低温流量测量

　　1　引言

　　低温流体的流量测量一般使用流量计。常用的低温流量计主要有: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。同时,在大型托卡马克装置上,流速测量是控制超导磁体受迫流的一种重要手段。为了测量氦流速,就必须认真选择满足以下条件的流量测量装置。

　　(1)有足够高的精度,并能提供数字式的、长期的流量测量。特别是在经过热力循环、淬火等条件下能够准确测量。

　　(2)不但能在运行的装置上进行测量,也能进行系统监控。

　　(3)通过能提供低伏电信号输出的传感器在内部设备和外部反馈之间进行远距离测量。

　　因此,有必要了解低温流体测量的特别之处和低温流量计的特殊用法,以便能在大型的托卡马克装置上精确的使用低温测量装置。

　　2　低温流量计

　　2.1文丘里流量计、孔板流量计

　　大多数氦流量测量使用文丘里流量计[1,3,4]或孔板流量计[1,2]。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,ρ-进口工质密度,ΔΡ-进口和喉部之间的压差,β-孔径比。对于雷诺数小于5×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。为了保证其安全可靠性,在管内所有构件均使用焊接。典型的一套文丘里测量装置包括文丘里管、外接差压变送器,绝对压力变送器和温度变送器。孔板流量计与文丘里流量计一样同属于节流流量计,其基本测量原理相同。对于同一个压差,孔板流量计的压力损失是文丘里流量计的压力损失的4～6倍。比较而言,孔板流量计的形状最简单,最便宜。

　　2.2相关流量计

　　在T-15的磁体线圈测试的前期试验阶段,为了测量两相氦流量,发展了相关流量计。相关流量计[5]的测量原理是:流体流速处于相距L的两个由传感器测量的氦浓度的脉动变化的相关函数计算所得。在试验中使用高频谐振器(～660MHz)来测量密度脉动,共振频率伴随流体介质渗透率的波动而变化。相关函数式如下所示:

　　这里:R(τ) -相关函数本身,T-时间范围,t-当前时间,τ-延迟时间。已知距离L,延迟时间τ,管路横截面积S,相关函数存在最大值。我们定义体积流量G(m3/s) =SL/τ,或者质量流量G(kg/s)=pSL/τ,表示氦气在长为L的管路中的传输时间τ的最大值对应有R(τ)的最大值。