一种电容耦合式铅铋液流量测量装置及测量方法与流程

本发明涉及核电高温液态金属专用热工测量仪表，具体而言，涉及一种电容耦合式铅铋液流量测量装置及测量方法。

背景技术：

1、液态铅铋共晶合金（铅铋合金液），四代铅冷快堆冷却剂，工况：温度200~550℃、高导电、强腐蚀、易生成绝缘氧化层、高密度，普通流量计大多不适用，现有主流铅铋合金液流量测量设备主要包括：插入电极式电磁流量计：电极长期浸泡高温铅铋合金液，持续腐蚀、包覆pbo氧化层，零点与测量漂移显著；安装需开孔焊接，在役回路无法不停机改造，电极更换运维成本高，是一回路长期运行核心痛点；外置环绕洛伦兹流量计：线圈全包覆管道，体积庞大、耗材多，装配同轴度要求严苛，中小旁路难以布置，规模化应用受限；外夹超声流量计：铅铋合金液含大量氧化颗粒造成声波散射，流速低于0.5m/s无有效回波，低速误差大于8%，无法满足低功率计量要求；节流、涡街差压仪表：探体伸入铅铋合金液，易冲刷堵塞，管路永久压力损失大，不适用于堆长周期连续运行。

2、如上所述，现有主流铅铋合金液流量测量设备存在各种应用缺陷，而现有电容耦合电磁流量仪表仅针对常温清水管路开发，未适配高温铅铋合金液管路内壁动态自生氧化膜、回路氧含量波动工况，不存在适配高温液态金属的多参量补偿架构，无法直接移植至铅铋反应堆，另外，现有耐高温仪表为拓宽温区，牺牲350℃～550℃额定区间精度，氧化结垢后快速劣化，行业缺少适配堆主管道、非侵入、免维护高精度专用计量设备。

技术实现思路

1、本发明旨在解决传统铅铋合金液流量计电极腐蚀、管路开孔改造、低速测量失效、氧化结垢导致测量漂移的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供一种电容耦合式铅铋液流量测量装置，包括：

3、励磁单元，所述励磁单元包括均匀缠绕于被测管道外壁的励磁线圈；

4、拾取电极，所述拾取电极为两个且对称设置于励磁线圈覆盖区间的被测管道外壁，用于拾取铅铋液内部的感应电动势；

5、测温单元，所述测温单元固定在励磁线圈覆盖区间的被测管道外壁，所述测温单元用于实时采集被测管道的管壁温度；

6、信号处理单元，所述信号处理单元连接拾取电极和测温单元，

7、其中，所述信号处理单元包括励磁驱动模块，所述励磁驱动模块和励磁线圈连接，以驱动所述励磁线圈周期性切换高低频工作模式，交替输出高频励磁信号和低频励磁信号；

8、所述信号处理单元还包括氧化膜电容测算模块，用于测算被测管道的管壁氧化膜实时等效电容；

9、所述信号处理单元还包括耦合增益补偿模块，所述耦合增益补偿模块分别输入拾取电极输出的原始感应电动势信号、氧化膜电容测算模块输出的氧化膜实时等效电容信号、测温单元输出的管壁温度信号，并依据出厂标定固化的感应电压-氧化膜等效电容-管壁温度-介质流速四维耦合增益补偿关系，对原始感应电动势进行电容耦合衰减修正，输出修正后的有效感应电动势至流量解算模块；

10、所述信号处理单元还包括流量解算模块，用于基于修正后的有效感应电动势信号计算铅铋液流速，同步结合被测管道截面积计算体积流量。

11、本发明提供的一种电容耦合式铅铋液流量测量装置，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

12、现有技术中，电磁、电容耦合设备需两套独立线圈分别完成测速、膜厚检测，体积大、装配复杂，本技术采用单套外置励磁线圈分时输出低频2~10hz交变测速磁场、高频1~10khz交变测容电场，一套硬件同步完成流量测速、氧化膜电容两项检测功能，大幅缩减体积、耗材与安装难度；低频测速磁场激励导电铅铋合金液切割磁感线生成感应电动势，基于电磁测速基础关系：u=b·d·v，感应电动势u与管道内径d、磁场强度b、铅铋液流速v呈线性正相关，消除低速测量盲区；高频测容电场基于“励磁线圈-金属管壁-双层氧化膜-铅铋合金液”同轴圆柱电容测试回路，实时测算氧化膜等效电容，基于圆柱形电容器理论，由电容数值反推氧化膜平均厚度，得到电容耦合传输增益系数；常规电容耦合仪表均需人工外置绝缘衬套构建耦合介质，本技术利用ht9/316等材质钢管350℃～550℃工况自发生成的fe-cr-pb尖晶石+氧化铁双层绝缘氧化膜，直接作为同轴耦合电容介质，无需额外绝缘构件，真正实现全外置无电极布置，从根源消除电极腐蚀、开孔改造缺陷；传统高温流量仪表仅采用温度、流速二维补偿，未考虑氧化膜厚度、回路氧含量动态变化带来耦合漂移；在长期运行的铅铋合金回路中，氧化膜持续生长剥落、铅铋液氧含量动态波动都会改变电容耦合传输效率，产生持续性测量漂移，常规二维补偿方案无法消除该类系统误差；本技术信号处理单元内置四维耦合增益补偿运算模型，同步耦合感应电压、氧化膜等效电容、管壁温度、铅铋液流速四类参量，综合修正氧化膜生长剥落、温度漂移引发的测量偏差，提升长期测量稳定性。

13、进一步地，所述励磁线圈外围包覆双层耐高温金属电磁屏蔽壳体。

14、进一步地，所述低频励磁信号为2~10hz交变磁场，所述高频励磁信号为1~10khz交变电场。

15、进一步地，所述拾取电极和被测管道的管壁之间设置有耐高温绝缘垫片。

16、进一步地，所述测温单元包括贴片式高温热电偶，所述贴片式高温热电偶紧贴被测管道外壁设置。

17、进一步地，所述励磁线圈、拾取电极、贴片式高温热电偶的接线采用双层耐高温屏蔽金属穿管敷设。

18、进一步地，所述信号处理单元还包括信号放大模块。

19、进一步地，所述信号处理单元内置50hz工频硬件陷波电路和多级rc低通滤波电路，以抑制工业现场工频电磁杂波干扰。

20、进一步地，还包括数据输出单元，所述数据输出单元输出4-20ma模拟量信号和/或modbus-rtu数字信号，用于接入现场dcs控制系统，所述数据输出单元和信号处理单元连接，依据氧化膜等效电容实测值与预设阈值对比，输出被测管道的堵塞预警开关信号。

21、本发明还提供一种电容耦合式铅铋液流量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

22、步骤一，依据标准容积式流量标定进行出厂标定，在多个标定温度点下分别改变介质流速，同步记录拾取电极输出的原始感应电动势、氧化膜等效电容、管壁温度、标准流速阈值数据，建立“感应电压-氧化膜电容-管壁温度-铅铋液流速”四维耦合增益补偿运算架构，固化为耦合增益补偿模块并存入信号处理单元；

23、步骤二，设备安装：将励磁线圈缠绕固定于被测管道外壁，拾取电极、贴片式高温热电偶固定在线圈覆盖区间的被测管道外壁，完成屏蔽线缆接线后，整机上电初始化自检；

24、步骤三，分时同步采集：设备周期性切换高低频励磁模式，同步采集铅铋液流动感应电动势、氧化膜实时等效电容，热电偶同步采集被测管道的管壁实时温度；

25、步骤四，四维耦合误差补偿：依托内置四维耦合增益补偿运算模型，结合实测氧化膜实时等效电容、管壁温度，修正原始感应电动势耦合衰减偏差；

26、步骤五，流量解算：由修正后的有效感应电动势计算铅铋液平均流速与管道体积流量；

27、步骤六，信号输出与故障预警：数据输出单元将流量信号上传至现场 dcs控制系统，对比实测氧化膜电容与预设判定阈值，输出管路积渣、堵塞预警。

28、由于测量方法的技术改进和有益效果至少与测量装置一样，因此此处不再对测量方法进行赘述。