CN106643924A - 基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置。本发明对现有基于文丘里管的流量测量技术进行了改进，针对现有压差变送器难以工作于高温环境的问题，利用n型管并结合特殊结构的液位指示机构来实现对文丘里管压差的测量，具有结构简单、成本低廉的优点，可广泛应用于包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体流量监测。本发明还公开了一种基于文丘里管的高温导电液体流量测量方法。

Description

基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液体流量测量装置，尤其涉及一种基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置及方法。

背景技术

随着熔盐反应堆技术、熔盐集热技术等的发展，熔盐作为能量的储存和转移媒介，越来越受到重视，高温环境下的熔盐流速测定亟待研究。例如，第四代核反应堆-熔盐堆因其具有固有安全性及高效等优点，成为了未来核电领域的重要发展方向。该反应堆运行温度为600℃～700℃，以抗熔盐腐蚀的镍基高温合金(例如美国橡树岭实验室开发的Hastelloy N合金或我国科研单位开发的GH3535合金)作为结构材料，采用腐蚀性强的熔盐作为冷却剂。熔盐换热器作为反应堆的核心设备，为了保证其安全可靠运行，有必要对其中的熔盐流量进行准确地测量。

现有流量测量大致可分为以下几类：

1、容积式流量计：

容积式流量计又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积.所以，在容积式流量计内部必须具有构成一个标准体积的空间，通常称其为容积式流量计的“计量空间”或“计量室”.这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部件一起构成.容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差.流量计的转动部件(简称转子)在这个压力差作用下特产生旋转，并将流体由入口排向出口.在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口.在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数.就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。常用的有椭圆齿轮流量计，腰轮转子流量计和比较新型流量计。其优点为：计量精度高，安装管道条件对计量精度没有影响，可用于高粘度液体的测量，范围度宽，直读式仪表无需外部能源可直接获得结果，清晰明了，操作简便。其缺点为：结果复杂，体积庞大，被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，大部分仪表只适用于洁净单相流体，产生噪声及振动。

2、压差式流量计：

压差式流量计是利用伯努利方程原理来测量流量的流量仪器。在气体的流动管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前燃气稳定的向前流动，气体流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速将发生变化，速度加快，气体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压(孔板前截面大的地方压力大，通过孔板截面小的地方压力小)。差压的大小和气体流量有确定的数值关系，即流量大时，差压就大，流量小时，差压就小。差压式流量计就是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。压差式流量计的节流装置可以应用于高低温环境下，但受限于压差变送器中压差传感器的限制，压差式流量计无法在应用于高温液体的流量测量。

3、流体阻力式流量计：

流体阻力式流量计是利用阻力体对流体产生的阻力来测量流量的传感器，阻力体有圆盘状(称为靶)和转子等不同形式，相应的流量计分别称为靶式流量计和转子流量计。

靶式流量计是将圆形靶悬在管道中央，通过杠杆将所受阻力传递到力平衡转换器。作用于靶上主要有两种力。一种是冲击到靶上的流体动量所造成的动压力；另一种是流体通过靶与管壁之间的环形空隙时，节流作用所产生的静压差。薄圆形靶的周边上所受的粘滞力与前两种力相比可以忽略。靶所受到的合力与流速的平方成正比。力平衡式转换器利用差动变压器把杠杆的位移转换成电信号，再通过一个反馈线圈产生电磁力作用于杠杆并与流体阻力平衡。此时转换器的电流即与流速的平方成正比。靶式流量计利用了力平衡式传感器的优点和靶的特性，它能检测非导电性流体和差压式流量计不能测量的流体，如高粘度流体，高温熔融的浆液流体，也可检测气体和蒸汽的流量。

转子流量计有一个垂直的锥形玻璃管或金属管，在锥形管内漂浮着一个转子或称浮子。所以转子流量计又称浮子流量计。转子的重量靠自下而上的流体压力平衡。随着流体流速的变化，转子自由地在锥形管内上、下移动。随转子上升锥形管的截面积逐渐增大，起到减缓升力增加的作用。转子上、下移动的距离可以作为流量的度量。简单的读出方法是通过标定，在锥形管壁上刻线来表示流量大小。也可以将转子通过导杆与差动变压器的铁心相连，把转子的位移转换成电信号输出。转子流量计灵敏度较高，读数直观方便，常用于测量气体和液体流量，尤其适合于小流量测量，如实验室和仪器设备中的流量监视。

4、速度式流量计：

速度式流量计又可分为涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计。

涡轮流量计的原理为：流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器(由永久磁钢和线圈组成)的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法。

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。

根据以上分析可知，多数现有流量计无法对高温液体的流量进行有效测量，尤其是像熔盐这样兼具高温与高腐蚀性的流体，而少部分能够使用的现有流量计也普遍存在结构复杂、成本高昂的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置及方法，可对包括熔盐和液体金属在内的高温导电液体流量进行准确测量，且具有结构简单、成本低廉的优点。

本发明基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置，包括串接于高温导电液体管道中的文丘里管以及压差变送装置；所述压差变送装置包括第一静压管、第二静压管、气罐、温控单元、电气检测单元；第一静压管、第二静压管的下端管口分别与文丘里管的入口测压环、喉道测压环密封连接，第一静压管和第二静压管的上端管口分别竖直向上延伸；所述气罐为充有气体的密闭容器，气罐内部与第一静压管和第二静压管的上端管口分别密封连接；所述温控单元用于使第一静压管和第二静压管的温度与高温导电液体的温度一致，其包括将第一静压管和第二静压管包裹住的保温层以及温控组件；在第一静压管的竖直向上延伸段以及第二静压管的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，所述液位指示机构包括一根具有刚性导线芯的陶瓷管，该陶瓷管的一端垂直插入所对应高度处的第一静压管/第二静压管内，该陶瓷管的另一端位于所述保温层之外，在该陶瓷管位于第一静压管/第二静压管外的部分的外层密封嵌套有金属套管；所述电气检测单元用于检测各液位指示机构中的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。

进一步地，所述装置还包括可调节气罐内部气压的气压调节装置。

进一步地，所述装置还包括用于对各液位指示机构位于保温层外的部分进行降温的冷却系统。

优选地，气罐中的气体为压缩空气或惰性气体。

优选地，所述电气检测单元为万用表。

优选地，所述电气检测单元包括电源和指示灯。

进一步地，所述装置还包括自动控制单元，用于自动控制电气检测单元扫描检测各液位指示机构的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况，并根据检测情况计算输出高温导电液体的流量。

基于文丘里管的高温导电液体流量测量方法，利用以上任一技术方案所述装置实现，具体为：首先利用电气检测单元检测出第一静压管/第二静压管上与高温导电液体之间电气导通的刚性导线芯，并从中选出所对应高度最大的一个，以该刚性导线芯所属液位指示机构所对应高度作为第一静压管/第二静压管内高温导电液体的液位高度；然后根据第一静压管与第二静压管内高温导电液体的液位高度差计算出文丘里管的入口测压环和喉道测压环之间的压力差，进而计算出高温导电液体的流量。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明对现有基于文丘里管的流量测量技术进行了改进，针对现有压差变送器难以工作于高温环境的问题，利用n型管并结合特殊结构的液位指示机构来实现对文丘里管压差的测量，具有结构简单、成本低廉的优点，可广泛应用于包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体流量监测。

附图说明

图1为本发明流量测量装置的结构示意图；

图2为液位指示机构一个优选结构的结构示意图；

图中标号含义具体如下：

1.导线，2、压力调节装置，3、液位指示机构，4、第一静压管，5、气罐，6、第二静压管，7、出口段，8、喉道，9、入口段，10、导线，11、电气检测单元，300、冷却水管，301、螺纹，302、陶瓷管，303、金属套管，304、密封垫圈，305、刚性导线芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

为了实现对包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体的流量进行准确测量，本发明的思路是对现有基于文丘里管的流量测量技术进行，利用n型管并结合特殊结构的液位指示机构来实现高温导电液体的压差变送，该装置测量结果准确，结构简单，不需要复杂昂贵的设备，实现成本低廉。

为了便于公众理解，在对本发明技术方案进行详细说明之前，先对文丘里管的基本原理进行简要介绍。

文丘里管(Venturi tube)是测量流体压差的一种装置，是意大利物理学家G.B.Venturi发明的，故名。文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量。典型的文丘里管由以下各部分组成：①入口段：一个短的圆柱段，其直径为D；②收缩段：形状为一锥形管，锥角约为21°±2°；③喉道：一个短的直管段，直径约为1/3～1/4D，长度等于管径；④扩散段：锥角为8°～15°的锥管。距入口段末端0.25～0.75D处有一个测压环，上面至少有4个测压孔；此外，在喉道中央处也有一个多孔道的测压环。通过与两个测压环连接的压差变送器可测出入口截面与最小截面(即喉道截面)间的压力差。应用伯努利定理和连续性方程并注意到平均运动的流线是

等高的，经简单推导即可得出流量Q的计算公式：

其中，S₁、S₂分别为入口段截面积、喉道截面积，(p₁-p₂)为压差变送器测出的压差，ρ为流体密度。

文丘里管主要优点是装置简单；其次，由于它的扩散段使流体逐渐减速，减小了湍流度(见湍流)，所以压头损失小，不超过入口和喉道间压差的10～20％。因此，文丘里管已广泛用于石油、化工、冶金、电力等行业大管径流体的控制与计量。然而，对于高温流体，由于现有压差传感器受材料限制很难在高温环境下正常工作，因此文丘里管测流量技术无法应用于包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体。

图1显示了本发明流量测量装置的基本结构。如图1所示，该装置包括串接于高温导电液体管道中的文丘里管以及压差变送装置；所述压差变送装置包括第一静压管4、第二静压管6、气罐5、温控单元、电气检测单元11；如图1所示，第一静压管4、第二静压管6的下端管口分别与文丘里管的入口段9的测压环、喉道8的测压环密封连接，第一静压管4和第二静压管6的上端管口分别竖直向上延伸；所述气罐5为充有气体(根据流体特性可选用压缩空气或氦、氖、氩、氮等惰性气体)的密闭容器，气罐5内部与第一静压管和第二静压管的上端管口分别密封连接，这样，第一静压管4、第二静压管6、气罐5就构成了一个连通的n型结构；所述温控单元用于使第一静压管4和第二静压管6的温度与管道中的高温导电液体的温度一致，其包括将第一静压管4和第二静压管6包裹住的保温层以及温控组件(包括设置于保温层内的电热元件、热电偶以及温控器等)，为便于观看，图1中并未示出温控单元。

如图1所示，在第一静压管4的竖直向上延伸段以及第二静压管6的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构3，所述液位指示机构的结构如图2所示，包括一根具有刚性导线芯305的陶瓷管302，陶瓷管302的一端垂直插入所对应高度处的第一静压管4(或第二静压管6)内，陶瓷管302的另一端位于所述保温层之外，这样的结构可使得刚性导线芯305与第一静压管4(或第二静压管6)的金属管壁绝缘。为了保护陶瓷管302并同时起到将陶瓷管302与第一静压管4(或第二静压管6)的管壁连接处进行密封的作用，如图2所示，在陶瓷管302位于第一静压管4(或第二静压管6)外的部分的外层密封嵌套有金属套管303；在本实施例中，金属套管303的端部带有螺纹301，可配合螺母和橡胶圈进行密封，防止高温导电液体从陶瓷管道与金属管道的间隙中流出；冷却水管300可降低金属套管端部温度，保证陶瓷管与金属套管之间的密封效果。其中，具有刚性导线芯的陶瓷管可以采用现有复合陶瓷材料制备工艺制备得到，例如通过在刚性导线上利用烧结方式制备出一层陶瓷层的方法制得，这样，刚性导线芯与陶瓷管之间紧密结合，不会产生空隙；或者，也可以在空心的陶瓷管中插入刚性导线，这样的方式会在刚性导线芯与陶瓷管之间产生空隙，因此还需要在刚性导线芯与陶瓷管之间用高温胶进行密封，以防止熔盐从缝隙中流出。

所述电气检测单元用于检测各液位指示机构中的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。如图1所示，电气检测单元11通过导线1、导线10分别与刚性导线芯305、高温导电液体的金属管道电连接。电气检测单元11可以是电阻测量或电流测量或电压测量设备，例如最常用的万用表，或者串接有指示灯的电压源。如图1所示，第一静压管4(或第二静压管6)中的高温导电液体液面上升到某一高度，此时，在该高度以下的所有液位指示机构中的刚性导线芯305均与管道中的高温导电液体电气导通，则指示灯会亮起，或者测得的电阻极小；而处于该高度以上的所有液位指示机构中的刚性导线芯305均与管道中的高温导电液体电气断开，则指示灯不会亮，或者测得的电阻极大；因此，利用电气检测单元11检测出第一静压管4(或第二静压管6)上与高温导电液体电气导通的刚性导线芯，并从中选出所对应高度最大的一个，则该刚性导线芯所对应高度即为第一静压管4(或第二静压管6)内的高温导电液体的液位高度。显然，第一静压管4与第二静压管6内的液位高度差乘以液体密度和重力加速度，即得文丘里管两个测压环之间的压差，代入式(1)即可得到管道内高温导电液体(如熔盐、熔融金属等)流量Q的计算公式如下：

其中，Δh为第一静压管与第二静压管内的液位高度差，单位为m；S₁、S₂分别为入口段截面积、喉道截面积，单位为m²；g为重力加速度，单位为m/s²；C为流量系数，与文丘里管的结构参数有关，对于特定的文丘里管，为一常量。

为了利用较短的静压管来实现更大压力范围的测量，从而有效扩展测量量程，本实施例中还增加了可调节气罐内部气压的气压调节装置2，利用气压调节装置2适当增加气罐内部的气压，可降低第一、第二静压管中的液面高度(但对液面高度差无影响)。

本发明测量装置中的文丘里管、静压管、气罐等可根据高温导电液体的温度、腐蚀性等特性选择合适的材料，例如可以选取与高温导电液体管道相同的材料，或者采用耐熔盐腐蚀的高温合金。

为了提高测量的自动化程度，可以通过单片机或计算机控制的多路选择开关实现液位指示机构的自动扫描检测，并利用单片机或计算机直接显示流量监测结果或者进一步将流量监测结果传输至远端的监控终端。此类技术方案为自动控制领域的常规手段，为节省篇幅，此处不再展开描述。

Claims (9)

1.基于文丘里管的高温导电液体流量测量装置，其特征在于，包括串接于高温导电液体管道中的文丘里管以及压差变送装置；所述压差变送装置包括第一静压管、第二静压管、气罐、温控单元、电气检测单元；第一静压管和第二静压管的下端管口分别与文丘里管的入口测压环、喉道测压环密封连接，第一静压管和第二静压管的上端管口分别竖直向上延伸；所述气罐为充有气体的密闭容器，气罐内部与第一静压管和第二静压管的上端管口分别密封连接；所述温控单元用于使第一静压管和第二静压管的温度与高温导电液体的温度一致，其包括将第一静压管和第二静压管包裹住的保温层以及温控组件；在第一静压管的竖直向上延伸段以及第二静压管的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，所述液位指示机构包括一根具有刚性导线芯的陶瓷管，该陶瓷管的一端垂直插入所对应高度处的第一静压管/第二静压管内，该陶瓷管的另一端位于所述保温层之外，在该陶瓷管位于第一静压管/第二静压管外的部分的外层密封嵌套有金属套管；所述电气检测单元用于检测各液位指示机构中的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括可调节气罐内部气压的气压调节装置。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述高温导电液体为熔融金属或者熔盐。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括用于对各液位指示机构位于保温层外的部分进行降温的冷却系统。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，气罐中的气体为压缩空气或惰性气体。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电气检测单元为万用表。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电气检测单元包括电源和指示灯。

8.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括自动控制单元，用于自动控制电气检测单元扫描检测各液位指示机构的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况，并根据检测情况计算输出高温导电液体的流量。

9.基于文丘里管的高温导电液体流量测量方法，其特征在于，利用权利要求1～8任一项所述装置实现，具体为：首先利用电气检测单元检测出第一静压管/第二静压管上与高温导电液体之间电气导通的刚性导线芯，并从中选出所对应高度最大的一个，以该刚性导线芯所属液位指示机构所对应高度作为第一静压管/第二静压管内高温导电液体的液位高度；然后根据第一静压管与第二静压管内高温导电液体的液位高度差计算出文丘里管的入口测压环和喉道测压环之间的压力差，进而计算出高温导电液体的流量。