《电磁式流量传感器测量方法及理论》李雪菁|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《电磁式流量传感器测量方法及理论》

【作　者】李雪菁

【页 数】 193

【出版社】 杭州：浙江大学出版社 , 2018.02

【ISBN号】978-7-308-17424-4

【价 格】68.00

【分 类】电磁流量计-电磁传感器-研究

【参考文献】 李雪菁. 电磁式流量传感器测量方法及理论. 杭州：浙江大学出版社, 2018.02.

图书封面：

图书目录：

《电磁式流量传感器测量方法及理论》内容提要：

多年来，有关非绝缘管壁电磁流量传感器分析方法的研究成果很少，基础理论体系尚未完善，限制了其在核工程及其他领域的应用。基于上述背景，本书围绕非绝缘管壁电磁流量传感器基本理论中两大核心问题，即权重函数及传感器测量特性展开研究。

《电磁式流量传感器测量方法及理论》内容试读

第1章绪

论

随着工农业生产的高速发展和人民生活水平的提高，人们对用水量和排水量的检测需求逐年增多。同时，一些困难流体或特殊流体的检测仪表也成为学术研究的热点问题之一。比如越来越多的国家和地区重视核能的发展，以期解决能源危机1町。核反应堆能安全运行的条件是对冷却剂的有效检测1o1幻。有些冷却剂是高温金属流体，如高温的钠钾合金(NaK-78),其同时具有特殊物理及化学特性，譬如非透明性、高电导率、高温、钠与空气相遇发生剧烈化学反应等，测量困难)。这类特殊冷却剂的应用场景对测量仪表提出了以下技术要求：耐高温、密封性好、抗辐照、耐腐蚀、体积小、结构简单、抗冲击性好等18)。传统点电极绝缘管壁电磁流量传感器的结构存在测量管耐高温性及固定电极与管壁密封性问题，不运用于以上场景。电磁式流量测量方式在测量导电性流体领域具有明显的优势，且具有无阻扰、可耐腐蚀等特性，国际上普遍认为电磁流量传感器较其他类型仪表更适用于测量某些反应堆的冷却剂流量。非绝缘管壁电磁流量传感器在污水排放检测中也具有非常显著的优势，比如抗电极污染、抗噪、防止绝缘衬里污染而引起的测量误差等。非绝缘电磁流量传感器不但是一种新型电磁流量传感器，兼顾了典型电磁流量传感器的优势，同时还解决了典型电磁流量传感器结构上的不足。

电磁流量传感器的分析方法研究是开发该技术的重要理论基石，也是仪表产业化技术的基本依据。典型点电极绝缘管壁电磁流量传感器结构相对简单，边界固定，且基础理论已经非常成熟，传感器能提供较高精度的测量数据。因此，典型电磁流量传感器广泛应用于各类工业场合。非绝缘管壁电磁

⑧电磁式流量传感器测量方法及理论

流量传感器具有特殊的结构及物性特点，即管壁具有一定范围的电导率和信号拾取点位置在管壁外侧，模型与经典模型相比具有显著差异，因此，传统理论不完全适用。与典型电磁流量传感器相比，非绝缘管壁电磁流量传感器在理论研究上存在较大难度，所查到的文献成果也相当有限，难以适应当今非绝缘管壁电磁流量传感器测量的发展需求。因此，较完善的非绝缘管壁电磁流量传感器分析方法的研究，特别是关于其权重函数理论以及传感器测量管壁、流体的电特性对传感器测量特性影响的基础理论研究，既是该类型传感器技术发展所需要的重要理论基础，同时也将极大地带动我国相关仪表产业技术的发展。

1.1国内外研究现状

1.1.1高温金属流体测量仪表研究现状

为了保证对高温金属液体（如NK-78)的有效检测，近年来国内外的学

者对此进行了积极探索。

现行的流速测量方法中的激光多普勒测速[1)、粒子图像测速2]、纹影法测速[2]、干涉法测速[22等是针对透明流体进行测量的，而钠钾合金冷却剂是非透明流体，且有特定条件（如辐照）的限制，以上方法不可行。冷却剂测量设备要满足抗高温、抗化学腐蚀等技术要求，热线/热膜法[2)、电势探针法2幻、光学探针法[2]等因设备结构尺寸及接触式测量方式的限制，很难被改进以对冷却剂进行无千扰、高精度的测量。瑞士Signal-processing公司的超声多普勒测速仪(Ultrasonic Doppler Velocimetry)[2]可以对采集到的信号进行处理、显示、分析，同时配备各种频率的探头和数据分析系统，但是这些探头都是普通压电传感器，受高温、腐蚀等限制，短时间可适用的最高温度为230℃，长时间可适用的最高温度为150℃，无法承受冷却剂堆芯入口温度400~450℃、出口温度550~600℃的使用环境。孙强等2]提出了一种称重法来测量高温金属流体，虽然可以实现对600℃以上高温液体流量的检测，但测量时需要开一个孔，使金属液体流出来获得其重量，进而得到被测液体的流速。由于钠是非常活泼的金属，泄漏出来的钠会与空气和水发生剧烈的化学反应，放出大量的热，并产生对人和设备有较大损害的气溶胶，因此这

2

第1章绪论⑧

种称重法不能应用到NaK-78的流量测量中。

超声波传感器283]受其自身结构及所测流体流速的限制，还不能较好地应用于高温NaK-78的测量。德国专利DE102007027391B33和

DE102007027392B332,美国专利US2010021860838)、US2010021861734和国际专

利WO2008152031A23]公开了一类适用于测量高温液态金属流速的超声波

传感器，但其附有的100~800mm的波导管在应用中受到尺寸结构的限制。汪卫华361的专利201210090901.5提出了一种超声波传感器用于液态金属测量，该传感器虽可以实现对230800℃冷却剂的测量，但是对所测液体的流速有限制（最大流速1m/s)。还有其他的堆芯仪表，如由Lehde等3]取得的专利中介绍的涡流流量计，由于涡流感应的磁场取决于一次线圈内的电流、流体流速和安装线圈盒体的电导及形状，其在原理上即存在着对管道流速分布十分敏感的问题。

目前国内已有一些测量的方法。查美生3在常规工业涡轮流量计的基础上，研制了一种可以测量高温金属冷却剂的涡轮流量计。这种涡轮流量计对空间有一定的要求。凌星39介绍了一种利用压差式流量计测量冷却剂流量的方法。该方法是通过测量不同环路的温差等值进而得到冷却剂的流量的，然而该方法中的设备在安装时容易受到空间几何尺寸的限制。

基于NK-78的高电导率特点，可利用流体的电磁特性制造测量仪

表]。电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律制成的一种流量测量传感器。当导电液体在磁场区域做切割磁力线运动时，在测量电极上会产生感应电动势，其大小与磁感应强度、传感器直径以及流体流速成正比，而流体流量又与该感应电动势之间存在映射关系，因而目前已有的电磁流量计技术在原理与方法上可以对导电流体进行高精度流量测量。

电磁流量传感器较其他仪表具有如下若干优点414)：测量范围宽；信号实时性好，响应速度快，可实现动态测量；流体密度或温度适当变化不会引入显著误差；温度、流量发生瞬时变化时，传感器不易损坏等。以上这些独特的优势使得电磁流量传感器在反应堆这样的环境下工作的可靠性比其他类型的仪表要高。

但是，若把典型电磁流量传感器当作NK-78测量仪表，其结构有如下难

以克服的不足之处。

①电磁流量传感器的测量管壁为绝缘材料或者内附一层绝缘衬里，通常选用聚四氟乙烯或陶瓷。但因为冷却剂的温度高于500℃，出口温度有时可高达600℃，聚四氟乙烯不能承受这么高的温度，所以存在管壁材料耐高温问题。

3

⑧电磁式流量传感器测量方法及理论

②电磁流量传感器的电极是穿过绝缘测量管：壁（或衬里）与流体接触的。在测量冷却剂流速时，存在电极与四氟乙烯或陶瓷绝缘层的密封问题。钠与空气接触会发生剧烈的化学反应，而且密封不好也会造成冷却剂的泄漏甚至会导致反应堆泄漏事件的发生。

文献[44]介绍了利用不锈钢管壁电磁流量传感器实现NaK-78流量的测量。不锈钢的测量管壁解决了电磁流量传感器测量管壁的耐高温及电极密封问题。文献[45]记载了电磁血流传感器，其具有类似传感器的结构特点：测量管壁不是绝缘材料，电极置于管壁外侧。2005年有专利提到“非绝缘测量管”的概念[6)。所谓“非绝缘”，表明测量管材料的电特性是一个相对概念，即测量管阻抗相对于被测流体要足够大，同时相对于信号测量放大器的输入阻抗要足够小，这样可保证传感器的测量精度。非绝缘管壁电磁流量传感器基本结构如图1-1所示。

励磁单元磁场

非绝缘测量管

信号引出点

信号引出点

、输出信号

励磁单元

图1-1非绝缘管壁电磁流量传感器基本结构

如图1-1所示，该传感器的测量管具有一定的电导率，因此无须与流体接触的固定电极，而可以通过管壁外侧的信号引出点将流速信号反映出来。由于非绝缘管壁电磁流量传感器特有的结构，其较典型点电极绝缘管壁电磁流量传感器可更好地作为钠冷快堆的堆芯仪表，具体原因如下。

①非绝缘的测量管壁是具有一定范围的电导率的材料。非绝缘测量管扩大了材料选择范围，可以选择耐高温的非绝缘材料，为实现电磁流量传感器测量管壁耐高温问题提供了一个有效解决途径。

②没有内置电极，传感器信号通过置于管壁外侧的信号引出点输出。引出点不与被测流体发生接触，解决了信号引出点与管壁之间的密封问题。

不锈钢管壁电磁流量传感器及电磁血流传感器均属于非绝缘管壁电磁流量传感器。然而，目前很少有关于这类电磁流量传感器的基本理论研究报道，非绝缘管壁电磁流量传感器在设计制造中缺少相关分析方法。

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⑧电磁式流量传感器测量方法及理论一

1.2现有非绝缘管壁电磁流量传感器分析

方法面临的难点及存在的问题

电磁流量传感器的分析方法理论涵盖电磁学、流体力学、数学物理方程等内容，是电磁流量传感器实际应用的基础与保证。因此，其研究受到了国内外学者以及技术工作者的长期关注，并有相关学术论文、专利与专著。然而，非绝缘管壁电磁流量传感器分析方法还面临着一些困难，且存在着若干问题与空白，需要进一步发展与完善。

1.2.1现有分析方法在理论研究方面的困难

目前，缺少针对非绝缘管壁电磁流量传感器基本理论的研究成果，这主要是因为分析方法及分析工具的局限性。

1.由于权重函数的求解困难而缺少针对性的分析方法

在电磁流量传感器分析方法的理论研究中，一个重要的问题是研究传感器测量空间中感应电动势的权重函数。权重函数不仅可以体现传感器内各单元对输出信号的贡献比重，而且是一种能够在不同流场下用于求解传感器输出电动势信号的数学计算与分析工具。权重函数理论的核心是基于传感器感应电动势的空间边界条件对拉普拉斯方程的求解。在第一、二类边界条件下，拉普拉斯方程可以得到解析解。对于结构固定的典型电磁流量传感器，其边界属于第二类边界条件，此时权重函数可以得到一种解析解，这样就可以形成一种基于权重函数的分析方法。然而，传感器结构的差异会导致边界条件的不同，如非绝缘管壁电磁流量传感器的测量管壁具有一定范围的电导率，且测量点位置的改变会导致传感器感应电动势的求解域及边界条件的变化，此时会产生混合边界。直接解析求解具有混合边界的拉普拉斯方程是

十分困难的，不能再继续沿用典型传感器权重函数的求解方法。同时，非绝缘管壁电磁流量传感器权重函数的分析还涉及求解域及内部边界的增加。对于这类问题，以往文献资料极少涉及，这大大增加了对非绝缘管壁电磁流量传感器权重函数分析方法研究的困难。

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···试读结束···