一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针及其标定装置
阅读说明：本技术 一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针及其标定装置 (Electromagnetic probe for measuring local flow velocity of liquid metal and calibration device thereof ) 是由 张大林 陈宇彤 王成龙 田文喜 苏光辉 秋穗正 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针及其标定装置,该电磁探针包括耐高温永磁体、耐高温绝缘基体、耐高温金属电极、漆包电极线、保护套管、耐高温结构胶；其标定装置包括可调速旋转平台、环形容器、电加热器、电磁探针、信号放大系统、信号采集系统、透明护罩和温度计。电磁探针标定装置通过测量电磁探针在不同的液态金属流速下产生的动生电动势,拟合得出液态金属流速和动生电动势之间的关系式,实现电磁探针的标定。经过标定的电磁探针根据标定装置得出的液态金属流速和动生电动势之间的关系进而间接地得出探头处液态金属流速。该套装置可以实现液态金属局部流速的测量。(The invention discloses an electromagnetic probe for measuring the local flow velocity of liquid metal and a calibration device thereof, wherein the electromagnetic probe comprises a high-temperature-resistant permanent magnet, a high-temperature-resistant insulating matrix, a high-temperature-resistant metal electrode, an enamelled electrode wire, a protective sleeve and high-temperature-resistant structural adhesive; the calibration device comprises a speed-adjustable rotary platform, an annular container, an electric heater, an electromagnetic probe, a signal amplification system, a signal acquisition system, a transparent shield and a thermometer. The electromagnetic probe calibration device obtains a relational expression between the liquid metal flow velocity and the motional electromotive force by fitting by measuring the motional electromotive force generated by the electromagnetic probe under different liquid metal flow velocities, so as to realize the calibration of the electromagnetic probe. The calibrated electromagnetic probe indirectly obtains the liquid metal flow velocity at the probe according to the relation between the liquid metal flow velocity and the motional electromotive force obtained by the calibration device. The device can realize the measurement of the local flow velocity of the liquid metal.)
技术领域
本发明属于液态金属流动特性实验研究领域，具体涉及一种用于测量液态金属局部流速的电磁探针及其标定装置。
背景技术
液态金属冷却反应堆，指采用液态金属作为冷却剂的一种新概念反应堆，具有热效率高、运行压力低、固有安全性好、核燃料增殖和核废料嬗变等诸多优点，为第四代反应堆中最具前景的堆型之一。
由于液态金属和传统轻水冷却剂在理化特性上的巨大差异，基于轻水冷却剂得出的研究经验不可直接套用，需对液态金属在反应堆内不同种类流动通道中的流动特性开展实验研究，从而为液态金属冷却反应堆的设计和安全分析提供参考。
现有液体流速测量装置有皮托管、激光粒子成像仪、孔板流量计、涡街流量计、电磁流量计等。然而上述设备应用于液态金属流速测量时，都或多或少存在一些不足：皮托管结构精细，取压孔十分细小，极易因液态金属局部凝固或因流场中存在固体杂质而堵塞取压孔；由于大部分液态金属均不透明，因此激光粒子成像仪无法应用；孔板流量计、涡街流量计和电磁流量计可测出流通截面平均流速，但无法测出流动通道中局部流速。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针及其标定装置，该套装置适用于不同类型流动通道中液态金属局部流速的测量，可有效地测出液态金属在不同种类流动通道中的流速分布，不仅可用于液态金属流动特性的研究，还可以为液态金属冷却反应堆的设计、安全分析以及数值模拟程序的验证提供参考。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针，所述用于液态金属局部流速测量的电磁探针1包括用于在高温环境下提供磁场的耐高温永磁体1-1、用作固定架的耐高温绝缘基体1-2、用于探测动生电动势的耐高温金属电极1-3、用于传输动生电动势信号的耐高温漆包电极线1-4、耐高温保护套管1-5以及用于粘接、密封各部件的耐高温结构胶1-6；
所述耐高温绝缘基体1-2由耐高温绝缘材料制成，且具有安放耐高温永磁体 1-1的中心孔和供耐高温金属电极1-3穿过的两个边缘小通孔，所述耐高温永磁体1-1安插在耐高温绝缘基体1-2的中心孔中，耐高温永磁体1-1和耐高温绝缘基体1-2之间的空隙通过耐高温结构胶1-6填充密封；所述耐高温金属电极1-3 具有两根，分别穿过耐高温绝缘基体1-2的边缘小通孔并伸出耐高温绝缘基体1-2，耐高温金属电极1-3和耐高温绝缘基体1-2之间的空隙通过耐高温结构胶1-6填充密封，且耐高温结构胶1-6不覆盖耐高温金属电极1-3头部探测端；耐高温金属电极1-3尾部接线端连接耐高温漆包电极线1-4；所述耐高温绝缘基体1-2安插在耐高温保护套管1-5底部，耐高温绝缘基体1-2和耐高温保护套管1-5之间的空隙使用耐高温结构胶1-6填充密封。
所述耐高温绝缘基体1-2的中心孔直径不大于3mm，两个边缘小通孔的直径不大于1mm，分别位于中心孔的两侧。
所述耐高温金属电极1-3头部探测端伸出耐高温绝缘基体1-2的长度不超过 1mm。
所述耐高温金属电极1-3尾部接线端连接的耐高温漆包电极线1-4外部包覆耐高温的绝缘漆，确保在高温情况下所述耐高温漆包电极线1-4与外界的绝缘。
所述耐高温永磁体1-1为轴向充磁的圆柱形永磁体，且直径不超过2mm。
所述耐高温绝缘基体1-2下端伸出耐高温保护套管1-5的长度不超过1mm；所述耐高温保护套管1-5的外径不超过10mm。
所述耐高温保护套管1-5使用耐腐蚀性好，结构强度高，耐高温，无磁性且不会被磁化的金属材料制成，能够承受液态金属流动过程中的冲刷、磨蚀和高温环境，同时也不会对耐高温永磁体1-1的磁场造成影响。
所述耐高温结构胶1-6具备绝缘、耐热冲击、高温下保持粘接强度和密封性不开裂的特性。
所述的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针的标定装置，包括用于液态金属局部流速测量的电磁探针1、透明护罩2、液态金属3、温度计4、可调速旋转平台5、电加热器6、信号放大系统7、数据采集卡8、旋转托盘9以及环形容器10；所述电磁探针1穿过透明护罩2的顶部固定于透明护罩2之上；电磁探针1的探测端的耐高温漆包电极线1-4浸没在位于透明护罩2内的环形容器10 中所盛放的液态金属3中；环形容器10和旋转托盘9固连在一起并置于可调速旋转平台5上，在可调速旋转平台5的驱动下一同旋转；电加热器6布置在透明护罩2内，维持透明护罩2内的温度在所述液态金属3的熔点之上；透明护罩2 内的温度通过温度计4监测；当液态金属3流过电磁探针探测端的耐高温永磁体 1-1的磁场时，根据法拉第电磁感应定律，将会切割磁感线产生动生电动势；所述液态金属3相对所述电磁探针1探测端运动而产生的动生电动势由所述耐高温金属电极1-3引出后，再经所述信号放大系统7放大后被数据采集卡8接收并记录，从而完成对不同液态金属流速所对应的动生电动势的测量，再拟合得出液态金属流速和产生的动生电动势之间的关系式，实现对所述电磁探针1的标定。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的用于测量液态金属局部流速的电磁探针结构简单，易于制造，造价低廉，具有耐高温、耐腐蚀的特征，可靠性强，能够应用于较为恶劣的高温、高腐蚀性的液态金属环境中。
2、本发明的用于测量液态金属局部流速的电磁探针尺寸较细，因此实验测量过程中对流场的影响较小。
3、本发明的用于测量液态金属局部流速的电磁探针基于法拉第电磁感应定律开发，因此适用性强。在经过本发明的标定装置标定后理论上适用于一切透明 /非透明导电液体局部流速的测量。
4、本发明的用于测量液态金属局部流速的电磁探针尺寸细小，结构可靠，易于移动，在实验测量过程中能够灵活地探测流动通道不同位置处的液态金属流速，得出液态金属速度场。
综上所述，该套装置可以实现对不同流动通道内液态金属局部流速的测量，实验装置结构简单，易于实现，造价低廉，可靠性强，有效拓宽了液态金属流动特性实验研究的方法和思路。
附图说明
图1a为本发明的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针正视图；
图1b 为对应图1a中A-A截面图。
图2为本发明的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针的标定装置的结构示意图。
图3a为本发明的一种用于测量液态金属局部流速的电磁探针实际应用于圆管中液态金属局部流速测量的实验系统示意图；
图3b为对应图3a中B-B截面图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1a和图1b所示，本发明的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针 1，包括用于在高温环境下提供磁场的耐高温永磁体1-1，用作固定架的耐高温绝缘基体1-2，用于探测动生电动势的耐高温金属电极1-3、用于传输动生电动势的耐高温漆包电极线1-4，耐高温保护套管1-5与用于粘接、密封各部件的耐高温结构胶1-6。
所述耐高温绝缘基体1-2由耐高温三氧化二铝陶瓷绝缘材料，且具有安放耐高温永磁体1-1的中心孔，两侧具有供耐高温金属电极1-3穿过的边缘小通孔。所述耐高温绝缘基体1-2的中心孔径为2.1mm，两侧边缘小通孔的孔径为0.9mm。所述耐高温永磁体1-1安插在耐高温绝缘基体1-2的中心孔中；所述耐高温金属电极1-3具有两根，分别安插在耐高温绝缘基体1-2两侧边缘小通孔并伸出耐高温绝缘基体1-2。耐高温永磁体1-1和耐高温绝缘基体1-2之间的空隙通过耐高温结构胶1-6填充密封；耐高温金属电极1-3和耐高温绝缘基体1-2之间的空隙通过耐高温结构胶1-6填充密封，且耐高温结构胶1-6不覆盖耐高温金属电极1-3 头部探测端。耐高温金属电极尾部连接耐高温漆包电极线1-4。
所述耐高温金属电极1-3选用直径0.8mm，长度40mm的耐高温钨钢棒。
所述耐高温金属电极1-3头部探测端伸出耐高温绝缘基体1-2的长度为0.5mm。
所述耐高温金属电极1-3尾部接线端连接的耐高温漆包电极线1-4选用截面积为0.3mm2的铜芯漆包电极线，电极线外部包覆的绝缘漆选用可长期耐温250℃以上的铁氟龙绝缘漆。
所述耐高温永磁体1-1为选用钐钴材料制成的轴向充磁的圆柱形永磁体，直径为2.0mm，居里点高达850℃，可在350℃环境下长期工作不退磁。
所述耐高温绝缘基体1-2安插在耐高温保护套管1-5底部，耐高温保护套管为内径5.5mm，壁厚0.3mm的无磁奥氏体不锈钢薄壁套管。耐高温绝缘基体1-2 和耐高温保护套管1-5之间的空隙使用耐高温结构胶1-6填充密封。所述耐高温绝缘基体1-2下端伸出耐高温保护套管1-5的长度为0.5mm。
所述的耐高温结构胶1-6选用JL-528型耐高温环氧树脂AB胶，可在300℃高温下保持粘接强度，且具有较好的绝缘性。
如图2所示，本发明的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针的标定装置，包括用于测量液态金属局部流速的电磁探针1、透明护罩2、液态金属3、温度计4、可调速旋转平台5、电加热器6、信号放大系统7、信号采集系统8、旋转托盘9以及环形容器10。
作为本发明的优选实施方式，所述透明护罩2为透明亚克力板制成的含顶盖的圆柱形护罩，所述液态金属3选用熔点在70℃左右的低熔点伍德合金，所述温度计4选用金属弹簧式温度计，所述可调速旋转平台5选用MK-ET150J数显可调速工业旋转平台，所述电加热器6选用硅橡胶恒温电热带，所述信号放大系统7为电压放大倍数100倍的TLC-2652型斩波自稳零放大器和电压放大倍数500 倍的AD620型差分放大器组成的级联放大系统，所述信号采集系统8为 ART-USB3202N型高频电压采集卡，所述旋转托盘9为直径280mm的不锈钢圆形托盘，所述环形容器10由耐高温300℃的PEEK树脂制成的环形容器。
所述电磁探针1穿过透明护罩2的顶部固定在透明护罩2的顶盖之上；电磁探针1的探测端的耐高温漆包电极线1-4浸没在位于透明护罩2内的环形容器10 中盛放的液态金属3中；环形容器10和旋转托盘9固连在一起并置于可调速旋转平台5上，在可调速旋转平台5的驱动下一同旋转；电加热器6布置在透明护罩2内，维持透明护罩2的温度在所述液态金属3的熔点之上；透明护罩2内的温度通过温度计4监测；所述液态金属3相对所述电磁探针1探测端运动而引起动生电动势由所述耐高温金属电极1-3引出后，再经所述信号放大系统7放大后被数据采集卡8接收并记录，测出不同液态金属流速所产生的动生电动势，拟合得出液态金属流速和产生的动生电动势之间的关系式，实现对所述电磁探针1的标定。
如图3a和图3b所示，本发明的一种用于液态金属局部流速测量的电磁探针应用于圆管中液态金属局部流速测量时，包括圆管中流动的低熔点伍德合金液态金属100，圆管管壁101，耐高温柔性密封垫圈102，经过标定的用于测量液态金属局部流速的电磁探针1，信号放大系统7，数据采集卡8，与数据采集卡8相连的计算机103。
作为本发明的优选实施方式，所述圆管管壁101采用无磁奥氏体不锈钢制成，所述耐高温柔性密封垫圈102选用耐高温石墨填料制成，所述用于液态金属局部流速测量的电磁探针1已经过本发明提出的标定装置标定，且所述信号放大系统 7和数据采集卡8采用所述电磁探针1标定时所采用的同一套装置。
所述圆管管壁101开有供所述电磁探针1穿过的通孔，通孔中填充所述耐高温密封垫圈102，所述电磁探针1的探测端穿过耐高温密封垫圈102并浸没在所述低熔点伍德合金液态金属100的流场中。所述低熔点伍德合金液态金属100流动引起的动生电动势经由所述电磁探针1引出后，再经所述信号放大系统7放大后被数据采集卡8接受并记录，根据测出的动生电动势，结合所述电磁探针1使用本发明的标定装置标定时得出的液态金属流速和动生电动势之间的关系式便可得出电磁探针探测端处所述低熔点伍德合金液态金属100的局部流速。
以上内容仅为结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例作出的若干变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。