一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计及其测量方法与流程

1.本发明涉及一种液态金属计量装置，具体涉及一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计及其测量方法。


背景技术：

2.随着以液态金属为冷却剂的反应堆发展,对液态金属的热工水力特性、腐蚀性等问题的研究日益深入。尤其铅铋快堆具有诸多优势，铅铋合金的化学性质稳定且高沸点的优点，使铅铋快堆具有固有安全性。
3.目前，国内外科研院所对铅铋合金的热工水力及腐蚀性开展了广泛的实验研究，且实验也朝着大型化、极端工况方向发展，这对铅铋合金的流量测量提出了严苛的要求。由于铅铋合金具有强腐蚀性，传统的永磁式电磁流量计采用接触式电极来测量感应电动势，使铅铋合金对管道及电极的腐蚀会使测量信号逐渐衰减，导致永磁式电磁流量计的测量精度大幅下降；当传统的永磁式液态金属电磁流量计中永磁体温度变化时，其产生的磁感应强度也会发生变化，导致其测得的流量信号发生变化，使流量计精度变差。况且对于大型试验装置，需要加工大尺寸、高重量的永磁体，大大限制了永磁式电磁流量计使用的便利性和经济性。现有的超声波流量计，其导波材料必须与待测液态金属流道管壁紧密贴合，而导波材料的温度限值，大大制约了超声波流量计在超高温实验中的使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有永磁式电磁流量计采用接触式电极测量铅铋合金流体的流量时，导致接触式电极被腐蚀而影响永磁式流量计测量精度问题，以及永磁式流量计难以满足高温液态金属测量需求的技术问题，而提供一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计及其测量方法，以实现液态金属电磁流量计具有测量范围广、精度高及耐高温的性能。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计，其特殊之处在于：包括信号处理模块、励磁电源、屏蔽外壳以及设置在屏蔽外壳内的励磁线圈、信号接收线圈；
7.屏蔽外壳用于套设在待测液态金属流道上；
8.信号接收线圈的轴线与待测液态金属流道平行，且位于励磁线圈内；
9.信号接收线圈包括第一信号接收线圈与第二信号接收线圈；
10.第一信号接收线圈与第二信号接收线圈相互平行，且第一信号接收线圈与第二信号接收线圈的轴线均垂直于励磁线圈的轴线；
11.励磁线圈、第一信号接收线圈与第二信号接收线圈均位于待测液态金属流道的同一侧；
12.第一信号接收线圈与第二信号接收线圈的输出端分别与信号处理模块的两个输入端连接；
13.励磁线圈通过励磁电源提供交变电流。
14.进一步地，所述第一信号接收线圈与第二信号接收线圈尺寸相同。
15.进一步地，所述励磁电源的输出频率为50hz-300hz，其电流为0.5a-3a。
16.进一步地，所述励磁线圈、第一信号接收线圈及第二信号接收线圈材料均为铜线。
17.进一步地，所述屏蔽外壳为铁磁材质外壳。
18.一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计的测量方法，基于上述一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计，其特殊之处在于，包括以下步骤：
19.步骤1：通过励磁电源给励磁线圈提供交变电流，交变电流在待测液态金属流道中产生交变磁场；在磁冻结效应作用下，磁感线随液态金属一起运动，使得第一信号接收线圈与第二信号接收线圈分别产生感应电动势；
20.步骤2：通过信号处理模块接收第一信号接收线圈与第二信号接收线圈的感应电动势数值；
21.步骤3：根据步骤2获得的感应电动势数值，获得待测液态金属的流速及体积流量。
22.进一步地，步骤3中，采用插值计算获得待测液态金属的流速及体积流量。
23.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
24.(1)本发明基于磁冻结效应的液态金属磁场，由第一信号接收线圈、第二信号接收线圈产生，其产生的磁感应强度只与励磁电源提供的励磁电流相关，与液态金属温度无关，且液态金属温度变化对磁冻结效应的影响较小；因此，本发明的流量计温漂小，精度高。
25.(2)本发明的基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计中，测量信号为信号接收线圈中的交变电流、感应产生电压之差，为非接触测量；传统的永磁式液态金属电磁流量计，通过流道中的电极测量流道径向两端的霍尔电压进而得到流量大小，当测量的工质为腐蚀性液态金属时(如铅铋合金)，其测量电极会被腐蚀，导致测量信号大幅衰减，测量误差大。因此，本发明对于测量工质是否为腐蚀性，不会对测量信号产生影响，保证了测量结果的准确性及高精度。
26.(3)对于不同的液态金属，可通过调节励磁电源给励磁线圈提供不同频率和大小的交变电流，来提高信号接收线圈内感应电动势的大小，进而提高电磁流量计的测量精度，励磁电源可根据所测液态金属磁雷诺数的大小进行调节。
27.(4)本发明的基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计还适用于钠、钾、锂、钠钾合金等液态金属的流量测量。
附图说明
28.图1为本发明一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计测量待测液态金属流量时的结构示意图；
29.图2为本发明实施例中屏蔽外壳、励磁线圈和信号接收线圈与待测液态金属流道的结构示意图；
30.图3为图2俯视图。
31.图中附图标记为：
32.1-待测液态金属流道，2-励磁线圈，3-第一信号接收线圈，4-第二信号接收线圈，5-励磁电源，6-信号处理模块，7-屏蔽外壳。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1、图2、图3所示，一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计，包括信号处理模块6、励磁电源5、屏蔽外壳7以及设置在屏蔽外壳7内的励磁线圈2、信号接收线圈；屏蔽外壳7用于屏蔽外界电磁信号对第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4的干扰。
35.屏蔽外壳7用于套设在待测液态金属流道1上；
36.信号接收线圈的轴线与待测液态金属流道1平行，且位于励磁线圈2内；
37.信号接收线圈包括第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4；
38.第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4相互平行，且第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4的轴线均垂直于励磁线圈2的轴线；
39.励磁线圈2、第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4均位于待测液态金属流道1的同一侧；
40.第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4的输出端分别与信号处理模块6的两个输入端连接。
41.励磁电源5为励磁线圈2供电时，会形成穿过待测液态金属流道1内液态金属的交变磁场。
42.当液态金属不流动时，第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4内磁通量及磁通量的变化率相同，使得第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4感应出的感应电动势大小相等，此时，信号处理模块6输出的液态金属流速及流量值为零；
43.当液态金属流动时，由于磁冻结效应，励磁线圈2产生的穿过待测液态金属流道1内液态金属的磁感线会随着液态金属一起运动，导致穿过第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4的磁通量及磁通量变化率不再相等，使得第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4内感应出不同的感应电动势，且液态金属流速越大，第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4内感应出的感应电动势差值越大；最后，第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4分别输出不同的感应电动势，信号处理模块6收到第一信号接收线圈3和第二信号接收线圈4输出的感应电动势后，经过插值计算，就可以得到液态金属的流速及流量值。
44.当测量不同液态金属时，由于不同液态金属在相同的流道(指尺寸相同)、流速及温度下，其磁雷诺数存在差异，因此其磁冻结效应不同，则输出信号的大小不同。为了提高液态金属电磁流量计的测量精度，对于电导率较小的液态金属，可通过调节励磁电源5给励磁线圈2提供不同频率和大小的交变电流，来提高信号接收线圈内感应电动势的大小，进而提高液态金属电磁流量计的测量精度；
45.本实施例中，待测液态金属流道1为圆管，其内部无渐缩、渐扩等形阻系数大的部件，不会产生额外的流动阻力；其外部包覆高热阻隔热材料，可以减小热量的径向传递，避免了高温液态金属对励磁线圈2、第一信号接收线圈3、第二信号接收线圈4造成损坏；励磁线圈2、第一信号接收线圈3及第二信号接收线圈4由包覆高温绝缘层的铜线绕制而成，且励磁线圈2、第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4位于待测液态金属流道1同侧，第一信
号接收线圈3与第二信号接收线圈4位于励磁线圈2内，第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4结构、尺寸相同且对称；第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4的输出信号接入信号处理模块6；液态金属电磁流量计外部安装屏蔽外壳7，屏蔽外壳7用于屏蔽外界电磁信号对信号接收线圈的干扰，屏蔽外壳7采用铁磁材料加工。
46.励磁电源5输出频率为50-300hz，电流为0.5a-3a；励磁电源5为励磁线圈2提供交流电，可根据所测液态金属的种类不同，则其磁雷诺数的大小不同，可根据所测液态金属磁雷诺数的大小进行调节；对于不同的液态金属，可通过调节励磁电源5给励磁线圈2提供不同频率和大小的交变电流，来提高第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4内感应电动势的大小，进而提高液态金属电磁流量计的测量精度。
47.另外，本发明还提供了一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计的测量方法，基于上述一种基于磁冻结效应的液态金属电磁流量计，包括以下步骤：
48.步骤1：通过励磁电源5给励磁线圈2提供交变电流，交变电流在待测液态金属流道1中产生交变磁场；在磁冻结效应作用下，磁感线随液态金属一起运动，使得第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4分别产生感应电动势；
49.步骤2：通过信号处理模块6接收第一信号接收线圈3与第二信号接收线圈4的感应电动势数值；
50.步骤3：根据步骤1获得的感应电动势数值经过插值计算获得液态金属的流速及体积流量。