劉云焰，陳道龍，楊建偉，呂 鵬，董康樂，李 興，孫曉福，孫 玉

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209)

基于Labview的相關(guān)法測量鈉流量系統(tǒng)設(shè)計

劉云焰1,2，陳道龍1，楊建偉1，呂 鵬1，董康樂1，李 興1，孫曉福1，孫 玉1

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209)

為滿足中國實驗快堆(CEFR)一回路主泵旁路鈉流量計校準的需求，設(shè)計了1套基于Labview軟件的相關(guān)鈉流量測量系統(tǒng)。本文介紹了相關(guān)法的測量原理、設(shè)計的相關(guān)鈉流量測量系統(tǒng)、對該系統(tǒng)的仿真試驗和鈉回路上的驗證試驗。試驗結(jié)果表明，這套基于Labview的相關(guān)鈉流量測量系統(tǒng)是可行的。本文還進行了該系統(tǒng)的測量誤差分析，給出了減小誤差的方法。該系統(tǒng)及其試驗為CEFR一回路主泵旁路鈉流量計在役校準裝置的設(shè)計、調(diào)試和運行提供了依據(jù)。

相關(guān)流量測量技術(shù)；中國實驗快堆；鈉回路；鈉流量計

中國實驗快堆(CEFR)一回路主泵鈉流量是通過位于旁路的永磁式鈉流量計來測量的。永磁式鈉流量計使用若干年后，其磁通密度會下降，從而影響測量精度，因此需定期進行校準。但該流量計在堆內(nèi)接受過輻照，不能移出堆外校準。因此需對該流量計進行在役校準。針對以上需求，本工作設(shè)計1套基于Labview的相關(guān)法測量鈉流量系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的純軟件仿真試驗、半實物仿真試驗及在1條鈉回路上的試驗來驗證該系統(tǒng)是否可行，了解采集到的兩路相關(guān)的鈉流量信號的類型、變化范圍和變化頻率，并分析該系統(tǒng)的測量誤差，旨為CEFR一回路主泵旁路鈉流量計在役校準裝置的設(shè)計、調(diào)試和運行提供依據(jù)。

1 相關(guān)法的測量原理

流體在管道中流動時，其內(nèi)部存在各種各樣的“噪聲”，流速也會有較小的隨機波動，這種波動可認為是流體內(nèi)部不規(guī)則分布的漩渦隨流體一起移動而引起的。因此測量出相距為L的兩點處的流速隨機波動信號，再通過二者相關(guān)函數(shù)的峰值即可計算出流速波動在這兩點間的傳輸時間τ0，即流體的渡越時間。

相關(guān)函數(shù)描述隨機過程內(nèi)在的和相互之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學特征，是衡量隨機過程內(nèi)在的和相互之間的相似程度的量。相關(guān)函數(shù)分為自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。

本相關(guān)法鈉流量測量系統(tǒng)采用互相關(guān)函數(shù)算法?；ハ嚓P(guān)函數(shù)描述兩個隨機過程相互聯(lián)系的數(shù)學特征。若x(t)和y(t)分別為各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)的隨機過程{x(t)}和{y(t)}的樣本函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)定義與算法為：

(1)

式中：Rxy(τ)為x(t)、y(t+τ)的互相關(guān)函數(shù)值；τ為y(t)相對x(t)的延遲時間；N為采樣點數(shù)；x(k)、y(k)分別為x(t)、y(t)離散后的函數(shù)；k為第k時刻；t為時間。

式(1)是相關(guān)法流量測量技術(shù)中常用的求相關(guān)函數(shù)值的計算公式。本試驗還采用了相關(guān)系數(shù)計算公式，通過該公式同樣能計算出相關(guān)系數(shù)及渡越時間[1]，該公式如下：

(2)

式中：ρxy為x與y的相關(guān)系數(shù)；COV(x,y)為x與y的協(xié)方差；D(x)、D(y)分別為x、y的方差。

式(1)中當Rxy(τ)為最大值時，對應(yīng)的τ=τ0。根據(jù)τ0，計算的流速V為：

(3)

再根據(jù)下式計算體積流量Q：

(4)

式中：D為管道直徑；VD為流體的實際流速；k為流速修正因子。

k受很多因素影響，如傳感器敏感場的幾何形狀、尺寸和敏感度分布，流體中流速的分布，傳感器敏感場與流體的相互作用等[2-5]。

2 系統(tǒng)開發(fā)

該系統(tǒng)的主要功能如下：采集、實時顯示和存儲兩個通道的流量信號；用相關(guān)法分析這兩個信號并計算出渡越時間、流速和流量；實時顯示測量全過程中計算出的渡越時間、相關(guān)系數(shù)隨時間的變化曲線；讀取存儲的兩個流量信號數(shù)據(jù)。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件主要由1塊NI-PCI4462數(shù)據(jù)采集卡和1臺研華工控機組成。其主要性能參數(shù)如下：NI-PCI4462數(shù)據(jù)采集卡有4個同步模擬量輸入通道、最大采樣頻率為204.8 kHz、24位高分辨率、高動態(tài)范圍(最大范圍為±10 V)；研華工控機CPU 2.8 G、內(nèi)存512 M。

2.2 軟件構(gòu)架及開發(fā)

該系統(tǒng)的軟件是用Labview編寫的。Labview是NI公司開發(fā)的以G編程語言為基礎(chǔ)的圖形編程開發(fā)環(huán)境，其圖形編程方法與平時所熟悉的流程圖式設(shè)計方法及思維方式非常相似，與傳統(tǒng)編程環(huán)境相比可節(jié)省軟件開發(fā)時間[6-9]。該系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、讀取歷史數(shù)據(jù)和求相關(guān)等子程序組成。相關(guān)法鈉流量測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 相關(guān)法鈉流量測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 Soft structure of correlation sodium flow measurement system

求相關(guān)子程序是該系統(tǒng)的核心程序，其流程圖如圖2所示。求相關(guān)子程序功能是計算互相關(guān)函數(shù)值或相關(guān)系數(shù)進而確定渡越時間。

圖2 求相關(guān)子程序流程圖Fig.2 Flow diagram of calculating correlation program

3 仿真試驗

為檢驗該系統(tǒng)能否完成信號的測量及相關(guān)法分析的功能，同時檢驗相關(guān)系數(shù)計算方法是否適合相關(guān)法分析計算工作，在鈉回路試驗前進行了仿真試驗。該仿真試驗分為純軟件仿真和半實物仿真兩部分。

3.1 純軟件仿真

編寫一個用計算機產(chǎn)生兩路隨機且相關(guān)的信號的子程序代替數(shù)據(jù)采集子程序。兩路信號間的時間差可以調(diào)整。該系統(tǒng)計算出兩路信號間的時間差(即渡越時間)和相關(guān)系數(shù)。

3.2 半實物仿真試驗

用NI-PCI6251數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生兩路隨機且相關(guān)的信號，可調(diào)節(jié)兩路信號間的時間差及兩路信號各自的大小。用該相關(guān)法鈉流量測量系統(tǒng)測量這兩路信號，并計算出渡越時間和相關(guān)系數(shù)。

上述兩種仿真試驗的結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)能完成信號的測量及相關(guān)法分析的功能，且相關(guān)系數(shù)計算方法適合相關(guān)法分析計算。

4 回路驗證試驗

為進一步驗證該系統(tǒng)是否能運用在實際的鈉回路上，進行了本次回路驗證試驗。本次驗證試驗設(shè)計和制造了一試驗段來模擬CEFR一回路主泵旁路鈉流量計在役校準裝置鈉單元。

4.1 驗證試驗鈉回路改造

本試驗在電磁泵特性試驗鈉回路上進行，對外徑為48 mm的支路(以下簡稱φ48支路)進行了改造用來模擬CEFR一回路主泵鈉流量計在役校準裝置鈉單元。

設(shè)計的試驗段如圖3所示。截取一段長度700 mm、外徑48 mm的管道，在該管道一端端口處安裝一段長度100 mm的流束導直器，在距該端口205 mm處管道上方開一槽口，在該槽口處插入1塊湍流發(fā)生器擋板，制成湍流發(fā)生器，在特定的位置焊4個信號極，這4個信號極順著管道軸向分布并與湍流發(fā)生器成90°夾角，用于相關(guān)鈉流量測量。將設(shè)計的試驗段安裝在φ48支路，在φ48支路雙殼式流量計的磁鋼上焊接固定件，并通過該固定件固定在管道上，所處管道位置為相關(guān)鈉流量測量第1個和第4個信號極所在范圍。

4.2 驗證試驗內(nèi)容

整個試驗過程可按磁鋼內(nèi)加墊塊與否分為不加墊塊試驗和加墊塊試驗。為使流量計測量到的流量信號準確，試驗開始時進行了流量計浸潤試驗。為了解相關(guān)鈉流量測量過程測量本底噪聲信號大小，在相關(guān)鈉流量測量試驗前進行了測量本底信號試驗。

整個相關(guān)鈉流量測量試驗工況劃分200、300和400 ℃ 3個溫度平臺，每個溫度平臺下流量最小為2 m3/h，最大至14 m3/h。

4.3 驗證試驗結(jié)果與分析

通過在不同鈉溫、不同流量、磁鋼是否加墊塊的13種工況的驗證試驗，得到了大量的試驗數(shù)據(jù)。以回路溫度400 ℃為例，結(jié)果示于圖4～6。

圖3 設(shè)計的試驗段Fig.3 Design of experiment section

圖4 回路溫度400 ℃、φ48支路鈉流量12 m3/h時的信號Fig.4 Signal under loop temperature of 400 ℃ and φ48 branch sodium flow of 12 m3/h

圖5 用相關(guān)系數(shù)法和相關(guān)函數(shù)法求渡越時間的比較Fig.5 Comparison of transition time calculated by correlation coefficient method and correlation function mothod

φ48支路流量從2 m3/h加大至14 m3/h，測量到的相關(guān)信號從0.14 mV加大至1.6 mV，其變化頻率逐漸加大。這與實際湍流隨著流量的加大而更加劇烈，測量到的信號也相應(yīng)變大、頻率變快的情況相符合。與不加墊塊比較可見，磁鋼內(nèi)加墊塊后測量到的相關(guān)信號變化范圍更大，其磁極間距減小，測量到的信號的確得到了放大。

圖6 按渡越時間計算出的流量與φ48支路流量計測量到的流量比較Fig.6 Comparison between flow calculated by transition time and flow measured by φ48 branch flowmeter

從圖5可看出，用相關(guān)系數(shù)法和相關(guān)函數(shù)法求渡越時間的結(jié)果基本一致；相關(guān)函數(shù)法隨流量變化的響應(yīng)速度較快；相關(guān)函數(shù)法個別點與平均值相差較大，其計算結(jié)果的穩(wěn)定性較相關(guān)系數(shù)法的差。

從圖6可看出，按渡越時間計算出的流量與φ48支路流量計測量到的流量的最大相對偏差為7%。

5 測量誤差分析

該系統(tǒng)測量的流量與φ48支路流量計測量值最大相對偏差為7%，而φ48支路流量計的精度為±7%。按照誤差合成方法，該系統(tǒng)的測量精度等于兩者的平方和的開方[10]，為±10%。

經(jīng)過分析，該系統(tǒng)測量誤差源主要有：φ48支路流量計精度引入的誤差、數(shù)據(jù)采集速度偏低引入的誤差和儀表修正系數(shù)引入的誤差。其中φ48支路流量計精度引入的誤差最大為7%，該誤差可通過選擇更高精度的標準源來降低。數(shù)據(jù)采集速度偏低引入的誤差是由于本試驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz，即1 ms一個樣點，該采樣頻率較低導致了誤差的產(chǎn)生。例如，當φ48支路鈉流量為14 m3/h時，對應(yīng)的渡越時間為41 ms，則計算出渡越時間應(yīng)為(41±1) ms，由此帶來了約±2.4%的誤差。因此，升高數(shù)據(jù)采集速度即可降低該誤差。儀表修正系數(shù)引入的誤差是由于式(4)中流速修正因子k不等于1引入的誤差。k可通過對相關(guān)鈉流量測量系統(tǒng)進行校準來獲得，從而降低其引入的誤差。

6 結(jié)論

設(shè)計了1套基于Labview軟件的相關(guān)法測量鈉流量系統(tǒng)，通過仿真試驗和在回路上的驗證試驗證明該系統(tǒng)是可行的，確認了兩路鈉流量信號是相關(guān)隨機信號，其信號大小變化范圍以及變化頻率隨著φ48支路流量變大而變大，φ48雙殼式流量計磁鋼加墊塊之后采集到的兩路鈉流量相關(guān)信號明顯變大，求得的渡越時間變化范圍變小。用相關(guān)函數(shù)公式和相關(guān)系數(shù)公式求渡越時間結(jié)果基本一致。兩種方法可相互換用。相關(guān)系數(shù)公式求渡越時間時，每次參與計算的數(shù)據(jù)量越大，渡越時間變化范圍越小。

相關(guān)法測量鈉流量不受溫度、時間及核輻射等因素影響，是一種再校準永磁式鈉流量計的絕對方法。為提高鈉流量計再校準的準確度，在永磁式鈉流量計初次鈉回路用容積法進行流量標定時，在取得流量計輸出信號電動勢與鈉流量關(guān)系的同時，應(yīng)取得相關(guān)法流量測量的渡越時間與鈉流量的關(guān)系，這種關(guān)系是永恒的、絕對的，并作為今后鈉流量計再校準的參考標準，其準確度與初次實流標定準確度相當。

該系統(tǒng)及其試驗為CEFR一回路主泵鈉流量計的在役校準裝置的設(shè)計、調(diào)試和運行提供了依據(jù)。

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Correlation Sodium Flow Measurement System Design Based on Labview

LIU Yun-yan1,2, CHEN Dao-long1, YANG Jian-wei1, LV Peng1,DONG Kang-le1, LI Xing1, SUN Xiao-fu1, SUN Yu1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China;2.StateNuclearPowerTechnologyR&DCentre,Beijing102209,China)

In order to meet the requirement of calibration of sodium flowmeters installed on the bypass loops of primary pumps on primary circuits of China Experimental Fast Reactor (CEFR), a correlation sodium flow measurement system based on Labview was designed. The principle of correlation measurement technology, the correlation sodium flow measurement system, the simulation experiments and experiments on the sodium loop for the system were introduced. The experiment results show that the system is feasible. The measurement errors were analyzed, and methods on how to reduce the errors were given. The system and experiments provide references for the design, debug and operation of the system for in-service calibration of the sodium flowmeters installed on the bypass loops of primary pumps on primary circuits of CEFR.

correlation flow measurement technology; China Experimental Fast Reactor; sodium loop; sodium flowmeter

2015-06-02;

2015-07-12

劉云焰(1977—)，男，江西豐城人，高級工程師，碩士研究生，反應(yīng)堆工程與核測控專業(yè)

TL375

A

1000-6931(2015)10-1865-05

10.7538/yzk.2015.49.10.1865