低温文丘里流量计计算机数据采集的实现

　　1　引　　言

　　HT-7U是我所自行设计和建造的全超导托卡马克装置。超导体设计的工作温度在4.5K,采用超临界氦迫流冷却,对迫流氦的流量测量和控制是必不可少的。另外在低温的热负荷计算中,氦流量的精确测量也是至关重要的。在低温系统中,一般使用的流量计主要有:节流流量计(文丘里流量计,孔板流量计和喷嘴流量计),相关流量计,涡轮流量计,超声流量计及质量流量计等。但比较几种流量计后[3],认为节流流量计中文丘里流量计压力损失小,受磁场的影响小,而且文丘里流量计可以应用的温区极广,几乎可以覆盖整个温区,同时还具有结构简单,造价便宜的优点比较适合我们的使用,因而,在我们的低温液氦的回路中选择文丘里流量计作为流量的测量。一次超导磁体实验往往需要1～2周甚至更长时间,因而采用计算机采集和监控流量就显得尤为重要。

　　2　文丘里流量计的原理

　　文丘里流量计是一种节流流量计。节流流量计是利用节流装置前后的差压与平均流速和流量的关系,而根据差压测量计算出流量的流量计。对于文丘里流量计而言,压降和质量流量成如下关系:

　　这里,q—质量流量;C—流量系数;F0喉部面积; —进口工质密度; P—进口和喉部之间的压差; —孔径比。对于雷洛数小于50000且准确度小于5%的流态,应考虑流量系数随流速的变化。对于小口径喉部直径(5mm或5mm以下)的文丘里流量计需要进行标定。其准确度主要取决于配合公差。压力损失大约是压力头15%～20%。因此对于流量测量系统而言,文丘里流量计是一种可靠的、简单的、很有用的流量测量装置。

　　典型的一套文丘里流量测量装置包括文丘管里和压差变送器。为了得到质量流量,还需测量文丘里管入口的压力和温度。

　　计算机采集单个流量计的原理图如下:

　　从上面的原理可知,对于一套完整的文丘里流量计的测量,我们需要知道进口工质的密度 以及进口和喉部之间的压差 P。氦的密度 与上游的压力和温度有关,即 =Ψ(P,T)。实际上,我们测量了温度T和压力P,通过氦的物性程序可以计算得到其密度 。因而,一套完整的流量测量,应采集上游的P、T和文丘里的 P,再通过算法得到质量流量q。

　　3　HT-7U超导模型线圈实验实现超临界氦流量计计算机采集

　　HT-7U超导模型线圈实验是中科院等离子体所为真实HT-7U超导线圈做测试而进行的先期预演。由5个流量计组成氦回路系统(如图2)。计算机采集系统主要是完成上述的温度、压力、流量的采集与监控,给低温系统准确结果,以便调节和控制低温系统。