阅读说明：本技术 一种热电偶组合式速度电势探针及测量方法 (Thermocouple combined type speed potential probe and measuring method ) 是由 阳倦成 曹炎武 倪明玖 吕泽 于 2021-10-15 设计创作，主要内容包括：一种热电偶组合式速度电势探针,其探头的整体护壳由黄铜制成,表面涂覆有绝缘层,探头前端护壳是测量电势的部分,包括四根周向均匀分布的铜探针,以及布置在四根铜探针的探点中心的一根T型热电偶,所有铜探针以及T型热电偶超出探头前端护壳10-20mm；本发明组合焊接热电偶和速度测量探针,测量信号统一,仅通过测量电压的方式即可同时得到液态金属任意局部的温度和速度,且与液态金属直接接触,响应较快精度较高。(A thermocouple combined type speed potential probe is characterized in that an integral protective shell of a probe is made of brass, an insulating layer is coated on the surface of the integral protective shell, a front-end protective shell of the probe is a potential measuring part and comprises four copper probes uniformly distributed in the circumferential direction and a T-shaped thermocouple arranged in the center of probe points of the four copper probes, and all the copper probes and the T-shaped thermocouple exceed the front-end protective shell of the probe by 10-20 mm; the combined welding thermocouple and the speed measuring probe have unified measuring signals, can simultaneously obtain the temperature and the speed of any local part of the liquid metal only by measuring the voltage, are in direct contact with the liquid metal, and have quicker response and higher precision.)

一种热电偶组合式速度电势探针及测量方法

技术领域

本发明涉及液态金属测量技术领域，特别涉及一种热电偶组合式速度电势探针及测量方法。

背景技术

液态金属流动现象可以理解为电磁学与流体动力学特性的结合，其蕴含丰富的基础研究意义。在磁约束核聚变装置的包层结构中，金属流体在磁场中的流动问题是一个重大的研究方向，另外，在一些工业过程中，比如金属冶炼过程中，需要利用外加磁场实现对金属流体的流动控制。如何在高温强磁场的条件下实现对金属流体流场特征的精确测量一直以来是一个严峻的挑战，而且，由于金属流体不透光、容易氧化、高导电率、高导热性等特征，使得对于流速的直接测量变得更加困难，同时，由于在液体金属流动中应用半经验湍流模型需要更多湍流热通量的信息，因此对于液态金属任意局部温度的测量也是至关重要的。

可用于测量磁场条件下液态金属流动内部流场特征的直接接触测量方法有：直接接触的测量方法：(1)电势探针法。通过探针浸入液态金属并保持与流体良好的电接触，测量恒定磁场中流体产生的垂直于磁场方向的电势差来得到流场局部速度。其优势是时间分辨率高，探针和间距可以设计的非常小以提高空间测量精度，也便于设计为壁面矩阵式阵列以得到丰富的瞬态流场信息；(2)电阻探针法。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。该方法常用于液态金属两相流的测量，必须谨慎调节探针与液体的电接触性能；(3)热线测速仪技术。该方法与传统热线风速计原理一致，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；(4)精密光学-机械方法。该方法基于流体对浸入的微小探头的机械作用力。但是，对安装精度要求很高。其中要实现强磁场下金属流体内部任意局部的速度和涡量的测量，最直接有效的方法是电势探针法。

已有的4极浸入式速度电势探针每个单体包括直径为0.1-0.5mm的若干具有绝缘层的铜丝，铜丝穿过且固定在直径2-5mm的空心铜管体或不锈钢管体中，铜丝超出管体10-30mm，管体表面覆盖一层绝缘层，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，每根铜丝与液态金属接触的地方称为一个电极，同一方向上两电极的间距一般取为2-5mm。该4极浸入式速度电势探针仅能在温度均匀的流场中工作，4个铜电极因材料相同而无法测量局部温差电势，因此无法获得局部温度大小，仅能测量温度均匀流体中的局部速度。

如果要进行速度的测量，需要测量各电极间的电势信号，相应的电势差与流速建立关系，直接得到流场的局部速度分布，施加的磁场为速度为电流密度根据欧姆定律可得水平速度u和竖直速度w分别为：

该测量方法仅实现了液态金属内部任意局部的速度和涡量的测量，并没有提出针对液态金属内部任意局部的温度的测量方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种热电偶组合式速度电势探针及测量方法，组合焊接热电偶和速度测量探针，测量信号统一，仅通过测量电压的方式即可同时得到液态金属任意局部的温度和速度，且与液态金属直接接触，响应较快，精度较高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种热电偶组合式速度电势探针，其探头的整体护壳由黄铜制成，表面涂覆有绝缘层，探头前端护壳6是测量电势的部分，包括四根周向均匀分布的铜探针1、2、3、4，以及布置在四根铜探针的探点中心的一根T型热电偶5；所有铜探针以及T型热电偶5超出探头前端护壳6 10-20mm。

每根铜探针的直径为0.1-0.3mm，热电偶的直径为0.5mm，其中第一铜探针1、第四铜探针4在水平方向无距离，竖直方向距离为1.8-2.8mm；第二铜探针2、第三铜探针3在水平方向的距离1.8-2.8mm。

基于上述一种热电偶组合式速度电势探针的测量方法，包括以下步骤：

(1)、速度测量：通过四根铜探针测量得到电势信号，与流速建立关系，基于欧姆定律得到流场的局部速度分布：

其中为电流密度，σ为液态金属电导率，为电势差即测得电压信号，为流速，为外加磁场强度，假设施加的磁场速度为电流密度当磁场强度很大时，主流区的电流密度极小，即j_x≈0，j_z≈0，于是，通过探针测量主流区中某个特定位置处沿垂直磁场平面内各个方向上的电势梯度，通过换算得到该位置处在此平面内的两个速度分量，即主流速度u和沿z轴速度w分别为：

其中B₀为均匀磁场强度，为探针测得的电压信号；

(2)、温度测量：由探针中的T型热电偶5直接测量得到局部的温差电势，对于单个焊接热电偶，因为T型热电偶5的两个电极焊接，之间无距离，液态金属中的流动电势并不会对其产生影响，热电偶的电势回路得出温差电势：

E_CoCu(T₁，T₀)＝E_CoCu(T₁)+E_Cu(T₁，T₀)+E_CoCu(T₀)+E_Co(T₁，T₀)

E_CoCu(T₁，T₀)即为测量所得到的电压，根据标定的热电偶系数转换得到温度。

与现有的技术相比，

1、在探针整体上增加了T型热电偶5，可以测量温度，做到了温度和速度的同步统一测量，只需要进行电压测量。

2、在强磁场条件下测量导电流体中的速度和温度的单体浸入式探针，探头前端护壳与探头后端护壳表面都涂覆有绝缘层，保证浸入后探针整体不与液体产生电接触，只有探针尖端与液态金属保持电接触。

3、本发明适用于强磁场条件下不透明金属流体内部局部速度和温度的同步测量，相比现有技术，增加了焊接热电偶的独立温度测量功能，使用独立焊接热电偶的优势在于，可以通过测量电压得到局部温度和速度的大小，同时温差电势和速度电势并不互相影响，不需考虑两种电势的耦合效应，这使得测量得到的温度和速度更为准确可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的内部排线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

参照图1，一种热电偶组合式速度电势探针，其探头的整体护壳由黄铜制成，表面涂覆有绝缘层，探头前端护壳6是测量电势的部分，包括四根周向均匀分布的铜探针1、2、3、4，以及布置在四根铜探针的探点中心的一根T型热电偶5,所有铜探针以及T型热电偶5超出探头前端护壳6约10-20mm。

探头后端护壳7的外壳直径为3mm，每根铜探针的直径为0.1-0.3mm，热电偶的直径为0.5mm，其中第一铜探针1、第四铜探针4在水平方向无距离，竖直方向距离为1.8-2.8mm；第二铜探针2、第三铜探针3在水平方向的距离1.8-2.8mm，T型热电偶5测量固定位置处的温度的波动，4根铜探针可以测量准确的流动速度，中间布置的T型热电偶5测量固定位置处的温度的波动。

基于上述一种热电偶组合式速度电势探针的测量方法，包括以下步骤：

(1)、速度测量：通过四根铜探针测量得到电势信号，与流速建立关系，基于欧姆定律得到流场的局部速度分布：

其中为电流密度，σ为液态金属电导率，为电势差即测得电压信号，为流速，为外加磁场强度。参照图2中，假设施加的磁场速度为电流密度当磁场强度很大时，主流区的电流密度极小，即j_x≈0，j_z≈0，于是，通过探针测量主流区中某个特定位置处沿垂直磁场平面内各个方向上的电势梯度，通过换算得到该位置处在此平面内的两个速度分量，即主流速度u和沿z轴速度w分别为：

其中B₀为均匀磁场强度，为探针测得的电压信号。

(2)、温度测量：由探针中的T型热电偶5直接测量得到局部的温差电势，对于单个焊接热电偶，因为T型热电偶5的两个电极焊接，之间无距离，液态金属中的流动电势并不会对其产生影响，热电偶的电势回路得出温差电势：

E_CoCu(T₁，T₀)＝E_CoCu(T₁)+E_Cu(T₁，T₀)+E_CoCu(T₀)+E_Co(T₁，T₀)

E_CoCu(T₁，T₀)即为测量所得到的电压，根据标定的热电偶系数转换得到温度。