一种湿蒸汽湿度的光声差动测量方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，包括：测量通道，内部分隔成湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔，湿蒸汽湿度测量光声腔内通入待测的湿蒸汽，干饱和蒸汽对比光声腔内通入与待测的湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽；激光器，作为激励源，用于发出激光照射湿蒸汽和干饱和蒸汽，激发湿蒸汽和干饱和蒸汽产生超声波信号；电光调制器，用于对激光进行调制；声传感器阵列，安装在湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔沿光程的两侧侧壁，分别用于测量两个光声腔中被激发产生的超声波信号；和计算机系统，用于对超声波信号进行计算分析处理，得到湿蒸汽的湿度。本发明还公开了一种湿蒸汽湿度的光声差动测量方法。
【专利说明】一种湿蒸汽湿度的光声差动测量方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及湿蒸汽湿度测量领域，特别涉及一种采用光声学原理的，利用差动光声信号的湿蒸汽湿度测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]通常在火电厂中的大型凝汽式汽轮机的末几级、核电站中的大型汽轮机、核动力舰船用汽轮机、地热电站汽轮机、以及中低温太阳能热发电用或钢铁、水泥、玻璃、化工等工业流程中伴生余热发电用汽轮机的全部级或大部分级均工作在湿蒸汽状态下。在凝汽式汽轮机所发出的功率中，有10%?20%的功率是在湿蒸汽区域转换产生的；核电汽轮机通流部分中，进入高压缸的新蒸汽湿度通常为0.25%?0.50%，且湿度逐级增大，至高压缸排汽口湿度达12%?15%，而其低压缸排汽口湿度一般亦可达12%?14% ;而依据Baumann法则，汽轮机级内出现1%的平均湿度可使效率降低大约1%。
[0003]英国的统计数据表明，仅由于汽轮机中湿度引起的效率降低带来的经济损失每年可高达5000万英镑。不仅如此，湿蒸汽中高速流动的水滴撞击叶片表面造成低压级叶片水蚀，水蚀将影响叶片的强度和振动特性，使叶片变得粗糙，出现凹坑，严重时甚至断裂，最终酿成事故。同时，水蚀也增加了叶片通流部分的流动损失，导致汽轮机的级效率降低可多达0.664%。据统计，叶片事故在汽轮机各部件中居首位，美国电力研究院EPRI (ElectricPower Research Institute)指出，美国电站汽轮机强迫停运率的70%与叶片损坏有关，且各国统计数据还一致表明，叶片事故引起的损失往往占全部损失的一半左右。对于舰船用汽轮机，为了提高可靠性，延长使用寿命和减少维修次数，也必须采取相应的机内除湿技术。由此可见，由湿蒸汽问题所带来的汽轮机的经济和安全损失是巨大的。
[0004]近年来，随着火电机组单机容量的增大，以及核电机组装机比重的增加，由于蒸汽的湿度问题，对汽轮机运行的经济性和安全性的影响更加明显；另外，新能源的利用如地热发电、太阳能热发电和余热利用发电中，也迫切需要确定湿蒸汽的湿度。在湿蒸汽区，蒸汽的压力和温度不再像过热区那样是各自相互独立的参数，所以要确定湿蒸汽的状态，除了压力、温度以外，还必须要寻找另一个热力参数，用测量的方法确定蒸汽的焓、熵比较困难，因此，湿度的测量就成为确定湿蒸汽另一个状态参数的有效手段。如果能准确方便测量湿蒸汽的湿度，不但有助于快速、准确地了解运行于湿蒸汽区的汽轮机级内湿度的径向、轴向分布以确定汽轮机的效率，给汽轮机的运行操作人员提供准确的运行指标，而且还可以为汽轮机的优化设计和改造提供依据。对汽轮机除湿技术的研究、试验上也离不开湿度测量技术，其测量数据的准确度将直接影响除湿装置的设计优劣，只有准确的蒸汽湿度测量才能对新设计的汽轮机(或汽轮机级)的除湿效果做出准确的判断。因此，如何实现湿蒸汽湿度的准确、方便、实时测量，成为亟待解决的问题之一，对能源动力等领域有着重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种采用光声学原理的，利用差动光声信号的湿蒸汽湿度测量装置及方法，以达到无扰、非接触式、连续、在线、直接、高灵敏度、高精度测量包含直径从微米(甚至更小)到毫米(甚至更大)的饱和水滴的湿蒸汽湿度的效果。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，包括:
[0007]测量通道，用于通入待测的湿蒸汽；
[0008]激光器，作为激励源用于发出激光照射所述的待测湿蒸汽和与待测的湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽；
[0009]电光调制器，位于激光光路上，用于对激光按照预先设计的调制方法和控制参数进行调制；
[0010]分光镜和反光镜，位于激光光路上，用于对经过电光调制器调制过的激光分成相冋的两束；
[0011]湿蒸汽湿度测量光声腔，位于测量通道的一侧，用于经调制过的激光照射所述的待测湿蒸汽，激发湿蒸汽产生超声波；
[0012]干饱和蒸汽对比光声腔，与湿蒸汽湿度测量光声腔并列，位于测量通道的另一侧，用于经调制过的激光照射所述的与待测湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽(干饱和蒸汽对比光声腔中的蒸汽处于饱和状态，湿度为零)，激发干饱和蒸汽产生超声波；
[0013]电加热装置，安装在干饱和蒸汽对比光声腔前的湿蒸汽通道中，用于加热通道中的湿蒸汽，使湿蒸汽中的饱和小水滴全部汽化成饱和蒸汽，从而把湿蒸汽刚好变成温度、压力相同的湿度为零的干饱和蒸汽；
[0014]温度、压力测量传感器，安装在电加热装置后的湿蒸汽通道中，用于测量加热后的干饱和蒸汽的温度和压力；
[0015]电加热控制器，根据温度、压力测量传感器测量得到的干饱和蒸汽的温度和压力，控制电加热装置的运行与停止，把湿蒸汽刚好加热成温度、压力相同的湿度为零的干饱和蒸汽；
[0016]声传感器阵列，安装在湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔沿光程的两侧侧壁，分别用于检测两个光声腔中被激发产生的超声波信号的时空分布；
[0017]差动放大器，把安装在湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔沿光程的两侧侧壁的声传感器阵列检测得到的两组超声波信号(此时超声波信号已经由声传感器转换成电信号了)，分别输入差动放大器的两个输入端，蕴含在这两组超声波信号(电信号)中的信息唯一的不同就是第一组信号包含了液相饱和水滴，而第二组信号中没有(只有单相饱和水蒸气)，其它包括各种噪声、饱和水蒸气中被激发出的超声波都相同，由于差动放大器对共模信号有很强的抑制能力，而对输入信号的差(差模信号)却有很强的放大作用，因此，经过差动放大器的放大，可以得到只包含液相饱和水滴信息的放大后的信号；
[0018]锁相放大器，利用所述的电光调制器对激光的调制方式和控制参数，如频率和相位，作为参考信号，对被测超声波信号(电信号)本身和参考信号同频(或者倍频)、同相的分量进行放大，能大幅度抑制噪声，改善检测信噪比，具有很高的检测灵敏度。
[0019]以及计算机系统，用于对所述的超声波信号(电信号)进行分析处理，得到湿蒸汽的湿度。
[0020]所述测量通道中用隔音、隔热材料把试验光声腔分隔成并列布置的两个部分，其中第一部分称为湿蒸汽湿度测量光声腔，调制过的激光经过分光镜分光后，分成相同的两束，其中一束调制过的激光通过调焦系统经透光窗口进入，在湿蒸汽湿度测量光声腔沿光程的后侧布置一组声传感器阵列，用来检测湿蒸汽中被激发出来的超声波信号的时空分布；另一部分称为干饱和蒸汽对比光声腔，在干饱和蒸汽对比光声腔前的流道中，先布置一组均匀的电加热装置和温度、压力测量传感器，电加热控制器根据温度、压力测量传感器测量的结果控制电加热装置的开启和关闭(控制温度比饱和温度稍高一点点)，目的是为了把湿蒸汽中的饱和液相水全都汽化成饱和水蒸气，由分光镜来的另一束调制过的激光通过调焦系统经透光窗口进入，在干饱和蒸汽对比光声腔沿光程的前侧布置另一组声传感器阵列，用来检测饱和蒸汽单相流中被激发出来的超声波信号的时空分布。
[0021]所述测量通道中湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔的顶部开有透光窗口，调制过的激光可以穿过所述的透光窗口照射湿蒸汽和干饱和蒸汽。
[0022]所述的光声学测量装置还设有位于所述电光调制器出射光路上的调焦系统，用于调节激光的聚焦程度和准直程度，控制激光以适当的束腰半径、瑞利长度和发散角照射所述的湿蒸汽和干饱和蒸汽。
[0023]所述的测量装置还设有分光镜和反光镜，位于激光光路上，用于对经过电光调制器调制过的激光分成相同的两束。
[0024]所述的声传感器阵列和计算机系统之间连接有信号放大模块；所述的信号放大模块包括依次连接的差动放大器和锁相放大器；所述的锁相放大器还与电光调制器连接，依据所述电光调制器的调制方式对超声波信号(电信号)进行放大处理。
[0025]信号放大模块用于对超声波信号(电信号)进行放大处理，所述的差动放大器，将湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔中的声传感器阵列检测得到的两组超声波信号(电信号)进行差动放大；所述的锁相放大器利用所述的电光调制器对激光的调制方式和控制参数，如频率和相位，作为参考信号，对被测超声波信号(电信号)本身和参考信号同频(或者倍频)、同相的分量进行放大，能大幅度抑制噪声，改善检测信噪比，具有很高的检测灵敏度。
[0026]本发明还提供了一种采用光声学原理的，利用差动光声信号的湿蒸汽湿度测量方法，将调制后的激光分成相同的两束，分别在湿蒸汽湿度测量光声腔中照射待测的湿蒸汽，在干饱和蒸汽对比光声腔中照射经过加热达到饱和的干饱和蒸汽(温度、压力相同)，并激发湿蒸汽和干饱和蒸汽产生超声波，利用声传感器阵列检测两组超声波信号，然后对所述的两组超声波信号进行差动放大、锁相放大后，由计算机系统进行计算、分析和处理，得到湿蒸汽的湿度。
[0027]通过所述的电光调制器，按照预先设计的调制方法和控制参数，控制激励能量一激光的光强大小及随时间变化的规律。
[0028]所述的湿蒸汽受到调制激光的照射，被激发产生超声波，即在湿蒸汽中产生了光声效应。由于湿蒸汽的汽液两相处于平衡状态，液相饱和水吸收热量相变汽化，比容增大很多的特点，比通常所指的在单相气体、液体或固体中的光声效应更强烈。湿蒸汽湿度的光声学测量方法idea正是基于此而产生的。思路就是通过研究由于相变汽化增强的光声效应来达到测量湿蒸汽湿度的目的。通过激光诱导湿蒸汽中的液相汽化增强光声信号测量蒸汽湿度的方法是根据已知的光声腔系统的特征参数，控制激励能量输入一激光的光强大小及随时间变化，通过测量输出能量一超声波信号的强弱、随时间变化关系及超声波信号的相位与调制激光的相位关系，采用光声技术的量热方法，测量得到由激光转换成热的热量，从而导出因受到加热湿蒸汽中饱和液相相变汽化，变成饱和水蒸气的量，再通过传热、传质和相变汽化过程规律及理论模型计算，最终得到未知系统变量一湿蒸汽中饱和水滴的数目、分布、直径大小等重要参数，得到湿蒸汽的湿度。
[0029]本发明的原理如下:
[0030]湿蒸汽两相中的液相饱和水滴，在调制过的激光辐照下，吸收激光的能量，转变为水滴中水的内能，由于湿蒸汽两相处于汽液两相平衡状态，饱和水吸收了热能后发生相变汽化，而处在两相平衡状态条件下(饱和压力或对应的饱和温度)的饱和水蒸气的比容要比饱和水的比容大很多倍，由此产生压力的波动。激励的能量一激光的调制导致加热过程也是调制的，即加热过程是周期交变的，由此，由周期交变的加热过程产生的压力的波动就产生超声波(如果调制的频率处在超声波范围)。
[0031]在这一系列的物理过程中，存在光一热一声多种能量形式的转换过程，特别是在热过程中，还存在相变汽化，环环相扣，相互耦合。在能量转换过程中，转换成热、激发出声起着关键作用，而激光是一种非常有效和方便的激励能源。
[0032]湿蒸汽两相中液相水滴的数目、直径大小、粒径分布、传热传质和相变汽化特性参数、产生的超声波信号参数、光声腔(即为测量通道或光声池、光声盒)的特征参数、噪声等多参数也相互耦合，对热一声能量转换过程起关键作用。
[0033]湿蒸汽湿度的光声学方法测量就是分析上述光一热一声能量转换过程、多参数耦合规律，精心设计光声腔系统的特征参数使系统工作于谐振状态，控制这一复杂能量转换系统的激励能量输入参数的变化(激励能量一激光的光强大小及随时间变化)，测量最终的能量输出(超声波信号的强弱、随时间变化关系及超声波信号的相位与调制激光的相位关系)，由具高精度量热特性的光声技术通过测量得到的热量的多少，推算出因受到加热湿蒸汽中饱和液相相变汽化成饱和水蒸气的量，再通过传热、传质和相变汽化过程规律，推算出未知的系统变量(湿蒸汽中饱和水滴的数目、直径大小、粒径分布等，即湿蒸汽的湿度)。
[0034]与以往和现有技术相比，本发明的优点如下:
[0035]1、可以测量包含直径从微米(甚至更小)到毫米(甚至更大)的饱和水滴的湿蒸汽的湿度，测量限大。
[0036]2、可以连续、在线、在快速流动的情况下测量，非接触式、不需要进行采样操作、对被测量的湿蒸汽流体本身干扰少。
[0037]3、将光声光热技术和湿蒸汽中饱和水滴到饱和水蒸气的汽化相变过程结合在一起研究，在原来光声学方法已经具有很高信噪比的基础上，充分利用相变汽化带来的比容大大增加的特性，增强光声效应，再增大信噪比，大大提高测量的灵敏度和精度。
[0038]4、引入湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔，将这两个光声腔中测得的超声波信号输入差动放大器，得到只包含液相饱和水滴信息的放大后的信号，使湿度测量的性能更好。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为湿蒸汽湿度的光声差动测量的结构简图。【具体实施方式】
[0040]如图1所示，本发明的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，包括:激光器1、反光镜2、电光调制器3、分光镜4、反光镜5、调焦系统6、透光窗口 7、湿蒸汽湿度测量光声腔8、干饱和蒸汽对比光声腔9、电加热装置10、温度及压力测量装置11、电加热控制器12、声传感器阵列13、差动放大器14、锁相放大器15和计算机16。
[0041]激光器I用于发出测量激光，对湿蒸汽和干饱和蒸汽进行激励，并由反光镜2反射进入电光调制器3内，由电光调制器3对激光进行调制处理，处理后的激光由分光镜4分为相同的两束激光，其中一束激光经调焦系统6聚焦后通过透光窗口 7进入干饱和蒸汽对比光声腔9内，另一束激光经对应的调焦系统6聚焦后通过透光窗口 7进入湿蒸汽湿度测量光声腔8中。
[0042]测量通道内部采用隔音、隔热材料分隔成并列布置的湿蒸汽湿度测量光声腔8和干饱和蒸汽对比光声腔9，湿蒸汽湿度测量光声腔8内通入待测的湿蒸汽，干饱和蒸汽对比光声腔9内通入的是湿度为零的干饱和蒸汽。
[0043]其中，干饱和蒸汽对比光声腔9前的测量通道中设有电加热装置10和温度及压力测量装置11，将测量通道内的湿蒸汽加热得到干饱和蒸汽，温度及压力测量装置11用于检测干饱和蒸汽的温度和压力，电加热控制器12根据测量得到的温度和压力，控制电加热装置10的运行与停止。
[0044]两束激光分别照射待测的湿蒸汽和干饱和蒸汽后，产生两组超声波信号，并分别被安装在湿蒸汽湿度测量光声腔8和干饱和蒸汽对比光声腔9内的声传感器阵列13检测，得到的两组超声波信号经差动放大器14和锁相放大器15放大后进入计算机系统16，计算机系统16对超声波信号进行对比计算分析处理，即可得到待测的湿蒸汽的湿度。
[0045]上述的光声差动测量装置，其具体工作过程如下:
[0046]将湿蒸汽通入测量通道，分别进入并列布置的湿蒸汽湿度测量光声腔8和干饱和蒸汽对比光声腔9，湿蒸汽在进入干饱和蒸汽对比光声腔9之前，由电加热控制器12根据温度及压力测量装置11检测的结果，控制电加热装置的运行和停止，使湿蒸汽成为湿度为零的干饱和蒸汽，进入干饱和蒸汽对比光声腔9 ；
[0047]开启激光器1，发出的激光经电光调制器3调制处理后，由分光镜4分为两束相同的光束，两束光束经调焦系统6调焦后分别入射至湿蒸汽湿度测量光声腔8和干饱和蒸汽对比光声腔9内，并分别作用于湿蒸汽和干饱和蒸汽产生两组超声波信号，声传感器阵列13分别检测两组超声波信号，然后经差动放大器14和锁相放大器15放大后进入计算机系统16，由计算机系统16对超声波信号进行对比计算分析处理，得出湿蒸汽的湿度。
【权利要求】
1.一种湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，包括: 测量通道，内部分隔成并列布置的湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔，所述的湿蒸汽湿度测量光声腔内通入待测的湿蒸汽，所述的干饱和蒸汽对比光声腔内通入与待测的湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽； 激光器，作为激励源，用于发出激光照射所述的待测湿蒸汽和用作对比的干饱和蒸汽，并激发湿蒸汽和干饱和蒸汽产生超声波信号； 电光调制器，位于激光光路上，用于对激光进行调制； 声传感器阵列，安装在湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔沿光程的两侧侧壁，分别用于检测两个光声腔中被激发产生的超声波信号； 和计算机系统，用于对所述的超声波信号进行分析处理，得到湿蒸汽的湿度。
2.如权利要求1所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，所述测量通道中采用隔音、隔热材料分隔成所述的湿蒸汽湿度测量光声腔和与待测的湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽对比光声腔。
3.如权利要求1所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，设有安装在用作对比的干饱和蒸汽对比光声腔进口前的电加热装置，用于对测量通道内的湿蒸汽进行加热，使之成为与待测的湿蒸汽相对应的干饱和蒸汽。
4.如权利要求3所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，还设有安装在与待测的湿蒸汽相对应的用作对比的干饱和蒸汽对比光声腔前的温度、压力测量传感器，用于测量加热后的干饱和蒸汽的温度和压力。
5.如权利要求4所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，设有与所述温度、压力测量传感器和电加热装置连接的电加热控制器，根据测量得到的温度和压力，控制所述的电加热装置的运行与停止。
6.如权利要求1所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，所述的声传感器阵列和计算机系统之间依次连接有差动放大器和锁相放大器，所述的锁相放大器还与电光调制器连接。
7.如权利要求1所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，所述的湿蒸汽湿度测量光声腔和干饱和蒸汽对比光声腔的顶部开有透光窗口，调制过的激光穿过所述的透光窗口照射湿蒸汽和干饱和蒸汽。
8.如权利要求1所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量装置，其特征在于，所述的光声差动测量装置还包括分光镜和调焦系统，分光镜将电光调制器出射的激光分为相同的两束，调焦系统分别调节两束激光的聚焦程度和准直程度，经调焦系统出射的两束激光分别照射所述的湿蒸汽和干饱和蒸汽。
9.一种湿蒸汽湿度的光声差动测量方法，其特征在于，包括:将调制后的激光分成相同的两束，分别照射待测的湿蒸汽和干饱和蒸汽，并激发湿蒸汽和干饱和蒸汽产生超声波，利用声传感器阵列检测两组超声波信号，对两组超声波信号进行差动放大及比较分析处理，得到所述的待测湿蒸汽的湿度。
10.如权利要求9所述的湿蒸汽湿度的光声差动测量方法，其特征在于，所述的干饱和蒸汽由待测的湿蒸汽通过受电加热控制器控制的电加热装置加热得到。
【文档编号】G01N21/17GK103760108SQ201310753685
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】陈坚红, 盛德仁, 李蔚, 程元 申请人:浙江大学