CN104458108A - 一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降的测量方法，该方法中液态金属在钢管内流动，磁场方向垂直于流动方向，则在钢管的两侧将产生电动势，可以在钢管两侧安装电势探针进行测量。测得的电势差理论计算后直接获得管道该处的压力梯度信息。当沿着管道方向磁场和管道均不变化时，压力梯度保持恒定，则管道出入口压降直接由压力梯度乘以管道长度获得。对于圆形管道，压力梯度与电势差的关系式独立于管道内液态金属的物性参数和流速，只依赖于管道尺寸及物性参数和磁场的参数，所以仅通过测量管壁两侧电势差即可完成各种流动工况的压降测量。该方法不侵入流体进行测量，不干扰流体流动，可承受超高温流体，测量方便简单。

Description

一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法

技术领域

本发明涉及液态金属压降测量技术领域，具体是一种强磁场下的液态金属管道流磁流体压降测量方法。

背景技术

压降测量是热工水力测量中的重要内容。在磁约束聚变堆中，液态金属包层处于强磁场环境中，其流动呈现特殊的磁流体(MHD)效应，其中MHD压降是其中最重要的MHD效应。在强磁场作用下，流动的液态金属切割磁场，产生感应电流，该电流在磁场作用下形成Lorentz力，阻碍流体流动，形成MHD压降。该压降根据磁场强度的强弱，会比普通管道流动压降大10～100倍，对其的准确测量是液态金属包层热工水力研究的核心内容之一。

液态金属包层的压降测量技术要求满足下面三个特征：

(1)耐高温：测量液态介质的温度>300℃；

(2)耐腐蚀：测量的介质为液态金属合金，有一定腐蚀性；

(3)抗磁场：要求压力(差压)计的工作环境为强磁场>2T；

常规的高温液态金属压降测量技术采用压力传感器，测量管道上具体两点之间的压差△P。高温液态金属接触耐高温耐腐蚀膜片(一般为钢材质)，压力使其变形，膜片变形通过不可压缩介质(如硅油)将压力传递给压力传感器。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。

常用的这种压力传感器测量方式工作温度<300℃，所以测量高温液态金属时，需要用引压管导出来降温后进行测量。使用引压管，侵入流体，对流体有扰动，且引压管内的静止流体与主管道中的流动流体之间有电流，在磁场作用下形成局部压降差，给压降测量带来误差。长期使用时，膜片接触高温液态金属，其受腐蚀后的变形性能和精度都有下降。且停止运行期间，可能有部分液态金属凝固在膜片上，时间较长影响其形变精度。

发明内容

为了弥补现有压力传感器计在高温液态金属强磁场环境下的不足之处，本发明提供一种新型液态金属压降测量技术，具体为一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，该方法不侵入流体进行测量，不干扰流体流动，可承受超高温流体，测量方便简单。

本发明通过以下技术方案实现：一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，包括磁场发生器、一对电势探针、信号引线、伏特计，液态金属在钢管内流动，磁场方向垂直于流动方向，则在钢管的两侧将产生感应电动势，在钢管两侧安装电势探针测量电势差，电势差信号依次通过电势探针、信号引线，传输到伏特计，伏特计读取的电势差数据，经过理论计算转换为此段管道的压力梯度数据或其他相关流场数据。

进一步的，所述的电势探针对称焊接在金属管道平行于磁场的两侧外壁上，且探针的材质与管道材质相同，以避免不同材质之间的热电势干扰电势差信号。

进一步的，所述的电势探针的外端连接信号引线，信号引线材质也保持和所述的电极探针材质相同，以避免不同材料之间的热电势干扰。

进一步的，两根信号引线末端连接伏特计，伏特计为高精度伏特计，该高精度伏特计测量精度毫伏级。

进一步的，所述的电势差数据经过理论计算转换为该段管道的压力梯度信号，电势差数据获得后，根据具体管道的电势差与压力梯度关系式可获得压力梯度信息，当管道为圆管时的计算公式如下：

$\&dtri;p=\mathrm{BL}{\mathrm{\&sigma;}}_w\&dtri;\mathrm{\&phi;}{K}_1(\frac{D^2}{d}-1)/\left(2D\right)$

式中：——感应电动势，V；

K₁——端部分流效应，其大小通常取0.33～0.357；

σ_w——壁面导电率，S/m；

B——磁场强度，T；

L——直管道长度，m；

d——管道内径，m；

D——管道外径，m。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法由于采取以上技术方案，不侵入流体进行测量，不干扰流体流动，可承受超高温流体，测量方便简单；

(2)、本发明一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法不受磁场干扰，所以满足聚变堆液态金属包层的测量工况。

附图说明

图1为本发明中电势测量方法示意图；其中1为伏特计，2为电势探针1，3为电势探针2，4为磁场方向，5为流动方向。

图2为本发明的电势探针安装位置图，其中，(a)为仰视图，(b)为右视图，(c)为正视图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明一种液态金属压降测量方法，主要测量对象为管道两侧电势差，其主要测量部件包括一对电势探针、信号引线和高精度伏特计。所述的电极探针对称焊接在金属管道平行于磁场的两侧外壁上，且探针的材质与管道材质相同，以避免不同材质之间的热电势干扰电势差信号。探针外端连接引线，引线材质也保持和探针材质相同，以避免不同材料之间的热电势干扰。两根引线末端连接高精度伏特计，测量精度毫伏级。

电势差信号获得后，根据具体管道的电势差与压力梯度关系式可获得压力梯度信息，下面公式为圆形管道的电势差与压力关系式：

$\&dtri;p=\mathrm{BL}{\mathrm{\&sigma;}}_w\&dtri;\mathrm{\&phi;}{K}_1(\frac{D^2}{d}-1)/\left(2D\right)$

式中：——感应电动势，V；

K₁——端部分流效应，其大小通常取0.33～0.357；

σ_w——壁面导电率，S/m；

B——磁场强度，T；

L——直管道长度，m；

d——管道内径，m；

D——管道外径，m。

强磁场下流动液态金属产生的电信号，依次通过电势探针、引线，传输到伏特计。为减少热电势对电势信号的干扰，电势探针和引线选择与管道相同材质。伏特计读取的数据，经过公式(1)的处理即可转换为该段管道的压降信号。

本方法由于采取以上技术方案，不侵入流体进行测量，不干扰流体流动，可承受超高温流体，测量方便简单，不受磁场干扰，所以满足聚变堆液态金属包层的测量工况。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，包括磁场发生器、一对电势探针、信号引线、伏特计，其特征在于：液态金属在钢管内流动，磁场方向垂直于流动方向，则在钢管的两侧将产生感应电动势，在钢管两侧安装电势探针测量电势差，电势差信号依次通过电势探针、信号引线，传输到伏特计，伏特计读取的电势差数据，经过理论计算转换为此段管道的压力梯度数据或其他相关流场数据。

2.根据权利要求1所述的一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，其特征在于：所述的电势探针对称焊接在金属管道平行于磁场的两侧外壁上，且探针的材质与管道材质相同，以避免不同材质之间的热电势干扰电势差信号。

3.根据权利要求1所述的一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，其特征在于：所述的电势探针的外端连接信号引线，信号引线材质也保持和所述的电极探针材质相同，以避免不同材料之间的热电势干扰。

4.根据权利要求1所述的一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，其特征在于：两根信号引线末端连接伏特计，伏特计为高精度伏特计，该高精度伏特计测量精度毫伏级。

5.根据权利要求1所述的一种强磁场下液态金属管道流磁流体压降测量方法，其特征在于：所述的电势差数据经过理论计算转换为该段管道的压力梯度信号，电势差数据获得后，根据具体管道的电势差与压力梯度关系式可获得压力梯度信息，当管道为圆管时的计算公式如下：

$\&dtri;p={\mathrm{BL\&sigma;}}_w\&dtri;\mathrm{\&phi;}{K}_1(\frac{D^2}{d}-1)/\left(2D\right)$

式中：——感应电动势，V；

K₁——端部分流效应，其大小通常取0.33～0.357；

σ_w——壁面导电率，S/m；

B——磁场强度，T；

L——直管道长度，m；

d——管道内径，m；

D——管道外径，m。