一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法与流程

本发明涉及一种流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法，具体涉及一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法。

背景技术：

湿蒸汽作为一种工作介质广泛应用于热动力工程等领域。例如在汽轮机中，流动湿蒸汽不仅引起机组效率的下降，还对叶片和汽缸造成水蚀。测量汽轮机中流动湿蒸汽的湿度是汽轮机热力试验的重要内容，也是评价机组性能以及改进机组设计的重要依据；在机组运行中也希望能实时监控低压级组的湿度，从而为评估叶片水蚀的程度提供依据。

目前，诸多文献公开了数种原理的湿蒸汽湿度测量方法，例如加热法、光学法、电容法、微波法、光纤光栅法、超声波法等。这些方法中相对较为成熟的是光学法和加热法，其他方法大多处于理论或实验室研究阶段。

光学法能兼顾湿度和水滴粒径的测量，但本质上其湿度是对流动湿蒸汽中数量巨大且尺寸差异悬殊的水滴进行统计的结果，一般认为其测量精度低于加热法；另外，光学法测量设备复杂昂贵，目前还仅用于科学实验研究，难以在工程实际中大范围推广；此外，光学法湿度测量装置也无法实现长期在线实时监测。

加热法最早被提出，其基本原理是将湿蒸汽样本加热为过热蒸汽，通过测量流量、加热量以及过热蒸汽的热力学参数，根据热平衡关系即可得到湿度值。加热法的优点是依据能量守恒原理进行测量因而保证具有高精度，且湿度测量装置无需标定。作为一种流动参数测量装置，要求湿度测量装置的体积尽可能小，以减小对流场的干扰；另外，湿度测量装置工作环境恶劣，尽可能简单的结构是保证测量装置可靠工作的基础。而现有各种加热法湿度测量装置(如专利200410011148.1、201310073920.1、201410136475.3)均存在结构复杂、长度长、直径大的缺点，导致目前没有任何一种加热法湿度测量装置能够同时满足汽轮机级内和排汽湿度实时在线测量的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法，该传感器体积紧凑，结构简单，并且测量方法精度高，可以适用于各种环境下流动湿蒸汽湿度的在线实时测量。

为达到上述目的，本发明所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器包括湿度传感器本体及控制及数据处理器，其中，湿度传感器本体包括内套管及外套管；

内套管及外套管均为中空结构，内套管套接于外套管的一侧内，内套管与外套管之间设有绝热密封层，外套管另一侧的内壁上设有湿蒸汽温度传感器，内套管的内壁上设有过热蒸汽温度传感器、过热蒸汽压力传感器及若干对电极，各对电极沿周向分布，湿蒸汽温度传感器、电极、过热蒸汽温度传感器及过热蒸汽压力传感器沿蒸汽流动的方向依次设置，且过热蒸汽压力传感器与过热蒸汽温度传感器位于垂直于流动方向的同一横截面内，湿蒸汽温度传感器的输出端、过热蒸汽温度传感器的输出端、过热蒸汽压力传感器的输出端及各对电极的控制端均与控制及数据处理器相连接。

还包括用于支撑外套管的支架。

沿圆周方向布置的各对电极采用轮流交替的方式工作，在同一时刻只有一对电极处于导通加热状态，各对电极的交替切换频率通过控制及数据处理器控制。

本发明所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度的测量方法包括以下步骤：

将湿度传感器本体放置于待测湿蒸汽的流动空间内，其中，湿蒸汽传感器本体的轴线与湿蒸汽流动的方向一致，待测湿蒸汽连续进入到湿蒸汽传感器本体中，通过各对电极对待测湿蒸汽进行动态加热，使待测湿蒸汽加热为过热蒸汽，然后再流出湿蒸汽传感器本体，其中，通过各对电极对待测湿蒸汽进行动态加热的具体操作为：控制及数据处理器控制各对电极以连续的时间间隔对待测湿蒸汽进行加热，其中，同一时间间隔内对湿蒸汽的加热量不变，不同时间间隔内对湿蒸汽的加热量不同，在时间间隔δti内，对湿蒸汽的加热量qi将温度为t1,i的待测湿蒸汽加热为过热蒸汽，在时间间隔δti内过热蒸汽温度传感器所在截面上过热蒸汽的温度为t2,i，在时间间隔δti内过热蒸汽压力传感器所在截面上过热蒸汽的压力为p2,i；在时间间隔δti+1内，对湿蒸汽的加热量qi+1将温度为t1,i+1的湿蒸汽加热为过热蒸汽，其中，时间间隔δti+1内过热蒸汽温度传感器所在截面上过热蒸汽的温度为t2,i+1，在时间间隔δti+1内过热蒸汽压力传感器所在截面上过热蒸汽的压力为p2,i+1，其中，t1,i及t1,i+1通过湿蒸汽温度传感器测量得到，t2,i及t2,i+1通过过热蒸汽温度传感器测量得到，p2,i及p2,i+1通过过热蒸汽压力传感器测量得到；

根据时间间隔δti内过热蒸汽的温度t2,i及压力p2,i得时间间隔δti内过热蒸汽的焓h2,i及密度ρ2,i；根据时间间隔δti+1内过热蒸汽的温度t2,i+1及压力p2,i+1得时间间隔δti+1内过热蒸汽的焓h2,i+1及密度ρ2,i+1；

则时间间隔δti内湿蒸汽的能量守恒方程及时间间隔δti+1内湿蒸汽的能量守恒方程分别为：

其中，h1,i、u1,i、u2,i、mi及分别为时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的焓、湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的速度、过热蒸汽温度传感器所在截面上过热蒸汽的速度、流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量、电极与过热蒸汽温度传感器之间过热蒸汽的散热量；h1i+1、u1i+1、u2i+1、mi+1及分别为时间间隔δti+1内湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的焓、湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的速度、过热蒸汽温度传感器所在截面上过热蒸汽的速度、流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量、电极与过热蒸汽温度传感器之间过热蒸汽的散热量；

设时间间隔δti与时间间隔δti+1内外套管入口处湿蒸汽的参数恒定，则有h1，i＝h1，i+1，u1，i＝u1，i+1，mi＝mi+1，同时忽略及则有：

时间间隔δti与时间间隔δti+1内湿蒸汽的质量守恒方程为：

mi＝ρ2，ia2u2，i(4)

mi+1＝ρ2，i+1a2u2，i+1(5)

其中，a2为过热蒸汽温度传感器所在横截面上过热蒸汽的流动面积，由式(3)、式(4)及式(5)得：

求解式(6)得流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量mi，再由式(4)得过热蒸汽温度传感器所在截面上过热蒸汽的速度u2,i；

由式(1)得

利用迭代法求解式(7)，得时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的焓h1,i，然后根据时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器所在截面上湿蒸汽的焓h1,i及待测湿蒸汽的温度t1,i得待测湿蒸汽的湿度yi。

本发明具有以下有益效果：

1)在加热法湿度传感器中必须对流经传感器的流量进行测量才能建立热平衡关系，进而完成湿度的测量；现有的加热法湿度传感器在将湿蒸汽加热为过热蒸汽后，采用各种过热蒸汽流量计或者采用对过热蒸汽进行二次加热的方法测量流量，这样，流量和湿度的测量是在湿蒸汽流经湿度传感器的一个流程中同时完成的，从而导致湿度传感器的结构设计上必须包含流量计或第二套加热装置。本发明按照“时间换空间”的思路，将湿蒸汽流经湿度传感器一个流程内的流量和湿度测量变换到相邻两个时间间隔内湿蒸汽流经湿度传感器的前后两个流程内完成，通过在相邻两个时间间隔内分别将流入湿度传感器的湿蒸汽动态加热为过热度不同的过热蒸汽，再利用相邻两个时间间隔内的热平衡关系求解湿蒸汽的流量，进而完成湿度的测量。采用本发明基于动态加热的测量方法，仅用一套加热装置就可以实现以往湿度传感器中的两套加热装置、或一套加热装置再加一个流量传感器的功能，因此极大的简化了湿度传感器的结构；

2)本发明通过若干对电极采用电弧等离子体加热的方式对湿蒸汽进行加热，湿蒸汽本身就是高温电弧等离子体的导电介质，从而使湿蒸汽通过很短的电弧横截面即可加热为过热蒸汽，并且结构设计上只需在湿度传感器中安装电极及引线即可，从而大大的简化了湿度传感器的结构；

3)本发明通过采用基于动态加热的测量方法在湿度传感器的结构上取消了流量计或第二套加热装置，同时采用高效紧凑的电弧等离子体加热方式取代以往低效而又需要大量安装空间的电阻丝等加热方式，从而极大的减小了湿度传感器的长度和直径，将湿度传感器的长度由现有的几十厘米至一米缩小到20mm以内，湿度传感器的直径缩小到10mm以内，使湿度传感器能够满足大量狭小空间内的测量需要，从而使湿度传感器的应用范围得到质的飞跃；

4)本发明采用若干对电极轮流交替工作的方式进行电弧等离子体加热，在动态加热的任一时间间隔内的任一时刻只有一对电极处于导通加热状态，而其余电极均处于被气流冷却的状态，显著降低了电极的平均温度，从而减少电极的高温损耗；

5)本发明采用基于电弧等离子体加热方式的动态加热测量方法对湿度传感器的结构进行简化，从而大大的提高了湿度传感器的可靠性，降低了湿度传感器的加工成本及难度。另外，采用电弧等离子体加热可以忽略滞后效应及热惯性，在调节加热量时具有反应迅速的特点，从而使湿度传感器同样适用于非稳态流场湿蒸汽湿度的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明工作原理图；

图3为本发明不同时间间隔内加热量随时间变化的示意图；

图4为本发明若干对电极轮流交替工作的示意图。

其中，1为外套管、2为内套管、3为绝热密封层、4为湿蒸汽温度传感器、5为电极、6为过热蒸汽温度传感器、7为过热蒸汽压力传感器、8为支架、9为控制及数据处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3及图4，本发明所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器包括湿度传感器本体及控制及数据处理器9，其中，湿度传感器本体包括内套管2及外套管1；内套管2及外套管1均为中空结构，内套管2套接于外套管1的一侧内，内套管2与外套管1之间设有绝热密封层3，外套管1另一侧的内壁上设有湿蒸汽温度传感器4，内套管2的内壁上设有过热蒸汽温度传感器6、过热蒸汽压力传感器7及若干对电极5，各对电极5沿周向分布，湿蒸汽温度传感器4、电极5、过热蒸汽温度传感器6及过热蒸汽压力传感器7沿蒸汽流动的方向依次设置，且过热蒸汽压力传感器7与过热蒸汽温度传感器6位于垂直于流动方向的同一横截面内，湿蒸汽温度传感器4的输出端、过热蒸汽温度传感器6的输出端、过热蒸汽压力传感器7的输出端及各对电极5的控制端均与控制及数据处理器9相连接。

本发明还包括用于支撑外套管1的支架8。

沿圆周方向布置的各对电极5采用轮流交替的方式工作，在同一时刻只有一对电极处于导通加热状态，各对电极5的交替切换频率通过控制及数据处理器9控制。

本发明所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度的测量方法包括以下步骤：

将权利要求1所述的湿度传感器本体放置于待测湿蒸汽的流动空间内，其中，湿蒸汽传感器本体的轴线与湿蒸汽流动的方向一致，待测湿蒸汽连续进入到湿蒸汽传感器本体中，通过各对电极5对待测湿蒸汽进行动态加热，使待测湿蒸汽加热为过热蒸汽，然后再流出湿蒸汽传感器本体，其中，通过各对电极5对待测湿蒸汽进行动态加热的具体操作为：控制及数据处理器9控制各对电极5以连续的时间间隔对待测湿蒸汽进行加热，其中，同一时间间隔内对湿蒸汽的加热量不变，不同时间间隔内对湿蒸汽的加热量不同，在时间间隔δti内，湿蒸汽的加热量qi将温度为t1,i的待测湿蒸汽加热为过热蒸汽，在时间间隔δti内过热蒸汽温度传感器6所在截面上过热蒸汽的温度为t2,i，在时间间隔δti内过热蒸汽压力传感器7所在截面上过热蒸汽的压力为p2,i；在时间间隔δti+1内，对湿蒸汽的加热量qi+1将温度为t1,i+1的湿蒸汽加热为过热蒸汽，其中，时间间隔δti+1内过热蒸汽温度传感器6所在截面上过热蒸汽的温度为t2,i+1，在时间间隔δti+1内过热蒸汽压力传感器7所在截面上过热蒸汽的压力为p2,i+1，其中，t1,i及t1,i+1通过湿蒸汽温度传感器4测量得到，t2,i及t2,i+1通过过热蒸汽温度传感器6测量得到，p2,i及p2,i+1通过过热蒸汽压力传感器7测量得到；

根据时间间隔δti内过热蒸汽的温度t2,i及压力p2,i得时间间隔δti内过热蒸汽的焓h2,i及密度ρ2,i；根据时间间隔δti+1内过热蒸汽的温度t2,i+1及压力p2,i+1得时间间隔δti+1内过热蒸汽的焓h2,i+1及密度ρ2,i+1；

则时间间隔δti内湿蒸汽的能量守恒方程及时间间隔δti+1内湿蒸汽的能量守恒方程分别为：

其中，h1,i、u1,i、u2,i、mi及分别为时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的焓、湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的速度、过热蒸汽温度传感器6所在截面上过热蒸汽的速度、流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量、电极5与过热蒸汽温度传感器6之间过热蒸汽的散热量；h1,i+1、u1,i+1、u2,i+1、mi+1及分别为时间间隔δti+1内湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的焓、湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的速度、过热蒸汽温度传感器6所在截面上过热蒸汽的速度、流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量、电极5与过热蒸汽温度传感器6之间过热蒸汽的散热量；

设时间间隔δti与时间间隔δti+1内外套管1入口处湿蒸汽的参数恒定，则有h1,i＝h1,i+1，u1,i＝u1,i+1，mi＝mi+1，同时忽略及则有：

时间间隔δti与时间间隔δti+1内湿蒸汽的质量守恒方程为：

mi＝ρ2，ia2u2，i(4)

mi+1＝ρ2，i+1a2u2，i+1(5)

其中，a2为过热蒸汽温度传感器6所在横截面上过热蒸汽的流动面积，由式(3)、式(4)及式(5)得：

求解式(6)得流经湿度传感器本体的湿蒸汽流量mi，再由式(4)得过热蒸汽温度传感器6所在截面上过热蒸汽的速度u2,i；

由式(1)得

利用迭代法求解式(7)，得时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的焓h1,i，然后根据时间间隔δti内湿蒸汽温度传感器4所在截面上湿蒸汽的焓h1,i及待测湿蒸汽的温度t1,i得待测湿蒸汽的湿度yi。