专利名称：一种湿蒸汽干度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种湿蒸汽干度测量方法，尤其是一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量方法。
背景技术：
现有的流动湿蒸汽干度测量方法有氯根法、热力学法、光学法、示踪剂法、微波法、 超声波法、电容法等。氯根法测定原理是在中性溶液中，氯化物与硝酸银作用生成氯化银白色沉淀，而过量的硝酸银与铬酸钾作用会生成红色铬酸银沉淀，使溶液显橙色，此时可以作为滴定的终点。滴入的硝酸银量可以表示出溶液中的氯化物含量，用该方法测得蒸汽和锅炉水的氯化物含量之比即为饱和蒸汽湿度。使用该方法时需要配制标准试剂，分别对锅炉水和蒸汽进行采样、滴定和计算，测量过程复杂，耗时长且误差较大。热力学法是根据热力学理论测量蒸汽湿度的一系列方法。主要包括节流法、凝结法、加热法、蒸汽-空气混合法等。热力学法都需要从湿蒸汽的主汽流中抽取部分试样，然后引向测量段进行测量，故不能实现在线测量，测量过程耗时长。由于蒸汽试样的抽取要能充分代表主汽流的状态，所以热力学法的测量精度不但取决于测量环节，还要受到试样抽取环节的影响。光学测量法是建立在光的散射原理基础上的，其基本原理是光通过含有细微颗粒的均勻介质时，一部分光产生散射现象，另一部分光被颗粒吸收。光学测量法主要分为两类角散射法和全散射法(或称消光法)。光学法对测量环境的要求十分严格，必须保持光学窗口的洁净，这一点在实际测量中是很难实现的。示踪剂法测量蒸汽湿度的基本原理是借助于一种易溶于水而不挥发的示踪剂，通过测定蒸汽发生器内部的示踪剂浓度和饱和蒸汽中水滴带走的示踪剂的量就可以确定蒸汽发生器出口的蒸汽湿度。应用示踪剂法时要重复多次取样，不能实现在线测量，并且在多份取样时，还要保证取样时间的一致性，对试样的分析处理程序复杂。超声波检测蒸汽湿度的原理是声波在气液两相流混合物中的传播速度明显小于在纯液体和纯气体中的传播速度，并且气液两相含量的不同，也会引起声速的变化，根据这一原理，可以利用超声波检测蒸汽湿度。微波法测量蒸汽湿度的原理是在微波频段，水的介电常数要明显大于一般材料。 材料湿度的变化可以明显改变材料的介电性能，通过测量一些与介电常数密切相关的物理量，如功率衰减、相位变化和谐振频率等，就能够判断材料的含水量。电容法测量蒸汽湿度是利用电容器在极板面积和极板间距不变的情况下，电容量的大小只与电容器内电介质的介电常数大小有关的性质来测量蒸汽湿度。目前国内外用于流动蒸汽湿度测量的方法都具有各自的优势，但也都存在着较大的应用局限性。主要表现为对实时在线测量的不支持和测量过程过于繁琐。因此有必要寻找一种新的湿蒸汽干度测量方法，该测量方法能够实现实时的在线测量以及简单有效的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种湿蒸汽干度的测量方法，该测量方法依靠表面等离子体共振原理，能够实现对湿蒸汽干度的实时在线测量，并且测量过程简单有效。根据本发明的目的提出的一种湿蒸汽干度测量方法，该测量方法通过测量湿蒸汽的温度、压力以及介电常数，计算得出湿蒸汽的干度，所述测量湿蒸汽的介电常数的方法利用表面等离子体共振原理实现，该方法包括步骤1. 1将一侧面上镀有金属膜的棱镜置于待测湿蒸汽上，使金属膜与所述湿蒸汽保持接触；1.2将一束光射入所述棱镜中，并经过所述镀有金属膜的侧面全反射后，射出该棱镜；1.3利用一光电接收装置接收所述从棱镜中射出的反射光，并对该反射光进行分析；以及1.4根据表面等离子体共振条件，测出所述湿蒸汽的介电常数。优选的，所述步骤1. 4是利用角度调制方法实现，该角度调制方法包括选定步骤 1. 1中棱镜的材料、金属膜的厚度和种类，以及步骤1. 2中射入棱镜的光波长；改变光的入射角度；观察步骤1. 3中所述光谱中的反射率，当反射率达到最小值时，该光的入射角度即为符合表面等离子体共振条件的共振角；利用该共振角计算得出所述湿蒸汽的介电常数。优选的，所述步骤1. 4是利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括选定步骤 1. 1中棱镜的材料、金属膜的厚度和种类；在步骤1. 2中以一束具有多波段的混合光射入棱镜，并固定该混合光的入射角度；观察步骤1. 3中所述光谱中各个波长的光的反射率，当反射率达到最小时，该光波对应的波长即为符合表面等离子体共振条件的共振波长；利用该共振波长计算得出所述湿蒸汽的介电常数。优选的，所述棱镜的材料为熔石英、BK7玻璃或蓝宝石中的一种。优选的，所述金属膜的材料为金、银或铝中的一种。优选的，所述金属膜的厚度为30nm至70nm。优选的，所述射入棱镜的光为TM偏振光。优选的，所述光电接收装置为光谱仪、电荷耦合元件或光感探测器中的一种。优选的，在所述步骤1. 4之后，还包括步骤1. 5利用所述湿蒸汽的温度、压力和介电常数计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；1. 6利用所述湿蒸汽介电常数、干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数，计算出湿蒸汽中干饱和蒸汽和饱和水所占的体积分数；以及1.7求出湿蒸汽的干度。与现有技术相比，本发明具有以下优点测量结构简单，实时在线测量，准确度高， 测量过程简单方便。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
4发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明的湿蒸汽干度测量方法中测量湿蒸汽介电常数的方法步骤图；图2是测量湿蒸汽介电常数的物理结构图；图3是棱镜材料为BK7玻璃，入射角为45度时，不同厚度的金膜和银膜的反射率曲线图；图4是在温度为530K和610K，金膜和银膜的厚度为50nm时，不同棱镜材料选择了不同的入射角使得湿蒸汽干度随共振波长变化的曲线图；图5是镀有50nm金膜的熔石英棱镜在温度为6IOK和镀有50nm银膜的BK7玻璃棱镜在温度为570K时选择了不同的入射角使得湿蒸汽干度随共振波长变化的曲线图。图6显示了棱镜材料为BK7玻璃，入射光波长为632. 8nm时，不同厚度的金膜和银膜的反射率曲线。图7显示了棱镜材料为熔石英和BK7玻璃，镀有厚度为50nm的金膜，入射光波长为850nm时，干度随共振角变化的曲线。图8显示了棱镜材料为熔石英，金属膜厚度为50nm，不同入射光波长的反射率曲线。
具体实施例方式由于现有的测量湿蒸汽干度的方法中，大都面临测试难度大、精度低以及无法实现实时测量的问题，所以本发明提出了一种基于表面等离子体共振原理的湿蒸汽干度测量方法，该方法可以实现实时测量，且测量精度高、测量过程简单方便。下面将以具体实施方式
对本发明做详细介绍。需要说明的是，由于湿蒸汽的干度值是一个通过计算得到的计算值，因此测量干度值的实际意义在于测量出能够用于计算干度值的几个测量值，并通过这些测量值计算得到最终的干度值。在本发明的方法中，几个需要经过测量得到的测量值分别为湿蒸汽的温度、压力以及介电常数。 对于湿蒸汽的温度和压力，可以通过温度传感器和压力传感器方便测出，因此该两个值的测量方法不在本发明的讨论之内。本发明的测量方法所要体现的发明精神在于利用表面等离子体共振原理测得湿蒸汽的介电常数。为了便于理解，下面现对本发明的测量方法所依据的原理做简单说明。表面等离子共振是一种发生在金属与电介质分界面上的物理光学现象，其对金属表面附近的电介质介电常数的变化极为敏感，我们利用这一特性来测量湿蒸汽的介电常数。激发表面等离子共振的主要方法有棱镜耦合、光栅耦合、波导耦合等，理论上它们都可以用来测量湿蒸汽的介电常数，但是综合考虑耦合方法的复杂程度、实现的难易、成本的大小以及湿蒸汽介电常数的变化特点，本发明采用Kretschmarm-Raether棱镜耦合结构来说明基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量方法。TM偏振的光波入射至电介质/金属界面，在界面上激发表面等离子波。当入射光波的波矢沿界面方向分量与表面等离子波的波矢沿界面方向分量大小相等时，就会激发表面等离子共振，即，满足波矢匹配条件kx = ksp (1)其中ksp是表面等离子体波的波矢 , ω I S1S2
C M^l +^2(2)kx是进入金属薄膜的倏逝波在与表面平行的X轴方向上的波矢kx=—^sind
c( 3 )因此只要知道发生表面等离子共振时棱镜的材料、金属膜的介电常数、金属膜的厚度、光波的入射角度和波长就可求出湿蒸汽的介电常数。请一并参见图1和图2，图1是本发明的湿蒸汽干度测量方法中测量湿蒸汽介电常数的方法步骤图，图2是测量湿蒸汽介电常数的物理结构图。如图所示，该方法包括步骤Sll 将一侧面上镀有金属膜12的棱镜11置于待测湿蒸汽10上，使金属膜12与所述湿蒸汽10保持接触。这一步骤中，湿蒸汽10可以通入一气路管道13中，棱镜11可以集成于气路管道13上，以便实现实时在线测量。该棱镜11具有金属膜12的一侧嵌入气路管道13中，使该金属膜12能够始终保持与湿蒸汽10的接触。S12 将一束光14射入所述棱镜11中，并经过所述镀有金属膜12的侧面全反射后，射出该棱镜11。S13 利用一光电接收装置(图中未示出)接收所述从棱镜11中射出的反射光 14’，并对该反射光14’进行分析。所述光电接收装置为光谱仪、电荷耦合元件或光感探测器中的一种。所述对反射光14’的分析包括光强、反射率等光学参量的分析。S14 根据表面等离子体共振条件，测出所述湿蒸汽的介电常数。正如上文中的分析，在该步骤中，只要知道发生表面等离子体共振时，棱镜11的介电常数、金属膜12的介电常数和厚度、光波14的入射角度和波长，就可求出湿蒸汽的介电常数。对于所使用的棱镜 11以及制作在该棱镜11 一侧面上的金属膜12来说，棱镜11的介电常数、金属膜12的介电常数和厚度总是已知的。因此只需固定光波14的入射角和波长中的一个，改变另外一个即可得到表面等离子体共振条件，从而测出湿蒸汽10的介电常数。具体地，所述步骤S14可以利用角度调制方法实现，也可以利用波长调制方法实现。利用波长调制方法时，包括选定步骤Sll中棱镜11的材料、金属膜12的厚度和种类；在步骤S12中射入棱镜的光14选为具有多个波段的混合光，比如白光，并固定该混合光的入射角度；观察步骤S12中所述反射光中各个波长的光的反射率，当反射率达到最小时， 该光波对应的波长即为符合表面等离子体共振条件的共振波长；利用该共振波长计算得出所述湿蒸汽10的介电常数。由于共振波长与棱镜11的材料、金属膜12的种类和厚度、光波14的入射角度有关，因此这些参数的选择需要综合考虑。常用的金属膜12材料有金、银或铝等，金和银的介电常数随波长变化更平滑，有利于测量，但是银非常容易氧化，金在玻璃上的吸附力较小，所以也采用镀保护膜和复合金属膜的方案。这些只是在计算上略有修改，并不影响本发明所述方法的实施。
金属膜12的厚度选取需考虑传感元件的结构和金属的种类，一般取30-70nm。例如对于金属膜12为金或银的Kretschmarm-Raether结构传感元件，金属膜12的厚度取为 50nm左右，因为取这个厚度时，反射率曲线共振峰的深度接近最大，共振点易于测量。图3显示了棱镜材料为BK7玻璃，入射角为45度时，不同厚度的金膜和银膜的反射率曲线。因为待测的湿蒸汽温度变化范围较大，所以棱镜11材料应选择温度对其介电常数影响小的，例如熔石英、BK7玻璃、蓝宝石等。如果棱镜材料的温度系数大，为了准确测量， 需要用玻璃材料厂商提供的数据进行修正。—般来说，入射角的选择要和棱镜11材料的选择协调考虑，如果棱镜11的介电常数小则入射角要相对取得大些，如果棱镜11的介电常数大则入射角要相对取得小些，总的原则是要使共振波长落在长波区域，在这个区域里干度随共振波长的变化比较平缓，测量就比较准确，但测量范围减小了。图4显示了在温度为530K和610K，金膜和银膜的厚度为50nm时，不同棱镜材料选择了不同的入射角使得湿蒸汽干度随共振波长变化的曲线比较平缓。图5显示了镀有50nm金膜的熔石英棱镜在温度为610K和镀有50nm银膜的BK7 玻璃棱镜在温度为570K时选择了不同的入射角使得湿蒸汽干度随共振波长变化的曲线更加平缓，测量更准确，但测量范围减小了。利用角度调制方法时，包括选定步骤Sll中棱镜11的材料、金属膜12的厚度和种类，以及步骤S12中射入棱镜的光波14的波长；改变光波14的入射角度；观察步骤S13中所述反射光的反射率，当反射率达到最小值时，该光14的入射角度即为符合表面等离子体共振条件的共振角；利用该共振角计算得出所述湿蒸汽10的介电常数。由于共振角与棱镜的材料、金属膜的种类、金属膜的厚度、入射光波的波长有关， 因此这些参数的选择需要综合考虑。金属膜材料一般采用金和银，膜的厚度在30-70nm之间，通常取为50nm左右，因为取这个厚度时，反射率曲线共振峰的深度接近最大，共振点易于测量。图6显示了棱镜材料为BK7玻璃，入射光波长为632. 8nm时，不同厚度的金膜和银膜的反射率曲线。棱镜材料应选择介电常数小的，因为对于同样的干度变化范围，介电常数小的棱镜其共振角变化范围大一些。而且待测的湿蒸汽温度变化范围较大，所以棱镜材料还应选择温度对其介电常数影响小的，例如熔石英、BK7玻璃等。图7显示了棱镜材料为熔石英和BK7玻璃，镀有厚度为50nm的金膜，入射光波长为850nm时，干度随共振角变化的曲线。入射波长的长短影响反射率曲线共振峰的半宽度的大小。入射波长短时共振峰的半宽度大；入射波长长时共振峰的半宽度小，共振峰更加锐利，易于准确测量，但是共振峰的深度减小了。因此入射波长的选择应综合考虑。图8显示了棱镜材料为熔石英，金属膜厚度为50nm，不同入射光波长的反射率曲线。在测量得出所述湿蒸汽的温度、压力以及介电常数后，还需要通过计算才能得出干度值，该计算过程包括步骤
S15 利用所述湿蒸汽的温度、压力和介电常数计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数。得到湿蒸汽的介电常数后，根据湿蒸汽的温度和压力，利用国际通用工业用水和水蒸气热力学性质计算公式-IAPWS公式计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及在相应波长下的介电常数。具体地计算方法S16:利用所述湿蒸汽介电常数、饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数，计算出湿蒸汽中干饱和蒸汽和饱和水所占的体积分数。湿蒸汽中干饱和蒸汽和饱和水所占的体积分数与介电常数之间的关系可以由 Lorentz-Lorenz (洛伦兹-洛伦茨)公式推导出来。把Lorentz—Lorenz公式a = 3 ε 1 (4)
AtiN ε + 2代入摩尔折射度的定义A = -Na (5)
3可得
,Nm ε-l W ε-1 ( , λ
0083 ^4 = -7"~- =--- (6)
N ε + 2 ρ ε + 2式中α是平均极化率，Nffl是阿伏加德罗常数，N是每单位体积的分子数，W是分子量，P是密度，ε是介电常数。湿蒸汽是干饱和蒸汽和饱和水的混合物，在良好近似程度上，两种物质的混合物的摩尔折射度等于各物质的贡献之和。湿蒸汽的摩尔折射度是
_(7)
ivF ^ iy w 式中Nv是单位体积内干饱和蒸汽的分子数，Nw是单位体积内饱和水的分子数，把式(6)代入式(7)并整理可得
_ (Nv+NJW Ss-I _ NvW Sv-I | NwW sw-1 ⑶ P Ss+2 ρν εν+2 pw Sw+2 考虑到分子数乘以分子量除以密度是体积，所以上式可改写为
剛 &‘技+ ‘S (9)式中ε3、ε w分别是湿蒸汽、干饱和蒸汽和饱和水的介电常数，是单位体积内干饱和蒸汽的体积分数，》w是单位体积内饱和水的体积分数。对于只有两种物质混合的湿蒸汽有Φν+Φ￥ = 1(10)。把湿蒸汽的介电常数、干饱和蒸汽和饱和水的在相应波长下的介电常数代入式 (9)和式(10)，就可以计算出湿蒸汽中干饱和蒸汽和饱和水所占的体积分数。S17 求出湿蒸汽的干度。干度χ的定义为湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即
式中队为干饱和蒸汽的质量，饱和水的质量。对于单位体积的湿蒸汽，式(11) 可写为χ= ，Φν ,(12)
ΡνΦν + Pwfw把前面计算出的干饱和蒸汽和饱和水的密度和体积分数代入式(1 就可求出湿蒸汽的干度。根据以上分析，我们可以根据待测湿蒸汽温度、压力和干度变化范围优化选择各个参数。选定了各个参数后，就可用本专利公开的方法测得湿蒸汽的干度。例如，棱镜材料为BK7玻璃，金属膜为金膜，厚度为50nm，入射角为44度。在温度为601K，压力为12. 5MPa, 共振波长为840nm时，计算出干度为0. 742 ；如果温度为589. 9K，压力为10. 8MPa，共振波长仍旧是840nm时，计算出干度为0. 600 ；如果温度为569. 9K，压力为8. 2MPa，共振波长为 740nm时，计算出干度为0. 603。综上所述，本发明提出了一种新的湿蒸汽的干度测量方法，该测量方法基于表面等离子体共振原理，通过Kretschmarm-Raether结构棱镜实现对湿蒸汽介电常数的测量， 并根据湿蒸汽的温度、压力以及介电常数值计算得出干度值。与现有技术相比，本发明的优点如下测量结构简单，实时在线测量，准确度高，测量过程简单方便。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1. 一种湿蒸汽干度测量方法，该测量方法通过测量湿蒸汽的温度、压力以及介电常数， 计算得出湿蒸汽的干度，其特征在于所述测量湿蒸汽的介电常数的方法利用表面等离子体共振原理实现，该方法包括步骤.1.1将一侧面上镀有金属膜的棱镜置于待测湿蒸汽上，使金属膜与所述湿蒸汽保持接触；.1.2将一束光射入所述棱镜中，并经过所述镀有金属膜的侧面全反射后，射出该棱镜； 1. 3利用一光电接收装置接收所述从棱镜中射出的反射光，并对该反射光进行分析；以及.1.4根据表面等离子体共振条件，测出所述湿蒸汽的介电常数。
2.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述步骤1.4是利用角度调制方法实现，该角度调制方法包括选定步骤1. 1中棱镜的材料、金属膜的厚度和种类，以及步骤1. 2中射入棱镜的光波长；改变光的入射角度；观察步骤1. 3中所述反射光的反射率，当反射率达到最小值时，该光的入射角度即为符合表面等离子体共振条件的共振角；利用该共振角计算得出所述湿蒸汽的介电常数。
3.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述步骤1.4是利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括选定步骤1.1中棱镜的材料、金属膜的厚度和种类；在步骤1. 2中以一束具有多波段的混合光射入棱镜，并固定该混合光的入射角度；观察步骤 1. 3中所述反射光中各个波长的光的反射率，当反射率达到最小时，该光波对应的波长即为符合表面等离子体共振条件的共振波长；利用该共振波长计算得出所述湿蒸汽的介电常数。
4.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述棱镜的材料为熔石英、 BK7玻璃或蓝宝石中的一种。
5.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述金属膜的材料为金、银或铝中的一种。
6.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述金属膜的厚度为30nm 至 70nm。
7.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述射入棱镜的光为TM偏振光。
8.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于所述光电接收装置为光谱仪、电荷耦合元件或光感探测器中的一种。
9.如权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于在所述步骤1.4之后，还包括步骤.1. 5利用所述湿蒸汽的温度、压力和介电常数计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；.1.6利用所述湿蒸汽介电常数、干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数，计算出湿蒸汽中干饱和蒸汽和饱和水所占的体积分数；以及 1.7求出湿蒸汽的干度。
全文摘要
一种湿蒸汽干度测量方法，该测量方法通过测量湿蒸汽的温度、压力以及介电常数，计算得出湿蒸汽的干度，所述测量湿蒸汽的介电常数的方法利用表面等离子体共振原理实现，与现有技术相比，本发明的优点在于测量结构简单，实时在线测量，准确度高，测量过程简单方便。
文档编号G01N21/55GK102393385SQ20111034590
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者李信江 申请人:苏州大学