[ 摘　要] 為適應(yīng)核反應(yīng)堆堆芯冷卻劑流量測(cè)量的需要, 開發(fā)研制了新型低速渦輪流量變送器,按流量信號(hào)輸出不同 ,分別為磁感應(yīng)模擬信號(hào)輸出和數(shù)字開關(guān)量輸出低速渦輪流量變送器 。實(shí)際標(biāo)定和應(yīng)用表明, 低速渦輪流量變送器的精度和重復(fù)性是好的, 相對(duì)誤差的均方根為 1.0 %, 使用壽命長(zhǎng), 阻力小,線性范圍寬 。

1 、引言：
　　常規(guī)的工業(yè)用渦輪變送器有精度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn) ,但也存在著使用壽命短 ,小流量時(shí)信號(hào)幅度小 ,信噪比降低, 抗干擾能力下降 、測(cè)量過程中要設(shè)置信號(hào)觸發(fā)閥值等缺點(diǎn), 測(cè)量堆芯冷卻劑的流量時(shí),安裝于核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的燃料元件盒進(jìn)口處的渦輪變送器的阻力特性必須與周圍的元件盒的阻力特性匹配 ,葉輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)和卡死不轉(zhuǎn)時(shí) ,要求阻力基本相等 ,所以常規(guī)的工業(yè)用渦輪流量計(jì)一般不適用于核反應(yīng)堆堆芯流量測(cè)量 。
       筆者在近幾年的科研中 , 在原有的常規(guī)渦輪流量變送器的基礎(chǔ)上 ,為適應(yīng)核反應(yīng)堆堆芯流量測(cè)量的需要 ,發(fā)展了兩種新型低速渦輪流量變送器, 發(fā)展了新的流量信號(hào)處理方法, 并成功地應(yīng)用于5MW 核供熱堆堆芯冷卻劑流量的測(cè)量。

2、新型低速渦輪流量變送器：
　為適應(yīng)核反應(yīng)堆堆芯冷卻劑流量測(cè)量的需要,渦輪變送器要具備使用壽命長(zhǎng)、阻力小、葉輪正常工作和卡死不轉(zhuǎn)時(shí)的阻力特性基本一致等特殊性能,根據(jù)渦輪流量計(jì)的工作原理 ,渦輪流量變送器要設(shè)計(jì)成大導(dǎo)程葉片的葉輪 , 使葉輪工作在較低的頻率下 。為了保證葉輪在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的信噪比,或采用磁感應(yīng)原理檢測(cè)葉輪的轉(zhuǎn)速, 采用強(qiáng)抗干擾的頻譜分析方法檢測(cè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率信號(hào) ,或采用數(shù)字渦輪流量變送器。

2.1、渦輪流量計(jì)理論模型：
   根據(jù)文獻(xiàn)[ 1 ～ 3] 介紹, 流體以一定角度沖擊渦輪流量計(jì)的葉片, 葉輪旋轉(zhuǎn), 隨著轉(zhuǎn)速的增加 ,流體的沖擊角度減小 ,當(dāng)沖擊角減小到某一值時(shí), 葉輪就以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,此時(shí),作用在渦輪流量計(jì)葉輪上的驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩相等, 作用在葉輪上的力矩平衡方程式為 :
  MD -Mh-Mt-Mj-MQ-MR=0 (2 —1)公式(2 —1)也可寫成表示渦輪流量計(jì)流量系數(shù)ωQ(次/L)的表達(dá)式 :

公式(2 —1)和(2 —2)中 ,MD為葉片的驅(qū)動(dòng)力矩 ,Mh、Mt 、Mj、MQ和 MR分別為輪殼、葉片邊緣、軸承、葉輪端面和信號(hào)輸出裝置的阻力矩 。 ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;Q 為體積流量;γ為葉片平方根平均半徑;A 為流道截面積;N 為葉片數(shù);β 為葉片螺旋角。
   按文獻(xiàn)[ 3] 介紹, 為了求解葉片的驅(qū)動(dòng)力矩 , 將渦輪展開成直列葉柵, 將螺旋葉片看作安裝角等于半徑 r 處的螺旋角為β 的二維平板, 將坐標(biāo)建立在旋轉(zhuǎn)葉片上來考察流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。采用保角變換,運(yùn)用儒可夫斯基升力定律 ,得到葉片的驅(qū)動(dòng)力矩為:

有關(guān)上述公式的詳細(xì)說明請(qǐng)見文獻(xiàn)[ 3] 所述。
  阻力矩計(jì)算公式(2 —4)～ (2 —6)均為機(jī)械摩擦阻力矩,由表達(dá)式可以看出,其大小正比于葉輪轉(zhuǎn)速ω的二次方,從中我們可以得到一個(gè)重要的啟示, 如果渦輪流量計(jì)的葉輪工作在較低的轉(zhuǎn)速下, 使得公式(2 —2)中(Mh+Mt+Mj+MQ+MR)趨向于零, 使代表流量系數(shù)ωQ的線性范圍變寬 ,流量下限下降和上限提高,使用壽命長(zhǎng) ,同時(shí)也使得流經(jīng)流量計(jì)的阻力損失大大地減小, 從而進(jìn)一步改善了渦輪流量計(jì)的流動(dòng)阻力特性。

2.2、新型低速渦輪流量計(jì)：
2.2.1、磁感應(yīng)式渦輪流量變送器：
  磁感應(yīng)式渦輪變送器的結(jié)構(gòu)見圖 2 —1 所示 ,其信號(hào)檢出原理是, 流體推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,葉片切割磁力線 ,產(chǎn)生一周期變化的模擬電壓信號(hào) ,信號(hào)的頻率在一范圍內(nèi)與流量成正比 ,只要測(cè)得信號(hào)的頻率, 即能得到流量值 ,變送器的輸出信號(hào)可以近視地表示為:
  V =Asin(2 πft +φ) (2 —8)式中 V —渦輪變送器輸出的周期模擬信號(hào);A —周期信號(hào)幅值 ;f —信號(hào)頻率;Υ—信號(hào)初始相位;t —時(shí)間。
在一定范圍內(nèi) ,可以認(rèn)為A =βQ 　　　　β >0 (2 —9)f =ξ0Q ξ0>0其中 Q 為流量, β 和 ξ0 為常數(shù)。將式(2 —9)代入式(2 —8)得:V(Q , t)=βQsin(2πξ0Qt +φ) (2 — 10)
  由磁感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生原理和公式(2 —10)可以清楚地看出,大導(dǎo)程葉片的葉輪轉(zhuǎn)速降低,信號(hào)幅度會(huì)相應(yīng)地減小 。當(dāng)流量變小時(shí) ,葉輪的轉(zhuǎn)速下降, 不僅信號(hào)的頻率變低 ,而且其幅度也相應(yīng)變小 。所以低速渦輪流量變送器的流量信號(hào)輸出頻率低 ,信號(hào)幅度也小, 使得用常規(guī)渦輪流量計(jì)測(cè)量頻率的方法不適用,必須采用新的測(cè)量頻率的方法 。

圖 2—1　磁感應(yīng)式流量渦輪變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
  2.2.2、頻譜分析測(cè)量輸出信號(hào)的頻率頻：
  譜分析法基于積分變換理論 ,著眼于信號(hào)在無限或有限區(qū)間上的整體性質(zhì)和特征, 對(duì)信號(hào)的具體的個(gè)別細(xì)節(jié)并不敏感。帶有噪聲的周期信號(hào), 其頻率信號(hào)自始自終有確定的性質(zhì)和規(guī)律 , 而隨機(jī)干擾信號(hào)僅僅影響信號(hào)的個(gè)別細(xì)節(jié), 所以具有很強(qiáng)的抗干擾能力 ,頻譜分析法的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是, 在頻率測(cè)定過程中沒有必要設(shè)置信號(hào)電平的觸發(fā)閥 , 從而消除了儀表靈敏度對(duì)測(cè)量精度的影響, 避開了整個(gè)測(cè)量過程中信號(hào)觸發(fā)電平的設(shè)置 。
  設(shè)在時(shí)間域 t 中的信號(hào)f(t),其傅立葉變換定義為 :F(j ω)=∞-∞f(t)e-jωtdt (2 —11)式中 F(jω)稱為 f(t)的譜函數(shù) , 其值 F (jω) 稱為幅度譜函數(shù) ,是 ω的實(shí)函數(shù)。對(duì)于具體的 ω=ω0 時(shí) ,值 F (jω) 值反映了 f(t)中頻率為 ω0的正弦分量相對(duì)值的大小 。
  實(shí)際應(yīng)用時(shí) , 采集足夠長(zhǎng)的信號(hào)樣本, 用快速DFT 代替信號(hào)的傅立葉變換 , 找出信號(hào) f(t )在頻域里對(duì)應(yīng)的***大幅度譜的頻率分量 ,這個(gè)分量就是周期信號(hào)的基頻, 代表著信號(hào)基本變化的頻率信息, 而別的頻率分量只是反映了信號(hào)波形的不同形狀 , 即所謂的諧波分量 。圖 2 —2 表明, 渦輪變送器信號(hào)在很強(qiáng)的50Hz 干擾下 ,有用頻率信號(hào)的幅度譜遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾頻率信號(hào)的幅度譜 ,表明譜頻譜分析法有很強(qiáng)的檢出有用的信號(hào)頻率的能力, 上述所說的磁感應(yīng)式渦輪流量變速器和頻譜分析測(cè)量信號(hào)頻率的結(jié)合 ,構(gòu)成一種新型的低速渦輪流量計(jì) 。

圖 2—2　渦輪流量變送器流量信號(hào)的頻譜分析結(jié)果

2.2.3、數(shù)字渦輪流量變送器：
  數(shù)字渦輪變送器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖 2 —3 所示,(2.5 ×2.5 ×5.0)mm 的磁體嵌在葉輪上 ,葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率信號(hào)通過微型干簧管的開與閉或微型霍爾數(shù)字位置敏感元件的 0 與 1 信號(hào)檢出 。

圖 2—3　數(shù)字渦輪流量變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
   2.2.4、流量信號(hào)的輸出：
  圖 2 —3 所示的數(shù)字渦輪變送器的流量信號(hào)輸出為方波電壓信號(hào) ,其幅度由外接直流電壓 Vcc 、電阻 R1 和電阻 R2 決定, 與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度無關(guān), 脈沖寬度 τ/ f 與磁體的幾何尺寸和在葉輪上的布置有關(guān) ,其頻率 f 由流量決定 。圖 2 —4 是數(shù)字信號(hào)輸出原理圖 ,輸出電壓 U(t)可用下式描述:
  U(t)=VccR1 +R2R2 ∑∞i =1{μ(t -if)-μ[ (t -if)-τf] } (2 —12)式中:f 為頻率, τ為滿足 0 <τ<1 的常數(shù) , t 為時(shí)間, μ(t)為階躍函數(shù) ,該函數(shù)由下式定義μ(t)=0 　　t ≤01 　　t >0(2 —13)由式(2 —12)決定的是頻率為 f , 寬度為τf, 幅度為VccR1 +R2R2 的方波電壓信號(hào) , 在一定的范圍內(nèi)有如下的關(guān)系 :f =ξ0Q (2 — 14)其中 , Q 為流量, ξ0為常數(shù) , 將式(2 —14)代入式(2 —12)得U(Q , t )=VccR1 +R2R 2 ∑∞i =1[ μ(t -iξ0Q)-μ(t -iξ0Q-τξ0Q)]由上式?jīng)Q定的 U(Q , t)是一頻率為 f 、與流量 Q 成正比、幅度為VccR1 +R2R2 、占空比為τ1 -τ的方波周期信號(hào),其信號(hào)幅度與葉輪的轉(zhuǎn)速無關(guān) ,即使在小流量下 ,也有很好的信噪比 ,這種信號(hào)非常適用于核環(huán)境下的測(cè)量。

圖 2—4 　數(shù)字渦輪流量變送器的數(shù)字信號(hào)輸出原理圖

3、低速渦輪流量變送器的阻力特性：
　　運(yùn)用理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法, 研究了一組不同葉型的渦輪流量變送器的阻力損失, 正常轉(zhuǎn)動(dòng)和卡死不轉(zhuǎn)時(shí)的阻力, 圖 3 —1 是一組公稱直徑 Dg=50mm 的不同葉型的變送器的阻力損失曲線,圖示表明 ,大導(dǎo)程葉片渦輪變送器 ,流通阻力小, 即使出現(xiàn)卡死不轉(zhuǎn)的工況 ,將對(duì)流動(dòng)阻力也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,非常適合于核反應(yīng)堆堆芯流量測(cè)量。

圖 3—1　Dg =50mm 時(shí),　不同葉型的渦輪流量變送器的阻力損失

4、低速渦輪流量變送器的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和結(jié)果：
　圖4 —1 是渦輪變送器流量特性標(biāo)定曲線 ,這是一組 Dg =50mm 、葉片導(dǎo)程 ZL =167 、400 和 600mm的3 個(gè)渦輪流量變送器的實(shí)際標(biāo)定的流量系數(shù) ξ～流量 Q 的特性曲線 ,其中 ZL =600mm 的渦輪流量變送器的信號(hào)檢測(cè)為磁感應(yīng)式的 。圖示表明 ,低速渦輪流量變送器重復(fù)性和精度是好的, 流量系數(shù)的相對(duì)誤差均方根是 1.0 %。

圖 4 —1 　3 種不同葉片導(dǎo)程渦輪流量變送器(Dg =50mm)的 ξ～ Q 曲線

表 4 —1 是標(biāo)定結(jié)果摘要 , 工業(yè)常用的 Dg =50mm 的渦輪流量計(jì) , 流量下限 1.67L/s , 表 4 —1 所示表明 ,隨著葉片導(dǎo)程增大, 流量下限逐步下降, 結(jié)果符合渦輪流量計(jì)理論模型 。從圖 4 —1 和表 4 —1可以看出, 流量下限約低于同口徑普通渦輪變送器30 %左右 , 流量上限也肯定會(huì)提高(由于標(biāo)定條件所限,未測(cè)得),由于低速運(yùn)轉(zhuǎn),使用壽命也必定會(huì)有較大的提高 。

圖 5 —1 　反應(yīng)堆功率為 5MW 時(shí)測(cè)量結(jié)果

5、低速渦輪流量變送器在 5MW 低溫核供熱堆堆芯流量測(cè)量上的應(yīng)用：
　為測(cè)定 5MW 低溫核供熱堆堆芯燃料元件盒流量, 4 只磁感應(yīng)式低速渦輪變送器安裝在不同部的燃料元件盒入口處 ,流量信號(hào)分別用 4 根鎧裝電纜,通過密封引出管引出反應(yīng)堆壓力殼和安全殼 ,再由電纜送到控制室 , 由 PC 機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和頻譜分析測(cè)頻 ,得到元件盒入口處的流量, 圖 5 —1 是一典型工況下的實(shí)測(cè)結(jié)果 ,從圖中可以清楚地看出 ,在0°和 270°位置上的流量信號(hào)噪聲干擾很大 , 但對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有絲毫影響。

6、結(jié)束語：
   大導(dǎo)程葉片低速渦輪流量變送器能很好地適用于核反應(yīng)堆堆芯流量測(cè)量 ,尤其是冷卻劑為自然循環(huán)的核反應(yīng)堆 。已成功地測(cè)定了 5MW 低溫核供熱堆堆芯燃料元件盒冷卻劑的流量 ,為 5MW 核供熱堆物理和熱工設(shè)計(jì)提供了一批有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 這對(duì)于發(fā)展核供熱技術(shù)具有重要意義。