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

劉云焰，陳道龍，楊建偉，呂 鵬，董康樂(lè)，李 興，孫曉福，孫 玉

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.國(guó)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(cè)量鈉流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.國(guó)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(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)一回路主泵旁路鈉流量計(jì)校準(zhǔn)的需求，設(shè)計(jì)了1套基于Labview軟件的相關(guān)鈉流量測(cè)量系統(tǒng)。本文介紹了相關(guān)法的測(cè)量原理、設(shè)計(jì)的相關(guān)鈉流量測(cè)量系統(tǒng)、對(duì)該系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)和鈉回路上的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這套基于Labview的相關(guān)鈉流量測(cè)量系統(tǒng)是可行的。本文還進(jìn)行了該系統(tǒng)的測(cè)量誤差分析，給出了減小誤差的方法。該系統(tǒng)及其試驗(yàn)為CEFR一回路主泵旁路鈉流量計(jì)在役校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行提供了依據(jù)。

相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)；中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆；鈉回路；鈉流量計(jì)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)一回路主泵鈉流量是通過(guò)位于旁路的永磁式鈉流量計(jì)來(lái)測(cè)量的。永磁式鈉流量計(jì)使用若干年后，其磁通密度會(huì)下降，從而影響測(cè)量精度，因此需定期進(jìn)行校準(zhǔn)。但該流量計(jì)在堆內(nèi)接受過(guò)輻照，不能移出堆外校準(zhǔn)。因此需對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行在役校準(zhǔn)。針對(duì)以上需求，本工作設(shè)計(jì)1套基于Labview的相關(guān)法測(cè)量鈉流量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的純軟件仿真試驗(yàn)、半實(shí)物仿真試驗(yàn)及在1條鈉回路上的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(hào)的類型、變化范圍和變化頻率，并分析該系統(tǒng)的測(cè)量誤差，旨為CEFR一回路主泵旁路鈉流量計(jì)在役校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行提供依據(jù)。

1 相關(guān)法的測(cè)量原理

流體在管道中流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部存在各種各樣的“噪聲”，流速也會(huì)有較小的隨機(jī)波動(dòng)，這種波動(dòng)可認(rèn)為是流體內(nèi)部不規(guī)則分布的漩渦隨流體一起移動(dòng)而引起的。因此測(cè)量出相距為L(zhǎng)的兩點(diǎn)處的流速隨機(jī)波動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)二者相關(guān)函數(shù)的峰值即可計(jì)算出流速波動(dòng)在這兩點(diǎn)間的傳輸時(shí)間τ0，即流體的渡越時(shí)間。

相關(guān)函數(shù)描述隨機(jī)過(guò)程內(nèi)在的和相互之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)特征，是衡量隨機(jī)過(guò)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(cè)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(gè)隨機(jī)過(guò)程相互聯(lián)系的數(shù)學(xué)特征。若x(t)和y(t)分別為各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)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(duì)x(t)的延遲時(shí)間；N為采樣點(diǎn)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(shí)刻；t為時(shí)間。

式(1)是相關(guān)法流量測(cè)量技術(shù)中常用的求相關(guān)函數(shù)值的計(jì)算公式。本試驗(yàn)還采用了相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，通過(guò)該公式同樣能計(jì)算出相關(guān)系數(shù)及渡越時(shí)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(dāng)Rxy(τ)為最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的τ=τ0。根據(jù)τ0，計(jì)算的流速V為：

(3)

再根據(jù)下式計(jì)算體積流量Q：

(4)

式中：D為管道直徑；VD為流體的實(shí)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(chǎng)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(chǎng)與流體的相互作用等[2-5]。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)的主要功能如下：采集、實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)兩個(gè)通道的流量信號(hào)；用相關(guān)法分析這兩個(gè)信號(hào)并計(jì)算出渡越時(shí)間、流速和流量；實(shí)時(shí)顯示測(cè)量全過(guò)程中計(jì)算出的渡越時(shí)間、相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線；讀取存儲(chǔ)的兩個(gè)流量信號(hào)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(tái)研華工控機(jī)組成。其主要性能參數(shù)如下：NI-PCI4462數(shù)據(jù)采集卡有4個(gè)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(dòng)態(tài)范圍(最大范圍為±10 V)；研華工控機(jī)CPU 2.8 G、內(nèi)存512 M。

2.2 軟件構(gòu)架及開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)的軟件是用Labview編寫(xiě)的。Labview是NI公司開(kāi)發(fā)的以G編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)的圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，其圖形編程方法與平時(shí)所熟悉的流程圖式設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)時(shí)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(chǔ)、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(cè)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(cè)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(jì)算互相關(guān)函數(shù)值或相關(guān)系數(shù)進(jìn)而確定渡越時(shí)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(yàn)

為檢驗(yàn)該系統(tǒng)能否完成信號(hào)的測(cè)量及相關(guān)法分析的功能，同時(shí)檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法是否適合相關(guān)法分析計(jì)算工作，在鈉回路試驗(yàn)前進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。該仿真試驗(yàn)分為純軟件仿真和半實(shí)物仿真兩部分。

3.1 純軟件仿真

編寫(xiě)一個(gè)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生兩路隨機(jī)且相關(guān)的信號(hào)的子程序代替數(shù)據(jù)采集子程序。兩路信號(hào)間的時(shí)間差可以調(diào)整。該系統(tǒng)計(jì)算出兩路信號(hào)間的時(shí)間差(即渡越時(shí)間)和相關(guān)系數(shù)。

3.2 半實(shí)物仿真試驗(yàn)

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

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

4 回路驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能運(yùn)用在實(shí)際的鈉回路上，進(jìn)行了本次回路驗(yàn)證試驗(yàn)。本次驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)和制造了一試驗(yàn)段來(lái)模擬CEFR一回路主泵旁路鈉流量計(jì)在役校準(zhǔn)裝置鈉單元。

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)鈉回路改造

本試驗(yàn)在電磁泵特性試驗(yàn)鈉回路上進(jìn)行，對(duì)外徑為48 mm的支路(以下簡(jiǎn)稱φ48支路)進(jìn)行了改造用來(lái)模擬CEFR一回路主泵鈉流量計(jì)在役校準(zhǔn)裝置鈉單元。

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)段如圖3所示。截取一段長(zhǎng)度700 mm、外徑48 mm的管道，在該管道一端端口處安裝一段長(zhǎng)度100 mm的流束導(dǎo)直器，在距該端口205 mm處管道上方開(kāi)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(gè)信號(hào)極，這4個(gè)信號(hào)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(cè)量。將設(shè)計(jì)的試驗(yàn)段安裝在φ48支路，在φ48支路雙殼式流量計(jì)的磁鋼上焊接固定件，并通過(guò)該固定件固定在管道上，所處管道位置為相關(guān)鈉流量測(cè)量第1個(gè)和第4個(gè)信號(hào)極所在范圍。

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可按磁鋼內(nèi)加墊塊與否分為不加墊塊試驗(yàn)和加墊塊試驗(yàn)。為使流量計(jì)測(cè)量到的流量信號(hào)準(zhǔn)確，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行了流量計(jì)浸潤(rùn)試驗(yàn)。為了解相關(guān)鈉流量測(cè)量過(guò)程測(cè)量本底噪聲信號(hào)大小，在相關(guān)鈉流量測(cè)量試驗(yàn)前進(jìn)行了測(cè)量本底信號(hào)試驗(yàn)。

整個(gè)相關(guān)鈉流量測(cè)量試驗(yàn)工況劃分200、300和400 ℃ 3個(gè)溫度平臺(tái)，每個(gè)溫度平臺(tái)下流量最小為2 m3/h，最大至14 m3/h。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)在不同鈉溫、不同流量、磁鋼是否加墊塊的13種工況的驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了大量的試驗(yàn)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(jì)的試驗(yàn)段Fig.3 Design of experiment section

圖4 回路溫度400 ℃、φ48支路鈉流量12 m3/h時(shí)的信號(hào)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(shí)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(cè)量到的相關(guān)信號(hào)從0.14 mV加大至1.6 mV，其變化頻率逐漸加大。這與實(shí)際湍流隨著流量的加大而更加劇烈，測(cè)量到的信號(hào)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(jiàn)，磁鋼內(nèi)加墊塊后測(cè)量到的相關(guān)信號(hào)變化范圍更大，其磁極間距減小，測(cè)量到的信號(hào)的確得到了放大。

圖6 按渡越時(shí)間計(jì)算出的流量與φ48支路流量計(jì)測(cè)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(shí)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(gè)別點(diǎn)與平均值相差較大，其計(jì)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(shí)間計(jì)算出的流量與φ48支路流量計(jì)測(cè)量到的流量的最大相對(duì)偏差為7%。

5 測(cè)量誤差分析

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

經(jīng)過(guò)分析，該系統(tǒng)測(cè)量誤差源主要有：φ48支路流量計(jì)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(jì)精度引入的誤差最大為7%，該誤差可通過(guò)選擇更高精度的標(biāo)準(zhǔn)源來(lái)降低。數(shù)據(jù)采集速度偏低引入的誤差是由于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz，即1 ms一個(gè)樣點(diǎn)，該采樣頻率較低導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。例如，當(dāng)φ48支路鈉流量為14 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間為41 ms，則計(jì)算出渡越時(shí)間應(yīng)為(41±1) ms，由此帶來(lái)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(guò)對(duì)相關(guān)鈉流量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)獲得，從而降低其引入的誤差。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了1套基于Labview軟件的相關(guān)法測(cè)量鈉流量系統(tǒng)，通過(guò)仿真試驗(yàn)和在回路上的驗(yàn)證試驗(yàn)證明該系統(tǒng)是可行的，確認(rèn)了兩路鈉流量信號(hào)是相關(guān)隨機(jī)信號(hào)，其信號(hào)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(jì)磁鋼加墊塊之后采集到的兩路鈉流量相關(guān)信號(hào)明顯變大，求得的渡越時(shí)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(shí)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(shí)間時(shí)，每次參與計(jì)算的數(shù)據(jù)量越大，渡越時(shí)間變化范圍越小。

相關(guān)法測(cè)量鈉流量不受溫度、時(shí)間及核輻射等因素影響，是一種再校準(zhǔn)永磁式鈉流量計(jì)的絕對(duì)方法。為提高鈉流量計(jì)再校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，在永磁式鈉流量計(jì)初次鈉回路用容積法進(jìn)行流量標(biāo)定時(shí)，在取得流量計(jì)輸出信號(hào)電動(dòng)勢(shì)與鈉流量關(guān)系的同時(shí)，應(yīng)取得相關(guān)法流量測(cè)量的渡越時(shí)間與鈉流量的關(guān)系，這種關(guān)系是永恒的、絕對(duì)的，并作為今后鈉流量計(jì)再校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度與初次實(shí)流標(biāo)定準(zhǔn)確度相當(dāng)。

該系統(tǒng)及其試驗(yàn)為CEFR一回路主泵鈉流量計(jì)的在役校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)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(jí)工程師，碩士研究生，反應(yīng)堆工程與核測(cè)控專業(yè)

TL375

A

1000-6931(2015)10-1865-05

10.7538/yzk.2015.49.10.1865