基于Labview的相关法测量钠流量系统设计

刘云焰，陈道龙，杨建伟，吕 鹏，董康乐，李 兴，孙晓福，孙 玉

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209)

基于Labview的相关法测量钠流量系统设计

刘云焰1,2，陈道龙1，杨建伟1，吕 鹏1，董康乐1，李 兴1，孙晓福1，孙 玉1

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209)

为满足中国实验快堆(CEFR)一回路主泵旁路钠流量计校准的需求，设计了1套基于Labview软件的相关钠流量测量系统。本文介绍了相关法的测量原理、设计的相关钠流量测量系统、对该系统的仿真试验和钠回路上的验证试验。试验结果表明，这套基于Labview的相关钠流量测量系统是可行的。本文还进行了该系统的测量误差分析，给出了减小误差的方法。该系统及其试验为CEFR一回路主泵旁路钠流量计在役校准装置的设计、调试和运行提供了依据。

相关流量测量技术；中国实验快堆；钠回路；钠流量计

中国实验快堆(CEFR)一回路主泵钠流量是通过位于旁路的永磁式钠流量计来测量的。永磁式钠流量计使用若干年后，其磁通密度会下降，从而影响测量精度，因此需定期进行校准。但该流量计在堆内接受过辐照，不能移出堆外校准。因此需对该流量计进行在役校准。针对以上需求，本工作设计1套基于Labview的相关法测量钠流量系统，通过对该系统的纯软件仿真试验、半实物仿真试验及在1条钠回路上的试验来验证该系统是否可行，了解采集到的两路相关的钠流量信号的类型、变化范围和变化频率，并分析该系统的测量误差，旨为CEFR一回路主泵旁路钠流量计在役校准装置的设计、调试和运行提供依据。

1 相关法的测量原理

流体在管道中流动时，其内部存在各种各样的“噪声”，流速也会有较小的随机波动，这种波动可认为是流体内部不规则分布的漩涡随流体一起移动而引起的。因此测量出相距为L的两点处的流速随机波动信号，再通过二者相关函数的峰值即可计算出流速波动在这两点间的传输时间τ0，即流体的渡越时间。

相关函数描述随机过程内在的和相互之间关联的数学特征，是衡量随机过程内在的和相互之间的相似程度的量。相关函数分为自相关函数和互相关函数。

本相关法钠流量测量系统采用互相关函数算法。互相关函数描述两个随机过程相互联系的数学特征。若x(t)和y(t)分别为各态历经平稳的随机过程{x(t)}和{y(t)}的样本函数，则它们的互相关函数定义与算法为：

(1)

式中：Rxy(τ)为x(t)、y(t+τ)的互相关函数值；τ为y(t)相对x(t)的延迟时间；N为采样点数；x(k)、y(k)分别为x(t)、y(t)离散后的函数；k为第k时刻；t为时间。

式(1)是相关法流量测量技术中常用的求相关函数值的计算公式。本试验还采用了相关系数计算公式，通过该公式同样能计算出相关系数及渡越时间[1]，该公式如下：

(2)

式中：ρxy为x与y的相关系数；COV(x,y)为x与y的协方差；D(x)、D(y)分别为x、y的方差。

式(1)中当Rxy(τ)为最大值时，对应的τ=τ0。根据τ0，计算的流速V为：

(3)

再根据下式计算体积流量Q：

(4)

式中：D为管道直径；VD为流体的实际流速；k为流速修正因子。

k受很多因素影响，如传感器敏感场的几何形状、尺寸和敏感度分布，流体中流速的分布，传感器敏感场与流体的相互作用等[2-5]。

2 系统开发

该系统的主要功能如下：采集、实时显示和存储两个通道的流量信号；用相关法分析这两个信号并计算出渡越时间、流速和流量；实时显示测量全过程中计算出的渡越时间、相关系数随时间的变化曲线；读取存储的两个流量信号数据。

2.1 硬件结构

该系统的硬件主要由1块NI-PCI4462数据采集卡和1台研华工控机组成。其主要性能参数如下：NI-PCI4462数据采集卡有4个同步模拟量输入通道、最大采样频率为204.8 kHz、24位高分辨率、高动态范围(最大范围为±10 V)；研华工控机CPU 2.8 G、内存512 M。

2.2 软件构架及开发

该系统的软件是用Labview编写的。Labview是NI公司开发的以G编程语言为基础的图形编程开发环境，其图形编程方法与平时所熟悉的流程图式设计方法及思维方式非常相似，与传统编程环境相比可节省软件开发时间[6-9]。该系统软件主要由数据采集、数据显示、数据存储、读取历史数据和求相关等子程序组成。相关法钠流量测量系统软件结构如图1所示。

图1 相关法钠流量测量系统软件结构Fig.1 Soft structure of correlation sodium flow measurement system

求相关子程序是该系统的核心程序，其流程图如图2所示。求相关子程序功能是计算互相关函数值或相关系数进而确定渡越时间。

图2 求相关子程序流程图Fig.2 Flow diagram of calculating correlation program

3 仿真试验

为检验该系统能否完成信号的测量及相关法分析的功能，同时检验相关系数计算方法是否适合相关法分析计算工作，在钠回路试验前进行了仿真试验。该仿真试验分为纯软件仿真和半实物仿真两部分。

3.1 纯软件仿真

编写一个用计算机产生两路随机且相关的信号的子程序代替数据采集子程序。两路信号间的时间差可以调整。该系统计算出两路信号间的时间差(即渡越时间)和相关系数。

3.2 半实物仿真试验

用NI-PCI6251数据采集卡产生两路随机且相关的信号，可调节两路信号间的时间差及两路信号各自的大小。用该相关法钠流量测量系统测量这两路信号，并计算出渡越时间和相关系数。

上述两种仿真试验的结果表明，该测量系统能完成信号的测量及相关法分析的功能，且相关系数计算方法适合相关法分析计算。

4 回路验证试验

为进一步验证该系统是否能运用在实际的钠回路上，进行了本次回路验证试验。本次验证试验设计和制造了一试验段来模拟CEFR一回路主泵旁路钠流量计在役校准装置钠单元。

4.1 验证试验钠回路改造

本试验在电磁泵特性试验钠回路上进行，对外径为48 mm的支路(以下简称φ48支路)进行了改造用来模拟CEFR一回路主泵钠流量计在役校准装置钠单元。

设计的试验段如图3所示。截取一段长度700 mm、外径48 mm的管道，在该管道一端端口处安装一段长度100 mm的流束导直器，在距该端口205 mm处管道上方开一槽口，在该槽口处插入1块湍流发生器挡板，制成湍流发生器，在特定的位置焊4个信号极，这4个信号极顺着管道轴向分布并与湍流发生器成90°夹角，用于相关钠流量测量。将设计的试验段安装在φ48支路，在φ48支路双壳式流量计的磁钢上焊接固定件，并通过该固定件固定在管道上，所处管道位置为相关钠流量测量第1个和第4个信号极所在范围。

4.2 验证试验内容

整个试验过程可按磁钢内加垫块与否分为不加垫块试验和加垫块试验。为使流量计测量到的流量信号准确，试验开始时进行了流量计浸润试验。为了解相关钠流量测量过程测量本底噪声信号大小，在相关钠流量测量试验前进行了测量本底信号试验。

整个相关钠流量测量试验工况划分200、300和400 ℃ 3个温度平台，每个温度平台下流量最小为2 m3/h，最大至14 m3/h。

4.3 验证试验结果与分析

通过在不同钠温、不同流量、磁钢是否加垫块的13种工况的验证试验，得到了大量的试验数据。以回路温度400 ℃为例，结果示于图4～6。

图3 设计的试验段Fig.3 Design of experiment section

图4 回路温度400 ℃、φ48支路钠流量12 m3/h时的信号Fig.4 Signal under loop temperature of 400 ℃ and φ48 branch sodium flow of 12 m3/h

图5 用相关系数法和相关函数法求渡越时间的比较Fig.5 Comparison of transition time calculated by correlation coefficient method and correlation function mothod

φ48支路流量从2 m3/h加大至14 m3/h，测量到的相关信号从0.14 mV加大至1.6 mV，其变化频率逐渐加大。这与实际湍流随着流量的加大而更加剧烈，测量到的信号也相应变大、频率变快的情况相符合。与不加垫块比较可见，磁钢内加垫块后测量到的相关信号变化范围更大，其磁极间距减小，测量到的信号的确得到了放大。

图6 按渡越时间计算出的流量与φ48支路流量计测量到的流量比较Fig.6 Comparison between flow calculated by transition time and flow measured by φ48 branch flowmeter

从图5可看出，用相关系数法和相关函数法求渡越时间的结果基本一致；相关函数法随流量变化的响应速度较快；相关函数法个别点与平均值相差较大，其计算结果的稳定性较相关系数法的差。

从图6可看出，按渡越时间计算出的流量与φ48支路流量计测量到的流量的最大相对偏差为7%。

5 测量误差分析

该系统测量的流量与φ48支路流量计测量值最大相对偏差为7%，而φ48支路流量计的精度为±7%。按照误差合成方法，该系统的测量精度等于两者的平方和的开方[10]，为±10%。

经过分析，该系统测量误差源主要有：φ48支路流量计精度引入的误差、数据采集速度偏低引入的误差和仪表修正系数引入的误差。其中φ48支路流量计精度引入的误差最大为7%，该误差可通过选择更高精度的标准源来降低。数据采集速度偏低引入的误差是由于本试验数据采集频率为1 kHz，即1 ms一个样点，该采样频率较低导致了误差的产生。例如，当φ48支路钠流量为14 m3/h时，对应的渡越时间为41 ms，则计算出渡越时间应为(41±1) ms，由此带来了约±2.4%的误差。因此，升高数据采集速度即可降低该误差。仪表修正系数引入的误差是由于式(4)中流速修正因子k不等于1引入的误差。k可通过对相关钠流量测量系统进行校准来获得，从而降低其引入的误差。

6 结论

设计了1套基于Labview软件的相关法测量钠流量系统，通过仿真试验和在回路上的验证试验证明该系统是可行的，确认了两路钠流量信号是相关随机信号，其信号大小变化范围以及变化频率随着φ48支路流量变大而变大，φ48双壳式流量计磁钢加垫块之后采集到的两路钠流量相关信号明显变大，求得的渡越时间变化范围变小。用相关函数公式和相关系数公式求渡越时间结果基本一致。两种方法可相互换用。相关系数公式求渡越时间时，每次参与计算的数据量越大，渡越时间变化范围越小。

相关法测量钠流量不受温度、时间及核辐射等因素影响，是一种再校准永磁式钠流量计的绝对方法。为提高钠流量计再校准的准确度，在永磁式钠流量计初次钠回路用容积法进行流量标定时，在取得流量计输出信号电动势与钠流量关系的同时，应取得相关法流量测量的渡越时间与钠流量的关系，这种关系是永恒的、绝对的，并作为今后钠流量计再校准的参考标准，其准确度与初次实流标定准确度相当。

该系统及其试验为CEFR一回路主泵钠流量计的在役校准装置的设计、调试和运行提供了依据。

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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

刘云焰(1977—)，男，江西丰城人，高级工程师，硕士研究生，反应堆工程与核测控专业

TL375

A

1000-6931(2015)10-1865-05

10.7538/yzk.2015.49.10.1865