虑流体温度对分度特性关系式的影响，因此，修正后的分度特性关系式q～e～tf可表示为：

q＝ke＝f(tf)e＝(atf²+btf+c)e(2)

式中，tf为液态钠的温度，a、b和c为系数。根据相关法测量流量原理，利用互相关分析方法，计算两路流量波动信号之间的延迟时间τ，即为流体在距离l内的传输时间，进而可得到流量q为：

当考虑液态钠温tf的影响，得到关系式q～τ～tf为：

式中，a、b和c为系数。

本发明系统主要包括信号调理和输出模块、ni数据采集卡、上位机系统和激光打印机。(1)信号调理和输出模块包括信号调理电路1、信号调理电路2和4～20ma输出电路。(2)ni(美国国家仪器公司)数据采集卡采用ni公司型号为usb-6216的数据采集卡。该采集卡有16路模拟输入，2路模拟输出，单通道最大采样频率可以达到400khz，多通道输入时采用异步采样。(3)上位机系统可以在pc机或者笔记本电脑上采用labview软件进行开发。核心算法互相关分析采用有偏估计方式，可以极大地提高算法的抗干扰性能，得到更为准确的计算结果；采样频率设为10khz，互相关点数设为32768点，既可以满足校准的精度要求，同时保证系统拥有较快的响应速度；为了保证校准结果的准确性，在同一工况下校准3次；在每次校准过程中，都要进行多次互相关计算，去掉最大、最小值之后，取其均值作为每次校准的最终结果。

在线校准的步骤是：

(1)初次校准；用标准表法或者其它标定方法测得当前给定的钠体积流量q，并根据当前测得的钠温tf、感应电动势信号e和互相关分析得到的传输时间τ，分别建立q～e～tf和q～τ～tf的关系式，并保存。

(2)正常使用；根据实际测量得到的液态钠温tf、感应电动势信号e和初次校准得到的分度特性关系式q～e～tf，计算出管道中的钠流量q，实现流量测量。

(3)定期校准；在内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计使用一段时间后，分度特性关系式q～e～tf发生变化，但是，q～τ～tf的关系式保持不变。根据互相关分析得到的传输时间τ、测得的液态钠温tf以及初次校准得到的关系式q～τ～tf，可以计算出当前流量值q；再根据此时测得的感应电动势信号e，建立新的q～e～tf关系式，从而完成内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计分度特性的在线校准工作。

本发明的优点是：根据内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计测量液态钠流量时的具体工作情况，修正了内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的分度特性关系式，并明确了在线校准的步骤；提出了采用有偏估计的互相关分析方法，确定合适的采样频率与互相关分析的点数，使数据处理结果最优化，提高了校准的精度；采用ni公司型号为usb-6216的数据采集卡、上位机(个人计算机或者笔记本电脑)、自制的信号调理和输出模块以及激光打印机组成集信号调理、数据采集、显示、分析、打印等功能于一体的在线校准系统。

附图说明

图1是内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的一次仪表结构示意图。

图2是互相关分析方法的示意图。

图3是在线校准系统的硬件框图。

图4是在线校准系统的软件结构框图。

图5是在线校准系统中上位机软件的主程序流程图。

图6是上位机主界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的设计思想是：内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计在核反应堆内使用一段时间后，由于受到辐照、热循环、时间推移等的影响，导致磁钢的磁通密度有所下降，从而改变了分度特性，造成流量测量不准确，而钠流量的运行环境要求全封闭，无法采用离线校准的方法，因此，利用互相关分析方法测量钠流量不受环境影响的特点，对永磁式钠流量计进行在线校准。

内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的一次仪表结构如图1所示。一次仪表由流道、旋涡发生体、第一套磁系统、第二套磁系统、电极1、电极2、电极3、电极4、电极5、电极6、电极7和电极8组成。

互相关分析方法示意图如图2所示。图2(a)是两路具有一定相位差(时间差)的、相似的涡街信号(类似涡街流量传感器的输出信号)，是一种局部峰值点和周期变化较小的准周期信号，由图2(a)可知，信号y(t)超前信号x(t)0.1s。图2(b)是对两路信号进行有偏估计的互相关分析的结果，可以看到互相关分析结果峰值对应的横坐标是0.1s，与实际情况一致。图2(c)是对两路信号进行无偏估计的互相关分析结果，发现互相关分析结果不仅有多个非常接近的峰值点，而且，在横坐标1.66s和1.784s处对应的互相关分析结果甚至超过了横坐标0.1s对应的互相关分析结果，这就导致通过寻找峰值点，无法得到正确的延迟时间。假设进行互相关分析的两信号序列分别为xa(n)和xb(n)，则其有偏估计与无偏估计的计算公式分别为式(5)和式(6)。

式(5)和式(6)表明，随着|m|的增加，互相关分析中的相乘相加的数据量逐渐减少。在有偏估计中，分母n保持不变；在无偏估计中，分母n-|m|也在同步地减小。因此，在互相关分析的有偏估计中，随着|m|的增加，会对互相关分析结果的幅值进行衰减，且|m|越大，衰减越大；在无偏估计中，不会对互相关分析结果的幅值进行衰减。

在实际应用中，内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计一次仪表输出的两路流量波动信号接近于(近似为)准周期信号，如果对其进行无偏估计，则互相关结果会出现多个幅值相近的峰值，若所述一次仪表的输出信号受到噪声干扰，则峰值就会出现波动，导致无法通过检测峰值找到正确的延迟时间，如图2(c)所示。但是，实际应用中很难保证一次仪表的输出信号不受噪声干扰，因此，无偏估计的抗干扰能力极差。有偏估计有很强的抗干扰能力。但是，在使用时，必须保证一次仪表的输出信号的周期τ0大于所计算的延迟时间τ，才能得到正确的计算结果，由图1(b)、(c)可知，在互相关分析结果中，两个峰值点之间的距离为τ0。若τ0小于τ，则真正的延迟时间τ对应的互相关结果已经被衰减，从而无法通过寻找峰值点的方法，确定正确的延迟时间。因此，在一次仪表在设计时，必须考虑到由旋涡所产生的流量波动信号的周期(这里指的是时间上的周期)必须大于流体在两套磁系统间的传输时间(延迟时间)。

本发明系统的硬件框图如图3所示，主要包括信号调理和输出模块、ni数据采集卡、上位机系统和激光打印机。七路输入信号包括补偿温度信号、液态钠温信号tf、磁钢1温度信号、磁钢2温度信号、感应电动势信号e、流量波动信号1和流量波动信号2。

(1)信号调理和输出模块包括信号调理电路1、信号调理电路2和4～20ma输出电路。信号调理电路1对补偿温度信号、液态钠温信号tf、磁钢1温度信号和磁钢2温度信号进行放大、滤波和阻抗匹配；信号调理电路2对感应电动势信号e、流量波动信号1和流量波动信号2进行适当的预处理；4～20ma输出电路连接数据采集卡的模拟输出端，输出一路4～20ma直流信号，表征当前流量值。

(2)ni数据采集卡采用ni公司型号为usb-6216的数据采集卡。在数据采集部分，采样频率设为10khz，可以同时采集七路输入信号，输入方式可设为差分或者单端；d/a(数/模)转换器将上位机系统计算得到的码值进行转换，进而驱动4～20ma输出电路。

(3)上位机系统可以是pc机或者笔记本电脑，在上位机系统中采用labview软件进行数据处理和4～20ma码值计算。在数据处理部分，实时采集和显示所有输入信号，实时计算并显示互相关分析得到的延迟时间τ，实时计算并显示当前流量q，校准完成后显示校准所得q～e～tf和q～τ～tf关系式，并生成校准报告。在4～20ma码值计算中，实时计算出一个表征当前流量的电流值并转换成电压，之后由ni数据采集卡的模拟输出端输出。其中，互相关分析采用有偏估计方式，可以极大地提高算法的抗干扰性能，得到更为准确的计算结果；互相关点数设为32768点，既可以满足校准的精度要求，同时保证系统拥有较快的响应速度；为了保证校准结果的准确性，在同一工况下校准3次；在每次校准过程中，都要进行多次互相关计算，然后，去掉最大、最小值，再取其均值作为每次校准的最终结果。

本发明系统的基本工作过程为：液态钠流量流过一次仪表，通过电极3和电极4拾取到感应电动势信号e，通过电极1和电极2拾取到流量波动信号1，通过电极5和电极6拾取到流量波动信号2，通过pt100热电阻温度测量通道采集补偿温度信号，通过三路k型热电偶温度测量通道采集液态钠温信号tf、磁钢1温度信号和磁钢2温度信号；由两个信号调理电路分别对其进行放大、滤波和阻抗匹配；经过调理后的信号输入数据采集卡的模拟输入端进行采集，然后送至上位机系统，由上位机软件完成互相关分析以及流量计分度特性曲线拟合，实现流量计的在线校准，并对校准的结果进行保存、打印以及网络接口传输；同时，经过数据采集卡的d/a转换器以及4～20ma输出电路，输出一路4～20ma直流信号表征当前的流量值。

本发明系统软件结构框图如图4所示。系统软件开发采取模块化设计方案，将子程序组成功能模块，由主监控程序统一调用。软件功能模块包括主监控程序、参数设置模块、数据采集模块、互相关分析模块、流量计算模块、q～τ曲线拟合模块、q～e曲线拟合模块、数据显示模块、数据存储模块、自校准模块、检验模块、校准报告生成模块和通讯模块。

主监控程序是整个软件的总调度程序，调用各功能模块。参数设置模块在程序完成初始化之后第一个被调用，对模式选择、仪表口径、采样频率、互相关点数等参数进行设置。数据采集模块根据设置好的采样率等参数在标定开始之后进行数据采集，并判断感应电动势信号e和液态钠温tf来自手动输入还是通过采集卡采集得到。互相关分析模块对采集到的流量波动信号1和流量波动信号2进行互相关分析，计算得到传输时间τ。流量计算模块在定期校准的模式下，根据传输时间τ和初次校准得到的q～τ～tf关系式计算钠的体积流量q。初次校准时，q～τ曲线拟合模块根据手动输入的钠体积流量q，以及采集得到的感应电动势信号e和液态钠温tf，计算q～τ～tf关系式；q～e曲线拟合模块根据输入的钠体积流量q和感应电动势信号e以及液态钠温tf，计算q～e～tf关系式。定期校准时，q～e曲线拟合模块根据流量计算模块计算得到的钠体积流量q，以及采集到的感应电动势信号e和液态钠温tf，重新计算钠电磁流量计的分度特性曲线q～e～tf。数据存储模块用来存储标定过程中的重要数据，如通过采集卡输入的原始信号、标定过程中多次互相关分析得到的传输时间、标定得到的q～τ～tf关系式、q～e～tf关系式和校准报告等。数据显示模块以图形、表格或者关系式的形式显示校准过程中的重要参数和结果，如被采集信号滤波前后的实时波形、多次校准中的流量、温度值等。自校准模块用来校准所有的温度和电极输入信号以及4～20ma输出信号。检验模块通过计算误差和重复性来验证校准结果是否理想。校准报告生成模块在标定或检验完成后自动生成本次校准报告，校准报告中主要包含有校准过程中前面板数据记录表格中的内容，以及校准得到的两个关系式的公式和曲线图。通讯模块完成数据处理系统与数据采集卡以及激光打印机等设备之间的通讯。

本发明系统的上位机软件主程序流程图如图5所示。软件运行的基本流程为：首先对前面板的多个显示控件、按钮等进行初始化；之后需要点击参数设置按钮，弹出参数设置子界面，进行各项参数的设置。参数设置完成之后，单击开始或者检验按钮，软件开始进行数据采集，并对采集到的数据实时进行互相关分析；同时，根据互相关分析的结果，实时输出4～20ma电流。之后根据模式选择情况和是否检验来进行不同的操作，得到流量q的值：首先判断模式选择是初次校准还是定期校准。若是初次校准，且不是进行检验，q值是通过手动输入，无需计算；若是定期校验，则根据初次校准得到的q～e～tf关系式求出q值；若模式选择是定期校准，判断是否进行检验，如果不是检验，则根据初次校准得到的q～τ～tf关系式求出q值；如果进行检验，则需要分别根据q～e～tf关系式和q～τ～tf关系式求出两个q值，为后续计算校准误差做准备。然后，对原始数据以及各项中间结果进行存储，并在主界面显示。为了保证结果的准确性，在每个工况下校准三次。该过程由软件自动完成。同一工况下校准三次之后，计算出流量和传输时间等的平均值和重复性(如果检验按钮被按下，则需要计算流量的误差)；至此完成一个工况下的校准。然后，改变流量值或者温度值重复上述过程。最后，对多次校准的结果进行最小二乘拟合，得到q～e～tf关系式和q～τ～tf关系式及各自的曲线，将曲线和关系式进行存储、显示并生成校准报告，完成在线校准。

其中，初次校准和定期校准的主要区别在于：初次校准时，流量q值手动输入，由标准表或者其他标定方法测量得到；而定期校准时，流量q值根据已有的q～τ～tf关系式计算得到。

检验时，为了验证新建立的钠流量计分度特性即q～e～tf关系式是否满足精度要求，需要通过计算流量的误差和重复性来检验校准的结果。在初次校准模式下，标准表或者其它标定方法所测的流量通过手动输入，作为标准流量；而定期校准模式下，将由q～τ～tf关系式计算得到的流量值作为标准流量。

本发明系统的上位机主界面如图6所示。界面由上到下依次是图形显示、相关参数输入和计算结果显示、拟合关系式以及功能按钮部分。在图6中，左侧的选项卡控件中包含有两个波形图表控件分别显示采集卡采集到的信号，以及经过软件滤波后的信号，且每个控件最多可以同时显示7条曲线；右侧选项卡控件中包含有6个选项卡，前5个均是图形显示，最后1个“数据记录”选项卡是一个表格，用于记录程序运行时的中间结果，分别有：流量q及其平均值、传输时间τ及其平均值、感应电动势e及其平均值、温度tf及其平均值、重复性和误差。可以手动输入的量有：初次校准流量值q(只有在初次校准过程中可以手动输入，定期校准时该输入控件不可用)、输入感应电动势e、输入温度tf。计算结果显示校准进度、每个工况下的平均传输时间和输出电流。最下方是五个功能按钮，分别是参数设置、开始、停止、检验和自校准。