耐辐射高温高压流量传感器的制作方法

1.本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种耐辐射高温高压流量传感器。


背景技术：

2.当前压水堆一回路冷却剂流量测量最常用的是差压式流量计，现有手段存在以下问题：1)现有手段 压损大，主泵功率耗损较大；2)宽温域范围内精度差。针对陆上的核电站而言，核电站运行起来后，一 回路状态基本保持不变，波动较小；而对于核动力装置而言，改变巡航状态会导致一回路工况状态发生较 大变化，宽温域范围内精度较差；3)抗干扰能力差。由于核电站中的设备基本不存在环境干扰，因此现 有的流量计抗干扰能力普遍较低，而核动力装置在复杂的海洋环境中受到天气和洋流等环境因素影响，环 境干扰较大。因此现有压差式流量计无法满足核动力装置在复杂海洋环境、不同巡航状态冷一回路工况存 在较大变化下的冷却剂流量精确测量的需求，因此需要一种新型的压损小、宽温域补偿、抗干扰的耐辐照 高温高压流量传感器。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种耐辐射高温高压流量传感器，能够解决现有技术中冷却剂流量测量手段压损大及宽 温域范围内精度差的技术问题。
4.本发明提供了一种耐辐射高温高压流量传感器，耐辐射高温高压流量传感器包括：测量管表体，测量 管表体具有管道腔体，管道腔体用于通入待测流体，测量管表体的材质包括奥氏体不锈钢；旋涡发生体， 旋涡发生体固定设置在管道腔体内，旋涡发生体的材质包括奥氏体不锈钢；耐辐照压电陶瓷探头，耐辐照 压电陶瓷探头设置在测量管表体上且沿流体流动方向位于旋涡发生体后侧，耐辐照压电陶瓷探头用于获取 交变电荷；温度敏感元件，温度敏感元件设置在测量管表体上且沿流体流动方向位于旋涡发生体后侧，温 度敏感元件用于测量待测流体的温度；压力敏感元件和引压弯管，引压弯管的一端与管道腔体相连通，压 力敏感元件设置在引压弯管的另一端，引压弯管包括同轴设置的第一管道和第二管道，第一管道和第二管 道之间设置有冷却液，第一管道用于引入待测流体，压力敏感元件用于测量待测流体的压力；积算单元， 积算单元分别与耐辐照压电陶瓷探头、温度敏感元件和压力敏感元件连接，积算单元用于根据交变电荷计 算获取待测流体的体积流量以及根据待测流体的体积流量、温度敏感元件测量的温度以及压力敏感元件测 量的压力计算获取待测流体的质量流量。
5.进一步地，耐辐照压电陶瓷探头包括安装座、探头扁尾、压电元件、金属铠装导线、密封罩和接线端 子，安装座固定设置在测量管表体上，安装座具有探头容纳腔，探头扁尾设置在安装座下部，压电元件设 置在探头容纳腔内，探头扁尾用于承受待测流体产生的交变应力并将交变应力传递至压电元件，压电元件 用于产生交变电荷，探头容纳腔为真空腔体，压电元件通过金属铠装导线以及接线端子与积算单元连接， 密封罩设置在金属铠装导线外侧。
耐辐照压电陶瓷探头可测得待测流体的频率，根据待测流体的频率可以计算获取待测流体的体积流量，考 虑到核动力航母及其他核动力装备在不同的巡航状态下，堆芯功率不同，相应的冷却剂的流动状态(压力 和温度)也会发生改变，耐辐照高温高压流量传感器直接测量得到的是冷却剂的体积流量，为了得到冷却 剂的质量流量，需要得到冷却剂的实时密度参数，而冷却剂的密度是关于冷却剂压力和温度的二元函数， 因此在体积流量测量的基础上增加了温度和压力测量，并将实时测得的温度和压力参数对冷却剂质量流量 进行实时补偿，保证冷却剂质量流量在宽温域范围内的准确测量。因此，本发明所提供的耐辐射高温高压 流量传感器与现有技术相比，其能够适用于强辐照、高温、高压的环境，压损小，能够有效解决现有技术 中核动力装置一回路冷却剂流量测量和压损大的问题，提升核动力航母以及其它核动力装备流量测量，对 于实现对核动力武器装备的动力运行控制及事故预警能力提升具有重要意义。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明 的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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。
16.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的耐辐射高温高压流量传感器的工作原理流程图；
17.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的耐辐射高温高压流量传感器的结构示意图；
18.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的耐辐照压电陶瓷探头的结构示意图；
19.图4示出了根据本发明的具体实施例提供的耐辐照高温高压流量传感器流量测量原理的示意图；
20.图5示出了根据本发明的具体实施例提供的双通道信号处理单元的组成示意图；
21.图6示出了根据本发明的具体实施例提供的单旋涡发生体的示意图；
22.图7示出了根据本发明的具体实施例提供的双、多旋涡发生体的示意图；
23.图8a示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体速度场云图；
24.图8b示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体速度场云图；
25.图8c示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体速度场云图；
26.图8d示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱体柱旋涡发生体速度场云图；
27.图8e示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形体柱旋涡发生体速度场云图；
28.图8f示出了根据本发明的具体实施例提供的t形体柱旋涡发生体速度场云图；
[0029][0030]
图9a示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体压力场云图；
[0031]
图9b示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体压力场云图；
[0032]
图9c示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体压力场云图；
[0033]
图9d示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体压力场云图；
[0034]
图9e示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体压力场云图；
[0035]
图9f示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体压力场云图；
[0036]
图10a示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体涡流频率示意图；
[0037]
图10b示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体旋涡发生体涡流频率示意图；
[0038]
图10c示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体涡流频率示意图；
[0039]
图10d示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体涡流频率示意图；
[0040]
图10e示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体涡流频率示意图；
[0041]
图10f示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体涡流频率示意图；
[0042]
图11a示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0043]
图11b示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0044]
图11c示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0045]
图11d示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0046]
图11e示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0047]
图11f示出了根据本发明的具体实施例提供的圆柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0048]
图12a示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0049]
图12b示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0050]
图12c示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0051]
图12d示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0052]
图12e示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0053]
图12f示出了根据本发明的具体实施例提供的长方体柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0054]
图13a示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0055]
图13b示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0056]
图13c示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0057]
图13d示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0058]
图13e示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0059]
图13f示出了根据本发明的具体实施例提供的正方体柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0060]
图14a示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0061]
图14b示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0062]
图14c示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0063]
图14d示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0064]
图14e示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0065]
图14f示出了根据本发明的具体实施例提供的正三棱柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0066]
图15a示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0067]
图15b示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0068]
图15c示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0069]
图15d示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0070]
图15e示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0071]
图15f示出了根据本发明的具体实施例提供的梯形柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0072]
图16a示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体一阶模态云图；
[0073]
图16b示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体二阶模态云图；
[0074]
图16c示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体三阶模态云图；
[0075]
图16d示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体四阶模态云图；
[0076]
图16e示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体五阶模态云图；
[0077]
图16f示出了根据本发明的具体实施例提供的t形柱旋涡发生体六阶模态云图；
[0078]
图17a和图17b示出了根据本发明的具体实施例提供的近似三角t型柱结构旋涡发生体流场速度云图；
[0079]
图18示出了根据本发明的具体实施例提供的近似三角t型柱结构旋涡发生体流场涡流频率图。
[0080]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0081]
10、测量管表体；10a、管道腔体；20、旋涡发生体；21、第一竖直段；22、第一斜边；23、第一水 平段；24、第二竖直段；25、第二水平段；26、第二斜边；30、耐辐照压电陶瓷探头；31、安装座；31a、 探头容纳腔；32、探头扁尾；33、压电元件；34、金属铠装导线；35、密封罩；36、接线端子；40、温度 敏感元件；50、压力敏感元件；60、引压弯管；70、积算单元；80、支撑筒柱；90、电源接口。
具体实施方式
[0082]
如图1至图18所示，根据本发明的具体实施例提供了一种耐辐射高温高压流量传
感器，该耐辐射高 温高压流量传感器包括测量管表体10、旋涡发生体20、耐辐照压电陶瓷探头30、温度敏感元件40、压力 敏感元件50、引压弯管60和积算单元70，测量管表体10具有管道腔体10a，管道腔体10a用于通入待测 流体，测量管表体10的材质包括奥氏体不锈钢，旋涡发生体20固定设置在管道腔体10a内，旋涡发生体 20的材质包括奥氏体不锈钢，耐辐照压电陶瓷探头30设置在测量管表体10上且沿流体流动方向位于旋涡 发生体20后侧，耐辐照压电陶瓷探头30用于获取交变电荷，温度敏感元件40设置在测量管表体10上且 沿流体流动方向位于旋涡发生体20后侧，温度敏感元件40用于测量待测流体的温度，引压弯管60的一 端与管道腔体10a相连通，压力敏感元件50设置在引压弯管60的另一端，引压弯管60包括同轴设置的 第一管道和第二管道，第一管道和第二管道之间设置有冷却液，第一管道用于引入待测流体，压力敏感元 件50用于测量待测流体的压力，积算单元70分别与耐辐照压电陶瓷探头30、温度敏感元件40和压力敏 感元件50连接，积算单元70用于根据交变电荷计算获取待测流体的体积流量以及根据待测流体的体积流 量、温度敏感元件40测量的温度以及压力敏感元件50测量的压力计算获取待测流体的质量流量。
[0083]
应用此种配置方式，提供了一种耐辐射高温高压流量传感器，该传感器采用奥氏体不锈钢作为测量管 表体和旋涡发生体的主要结构材料，具有良好的耐辐照、耐腐蚀、耐高温特性；将压力敏感元件通过引压 弯管与测量管表体内的待测液体接触，引压弯管内填充有冷却液，待测液体通过引压弯管内的冷却液进行 降温，压力敏感元件通过测量降温后的待测液体以获取待测液体的压力，此种方式能够提高压力测量的可 靠性，延长压力敏感元件的使用寿命；通过设置耐辐照压电陶瓷探头、压力敏感元件和温度敏感元件，耐 辐照压电陶瓷探头可测得待测流体的频率，根据待测流体的频率可以计算获取待测流体的体积流量，考虑 到核动力航母及其他核动力装备在不同的巡航状态下，堆芯功率不同，相应的冷却剂的流动状态(压力和 温度)也会发生改变，耐辐照高温高压流量传感器直接测量得到的是冷却剂的体积流量，为了得到冷却剂 的质量流量，需要得到冷却剂的实时密度参数，而冷却剂的密度是关于冷却剂压力和温度的二元函数，因 此在体积流量测量的基础上增加了温度和压力测量，并将实时测得的温度和压力参数对冷却剂质量流量进 行实时补偿，保证冷却剂质量流量在宽温域范围内的准确测量。因此，本发明所提供的耐辐射高温高压流 量传感器与现有技术相比，其能够适用于强辐照、高温、高压的环境，压损小，能够有效解决现有技术中 核动力装置一回路冷却剂流量测量和压损大的问题，提升核动力航母以及其它核动力装备流量测量，对于 实现对核动力武器装备的动力运行控制及事故预警能力提升具有重要意义。具体地，在本发明中，耐辐射 高温高压流量传感器所能耐受的辐照累积剂量：≥3.4
×
105gy，介质温度：≤360℃，介质压力：≤18mpa。
[0084]
在本发明中，为了进一步地提高耐辐照压电陶瓷探头的耐辐照性能，可将耐辐照压电陶瓷探头30配 置为包括安装座31、探头扁尾32、压电元件33、金属铠装导线34、密封罩35和接线端子36，安装座31 固定设置在测量管表体10上，安装座31具有探头容纳腔31a，探头扁尾32设置在安装座31下部，压电 元件33设置在探头容纳腔31a内，探头扁尾32用于承受待测流体产生的交变应力并将交变应力传递至压 电元件33，压电元件33用于产生交变电荷，探头容纳腔31a为真空腔体，压电元件33通过金属铠装导线34以及接线端子36与积算单元70连接，密封罩35设置在金属铠装导线34外侧。
[0085]
在此种配置方式下，耐辐照压电陶瓷探头与旋涡发生体相分离，压电元件通过安
装座与测量管表体固 定，探头扁尾沿待测流体流动的方向置于旋涡发生体的后部，耐辐照高温高压流量传感器的探头扁尾两侧 获取旋涡升力作用，并传感出相应的旋涡流量信号，压电元件机械封装在探头容纳腔内，探头容纳腔为真 空腔体，增强抗辐照性能。压电元件通过刚性结构的金属铠装导线将信号输出到外部的接线端子上，接线 端子将信号输出到积算单元进行处理。当管道腔体内的待测流体因旋涡发生体产生旋涡后，伴随产生的交 变升力作用在悬臂梁下部的探头扁尾上，探头扁尾产生变形并迫使内部的压电元件也同步变形，从而产生 出与交变升力对应的电荷，通过积算单元内的一系列信号处理电路，最终获得流量信息。作为本发明的一 个具体实施例，可采用耐辐照高温高压的cbt压电传感器作为压电元件。
[0086]
进一步地，为了提供耐辐照压电陶瓷探头的抗冲击性能，可将探头扁尾32的长度l的取值范围设置 为l≤0.3do，探头扁尾32的直径d的取值范围为d≤0.1do，其中，do为管道腔体10a的内径。在此种配置 方式下，通过将探头扁尾32的长度l的取值范围设置为l≤0.3do，探头扁尾32的直径d的取值范围为d ≤0.1do，此种方式能够保证耐辐照压电陶瓷探头适用于大小各种口径流量计的配套安装，也具有很高的抗 冲击性能，不会被大流量的核动力装置冷却剂冲坏。
[0087]
此外，在本发明中，旋涡发生体是耐辐射高温高压流量传感器的关键部件，其结构形状和几何参数等 对仪表的流量特性(仪表系数度、范围度等)和阻力特性影响很大，它直接决定了仪表的性能、品质。因 此，设计的旋涡发生体首先需要保证产生旋涡的稳定性；其次，旋涡发生体的形状和结构应力求简单，便 于加工，便于检测元件的安装与组合；最后为保证仪表运行的稳定性和寿命，旋涡发生体的固有频率应远 离旋涡信号的频带，以避免共振。
[0088]
旋涡发生体有单体和多体型，如图6和图7所示。其中单体型结构简单，应用最多。在单体型结构中， 圆柱形旋涡发生形状最简单，加工十分方便，阻力系数小，所以一般旋涡流量计多采用圆柱形旋涡发生体。 但研究发现，随着雷诺数的变化，圆柱形旋涡发生体的旋涡分离点会随圆柱表面移动，旋涡的稳定性和仪 表线性度变差，使仪表的工作性能降低。
[0089]
为了得到适用于核动力装置一回路工况条件下能够产生稳定、强烈旋涡信号的漩涡发生体，进行有限 元仿真分析。考虑到当前旋涡发生体的技术成熟度结构复杂度和可靠性要求，主要针对单旋涡发生体进行 研究分析。对比各种类型的漩涡发生体在高温高压环境下的流体力学特性，并对其进行模态仿真分析，以 避免其固有频率与其产生的旋涡信号频率产生共振。
[0090]
对各种类型的单旋涡发生体(包括圆柱旋涡发生体、长方体柱旋涡发生体、正方体柱旋涡发生体、正 三棱体柱旋涡发生体、梯形体柱旋涡发生体和t形体柱旋涡发生体)进行流体力学仿真分析，以技术指标 要求的流量上限作为进口边界条件，并保证旋涡发生体的水力直径相同。主要针对不同旋涡发生体的速度 场、压力场和涡流频率进行仿真分析。各种类型的旋涡发生体的速度场如图8a至8f所示。
[0091]
通过流体动力学有限元仿真可以看到，不同类型的旋涡发生体产生的流场基本趋势是一致的，圆柱、 正方体和长方体的分离层范围更大，即这三种的旋涡相对于其他三种更难分离。因此在后续的优化设计过 程中需要考虑怎样强迫涡流与边界层快速分离，并且
保证正涡流脱离的周期稳定性问题。
[0092]
耐辐照高温高压流量传感器的流量测量都是通过测量旋涡的产生频率来推算流量的，本发明采用的压 电式旋涡信号检测方案则是通过检测旋涡前后的交变力变化来得到等效旋涡频率。交变力的大小影响到旋 涡信号检测的准确度，因此交变力信号越强烈信号的准确度越高。交变力在流场压力云图上通过低压中心 等效表示，即低压中心与主流流体压力的压力差越大，相应的交变力也越大，也就是在压力云图上的旋涡 颜色与主流颜色的对比度。
[0093]
各种类型的旋涡发生体的压力场云图如图9a至9f所示。通过压力云图可以初步看到，三棱柱旋涡发 生体和t形柱旋涡发生体产生的旋涡低压中心与主流流体的压力差最为明显，这是由于阻流面后端形状变 化最为剧烈，导致涡流可以迅速脱离边界层形成旋涡；长方体旋涡发生体、梯形柱旋涡发生体和圆柱旋涡 发生体的旋涡低压中心效果稍差，正方体柱旋涡发生体效果最差，旋涡强度最小。
[0094]
除了旋涡产生的交变力大小影响旋涡信号的采集，旋涡发生频率也会影响到最终流量计量的准确度。 理论上，在保证旋涡发生频率不与旋涡发生体的固有振动频率不同频的前提下，旋涡发生频率越高，流量 计量的准确度越高。
[0095]
各种类型的旋涡发生体的涡流频率如图10a至10f所示。通过仿真计算结果可以看到，圆柱、正方体 柱和长方体柱旋涡发生体的旋涡频率都在200以下，而三棱柱、梯形柱旋涡发生体的旋涡频率在500～600 之间，t形柱旋涡发生体的旋涡频率最高在600以上。具体的选型还要在各种类型的旋涡发生体模态仿真 分析以后，确保各种类型的旋涡发生体的固有频率与旋涡发生频率不同频。
[0096]
为了避免旋涡发生体固有频率与其产生的旋涡信号频率产生共振，对各种类型的旋涡发生体进行模态 仿真分析。各种类型的旋涡发生体前六阶模态云图如图11a至图16f所示。
[0097]
各类型的旋涡发生体前六阶频率与涡流频率如下表所示。可以看到各种类型的旋涡发生体的固有频率 均高于涡流频率一个数量级。因此，在设计旋涡发生体时可以尽量提高旋涡的发生频率，以提高流量测量 的准确度。
[0098]
表1涡流频率与固有频率对比
[0099][0100][0101]
通过对各种类型的旋涡发生体的流体力学和模态仿真分析，考虑到旋涡强度、旋涡发生频率、旋涡稳 定性和旋涡发生体固有频率等因素进行综合考虑，在项目需求环境下
三棱柱和t形柱有良好的适用性。三 棱柱具有更好的旋涡稳定性，而t形柱具有更高的涡流频率。因此本项目在这两种的旋涡发生体的基础上 进行了优化设计。
[0102]
通过对比常见类型的旋涡发生体速度场、压力场强度、涡流频率以及模态，为克服旋涡发生体的缺陷， 设计了一种近似三角t型柱旋涡发生体，并对其关键结构参数进行了优化。优化后进行流体动力学有限元 仿真分析，结果如图17a至图18所示。
[0103]
具体地，如图4所示，旋涡发生体20为近似三角t型柱结构，旋涡发生体20的任一横截面均由第一 竖直段21、第一斜边22、第一水平段23、第二竖直段24、第二水平段25和第二斜边26首尾相连接组成， 第一竖直段21和第二竖直段24平行设置，第一水平段23和第二水平段25平行设置，第一斜边22和第 二斜边26相对于任一横截面的中心轴线对称设置。
[0104]
在此种配置方式下，在该旋涡发生体的两侧有平行于中心轴线的短棱边，其作用有二：一是强迫漩涡 在此产生同步分离；二是对漩涡分离起稳定作用。从其漩涡分离示意图可看出，流体流过两平行棱边后， 开始减速增压运动，在θ角度选择适当时，可使流体的减速增压运动较为均匀，边界层的发展既不因倾斜 度过大而太急促，也不因倾斜度过小而太缓慢。均匀而严密的漩涡分离，减小了流体的其他扰动和噪音， 使旋涡信号既强烈又稳定。通过仿真结果可以看到，优化后的旋涡发生体在旋涡周期稳定性、交变力强度、 涡流频率等综合指标等到总体优化。
[0105]
进一步地，在本发明中，旋涡发生体20与测量管表体10的流体入口端面之间的距离为第一间距，旋 涡发生体20与测量管表体10的流体出口端面之间的距离为第二间距，第一间距与第二间距之间的比值为 1：2，第一水平段23与第二水平段25之间的间距为管道腔体10a的直径的0.27倍至0.28倍。此种结构 设置能够确保流量传感器在测量高温高压流体时仍具有稳定的结构尺寸从而实现稳定的k系数，同时具有 良好的线性度和最小的压力损失等多种特性。
[0106]
此外，在本发明中，图4示出了耐辐射高温高压流量传感器的测量原理。当管道流体因旋涡发生体产 生旋涡后，伴随产生的交变升力作用在探头扁尾上，探头扁尾产生变形并迫使内部的压电元件也同步变形， 从而产生出与交变升力对应的电荷，通过接线端子将信号传输至积算单元70。积算单元70包括频率计算 单元和信号处理单元，频率计算单元用于根据交变电荷计算获取待测流体的频率信号，信号处理单元用于 对待测流体的频率信号进行滤波处理以获取去噪后的频率信号。在得到频率信号之后，根据频率信号计算 获取体积流量。温度敏感元件40安装在耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头下游，测出待测流体的 工况温度；压力敏感元件测量旋涡发生体后的流体压力，等效于耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头 测量点处的工况压力，它的引压孔位于旋涡发生体侧面靠后方与耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头 安装点相垂直的位置，引压弯管中充有高温流体冷却导压液，可以防止高温流体直接与压力敏感元件接触。 压电陶瓷敏感探头、温度敏感元件和压力敏感元件的三路电信号上传到流量积算单元中进行信号处理和转 换，再由积算单元计算出工况体积流量值、工况压力值和工况温度值。已知核动力装置高温高压冷却剂的 密度是其工况温度和压力的二元变量特定函数，在积算单元的数据库中存储有多组温度、压力和密度值， 在测量到实际温度和压力后通过自动调用或查询存储数据库读取核动力装置冷却剂密度，再与之前测量出 的工况体积量乘积就可精确算出核动力装置高温高压冷却剂的质量流量。
[0107]
具体地，在本发明中，为了获取待测流体的体积流量，需要获取待测流体的频率。如图4所示，设旋 涡发生体的流通面积(即横截面积)为a，管道腔体10a的内径为d，旋涡发生体的第一水平段23与第二 水平段25之间的间距为d，当时，旋涡发生体的流通面积a可表示为：
[0108][0109]
待测流体的体积流量公式为：
[0110][0111]
根据公式二可知待测流体的体积流量qv，与旋涡脱离频率f在一定雷诺数范围内成线性关系。改写 公式二可得：
[0112][0113]
式中，是与仪表尺寸、流体流动情况有关的常量，称之为仪表系数。 因此，待测流体的体积流量qv可根据计算获取，其中， a为旋涡发生体20的流通面积，u为待测流体的流速，d为管道腔体10a的内径，d为第一水平段23 与第二水平段25之间的间距，s
t
为斯特罗哈数，f为旋涡脱离频率，k为仪表系数。
[0114]
进一步地，如图5所示，为了提高耐辐射高温高压流量传感器的流量测量精度，在获取了频率信号之 后，需要对频率信号中的噪音进行过滤以提高抗环境干扰能力。具体地，在本发明中，信号处理单元包括 前置放大电路、可控增益调整电路、测量通道、检测通道、整形控制单元和滤波测量单元，测量通道包括 低频滤波通道和高频滤波通道，前置放大电路用于对去噪后的频率信号进行信号放大，放大后的频率信号 进入可控增益调整电路中，可控增益调整电路用于在整形控制单元控制下调节频率信号的放大倍数，测量 通道用于根据频率信号的频率选择合适的滤波通道以去除频率信号中的低频噪声，监测通道用于在监测到 频率信号由低频向高频转变时将测量通道的低频通道切换为高频通道以对频率信号进行过滤，滤波测量单 元用于对去噪后的频率信号进行滤波测量以输出测量信号。
[0115]
此外，在本发明中，为了获取待测流体的密度，积算单元70还包括密度数据库和比较模块，密度数 据库内存储有温度序列、压力序列和密度序列，温度序列由多个温度值组成，压力序列由多个压力值组成， 密度序列由多个密度值组成，多个温度值、多个压力值以及多个密度值一一相对应，比较模块用于将温度 敏感元件40测得的待测流体温度以及压力敏感元件50测得的待测流体压力与密度数据库中的温度序列和 压力序列相比较以获取与待测流体温度和待测流体压力最接近的温度和压力所对应的密度值。
[0116]
进一步地，在本发明中，普通的ic温度敏感元件测温范围一般只限于-50℃～ 125
℃，本发明选择高 温薄膜铂电阻pt100作为温度敏感元件，由于其可耐温度范围更高：-200℃～ 600℃，解决了核动力装置 冷却剂流量计量耐高温问题；并且由于其微型封装，更有利于结构上与流量计实现一体化，一体化设计后 引线也很短，引线电阻的影响忽略不计，所以可以采用两线制接入方式，这样的结构简单，安装也方便； 其次，薄膜式铂电阻信号处理电路简单，仅需通过简单的模数转换就可接入积算单元内的单片机中。此外， 在本发明中，积算单元不仅能够计算获取待测流体的质量流量，同时其也可具有显示屏，能够实时显示测 量的流体质量流量，方便人员观看获取流量数值，并在流量出现异常时及时进行处理。
[0117]
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图18对本发明所提供的耐辐射高温高压流量传感器 进行详细说明。
[0118]
如图1至图18所示，根据本发明的具体实施例提供了一种耐辐射高温高压流量传感器，在本实施例 中，考虑核动力航母及其他核动力装备在不同的巡航状态下，堆芯功率不同，相应的冷却剂的流动状态(压 力和温度)也会发生改变。耐辐照高温高压流量传感器直接测量得到的是冷却剂的体积流量，为了得到冷 却剂的质量流量，需要得到冷却剂的实时密度参数。而冷却剂的密度是关于冷却剂压力和温度的二元函数， 因此本项目在体积流量测量的基础上增加了温度和压力测量，并将实时测得的温度和压力参数对冷却剂质 量流量进行实时补偿，保证冷却剂质量流量在宽温域范围内的准确测量。
[0119]
具体地，本发明具体实施例采用一体化的流量传感器结构主体为两端焊接标准法兰结构的测量管表体 10，管道腔体10a内装一个专门设计的近似三角t型柱截面的旋涡发生体，测量管表体10的长度根据口 径大小和安装要求设计成标准长度。
[0120]
耐辐照高温高压流量传感器测量管表体10的管道腔体10a内上游焊接有专门设计的近似三角t型柱 截面的旋涡发生体，旋涡发生体与测量管表体的材质都采用符合asme标准和rccm标准的奥氏体不锈钢制 成，具有良好的耐辐照、耐腐蚀、耐高温特性。
[0121]
旋涡发生体20为近似三角t型柱结构，旋涡发生体20的任一横截面均由第一竖直段21、第一斜边 22、第一水平段23、第二竖直段24、第二水平段25和第二斜边26首尾相连接组成，第一竖直段21和第 二竖直段24平行设置，第一水平段23和第二水平段25平行设置，第一斜边22和第二斜边26相对于任 一横截面的中心轴线对称设置。旋涡发生体20与测量管表体10的流体入口端面之间的距离为第一间距， 旋涡发生体20与测量管表体10的流体出口端面之间的距离为第二间距，第一间距与第二间距之间的比值 为1：2，第一水平段23与第二水平段25之间的间距为管道腔体10a的直径的0.27倍至0.28倍。这种结 构和材料设计能确保流量计在测量高温高压流体时仍具有稳定的结构尺寸从而实现稳定的k系数，同时具 有良好的线性度和最小的压力损失等多种特性。
[0122]
陶瓷敏感探头、温度敏感元件和压力敏感元件按顺序依次安装在测量管表体10上，温度敏感元件和 压力敏感元件都安装在旋涡发生体的下游，不仅实现了安装结构紧凑，而且安装位置与国家标准或国际标 准的规范要求相一致。该位置设计合理保证了温度和压力测量值更准确，使得经过压力和温度补偿积算后 的仪表线性度更高，能实现对核动力装备冷却剂质量流量的高精度计量要求。
[0123]
在本实施例中，采用积算显示仪作为积算单元，积算显示仪上设置有电源接口90，电源接口90用于 向耐辐照压电陶瓷探头、温度敏感元件、压力敏感元件以及积算显示仪供
电。积算显示仪通过一个加长型 的支撑筒柱80远离测量管表体10安装，能避免测量管表体10的高温影响，满足一回路冷却剂(即待测 液体)流量计量的高温要求；必要时，积算显示仪还可整体与测量管表体10分离型安装，通过特制电缆 相连接。
[0124]
压力敏感元件靠近积算显示仪安装在支撑筒柱80的上端位置，以远离可能的高温表体，仅通过带有 回形管段的引压弯管导压测量到已降温的一回路冷却剂(即待测液体)压力值，提高了压力敏感元件的可 靠性，并延长寿命。
[0125]
综述以上结构设计，实现的一体化结构即具有紧凑简洁的标准化结构，又具有适于高温高压流体流量 计量的耐温结构，总体提高了产品的可靠性和准确性。
[0126]
耐辐照高温高压流量敏感陶瓷探头是本传感器的最核心部件，它的性能直接决定了旋涡流量计的总体 性能，用于核动力装置冷却剂流量计量的场合要求更高；一是温度高，最高要能耐到360℃；二是流量大， 流量上限达到90t/h，三是要耐冲击，一回路冷却剂的密度大，对高温下的传感器的冲击力破坏也大。以上 3点就是要求旋涡流量传感器在结构、材料和性能上要有合理的设计和要求以满足大流量的高温高压冷却 剂流量计量。
[0127]
为此，本发明采用了耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头与旋涡发生体分离型的结构方案，研制 了一种小尺寸悬臂梁结构的耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头，耐辐照压电陶瓷探头与旋涡发生体 相分离，压电元件通过安装座与测量管表体固定，探头扁尾沿待测流体流动的方向置于旋涡发生体的后部， 耐辐照高温高压流量传感器的探头扁尾两侧获取旋涡升力作用，并传感出相应的旋涡流量信号，压电元件 机械封装在探头容纳腔内，探头容纳腔为真空腔体，增强抗辐照性能。压电元件通过刚性结构的金属铠装 导线将信号输出到外部的接线端子上，接线端子将信号输出到积算单元进行处理。当管道腔体内的待测流 体因旋涡发生体产生旋涡后，伴随产生的交变升力作用在悬臂梁下部的探头扁尾上，探头扁尾产生变形并 迫使内部的压电元件也同步变形，从而产生出与交变升力对应的电荷，通过积算单元内的一系列信号处理 电路，最终获得流量信息。
[0128]
传感器的各零部件外表材料全部选用奥氏体不锈钢，传感器的外部封装结构全部采用氩弧焊接密封， 压电元件采用专用cbt耐高温耐辐照流体传感器芯体等设计，根本上保证了传感器能耐辐照(3.4
×
105gy) 高温(360℃)高压(18mpa)液态核动力装置冷却剂流量计量。传感器还具有常温1000mω以上的绝缘 阻抗和良好的信噪比，使得流量传感器在计量冷却剂流量时既有高可靠性和长寿命，还具有宽量程性能。
[0129]
压力敏感元件设计为氩弧焊接封装结构的高稳态的压阻式压力敏感元件，采用标准的四线制电阻桥式 接线方法与积算显示仪相连接；整体安装以组件结构方式远离高温管道安装在积算显示仪的前侧下方，压 力敏感元件是通过引压弯管将被测流体引入后测量压力值。
[0130]
积算单元70包括频率计算单元和信号处理单元，频率计算单元用于根据交变电荷计算获取待测流体 的频率信号，信号处理单元用于对待测流体的频率信号进行滤波处理以获取去噪后的频率信号。信号处理 单元包括前置放大电路、可控增益调整电路、测量通道、检测通道、整形控制单元和滤波测量单元，初始 频率信号首先通过前置放大电路进行信号放大；然后经过可调增益电路，这个可调增益电路会受到mcu i 反馈控制调节放大倍数；然后信号会进入测量通道和监测通道。测量通道分为低频和高频段，其中低频段 细分为3个频段，高频段为1个频段，也就是测量通道总共有四个频段。正常情况下测量通道会根
据采集 到的信号自动选择频段进行信号处理。但是有一种情况，当流速从低流速骤升至高流速，产生的频率信号 也会从低频骤升至高频，而如果环境中正好有低频噪声，测量通道的低频段仍能采集到低频噪声导致低频 段处于饱和，那么测量通道就会将低频噪声信号当做流量频率信号而忽略真实的已转变为高频的流量信 号，从而产生误差。监测通道就是用于监测高频信号的变化，一旦监测到高频信号，就会通过mcu i反馈 给测量通道强制切换到高频段进行测量，从而忽略掉低频噪声信号；最后经过一级mcu ii的滤波测量输 出测量信号。
[0131]
耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头安装在旋涡发生体后，感受被测流体的旋涡交变力，耐辐照 高温高压流量传感器陶瓷敏感探头输出的信号频率值正比于流体流量，通过测出频率计算出被测的体积流 量；温度敏感元件安装在耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头下游，测出流体的工况温度；压力敏感 元件测量旋涡发生体后的流体压力，等效于耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头测量点处的工况压 力，它的引压孔位于旋涡发生体侧面靠后方与耐辐照高温高压流量传感器陶瓷敏感探头安装点相垂直的位 置，引压弯管中充有高温流体冷却导压液，可以防止高温流体直接与压力敏感元件接触。压电陶瓷敏感探 头、温度敏感元件和压力敏感元件的3路电信号经由穿过支撑筒柱内的各自信号导线上传到流量积算显示 仪中进行信号处理和转换，再由积算显示仪计算出工况体积流量值、工况压力值和工况温度值。已知核动 力装置高温高压冷却剂的密度是其工况温度和压力的二元变量特定函数，该流体密度值和相关计算公式存 储在流量积算仪的存储器内，密度数据库内存储有温度序列、压力序列和密度序列，温度序列由多个温度 值组成，压力序列由多个压力值组成，密度序列由多个密度值组成，多个温度值、多个压力值以及多个述 密度值一一相对应，在测量到实际温度和压力后通过自动调用或查询密度数据库中与待测流体温度和待测 流体压力最接近的温度和压力所对应的密度值作为核动力装置冷却剂密度，再与之前测量出的工况体积量 乘积就可精确算出核动力装置高温高压冷却剂的质量流量。
[0132]
综上所述，本发明提供了一种耐辐射高温高压流量传感器，该传感器与现有技术相比，具有以下优点。
[0133]
一是耐辐照性能，主要包括三方面：(1)采用核级奥氏体不锈钢作为主要结构材料；(2)采用特制 的耐辐照压电陶瓷作为涡街频率检测元件材料；(3)陶瓷敏感探头内部采用真空封装来增强耐辐照性能。
[0134]
二是耐高温性能：主要包括两方面：(1)初步采用回形管和冷却液的测压方案，被测冷却剂不直接 接触压力传感器，中间填充冷却液来降温，实现高温压力的测量。(2)耐高温压电陶瓷材料，采用cbt 陶瓷材料可以耐受400℃高温。
[0135]
三是宽温域补偿，提升测量精度：除了涡街陶瓷敏感探头，还加入了温度传感器和高温压力传感器， 可以实时测量涡街频率、冷却剂温度和压力，当冷却剂工况发生变化时，冷却剂密度会发生变化，通过实 时测得的冷却剂温度和压力，通过调用预置的冷却剂密度数据库可以得到冷却剂的实时密度，再结合涡街 频率可以得到精确的冷却剂质量流量，能够实现冷却剂在宽温域范围内的质量流量测量。
[0136]
四是压损小：目前大型核电站的冷却剂流量测量主要采用的是差压式流量计，本发明所提供的传感器 方案相较于常规测量方式压损降低50％～75％，更加适用于船用核
动力系统的冷却剂流量测量和目前新兴 的小型自然循环反应堆系统。
[0137]
五是抗干扰：主要是采用一些信号处理算法，对噪声信号进行滤波，剔除由于现场干扰而引起的突变 干扰脉冲，最大可能提高了测量精度和抗外界振动和脉动流干扰的性能。