一种内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统技术方案

根据内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计测量液态金属钠流量时的具体工作情况，修正流量计的分度特性关系式，明确在线校准的步骤；提出采用有偏估计的互相关分析方法，确定合适的采样频率与互相关分析点数，使数据处理结果最优化，提高了校准的精度；提出在一次仪表设计时，需要考虑到由旋涡所产生的流量波动信号的周期必须大于流体在两套磁系统之间的传输时间；采用NI公司型号为USB‑6216的数据采集卡搭建集信号调理、数据采集、显示、分析、打印等功能于一体的在线校准系统。

An On-line Calibration Method and System for Permanent Magnet Sodium Flowmeter Embedded with Vortex Generator

According to the specific working conditions of the permanent magnet sodium flowmeter with embedded vortices in measuring liquid metal sodium flow, the grading characteristic formula of the flowmeter is revised to clarify the on-line calibration steps. A cross-correlation analysis method based on biased estimation is proposed to determine the appropriate sampling frequency and cross-correlation analysis points, so as to optimize the data processing results and improve the calibration accuracy. In the design of the primary instrument, it is necessary to consider that the period of the flow fluctuation signal generated by the vortex must be longer than the transmission time of the fluid between the two sets of magnetic systems. An on-line calibration system with functions of signal conditioning, data acquisition, display, analysis and printing is built by using the data acquisition card of NI company type USB 6216.

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统
本专利技术涉及流量检测领域，是一种对内嵌(带有)旋涡发生体的永磁式钠流量计进行在线校准的方法和系统。
技术介绍
这种要求定期在线校准的永磁式钠流量计主要由一次传感器、二次仪表及信号电缆等组成，其中，一次仪表由流道、旋涡发生体、第一套磁系统、第二套磁系统、电极1、电极2、电极3、电极4、电极5、电极6、电极7和电极8组成，结构示意图如图1所示。与普通的永磁式钠流量计在一次仪表的结构上有所不同，主要体现在：在流道开始处安装了半月形的旋涡发生体，用于产生流体旋涡；在旋涡发生体之后，由铝镍钴永磁合金制成的特殊磁钢，对称分布于流道前后两个位置，在流道内产生稳定的磁场；在流道被磁场区域覆盖的正上方和正下方有一对电极：电极3和电极4，拾取由管道中的液态钠流量切割磁场产生的感应电动势信号E；在前面磁钢的左右两侧，有一对平行于磁钢的电极：电极1和电极2，用来拾取由流体旋涡所产生的流量波动信号。上述所提到的磁钢和两对电极称为内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的第一套磁系统；在第一套磁系统之后，距离L的位置，安装第二套磁系统。第二套磁系统与第一套磁系统完全相同。内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的工作原理是：该流量计正常工作时，液态钠流体切割磁场的磁力线，产生感应电动势E，根据E与流量计的分度特性关系式，计算得到当前钠流量；需要进行在线校准时，对两套磁系统采集到的两路流量波动信号进行互相关分析，互相关分析结果的峰值点对应的横坐标即为流体在两套磁系统之间的传输时间(延迟时间)τ，根据已经标定得到的Q(体积流量)与τ的关系式(Q与τ的关系式需要在该流量计使用之前，事先使用标准表法或者其它标定方法对该流量计进行标定得到，并保存。该关系式不受环境因素影响，长期有效)，可以得到当前的钠流量，并根据磁系统上采集到的感应电动势信号E，建立新的Q与E的分度特性关系式，从而达到在线校准的目的。永磁式钠流量计需要在线校准的原因是：液态钠作为核反应堆的冷却剂，需要采用永磁式钠流量计对其进行准确测量，以保证核反应堆的正常运行。有些永磁式钠流量计由于长期在核反应堆内，受到辐照、高温等环境影响，导致其磁钢的磁通密度下降，从而改变了分度特性，造成流量测量不准确。但是，此时永磁式钠流量计已安装在堆内，并且钠的运行环境要求全封闭，因此，无法对其进行离线校准，必须进行在线校准。为此，设计了内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计。国内刘云焰、陈道龙等人设计了一套基于Labview软件的相关钠流量测量系统(刘云焰，陈道龙，杨建伟.基于Labview的相关法测量钠流量系统设计[J].原子能科学技术,2015,49(10):1865-1869.)，以满足中国实验快堆一回路主泵旁路钠流量计校准的需求。该论文主要通过仿真实验，确认了互相关方法的可行性，并分析了系统误差。但是，该论文所述的系统存在以下问题：(1)系统的测量精度有待提高；(2)未给出互相关分析方法的关键技术细节。中国技术专利公布了一种永磁式电磁流量计在线标定装置(程海粟，张宇.一种永磁式电磁流量计在线标定装置，技术专利号：201621387744.4，申请日：2016.12.17.)，拟对永磁式电磁流量计进行在线标定。这种在线标定装置主要包括电源电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一A/D(模/数)采样电路、第二A/D采样电路、数据处理电路以及输入输出电路。该装置通过对两路流量波动信号进行调理并采样，之后利用以DSP(数字信号处理器)为核心的数据处理电路，基于互相关分析方法，计算两路流量波动信号的延迟时间，从而推算出流体的实际流速，并据此推算出新的标定系数，完成永磁式电磁流量计的在线校准。该技术专利具有体积小巧、使用方便以及价格低廉等优点。但是，该技术专利存在以下不足：(1)永磁式电磁流量计在测量液态钠流量时，分度特性关系式的建立需要考虑温度变化，而该专利中并未给出具体的关系式。(2)该专利中仅仅提到在线标定是基于互相关分析方法，并未说明进行互相关分析时的关键技术细节。(3)没有明确提出在线校准的具体步骤。(4)以DSP作为数据处理的核心，不仅系统的采样频率会受到限制，而且无法实现更为复杂的算法，人机交互界面的设计也较为简单，用户体验完全无法与计算机处理系统相比。
技术实现思路
本专利技术要解决已有的系统中存在的一些关键技术问题，提供一种能够在线校准的内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的方法和系统。本专利技术专利的技术方案如下：普通电磁流量计分度特性关系式可表示为：式中，Q为体积流量，E为导电液态流体产生的感应电动势；B为流道截面上的磁通量密度(磁感应强度)；d为流量管(测量管或者流道)的内直径；为导电液态流体的流速。而永磁式钠流量计在测量液态钠流量时，需要考虑流体温度对分度特性关系式的影响，因此，修正后的分度特性关系式Q～E～Tf可表示为：Q＝KE＝f(Tf)E＝(ATf2+BTf+C)E(2)式中，Tf为液态钠的温度，A、B和C为系数。根据相关法测量流量原理，利用互相关分析方法，计算两路流量波动信号之间的延迟时间τ，即为流体在距离L内的传输时间，进而可得到流量Q为：当考虑液态钠温Tf的影响，得到关系式Q～τ～Tf为：式中，a、b和c为系数。本专利技术系统主要包括信号调理和输出模块、NI数据采集卡、上位机系统和激光打印机。(1)信号调理和输出模块包括信号调理电路1、信号调理电路2和4～20mA输出电路。(2)NI(美国国家仪器公司)数据采集卡采用NI公司型号为USB-6216的数据采集卡。该采集卡有16路模拟输入，2路模拟输出，单通道最大采样频率可以达到400kHz，多通道输入时采用异步采样。(3)上位机系统可以在PC机或者笔记本电脑上采用Labview软件进行开发。核心算法互相关分析采用有偏估计方式，可以极大地提高算法的抗干扰性能，得到更为准确的计算结果；采样频率设为10kHz，互相关点数设为32768点，既可以满足校准的精度要求，同时保证系统拥有较快的响应速度；为了保证校准结果的准确性，在同一工况下校准3次；在每次校准过程中，都要进行多次互相关计算，去掉最大、最小值之后，取其均值作为每次校准的最终结果。在线校准的步骤是：(1)初次校准；用标准表法或者其它标定方法测得当前给定的钠体积流量Q，并根据当前测得的钠温Tf、感应电动势信号E和互相关分析得到的传输时间τ，分别建立Q～E～Tf和Q～τ～Tf的关系式，并保存。(2)正常使用；根据实际测量得到的液态钠温Tf、感应电动势信号E和初次校准得到的分度特性关系式Q～E～Tf，计算出管道中的钠流量Q，实现流量测量。(3)定期校准；在内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计使用一段时间后，分度特性关系式Q～E～Tf发生变化，但是，Q～τ～Tf的关系式保持不变。根据互相关分析得到的传输时间τ、测得的液态钠温Tf以及初次校准得到的关系式Q～τ～Tf，可以计算出当前流量值Q；再根据此时测得的感应电动势信号E，建立新的Q～E～Tf关系式，从而完成内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计分度特性的在线校准工作。本专利技术的优点是：根据内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计测量液态钠流量时的具体工作情况，修正了内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的分度特性关系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统，包括信号调理和输出模块、NI数据采集卡、上位机系统和激光打印机，其特征在于：(1)信号调理和输出模块包括信号调理电路1、信号调理电路2和4～20mA输出电路；信号调理电路1对补偿温度信号、液态钠温信号Tf、磁钢1温度信号和磁钢2温度信号进行放大、滤波和阻抗匹配；信号调理电路2对感应电动势信号E、流量波动信号1和流量波动信号2进行适当的预处理；4～20mA输出电路连接数据采集卡的模拟输出端，输出一路4～20mA直流信号，表征当前流量值；(2)NI数据采集卡采用NI公司型号为USB‑6216的数据采集卡；数据采集部分，采样频率设为10kHz，可以同时采集七路输入信号，输入方式可设为差分或者单端；D/A(数/模)转换器将上位机系统计算得到的码值进行转换，进而驱动4～20mA输出电路；(3)上位机系统可以是PC机或者笔记本电脑，在上位机系统中采用Labview软件进行数据处理和4～20mA码值计算。在数据处理部分，实时采集和显示所有输入信号，实时计算并显示互相关分析得到的延迟时间τ，实时计算并显示当前流量Q，校准完成后显示校准所得Q～E～Tf和Q～τ～Tf关系式，并生成校准报告。在4～20mA码值计算中，实时计算出一个表征当前流量的电流值并转换成电压，之后由NI数据采集卡的模拟输出端输出。其中，互相关分析采用有偏估计方式，可以极大地提高算法的抗干扰性能，得到更为准确的计算结果；互相关点数设为32768点，既可以满足校准的精度要求，同时保证系统拥有较快的响应速度；为了保证校准结果的准确性，在同一工况下校准3次；在每次校准过程中，都要进行多次互相关计算，然后，去掉最大、最小值，再取其均值作为每次校准的最终结果。...

【技术特征摘要】
1.内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统，包括信号调理和输出模块、NI数据采集卡、上位机系统和激光打印机，其特征在于：(1)信号调理和输出模块包括信号调理电路1、信号调理电路2和4～20mA输出电路；信号调理电路1对补偿温度信号、液态钠温信号Tf、磁钢1温度信号和磁钢2温度信号进行放大、滤波和阻抗匹配；信号调理电路2对感应电动势信号E、流量波动信号1和流量波动信号2进行适当的预处理；4～20mA输出电路连接数据采集卡的模拟输出端，输出一路4～20mA直流信号，表征当前流量值；(2)NI数据采集卡采用NI公司型号为USB-6216的数据采集卡；数据采集部分，采样频率设为10kHz，可以同时采集七路输入信号，输入方式可设为差分或者单端；D/A(数/模)转换器将上位机系统计算得到的码值进行转换，进而驱动4～20mA输出电路；(3)上位机系统可以是PC机或者笔记本电脑，在上位机系统中采用Labview软件进行数据处理和4～20mA码值计算。在数据处理部分，实时采集和显示所有输入信号，实时计算并显示互相关分析得到的延迟时间τ，实时计算并显示当前流量Q，校准完成后显示校准所得Q～E～Tf和Q～τ～Tf关系式，并生成校准报告。在4～20mA码值计算中，实时计算出一个表征当前流量的电流值并转换成电压，之后由NI数据采集卡的模拟输出端输出。其中，互相关分析采用有偏估计方式，可以极大地提高算法的抗干扰性能，得到更为准确的计算结果；互相关点数设为32768点，既可以满足校准的精度要求，同时保证系统拥有较快的响应速度；为了保证校准结果的准确性，在同一工况下校准3次；在每次校准过程中，都要进行多次互相关计算，然后，去掉最大、最小值，再取其均值作为每次校准的最终结果。2.如权利要求1所述的内嵌旋涡发生体的永磁式钠流量计的在线校准方法和系统，其特征在于：永磁式钠流量计在测量液态钠流量时，需要考虑流体温度对分度特性关系式的影响，修正后的分度特性关系式Q～E～Tf可表示为：Q＝KE＝f(Tf)E＝(ATf2+BTf+C)E(2)式中，Tf为液态钠的温度，A、B和C为系数；根据相关法测量流量原理，利用互相关分析方法，计算两路流量波动信号之间的延迟时间τ，即为流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，闫小雪，许伟，于新龙，熊伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34