一种在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置及方法与流程

1.本发明属于核电检测技术领域，具体涉及一种在线测量压水堆核电站二回路溶液中铁磁性颗粒含量的装置以及利用该装置进行铁磁性颗粒含量测量的方法。


背景技术：

2.目前国内压水堆核电站的二回路管道、加热器及疏水系统等流体输送系统，其材质多为碳钢和低合金钢，流体输送过程中产生的铁腐蚀产物的测量，尤其是铁磁性颗粒的监测是二回路水化学调节效果评价的一个关键参数。
3.目前主要对二回路溶液进行现场取样，再利用实验室设备对水样中的铁磁性颗粒进行表征来达到铁磁性颗粒的检测目的。该方法的典型限制在于：二回路溶液内铁磁性颗粒分布随机，试验方法脱离现场导致试验周期较长，无法实时准确监测铁磁性颗粒的数量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置及方法，用于解决现有技术无法对核电站二回路溶液中的铁磁性颗粒含量进行实时表征的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
6.本发明的一个目的是提供一种在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置，所述溶液在主管道中流通，所述装置包括支管道和位于所述支管道上的测量模块，所述支管道的两端均与所述主管道连通；
7.所述测量模块包括测量管，所述测量管包括螺线管组件，所述螺线管组件包括永磁体管和位于所述永磁体管内的多个螺线管，所述螺线管的轴向方向平行于所述永磁体管的轴向方向，所述螺线管内形成供所述溶液流通的通道。
8.根据本发明的一些优选实施方面，螺线管包括线圈和包裹在所述线圈外部的绝缘部，所述线圈的两端包括接头，其中一端的所述接头延伸至所述线圈的另一端；所述绝缘部的长度大于所述线圈的长度，所述绝缘部的一端与所述线圈的一端齐平。本发明的一些实施例中，绝缘部是由耐冲蚀材料制备得到，绝缘部一端与线圈一端齐平，由于绝缘部的长度大于线圈的长度，则绝缘部的另一端比线圈多出一部分，多出的这部分所对应的螺线管的端部为螺线管的首端，即溶液在向测量管流通时，从该端部流入。多出的这部分绝缘部由于具有耐冲蚀性，能够延长线圈的端部由于被冲蚀而发生损坏的时间。
9.根据本发明的一些优选实施方面，所述螺线管的内径由所述永磁体管的圆心向外逐渐增大；相邻所述螺线管之间填充有连接材料。在本发明的一些实施例中，由于溶液在测量管内流通时，位于测量管中心部位的溶液的流速相较于位于测量管圆周部位的溶液的流速低，故设置中心部位的螺线管的内径最小，从圆心处向外，其内径逐渐增大，使得小尺寸的铁磁性颗粒能从中心通过螺线管，大尺寸的铁磁性颗粒由于重力的作用，可从靠近外部的内径较大的螺线管内通过。当然，在本发明的其他一些实施例中，永磁体管内的多个螺线
管的内径也可不按上述方式进行排布，可直接将不同内径的螺线管排布在永磁体管内，即使发生铁磁性颗粒堵住螺线管的情况，也可通过后期检修进行清除。
10.根据本发明的一些优选实施方面，所述永磁体管包括永磁体和包裹在所述永磁体外部的外壳，靠近所述外壳的螺线管的所述绝缘部与外壳连接；所述螺线管的长度小于或等于所述外壳的长度。当含有铁磁性颗粒的溶液在通过测量管时，由于永磁体具有强磁场，可使铁磁性颗粒被磁化，进而引起线圈的磁通量的改变，使线圈两端产生微弱电压，通过对微弱电压的捕捉与放大并记录后，根据分析可进一步得出铁磁性颗粒的含量，这是一种测量铁磁性颗粒的方式。若螺线管的长度大于外壳的长度，会影响测量管与支管道之间的连接。
11.根据本发明的一些优选实施方面，所述螺线管的内径为2-10mm，所述线圈的长度小于或等于所述永磁体的长度。永磁体会产生强磁场，这会引起线圈内部磁通量的变化，故线圈的长度不能超过永磁体的长度。
12.根据本发明的一些优选实施方面，所述绝缘部和外壳的材质与所述连接材料相同，均为耐冲蚀材料，可保护永磁体和线圈不被冲蚀，同时，外壳以及相邻绝缘部之间的连接材料是同时灌装的，使得多个螺线管与永磁体管一体成型。
13.根据本发明的一些优选实施方面，所述测量管包括管本体，所述螺线管的轴向方向平行于所述管本体的轴向方向，所述管本体的轴向方向平行于流经所述测量管的溶液的流动方向。本发明的一些实施例中，管本体的两端设置有法兰连接面，通过法兰连接面将整个测量管与支管道进行连接，拆卸方便且密封性好。此外，管本体的外壁是铁磁性的，可用来隔离磁场，即把外界磁场和永磁体产生的磁场隔离。
14.根据本发明的一些优选实施方面，所述管本体的一端设置有阻挡部，所述阻挡部的外壁与所述管本体的内壁连接，所述阻挡部的端部与管本体的端部齐平，所述阻挡部用于放置所述螺线管组件。螺线管组件整体位于管本体的内部。
15.根据本发明的一些优选实施方面，所述测量模块包括过滤件，所述过滤件用于捕捉铁磁性颗粒。本发明的一些实施例中，过滤件包括第一过滤部和第二过滤部，分别用于捕捉不同尺寸的铁磁性颗粒。设置过滤件的作用包括两方面：一、由于铁磁性颗粒对整个二回路的流体输送并无益处，故利用过滤件将这些铁磁性颗粒收集起来并集中处理掉，避免其再随溶液流回到主管道中；二、通过过滤件将铁磁性颗粒收集后，对过滤件上的不同尺寸的铁磁性颗粒的分布位置进行统计分析，能够为永磁体管内的螺线管的排布(不同内径的螺线管如何排布)提供参考意见。
16.根据本发明的一些优选实施方面，所述测量模块还包括测量元件，所述接头与所述测量元件电性连接。
17.根据本发明的一些优选实施方面，所述支管道包括依次连通的第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路位于所述主管道的入口与第二支路之间，所述第三支路位于所述第二支路与所述主管道的出口之间，所述测量模块位于所述第二支路。
18.根据本发明的一些优选实施方面，包括分别位于所述第一支路和第三支路中的第一电气模块和第二电气模块；所述第一电气模块用于控制由所述第一支路流向所述测量模块的溶液的流量、压力和通断时间，所述第二电气模块用于控制由所述第二支路流向所述主管道的出口的溶液的流量、压力和通断时间。
19.根据本发明的一些优选实施方面，所述第一电气模块包括第一泵和第一流量计，所述第二电气模块包括第二泵和第二流量计。
20.根据本发明的一些优选实施方面，所述第一支路中设置有降温组件，所述第二支路中设置有加热组件，所述降温组件位于所述主管道入口与第一泵之间，所述加热组件位于所述第二泵与主管道出口之间。本发明的一些实施例中，降温组件与加热组件之间还设置有电动阀门和压缩机，共同形成换热模块。即降温组件为第一换热器，加热组件为第二换热器。当主管道中的溶液温度高于100℃时，该换热模块用于将由主管道入口流向第一泵的溶液的温度降至小于100℃，再将由第二泵流出的溶液的温度加热至与主管道中的溶液的温度相同。换热模块主要用于在主管道中的溶液温度较高(高于100℃)时开启以进行换热，当主管道中的溶液温度低于100℃时，换热模块无需开启。
21.根据本发明的一些优选实施方面，所述降温组件靠近所述第一泵的一端设置有第一温度计，所述加热组件远离所述第二泵的一端设置有第二温度计。第一温度计和第二温度计的位置的设置，能够更加准确地监测流向第一泵的溶液的温度，以及由第二泵流出并汇入主管道的溶液的温度。当温度未达到要求时，继续关闭第一泵或第二泵，使溶液继续降温或加热直至温度达标，才可打开泵让溶液流通。当需要开启换热模块时，则需要在换热器中加入制冷剂，在第一换热器和第二换热器之间进行热量的转换。
22.换热过程的原理为：压缩气体，温度升高；反之温度降低。整个换热过程如下所述：
23.(1)关闭换热模块中的电动阀；
24.(2)启动压缩机，抽取第一换热器中的气体并压缩至第二换热器内使其温度和压力升高(如制冷剂为水，经该电动阀门后会液化)；
25.(3)第二换热器以热传导方式，将热量传递给与第二换热器位于同一位置的支管道内流动的液体；第二换热器中的制冷剂温度降低；
26.(4)开启电动阀门，第二换热器中的制冷剂因处于高压状态，经该电动阀门流向第一换热器；电动阀与第一换热器之间的管路中的制冷剂压力降低，其温度进一步降低(如制冷剂为水，经该电动阀门后会汽化)；
27.(5)与第一换热器位于同一位置的支管道内流动的液体以热传导方式加热第一换热器中的制冷剂，使其温度升高并汽化。压缩机抽取气态制冷剂，换热回路完成一个循环，并进入下一个循环。
28.本发明的另一个目的是提供一种利用上述装置在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的方法，包括两种方法，一种为被动式，另一种为主动式。
29.被动式的测量方法为：溶液由所述主管道的入口经支管道流向所述测量管时，溶液中的铁磁性颗粒会被永磁体产生的强磁场所磁化，进而引起所述螺线管内的线圈的磁通量的改变，使线圈两端产生微弱电压，由于线圈的两个接头与测量元件连接，该微弱电压经过测量元件进行信号捕捉与放大，实时记录得到的电压信号，并与电压信号校准曲线对比，即可得出溶液中铁磁性颗粒的含量。
30.主动式的测量方法为：对螺线管通以脉冲变化的电流，当溶液通过螺线管时，溶液中的铁磁性颗粒会引起螺线管内线圈的电感增大，实时测量并记录该电感值，并与电感信号校准曲线对比，也可得出溶液中铁磁性颗粒的含量。
31.具体地，本发明中的电压信号校准曲线与电感信号校准曲线是利用将已知大小的
球状颗粒加入支管道中，使其经过测量管，模拟待检测铁磁性颗粒的电信号特征并记录信号值所得到的。操作步骤如下所述：
32.(1)在支管道未与主管道连通时进行信号的出厂校准，关闭主管道入口和出口处的阀门并取下该装置；
33.(2)选用铁磁性材料(优选为fe4o3)加工制成球状颗粒，出厂校准时选用直径为0.5～100μm的颗粒；
34.(3)将该测量装置连接至较大容量的纯水箱(优选容量为1m3)，使纯水可在支管道中流通；
35.(4)取出过滤件，开启第一泵和第二泵，等到流速(优选设定流速为1m/s)稳定后，将预先制成的球状颗粒按照粒径相同、粒径不同的情况分成各种不同批次，每批次总重量优选为10g，单批次间隔5～60min向纯水箱中投入一定质量(优选质量为1mg)的球状颗粒，电路部分采集到稳定信号后继续投放球状颗粒，直至同一批次全部投放完毕；
36.(5)关闭第一泵和第二泵，关闭过滤件后的阀门并装上过滤件后，再开启第一泵和第二泵，利用过滤件对纯水中的球状颗粒进行过滤收集；当电路部分始终采集不到信号时，即可认为过滤收集完毕；重复步骤(4)和(5)，直至所有批次的球状颗粒全部投放完；
37.(6)记录溶液的流速、溶液中的颗粒总量、电压值、电感值等参数，分别生成电压信号校准曲线和电感信号校准曲线。
38.由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的一种在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置及方法，通过支管道和测量模块的设置，为二回路水样的实时状态监测提供技术支持，能够实时监测水样中铁磁性颗粒的含量，为二回路水化学调节效果的评价与分析提供关键参数。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明优选实施例中在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置的结构示意图；
41.图2为本发明优选实施例中测量管第一视角的剖视结构示意图；
42.图3为本发明优选实施例中测量管第二视角的剖视结构示意图；
43.图4为本发明优选实施例中测量管的管本体的结构示意图；
44.图5为本发明优选实施例中螺线管内的线圈的结构示意图；
45.附图中，主管道-1，第一支路-2，第一泵-21，第一流量计-22，第二支路-3，测量管-31，管本体-311，永磁体-312，外壳-313，绝缘部-314，线圈-315，接头-316，阻挡部-317，过滤件-32，第三支路-4，第二泵-41，第二流量计-42，换热模块-5，第一换热器-51，第二换热器-52，压缩机-53，第一温度计-54，第二温度计-55。
具体实施方式
46.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
47.实施例一：在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置
48.如图1至图5所示，本实施例的在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的装置包括支管道和位于支管道上的测量模块、换热模块5，支管道的两端均与主管道1连通，二回路中的溶液在主管道1中流通。支管道包括第一支路2、第二支路3和第三支路4，第一支路2位于主管道1的入口与第二支路3之间，第三支路4位于第二支路3与主管道1的出口之间；第一支路2中设置有第一电气模块，测量模块位于第二支路3中，第三支路4中设置有第二电气模块，换热模块5位于第一支路2和第三支路4之间。
49.测量模块包括测量管31、测量元件(未示出)和过滤件32。如图2和图3所示，其中的测量管31包括管本体311和位于管本体311内部的螺线管组件。螺线管组件包括永磁体管和位于永磁体管内的多个螺线管，螺线管的轴向方向平行于永磁体管的轴向方向，螺线管的轴向方向平行于管本体311的轴向方向，管本体311的轴向方向平行于流经测量管31的溶液的流动方向；螺线管内形成供溶液流通的通道。螺线管包括线圈315和包裹在线圈315外部的绝缘部314，线圈315的两端包括接头316，其中一端的接头316延伸至线圈315的另一端，使得两个接头316位于线圈315的同一端(如图5所示)，一根螺线管上的两个接头316均与测量元件电性连接。且绝缘部314的长度大于线圈315的长度，绝缘部314的一端与线圈315的一端齐平，则绝缘部314的另一端比线圈315长出一部分，长出的这部分所对应的螺线管的端部为螺线管的首端，即溶液在向测量管31流通时，从该端部流入，多出的这部分绝缘部314由于具有耐冲蚀性，能够延长线圈315的端部由于被冲蚀而发生损坏的时间，本实施例中，绝缘部314由耐冲蚀材料制备得到。此外，为了在管本体311内放置螺线管组件，在管本体311的一端设置了阻挡部317(如图4所示)，阻挡部317的外壁与管本体311的内壁连接，阻挡部317的端部与管本体311的端部齐平，使得螺线管组件能够整体放在阻挡部317上。
50.本实施例的多个螺线管在永磁体管内均匀间隔排列，相邻螺线管之间填充有连接材料，且多个螺线管按照其内径由永磁体管的圆心向外逐渐增大的方式进行排列，相同内径的螺线管位于同一个圆的圆周上；螺线管的内径为2-10mm。本实施例的连接材料与绝缘部314的制备材料相同，也为耐冲蚀材料。
51.如图2和图3所示，本实施例中的永磁体管包括永磁体312和包裹在永磁体312外部的由耐冲蚀材料制备得到的外壳313，靠近外壳313的螺线管的绝缘部314与外壳313连接。设置螺线管的长度小于或等于外壳313的长度，避免螺线管影响测量管31与支管道之间的连接。此外，还设置线圈315的长度小于或等于永磁体312的长度，由于永磁体312具有强磁场，当溶液在通过测量管31时，其中的铁磁性颗粒会被磁化，进而引起线圈315内的磁通量的改变，使线圈315两端产生微弱电压。因此，需保证能够产生磁通量变化的线圈315位于永磁体312产生的强磁场的范围内。
52.如图1所示，过滤件32位于测量管31之后，设置过滤件32主要是为了捕捉不同尺寸
的铁磁性颗粒，一方面，能够将捕捉到的铁磁性颗粒收集起来并集中处理掉，避免其再随溶液流回到主管道1中；另一方面，能够对过滤件32上的不同尺寸的铁磁性颗粒的分布位置进行统计分析，以便为永磁体管内的螺线管的排布(不同内径的螺线管如何排布)提供参考意见。
53.如图1所示，本实施例的第一电气模块包括第一泵21和第一流量计22，其共同用于控制由第一支路2流向测量模块的溶液的流量、压力和通断时间；第二电气模块包括第二泵41和第二流量计42，其共同用于控制由第二支路3流向主管道1的出口的溶液的流量、压力和通断时间。第一泵21和第二泵41可用于控制溶液流通，第一流量计22和第二流量计42可用于控制溶液的流量大小。
54.如图1所示，本实施例的换热模块5包括第一换热器51、第二换热器52、压缩机53和电动阀门，第一换热器51位于主管道1入口和第一泵21之间，第二换热器52位于第二泵41和主管道1出口之间，压缩机53和电动阀门位于第一换热器51和第二换热器52之间。第一换热器51、电动阀门、第二换热器52和压缩机53之间连接形成闭合回路。第一换热器51处靠近第一泵21的一端设置有第一温度计54，第二换热器52远离第二泵41的一端设置有第二温度计55。当主管道1中的溶液温度高于100℃时，需开启换热模块5，在换热器中加入制冷剂，在第一换热器51和第二换热器52之间进行热量的转换，换热模块5用于将由主管道1流向第一泵21的溶液的温度降至小于100℃，将由第二泵41流出的溶液的温度加热至与主管道1中的溶液的温度相同。当主管道中的溶液温度低于100℃时，换热模块5无需开启。第一温度计54和第二温度计55的位置的设置，是为了更加准确地监测流向第一泵21的溶液的温度，以及由第二泵41流出并汇入主管道1的溶液的温度。当温度未达到要求时，继续关闭第一泵21或第二泵41，使溶液继续降温或加热直至温度达标，才可打开泵让溶液流通。
55.实施例二：在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的方法
56.主管道1中流通的溶液从主管道1入口穿过第一换热器51、流经第一电气模块、测量管31、过滤件32、第二电气模块，再穿过第二换热器52，由主管道1的出口流出，在溶液经过测量管31时，溶液中的铁磁性颗粒会被永磁体312产生的强磁场所磁化，进而引起螺线管内的线圈315的磁通量的改变，使线圈315两端产生微弱后电压，由于线圈315的两个接头316与测量元件连接，该微弱电压经过测量元件进行信号捕捉与放大，实时记录得到的电压信号，并与电压信号校准曲线对比，即可得出溶液中铁磁性颗粒的含量。
57.实施例三：在线测量溶液中铁磁性颗粒含量的方法
58.将线圈315的接头316与测量元件电性连接后对测量管31通以脉冲变化的电流；主管道1中流通的溶液从主管道1入口穿过第一换热器51、流经第一电气模块、测量管31、过滤件32、第二电气模块，再穿过第二换热器52，由主管道1的出口流出；在溶液经过测量管31内的螺线管时，溶液中的铁磁性颗粒会引起螺线管的线圈315的电感增大，实时记录该电感的变化量，并与电感信号校准曲线对比，即可得出溶液中铁磁性颗粒的含量。
59.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。