阅读说明：本技术 强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法 (System and method for measuring high space-time precision of liquid metal velocity field under strong magnetic field ) 是由 倪明玖 吕泽 阳倦成 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法,测量系统包括集成在通道壁面上的微探针阵列及其集线器,浸入式探针及其三维位移装置,多通道高精度同步电压采集系统；浸入式探针位置由计算机通过其位移装置自动化控制；壁面微针阵列和浸入式探针的信号接入同步电压采集系统；基于该系统实现液态金属速度场的精确测量；以管道流为例,给出了测试步骤和数据处理方法；运用多种形式的探针结构测量多点局部速度分量,亦可测量近壁面速度、主流速度、主流涡度等速度场信息；本发明克服了液态金属速度场不易测量的难点,具有实用性强,测量效果好的特点。(The measuring system comprises a microprobe array and a concentrator thereof, an immersion probe and a three-dimensional displacement device thereof, and a multi-channel high-precision synchronous voltage acquisition system, wherein the microprobe array and the concentrator thereof are integrated on the wall surface of a channel; the position of the immersion probe is automatically controlled by a computer through a displacement device of the immersion probe; signals of the wall surface microneedle array and the immersion probe are connected into a synchronous voltage acquisition system; the system is used for realizing accurate measurement of the liquid metal velocity field; taking pipeline flow as an example, a testing step and a data processing method are given; the probe structure in various forms is used for measuring the multipoint local velocity component, and the velocity field information such as the near wall surface velocity, the main flow vorticity and the like can also be measured; the invention overcomes the difficulty that the liquid metal velocity field is difficult to measure, and has the characteristics of strong practicability and good measuring effect.)

强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，特别涉及一种强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法。

背景技术

液态金属流动现象可以理解为电磁学与流体力学特性的结合，其蕴含丰富的基础研究意义，亦在钢铁冶金工业和磁约束聚变反应堆中有重要的工程应用场景。尤其聚变堆涉及到大量的液态金属流动换热的物理和工程问题。液态金属流动由于其跨尺度、多场耦合、不透光、高温特性，很多传统测量手段无法适用，研究极具挑战。从磁流体动力学的发展历史来看，液态金属流场测量技术对学科发展举足轻重。

依据文献调研，现有的液态金属局部流场测量方案总结如下：

1、电势探针法。它测量恒定磁场中流体产生的垂直于磁场方向的电势差。探针浸入液体并须保持与其良好的电接触。其优势是时间分辨率高，探针和间距可以设计的非常小以测量当地速度，也便于拓展为阵列以得到丰富的瞬态流场信息。

2、永磁铁探针法即将微小永磁铁与电势探针紧密贴合，一并浸入流体。原理与电势探针法类似，然而仅适用于无背景磁场下的流速测量。

3、电阻探针法，常用于液态金属两相流的测量。其原理是液相通过探针区域时测得的电阻显著下降，而气相通过时电阻急剧升高。这种方案必须谨慎调节探针与液体的电接触性能。

4、热线测速仪是与传统热线风速计一样的技术。基于加热状态下的电阻丝与流场的热交换，其温度与周边液体流速呈线性相关。

5、压力测量(皮托管)为传统浸入式测量方案，在液态金属中用于对主流速度的测量。

6、精密光学-机械方法基于流体对浸入的微小探头的机械作用力。对安装精度要求很高。

7、脉冲超声波测速法及其分支，在液态金属测量中应用广泛。探头向流体中发送单一方向的超声波脉冲，并接受被不同距离处的流体微团逐步反射的信号。通过发送、接收时间差计算出流体微团的空间位置，通过发送、接收的多普勒频移计算出流体微团的速度，因此其信号可以计算出超声波发射方向的一维流场信息。脉冲超声波方法中，探头可以装入壁面而不必浸入液体，对流场无影响。

8、高能射线成像主要用于液态金属两相流的研究。文献中已有γ射线,X射线和中子射线在液态金属流场测量中的应用。从图像可以分析出丰富的二维流场信息。然而其限制是射线在流体中衰减很快，其在沿射线方向的测量深度通常仅为厘米级。另一方面，提高其时间分辨率，或改进为三维测量系统仍面临大量技术挑战。

9、一些基于二次感应磁场的局部流场测量方法。如电磁成像法(基于电阻、电导或电容测量的成像技术)，感应线圈法。此类方法基于流体在外部交变(或恒定)磁场下的感应磁场反馈。基于磁场信号反向推导流场信息。

10、洛伦兹力测速计也是一种基于感应磁场的方法。它测量流体产生的感应磁场对磁源(即永磁体)的反作用力。其空间分辨率限于永磁体的尺寸(小至毫米级)，时间分辨率限于传感器机械结构特性。

综上，方法2不适用于强背景磁场环境；方法3、8主要用于两相流；方法4不适用于热环境；方法5用于主流测量，难以测量局部速度；方法6时间分辨率不足；方法7仍然是超声波尺度上的空间平均方法；方法9、10的信号均依赖于电磁作用在局部空间的积分效果，空间分辨率欠缺。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法，基于电势探针原理，设计各类探针排布、信号采集系统及数据分析方法，解决强磁场下液态金属局部流场高精度测量的难题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统，包括壁面探测器3，通道主流区域内设置有浸入式探针4，浸入式探针4固定在位移装置5上，壁面探测器3与浸入式探针4的信号端连接至多通道高精度同步电压采集系统6。

所述的浸入式探针4两两间距1-5mm，为单体浸入式探针，包含直径0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝，铜丝绑定后穿入直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体内部填胶固定，管体整体涂抹绝缘层，保证浸入后探针整体不与液体产生电接触，只有铜丝尖端与液态金属保持电接触。

所述的壁面探测器3包括微探针阵列3-1，阵列间的间距1-5mm，微探针阵列3-1一端***通道壁面预留的壁面微孔中，并穿透通道壁面垂直焊接在电路板3-2上，微探针阵列3-1全体覆盖绝缘包层，仅微探针阵列3-1另一端的探针尖端保持与流体的电接触；所述壁面微孔由绝缘胶填充，保证液体***露且探针与壁面电绝缘电路板3-2上预制电路将探针配对组成电压信号正负极形成集线插头3-3。

所述的多通道高精度同步电压采集系统6经由屏蔽信号线与壁面探测器3和浸入式探针4相连，采集、存储电压信号；具备200通道或更多的模拟信号的同步采集能力；能达到500S/s或更高的采集速度。

强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统的方法，包括以下步骤：

一、浸入式探针4测量得到电压信号，其与流速成正比，基于欧姆定律的基本原理，液态金属在磁场中流动会产生垂直于流动方向的感应电势差：

其中j为电流密度，σ为液态金属电导率，为电势差即测得信号，u为流速，B为磁通密度，在外部强磁场下，j/σ～0，因而两个测点间的电势差与速度直接相关，流体速度即为：

其中dz为电势探针两点在垂直于磁场和流动平面方向上的间距。由于浸入式探针4固定在位移装置5上，通过位移至流动截面上的各个位置，浸入式探针4可以测得各位置的局部速度，浸入式探针4数据分析方法包括同一位置不同方向电势差与速度分量的对应关系，反映空间同一位置的三维速度信息，根据欧姆定律，垂直于磁场2方向的两个速度分量与其电势正相关，即u_x～dφ_7,8＝φ₇-φ₈，u_z～dφ_9,10＝φ₉-φ₁₀；

二、壁面探测器3原理与浸入式探针4一致，壁面探测器3集成了多个微针组成的阵列，该阵列微针相邻两两之间即为一组电压信号，对应一个局部流速，因此该壁面探测器3可以测量多点速度，组成速度分布结果；

三、确定探针间距，关于探针间距的选择，浸入式探针4两两之间距离，微探针阵列3-1阵列间的间距，Δl为1-5mm；

四、确定采样速度，采样速度高于500S/s；

五、壁面探测器3与浸入式探针4的信号联合分析，不同空间位置局部速度的相关性反映整体流动结构。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本方法适用于不透明的液态金属测量，相比其他液态金属测量手段，本发明测得的局部速度场更加精细，具有优异的时间(毫秒级)和空间(小于毫米级)分辨率。

2、本发明探针细，响应快，制造成本低；对流动的影响可以忽略不计。可承受高温和强磁场环境，对流体电导率不敏感，耐振动性能好。

3、本发明具有易于扩展的特性，可以按需布置大量的探针测点，以获得清晰的大空间范围的整场数据。

附图说明

图1以管道流为例，示意本测量系统的实现方法。

图2为浸入式探针的结构示意图。

图3为微探针阵列及其电路板的结构示意图。

图4为探针阵列的壁面安装示意图。

图5为信号处理流程。

具体实施方式

本发明是一种液态金属局部流场测量方法，主要测量对象为流场在微探针间形成的电势差。主要测量部件包括集成在通道壁面上的微探针阵列及其集线器，浸入式探针及其三维位移装置，多通道高精度同步电压采集系统。

下面以液态金属在背景磁场下的管道流为例，结合附图为例进一步说明。

如图1所示，液态金属主流速度1，外部磁场2，主流速度1由外部循环回路系统提供。外部磁场2可以来自永磁体、电磁体或超导磁体，为管道提供稳定的磁场环境。强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统，包括多个壁面探测器3，可以测量近壁面的流场信息。通道主流区域内设置有浸入式探针4，浸入式探针4固定在位移装置5上，通过位移至流动截面上的各个位置，浸入式探针4可以测得各位置的局部速度。壁面探测器3与浸入式探针4的信号端连接至多通道高精度同步电压采集系统6，采集、存储电势数据，并将其换算速度场信息。

如图2所示，所述的浸入式探针4两两间距1-5mm，为单体浸入式探针，包含直径0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝，铜丝绑定后穿入直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体内部填胶固定，管体整体涂抹绝缘层，保证浸入后探针整体不与液体产生电接触，只有铜丝尖端与液态金属保持电接触。

如图3，所述的壁面探测器3包括微探针阵列3-1，阵列间的间距1-5mm，微探针阵列3-1一端***通道壁面预留的壁面微孔中，并穿透通道壁面垂直焊接在电路板3-2上，微探针阵列3-1全体覆盖绝缘包层，仅微探针阵列3-1另一端的探针尖端保持与液态流体的电接触；所述壁面微孔由绝缘胶填充，保证液体***露且探针与壁面电绝缘。电路板3-2上预制电路将探针配对组成电压信号正负极形成集线插头3-3。所述的多通道高精度同步电压采集系统6经由屏蔽信号线与壁面探测器3和浸入式探针4相连，采集、存储电压信号；具备200通道或更多的模拟信号的同步采集能力；具备很高的电压分辨率，精度达到微伏量级，同时具备良好的接地设计，降低电磁干扰产生的信号噪音。多通道高精度同步电压采集系统6能达到500S/s或更高的采集速度。

在垂直于磁场方向的壁面上横纵排列多个探头阵列，探头尖端可以紧贴管道内壁、或超出内壁1-5mm，基于与浸入式探针同样的原理，即可得到近壁面平行于壁面的二维速度场信息。此种方法同时适用于壁面是导电或非导电材料。当壁面是导电材料时，探针与壁面的间隙应填充绝缘材料，阻隔探针与壁面的电接触，如图4所示，13至16为壁面探针，17为探针和微孔之间填充的绝缘密封胶。

强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统的方法，包括以下步骤：

一、浸入式探针4测量得到电压信号，其与流速成正比，基于欧姆定律的基本原理，液态金属在磁场中流动会产生垂直于流动方向的感应电势差：

其中j为电流密度，σ为液态金属电导率，

为电势差即测得信号，u为流速，B为磁通密度，在外部强磁场下，j/σ～0，因而两个测点间的电势差与速度直接相关，流体速度即为：

其中dz为电势探针两点在垂直于磁场和流动平面方向上的间距。由于浸入式探针4固定在位移装置5上，通过位移至流动截面上的各个位置，浸入式探针4可以测得各位置的局部速度。具体地，如图2所示，浸入式探针4数据分析方法包括同一位置不同方向电势差与速度分量的对应关系，反映空间同一位置的三维速度信息，根据欧姆定律，垂直于磁场2方向的两个速度分量与其电势正相关，即u_x～dφ_7,8＝φ₇-φ₈，u_z～dφ_9,10＝φ₉-φ₁₀。

二、壁面探测器3的结构如图3所示，其基本原理与浸入式探针4一致。不同之处在于浸入式探针4仅采集单个空间点的流速，而壁面探测器3集成了多个微针组成的阵列，该阵列微针相邻两两之间即为一组电压信号，对应一个局部流速，因此该壁面探测器3可以测量多点速度，组成速度分布结果。

三、确定探针间距。关于探针间距的选择。浸入式探针4两两之间距离，微探针阵列3-1阵列间的间距，在制作探针时两测点要尽量接近，即Δl要尽量小。而Δl越小则信号幅值越低，其相对于环境噪音的信噪比越小，越不易测量。在从上述分析可以看出，对于不同的研究目标，Δl的选择始终是一种权衡。对于液态金属流体局部速度的测量，以Δl＝4mm，u＝0.1-1m/s，B＝0.1-1T为例，测量信号dφ的范围约为40-4000微伏。对液态金属流动测量，本发明建议Δl为1-5mm。

四、确定采样速度。由上条可知，探针直接测得的速度实际是空间Δl尺度上的空间平均流场信息。有些情况下此种空间分辨率还不足够。在稳定湍流的情况下，如果采样速度足够高，对脉动速度时序信号进行频域分析可以获得脉动速度高频信息，其对应更小空间尺度的速度脉动，即

dφ′～u′,u′(高频)～u′(小空间尺度)

依据湍流结构理论，此种频域分析结果与流动空间尺度一一对应。此方法可以建立起局部速度信号的时间尺度与空间尺度的联系，可以获得极小空间尺度下的局部速度脉动信息。对液态金属流动测量，本发明建议采样速度高于500S/s。

五、壁面探测器3与浸入式探针4的信号联合分析。不同空间位置局部速度的相关性反映整体流动结构。数据分析流程如图5所示。以外部磁场2很强的情况为例，液态金属流动形成准二维结构。从浸入式探针4可测得j_y～0，即dφ_11,12＝φ₁₁-φ₁₂～0，因此dφ_11,12是流动三维与二维结构转换的定量指标。另一方面，两侧壁面探针阵列3与探针4测得的速度三者呈现高度的相关性，亦表明流动形成准二维结构。需要注意的是，随着外部磁场的加强，流动三维二维转换是一个逐渐变化的过程，其中的细节研究并不充分，也正是本专利技术的研究目标。