[ 摘　要] 為適應核反應堆堆芯冷卻劑流量測量的需要, 開發(fā)研制了新型低速渦輪流量變送器,按流量信號輸出不同 ,分別為磁感應模擬信號輸出和數(shù)字開關(guān)量輸出低速渦輪流量變送器 。實際標定和應用表明, 低速渦輪流量變送器的精度和重復性是好的, 相對誤差的均方根為 1.0 %, 使用壽命長, 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 ,但也存在著使用壽命短 ,小流量時信號幅度小 ,信噪比降低, 抗干擾能力下降 、測量過程中要設置信號觸發(fā)閥值等缺點, 測量堆芯冷卻劑的流量時,安裝于核反應堆堆芯內(nèi)的燃料元件盒進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)動和卡死不轉(zhuǎn)時 ,要求阻力基本相等 ,所以常規(guī)的工業(yè)用渦輪流量計一般不適用于核反應堆堆芯流量測量 。
       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 ,為適應核反應堆堆芯流量測量的需要 ,發(fā)展了兩種新型低速渦輪流量變送器, 發(fā)展了新的流量信號處理方法, 并成功地應用于5MW 核供熱堆堆芯冷卻劑流量的測量。

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

2.1、渦輪流量計理論模型：
   根據(jù)文獻[ 1 ～ 3] 介紹, 流體以一定角度沖擊渦輪流量計的葉片, 葉輪旋轉(zhuǎn), 隨著轉(zhuǎn)速的增加 ,流體的沖擊角度減小 ,當沖擊角減小到某一值時, 葉輪就以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,此時,作用在渦輪流量計葉輪上的驅(qū)動力矩和阻力矩相等, 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流量系數(shù)ωQ(次/L)的表達式 :

公式(2 —1)和(2 —2)中 ,MD為葉片的驅(qū)動力矩 ,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[ 3] 介紹, 為了求解葉片的驅(qū)動力矩 , 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, 將坐標建立在旋轉(zhuǎn)葉片上來考察流體的相對運動。采用保角變換,運用儒可夫斯基升力定律 ,得到葉片的驅(qū)動力矩為:

有關(guān)上述公式的詳細說明請見文獻[ 3] 所述。
  阻力矩計算公式(2 —4)～ (2 —6)均為機械摩擦阻力矩,由表達式可以看出,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重要的啟示, 如果渦輪流量計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 ,同時也使得流經(jīng)流量計的阻力損失大大地減小, 從而進一步改善了渦輪流量計的流動阻力特性。

2.2、新型低速渦輪流量計：
2.2.1、磁感應式渦輪流量變送器：
  磁感應式渦輪變送器的結(jié)構(gòu)見圖 2 —1 所示 ,其信號檢出原理是, 流體推動渦輪轉(zhuǎn)動 ,葉片切割磁力線 ,產(chǎn)生一周期變化的模擬電壓信號 ,信號的頻率在一范圍內(nèi)與流量成正比 ,只要測得信號的頻率, 即能得到流量值 ,變送器的輸出信號可以近視地表示為:
  V =Asin(2 πft +φ) (2 —8)式中 V —渦輪變送器輸出的周期模擬信號;A —周期信號幅值 ;f —信號頻率;Υ—信號初始相位;t —時間。
在一定范圍內(nèi) ,可以認為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)
  由磁感應信號產(chǎn)生原理和公式(2 —10)可以清楚地看出,大導程葉片的葉輪轉(zhuǎn)速降低,信號幅度會相應地減小 。當流量變小時 ,葉輪的轉(zhuǎn)速下降, 不僅信號的頻率變低 ,而且其幅度也相應變小 。所以低速渦輪流量變送器的流量信號輸出頻率低 ,信號幅度也小, 使得用常規(guī)渦輪流量計測量頻率的方法不適用,必須采用新的測量頻率的方法 。

圖 2—1　磁感應式流量渦輪變送器結(jié)構(gòu)簡圖
  2.2.2、頻譜分析測量輸出信號的頻率頻：
  譜分析法基于積分變換理論 ,著眼于信號在無限或有限區(qū)間上的整體性質(zhì)和特征, 對信號的具體的個別細節(jié)并不敏感。帶有噪聲的周期信號, 其頻率信號自始自終有確定的性質(zhì)和規(guī)律 , 而隨機干擾信號僅僅影響信號的個別細節(jié), 所以具有很強的抗干擾能力 ,頻譜分析法的另一個突出優(yōu)點是, 在頻率測定過程中沒有必要設置信號電平的觸發(fā)閥 , 從而消除了儀表靈敏度對測量精度的影響, 避開了整個測量過程中信號觸發(fā)電平的設置 。
  設在時間域 t 中的信號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的實函數(shù)。對于具體的 ω=ω0 時 ,值 F (jω) 值反映了 f(t)中頻率為 ω0的正弦分量相對值的大小 。
  實際應用時 , 采集足夠長的信號樣本, 用快速DFT 代替信號的傅立葉變換 , 找出信號 f(t )在頻域里對應的***大幅度譜的頻率分量 ,這個分量就是周期信號的基頻, 代表著信號基本變化的頻率信息, 而別的頻率分量只是反映了信號波形的不同形狀 , 即所謂的諧波分量 。圖 2 —2 表明, 渦輪變送器信號在很強的50Hz 干擾下 ,有用頻率信號的幅度譜遠遠大于干擾頻率信號的幅度譜 ,表明譜頻譜分析法有很強的檢出有用的信號頻率的能力, 上述所說的磁感應式渦輪流量變速器和頻譜分析測量信號頻率的結(jié)合 ,構(gòu)成一種新型的低速渦輪流量計 。

圖 2—2　渦輪流量變送器流量信號的頻譜分析結(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)動的頻率信號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 信號檢出 。

圖 2—3　數(shù)字渦輪流量變送器結(jié)構(gòu)簡圖
   2.2.4、流量信號的輸出：
  圖 2 —3 所示的數(shù)字渦輪變送器的流量信號輸出為方波電壓信號 ,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 , 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,其信號幅度與葉輪的轉(zhuǎn)速無關(guān) ,即使在小流量下 ,也有很好的信噪比 ,這種信號非常適用于核環(huán)境下的測量。

圖 2—4 　數(shù)字渦輪流量變送器的數(shù)字信號輸出原理圖

3、低速渦輪流量變送器的阻力特性：
　　運用理論分析和實驗結(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)動和卡死不轉(zhuǎn)時的阻力, 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 ,將對流動阻力也不會產(chǎn)生嚴重的影響,非常適合于核反應堆堆芯流量測量。

圖 3—1　Dg =50mm 時,　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驗標定和結(jié)果：
　圖4 —1 是渦輪變送器流量特性標定曲線 ,這是一組 Dg =50mm 、葉片導程 ZL =167 、400 和 600mm的3 個渦輪流量變送器的實際標定的流量系數(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檢測為磁感應式的 。圖示表明 ,低速渦輪流量變送器重復性和精度是好的, 流量系數(shù)的相對誤差均方根是 1.0 %。

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

表 4 —1 是標定結(jié)果摘要 , 工業(yè)常用的 Dg =50mm 的渦輪流量計 , 流量下限 1.67L/s , 表 4 —1 所示表明 ,隨著葉片導程增大, 流量下限逐步下降, 結(jié)果符合渦輪流量計理論模型 。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 , 流量上限也肯定會提高(由于標定條件所限,未測得),由于低速運轉(zhuǎn),使用壽命也必定會有較大的提高 。

圖 5 —1 　反應堆功率為 5MW 時測量結(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量上的應用：
　為測定 5MW 低溫核供熱堆堆芯燃料元件盒流量, 4 只磁感應式低速渦輪變送器安裝在不同部的燃料元件盒入口處 ,流量信號分別用 4 根鎧裝電纜,通過密封引出管引出反應堆壓力殼和安全殼 ,再由電纜送到控制室 , 由 PC 機對信號進行采集和頻譜分析測頻 ,得到元件盒入口處的流量, 圖 5 —1 是一典型工況下的實測結(jié)果 ,從圖中可以清楚地看出 ,在0°和 270°位置上的流量信號噪聲干擾很大 , 但對測量結(jié)果沒有絲毫影響。

6、結(jié)束語：
   大導程葉片低速渦輪流量變送器能很好地適用于核反應堆堆芯流量測量 ,尤其是冷卻劑為自然循環(huán)的核反應堆 。已成功地測定了 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計提供了一批有價值的實驗數(shù)據(jù), 這對于發(fā)展核供熱技術(shù)具有重要意義。