一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计

1.本发明属于电磁流量计领域，特别是涉及一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计。


背景技术：

2.液态金属自身优越的流动与热传导性能使其广泛应用于核电、航空、航天、微电子等散热领域。液态金属具有导电性强、腐蚀性强的特点，针对其物性特点可采用电磁流量计测量流体回路流量参数。
3.电磁流量计根据磁场产生方式的不同可分为永磁式电磁流量计与线圈激励式电磁流量计。永磁式电磁流量计具有结构简单、可靠性高的特点，可以用于液态金属流量测量，基本原理示意如图1所示，上下磁铁于流体区域产生方向垂直向上/向下磁场，导电流体于磁场中做切割磁感线运动产生与磁场、流动方向正交的动生电动势，动生电动势大小为
4.e＝bdv＝4bq/(πd)
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(1)
5.式中b为磁场区域磁通密度，t；d为通道特征长度，m；v为流体速度，m/s；q为流体流量，m3/s。由公式(1)可知，动生电动势大小与磁场强度、流体流量分别成正比，即在流体流量固定情况下，电磁流量计磁场磁通密度越强，其灵敏度越高。
6.传统电磁流量计永磁铁分别位于流体管道上下两侧，上下永磁铁之间存在较大的磁极间隙，磁场磁感线扩散产生漏磁现象，其磁场区域磁通密度远小于永磁铁本身的剩余磁通密度。并且，如图2所示，随磁极间隙(流体管道)尺寸的增加电磁流量计磁场区域漏磁现象加重，磁通密度大幅下降。由公式(1)可知，此会导致电磁流量计灵敏度的降低，性能下降。


技术实现要素：

7.有鉴于此，为了解决上述传统永磁式电磁流量计磁场强度较弱、随通道尺寸增加漏磁现象加重的问题，本发明将海尔贝克环形永磁阵列引入永磁式电磁流量计领域，设计一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计。
8.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计，包括外部固定支架、海尔贝克环形永磁阵列、内部支架、流体管道、电极、金属引线和隔热层，所述外部固定支架内固定有海尔贝克环形永磁阵列，所述海尔贝克环形永磁阵列呈环状分瓣结构，所述海尔贝克环形永磁阵列中心通过内部支架支撑，所述流体管道穿过内部支架，所述流体管道和内部支架之间设置有电极，所述电极上连接有金属引线，将电磁流量计所产生的电信号传递至外部信号变送器。
9.更进一步的，所述外部固定支架包括圆环形卡扣和底部支架，所述圆环形卡扣设置在底部支架上，圆环形卡扣内部带有m个定位销，
10.更进一步的，所述海尔贝克环形永磁阵列其由m块不同磁化方向的梯形永磁体构成，各梯形磁块内测与外侧之间分别开有定位孔，此定位孔分别与外部固定支架的外部/内
部圆环形卡扣中的定位销相配合，起到定位永磁阵列磁场方向的作用。
11.更进一步的，所述内部支架由圆环形卡扣与竖直方向的支架组成，圆环形卡扣外部带有定位销，其与海尔贝克环形永磁阵列内侧的定位孔相配合起到使磁场、电极、流动方向互相垂直的作用，竖直方向支架的上端与圆环形卡扣通过焊接或一体成型方式相连接，下端与流体管道通过耐高温胶绝缘粘合，起到固定与支撑管道作用。
12.更进一步的，所述金属电极焊接于流体管道外水平方向两侧，金属电极长度保持小于等于永磁阵列磁铁宽度。
13.更进一步的，内部支架与流体管道间其余缝隙填充入隔温材料，隔绝高温液态金属向永磁体传递热量。
14.更进一步的，所述外部固定支架、内部支架、流体管道选用不锈钢金属材质。
15.更进一步的，所述海尔贝克环形永磁阵列选用钐钴/铷铁鹏永磁材料。
16.更进一步的，所述电极和金属引线选用电导率高的铜金属材料。
17.更进一步的，所述隔热层隔温材料选用石棉。
18.与现有技术相比，本发明所述的一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计的有益效果是：
19.(1)与传统永磁式电磁流量计相比，相同体积下本发明所述电磁流量计于液态金属区域所形成的磁场强度较高，使得流量测量范围更广以及灵敏度更高。
20.(2)与传统永磁式电磁流量计相比，于液态金属区域产生相同磁场强度情况下本发明所述电磁流量计体积更小以及重量更轻。
附图说明
21.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1为本发明所述的传统永磁式电磁流量计的原理图；
23.图2为本发明所述的传统电磁流量计磁场区域磁通密度随永磁铁磁极间隙变化趋势，在永磁铁剩余磁通密度1.1t情况下计算得；
24.图3为本发明所述的海尔贝克环形永磁阵列得结构示意图；
25.图4为海尔贝克环形液态金属流动测量电磁流量计的结构示意图；
26.图5为外部固定支架的结构示意图；
27.图6为海尔贝克环形永磁阵列的结构示意图；
28.图7为内部支架、流体管道、电极的结构示意图；
29.图8为流体管道周围的结构示意图；
30.图9为传统永磁式电磁流量计与本发明的永磁式电磁流量计的对比结构示意图，其中(a)为传统永磁式电磁流量计,(b)为本发明的永磁式电磁流量计；
31.图10为海尔贝克环电磁流量计与传统电磁流量计不同尺寸下磁场强度对比图；
32.图11为海尔贝克环电磁流量计与传统电磁流量计灵敏度对比图；
33.图中：流体管道1-1，永磁铁1-2，电极1-3，流体1-4、外部固定支架2-1、海尔贝克环形永磁阵列2-2、内部支架2-3、流体管道2-4、电极2-5、金属引线2-6、隔热层2-7。
具体实施方式
34.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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.一、参见图3-11说明本实施方式，一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计，包括外部固定支架2-1、海尔贝克环形永磁阵列2-2、内部支架2-3、流体管道2-4、电极2-5、金属引线2-6和隔热层2-7，所述外部固定支架2-1内固定有海尔贝克环形永磁阵列2-2，所述海尔贝克环形永磁阵列2-2呈环状分瓣结构，所述海尔贝克环形永磁阵列2-2中心通过内部支架2-3支撑，所述流体管道2-4穿过内部支架2-3，所述流体管道2-4和内部支架2-3之间设置有电极2-5，所述电极2-5上连接有金属引线2-6，将电磁流量计所产生的电信号传递至外部信号变送器。
36.如图3所示，海尔贝克环形永磁阵列通过把环形永磁体等分为m块“梯形”区域(m一般大于6，且为偶数)，并把每一块“梯形”区域按规律进行连续磁化，能够将永磁体的磁场聚集在环形阵列内或外侧，于另一侧屏蔽磁场，获得理想的单边磁场，且其强磁场区域根据永磁阵列的磁化方向差异可形成单极或多极。
[0037][0038]
公式(2)为各“梯形”区域磁化方向计算公式，式中θm为所求磁化方向角度，p为磁极对数，为各扇形区域所在位置处极坐标角度，括号中 与-分别代表强磁场区域位于环形阵列内侧或外测。在电磁流量计领域应用中，磁极对数取值为1，即于流体区域形成方向垂直向上/向下单极磁场。
[0039]
b＝brln(ro/ri)
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(3)
[0040]
理想“单极海尔贝克环形永磁阵列”磁场强度计算公式如公式(3)所示，式中br为永磁体剩余磁通密度，ro与ri分别为环形永磁阵列的外直径与内直径。由公式可知，理想“单极海尔贝克环形永磁阵列”所形成磁场区域的磁场强度处处均匀且相等，当ro/ri数值超过e(自然底数，2.718)时，永磁阵列磁场磁通密度大于永磁体本身的剩余磁通密度，显然这是容易实现的。
[0041]
图4所示为本发明所设计的一种基于海尔贝克环的液态金属流动测量电磁流量计，其由外部固定支架2-1、海尔贝克环形永磁阵列2-2、内部支架2-3、流体管道2-4、电极2-5、金属引线2-6、隔热层2-7组成，其结构拆解如图5～8所示。
[0042]
外部固定支架2-1由圆环形卡扣与底部支架组成，圆环形卡扣内部带有m个定位销，其与海尔贝克环形永磁阵列外侧定位孔相配合起到固定与定位海尔贝克环形永磁阵列作用，底部支座与圆环形卡扣可通过焊接或一体成型的方式连接，将底部支座放置/安装于实验台可起到支撑电磁流量计作用。
[0043]
所述海尔贝克环形永磁阵列2-2其由m块不同磁化方向的“梯形”永磁体构成，各“梯形”磁块内测与外侧之间分别开有定位孔，此定位孔分别与外部/内部圆环形卡扣中的定位销相配合起到定位永磁阵列磁场方向的作用。
[0044]
所述内部支架2-3由圆环形卡扣与竖直方向的支架组成，圆环形卡扣外部带有定位销，其与海尔贝克环形永磁阵列内侧的定位孔相配合起到使磁场、电极、流动方向互相垂直的作用，竖直方向支架的上端与圆环形卡扣通过焊接或一体成型方式相连接，下端与流
体管道2-4通过耐高温胶绝缘粘合，起到固定与支撑管道作用。金属电极2-5焊接于流体管道外水平方向两侧，金属电极长度保持小于等于永磁阵列磁铁宽度。金属导线2-6与金属电极2-5通过焊接方式相连，将电磁流量计所产生的电信号传递至外部信号变送器，金属导线通过内部支架2-3与电极2-5间缝隙引出。内部支架2-3与流体管道2-4间其余缝隙填充入隔温材料，隔绝高温液态金属向永磁体传递热量。
[0045]
外部固定支架2-1、内部支架2-3、流体管道2-4可选用不锈钢金属材质，海尔贝克环形永磁阵列2-2可选用钐钴/铷铁鹏永磁材料，电极2-5、金属引线2-6可选用电导率高的铜金属材料，隔热层2-7隔温材料可选用石棉。
[0046]
所述海尔贝克环液态金属流动测量电磁流量计的工作原理是：
[0047]
如图4所示，海尔贝克环形永磁阵列2-2于其内侧区域产生方向垂直向上/向下的单极强磁场，电导率高的液态金属流体于管道内磁场区域做垂直切割磁感线运动，产生与磁场、流动方向正交的动生电动势场，电极2-5两侧接收所产生的动生电动势信号，通过金属导线2-6将该电动势信号传递至外部信号变送器，由于液态金属流量正比于所产生的动生电动势，通过测量该动生电动势即可推测出液态金属流量。
[0048]
为了比较所提出的海尔贝克环形液态金属电磁流量计的性能，利用comsol多物理场仿真软件分别对“传统结构电磁流量计”与“海尔贝克环电磁流量计”进行了数值模拟仿真分析，所模拟的结构分别如图9(a)与图9(b)所示，模拟中保持工况相同(入口流量边界条件相等)，尺寸与材料等参数列于表1。
[0049]
表1所模拟对比电磁流量计参数
[0050][0051]
针对液态金属电磁流量计的具体情况，仿真计算中所用到的控制方程如下(稳态研究，速度入口压力出口边界条件)。
[0052]
磁场方程：
[0053][0054][0055]
磁铁材料的本构关系
[0056]
b＝μ0μrh brꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0057]
其余材料本构关系
[0058]
b＝μ0μ
rhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0059]
上式中h为磁场强度，vm为磁标势，b为磁感应强度，μ0真空磁导率，μr为相对磁导
率，br为磁铁剩余磁通量。
[0060]
电场方程：
[0061][0062]
j＝σ(e v
×
b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0063][0064]
上式中j为电流密度，q
j.v
为电荷量，σ为电导率，e为电场强度，v为流体速度，v为电势。
[0065]
流体力学方程：
[0066][0067][0068]
上式中vf为流速，ρ为密度，ν为粘度，j
×
b为洛伦兹力(计算时设定为附加体积力项)。
[0069]
图10所示为不同管道直径下变化电磁流量计外形尺寸于液态金属区域所产生的磁场强度。由图可知，在相同管道直径与外形尺寸下海尔贝克环电磁流量计流体区域磁场强度大于传统电磁流量计两倍以上，并且随着外形尺寸的增加磁场增强幅度增大。那么，根据公式(1)可知海尔贝克环电磁流量计存在灵敏度高的性能优势。
[0070]
图11所示为在相同外形尺寸与管道直径下，海尔贝克环电磁流量计与传统电磁流量计所产生的动生电动势信号随液态金属流量的变化趋势。由图可知，随流量的增加，两种电磁流量计所接收的动生电动势信号均线性增大，而本发明所设计的海尔贝克环电磁流量计所产生的动生电动势是传统电磁流量计的3倍左右，此体现了本发明所提出的电磁流量计具有灵敏度高、可检测流量范围广的性能优势。
[0071]
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。