[發(fā)明專利]在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下測(cè)量導(dǎo)電流體中速度和渦量的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011515059.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN112665821B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陽倦成;張祥飛;呂澤;張年梅;倪明玖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M10/00
• 分類號(hào): G01M10/00;G01P5/08
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 弋才富

在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下測(cè)量導(dǎo)電流體中速度和渦量的裝置及方法，裝置包括通道內(nèi)可移動(dòng)的浸入式的探針，控制探針運(yùn)動(dòng)的位移裝置，通過屏蔽線連接探針電勢(shì)信號(hào)的多通道高精度同步電壓采集系統(tǒng)；基于電勢(shì)探針原理，將探針采集到的電勢(shì)信號(hào)，與流速建立關(guān)系，直接得到流場(chǎng)的局部速度分布，通過電勢(shì)差和磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得渦量；本發(fā)明通過信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，能夠在外部強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，高精度測(cè)量液態(tài)金屬流場(chǎng)內(nèi)部局部速度和渦量分布，解決強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬局部流場(chǎng)特征的高精度測(cè)量的難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下測(cè)量導(dǎo)電流體中速度和渦量的裝置及方法。

背景技術(shù)

液態(tài)金屬流動(dòng)現(xiàn)象可以理解為電磁學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)特性的結(jié)合，其蘊(yùn)含豐富的基礎(chǔ)研究意義。在磁約束核聚變裝置的包層結(jié)構(gòu)中，金屬流體在磁場(chǎng)中的流動(dòng)問題是一個(gè)重大的研究方向，另外，在一些工業(yè)過程中，比如金屬冶煉過程中，需要利用外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬流體的流動(dòng)控制。如何在高溫強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬流體流場(chǎng)特征的精確測(cè)量一直以來是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而且，由于金屬流體不透光、容易氧化、高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱性等特征，使得對(duì)于流速的直接測(cè)量變得更加困難。

依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，可用于測(cè)量磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬流動(dòng)內(nèi)部流場(chǎng)特征的方案有：

1、直接接觸的測(cè)量方法：(1)電勢(shì)探針法。通過探針浸入液態(tài)金屬并保持與流體良好的電接觸，測(cè)量恒定磁場(chǎng)中流體產(chǎn)生的垂直于磁場(chǎng)方向的電勢(shì)差來得到流場(chǎng)局部速度。其優(yōu)勢(shì)是時(shí)間分辨率高，探針和間距可以設(shè)計(jì)的非常小以提高空間測(cè)量精度，也便于設(shè)計(jì)為壁面矩陣式陣列以得到豐富的瞬態(tài)流場(chǎng)信息；(2)電阻探針法。其原理是液相通過探針區(qū)域時(shí)測(cè)得的電阻顯著下降，而氣相通過時(shí)電阻急劇升高。該方法常用于液態(tài)金屬兩相流的測(cè)量，必須謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)探針與液體的電接觸性能；(3)熱線測(cè)速儀技術(shù)。該方法與傳統(tǒng)熱線風(fēng)速計(jì)原理一致，基于加熱狀態(tài)下的電阻絲與流場(chǎng)的熱交換，其溫度與周邊液體流速呈線性相關(guān)；(4)精密光學(xué)-機(jī)械方法。該方法基于流體對(duì)浸入的微小探頭的機(jī)械作用力。但是，對(duì)安裝精度要求很高。

2、間接接觸的測(cè)量方法：脈沖超聲波多普勒測(cè)速法。超聲波探頭向流體中發(fā)送單一方向的脈沖，同時(shí)接受被不同距離處的流體微團(tuán)反射的信號(hào)。通過發(fā)送到接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出流體微團(tuán)的空間位置，通過發(fā)送到接收信號(hào)的多普勒頻移計(jì)算出流體微團(tuán)的速度。在該方法中，探頭可以裝入壁面而不必浸入液體，對(duì)流場(chǎng)無影響。但是，根據(jù)超聲信號(hào)只能得到超聲波發(fā)射方向的一維流場(chǎng)信息，且超聲信號(hào)受到周圍環(huán)境噪聲和磁場(chǎng)噪聲的影響顯著。

3、非接觸的測(cè)量方法：(1)射線測(cè)量方法。通過γ射線，X射線和中子射線在液態(tài)金屬流場(chǎng)中照射，得到的圖像可以分析出豐富的二維流場(chǎng)信息。然而射線在流體中衰減很快，其在沿射線方向的測(cè)量深度通常僅為厘米級(jí)。而且，該方法主要用于液態(tài)金屬兩相流的研究，主要的技術(shù)限制在于提高其時(shí)間分辨率以及改進(jìn)為三維測(cè)量系統(tǒng)；(2)洛倫茲力測(cè)速計(jì)方法。通過測(cè)量流體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)永磁體的反作用力來得到流速。但是，其空間分辨率受限于永磁體的尺寸，時(shí)間分辨受限限于傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性。

綜上，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)下金屬流體內(nèi)部任意局部的速度和渦量的測(cè)量，最直接有效的方法是通過直接接觸的電勢(shì)探針方法來實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的目的在于提供在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下測(cè)量導(dǎo)電流體中速度和渦量的裝置及方法，基于電勢(shì)探針原理，通過信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，能夠在外部強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，高精度測(cè)量液態(tài)金屬流場(chǎng)內(nèi)部局部速度和渦量分布。解決強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬局部流場(chǎng)特征的高精度測(cè)量的難題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下測(cè)量導(dǎo)電流體中速度和渦量的裝置，包括可移動(dòng)的浸入式的探針5，控制探針5運(yùn)動(dòng)的位移裝置6，通過屏蔽線7連接探針5電勢(shì)信號(hào)的多通道高精度同步電壓采集系統(tǒng)8；