一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法與裝置製造方法
2024-01-29 00:32:15
一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法與裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，包括：光聲腔，內部通入待測的溼蒸汽；雷射器，作為激勵源用於發出雷射照射溼蒸汽，並激發溼蒸汽產生超聲波；電光調製器，位於雷射光路上，用於對雷射進行調製；聲傳感器陣列，安裝在光聲腔沿光程的兩側側壁，用於感知、檢測超聲波信號；信號放大模塊，包括依次連接的信號放大器和鎖相放大器，對超聲波信號進行放大處理；以及計算機系統，用於對所述的超聲波信號進行分析處理，得到溼蒸汽的溼度。本發明還公開了一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法。本發明可以連續、在線、在快速流動的情況下測量，非接觸式、不需要進行採樣操作、對被測量的溼蒸汽流體本身幹擾少，具有很高的測量靈敏度和精度。
【專利說明】一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及溼蒸汽溼度測量領域，特別涉及一種採用光聲學原理的溼蒸汽溼度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]通常在火電廠中的大型凝汽式汽輪機的末幾級、核電站中的大型汽輪機、核動力艦船用汽輪機、地熱電站汽輪機、以及中低溫太陽能熱發電用或鋼鐵、水泥、玻璃、化工等工業流程中伴生餘熱發電用汽輪機的全部級或大部分級均工作在溼蒸汽狀態下。在凝汽式汽輪機所發出的功率中，有10%?20%的功率是在溼蒸汽區域轉換產生的；核電汽輪機通流部分中，進入高壓缸的新蒸汽溼度通常為0.25%?0.50%，且溼度逐級增大，至高壓缸排汽口溼度達12%?15%，而其低壓缸排汽口溼度一般亦可達12%?14% ;而依據Baumann法則，汽輪機級內出現1%的平均溼度可使效率降低大約1%。
[0003]英國的統計數據表明，僅由於汽輪機中溼度引起的效率降低帶來的經濟損失每年可高達5000萬英鎊。不僅如此，溼蒸汽中高速流動的水滴撞擊葉片表面造成低壓級葉片水蝕，水蝕將影響葉片的強度和振動特性，使葉片變得粗糙，出現凹坑，嚴重時甚至斷裂，最終釀成事故。同時，水蝕也增加了葉片通流部分的流動損失，導致汽輪機的級效率降低可多達0.664%。據統計，葉片事故在汽輪機各部件中居首位，美國電力研究院EPRI (ElectricPower Research Institute)指出，美國電站汽輪機強迫停運率的70%與葉片損壞有關，且各國統計數據還一致表明，葉片事故引起的損失往往佔全部損失的一半左右。對於艦船用汽輪機，為了提高可靠性，延長使用壽命和減少維修次數，也必須採取相應的機內除溼技術。由此可見，由溼蒸汽問題所帶來的汽輪機的經濟和安全損失是巨大的。
[0004]近年來，隨著火電機組單機容量的增大，以及核電機組裝機比重的增加，由於蒸汽的溼度問題，對汽輪機運行的經濟性和安全性的影響更加明顯；另外，新能源的利用如地熱發電、太陽能熱發電和餘熱利用發電中，也迫切需要確定溼蒸汽的溼度。在溼蒸汽區，蒸汽的壓力和溫度不再像過熱區那樣是各自相互獨立的參數，所以要確定溼蒸汽的狀態，除了壓力、溫度以外，還必須要尋找另一個熱力參數，用測量的方法確定蒸汽的焓、熵比較困難，因此，溼度的測量就成為確定溼蒸汽另一個狀態參數的有效手段。如果能準確方便測量溼蒸汽的溼度，不但有助於快速、準確地了解運行於溼蒸汽區的汽輪機級內溼度的徑向、軸向分布以確定汽輪機的效率，給汽輪機的運行操作人員提供準確的運行指標，而且還可以為汽輪機的優化設計和改造提供依據。對汽輪機除溼技術的研究、試驗上也離不開溼度測量技術，其測量數據的準確度將直接影響除溼裝置的設計優劣，只有準確的蒸汽溼度測量才能對新設計的汽輪機(或汽輪機級)的除溼效果做出準確的判斷。因此，如何實現溼蒸汽溼度的準確、方便、實時測量，成為亟待解決的問題之一，對能源動力等領域有著重要的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種採用光聲學原理的溼蒸汽溼度測量裝置及方法，達到無擾、非接觸式、連續、在線、直接、高靈敏度、高精度測量包含直徑從微米(甚至更小)到毫米(甚至更大)的飽和水滴的溼蒸汽的溼度的效果。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0006]一種溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，包括:
[0007]光聲腔，內部通入待測的溼蒸汽；
[0008]雷射器，作為激勵源用於發出雷射照射所述的溼蒸汽，並激發溼蒸汽產生超聲波；
[0009]電光調製器，位於雷射光路上，用於對雷射進行調製；
[0010]聲傳感器陣列，安裝在光聲腔沿光程的兩側側壁，用於感知、檢測超聲波信號；
[0011]以及計算機系統，用於對所述的超聲波信號進行分析處理，得到溼蒸汽的溼度。
[0012]所述光聲腔的頂部開有透光窗口，雷射可以穿過所述的透光窗口照射溼蒸汽。
[0013]所述的光聲學測量裝置還設有位於所述電光調製器出射光路上的調焦系統，用於調節雷射的聚焦程度和準直程度，控制雷射以適當的束腰半徑、瑞利長度和發散角照射所述的溼蒸汽。
[0014]作為改進，所述的聲傳感器陣列和計算機系統之間連接有信號放大模塊；所述的信號放大模塊包括依次連接的信號放大器和鎖相放大器；所述的鎖相放大器還與電光調製器連接，依據所述電光調製器的調製方式和調製參數對超聲波信號進行放大處理。
[0015]信號放大模塊用於對超聲波信號進行放大處理，所述的信號放大器，將聲傳感器陣列檢測得到的微弱信號進行放大；所述的鎖相放大器利用所述的電光調製器對雷射的調製方式和控制參數，如頻率和相位，作為參考信號，對被測超聲波信號本身和參考信號同頻(或者倍頻)、同相的分量進行放大，能大幅度抑制噪聲，改善檢測信噪比，具有很高的檢測靈敏度。
[0016]本發明還提供了一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法，將調製後的雷射照射待測的溼蒸汽並激發溼蒸汽產生超聲波，利用聲傳感器陣列檢測超聲波信號，然後對所述的超聲波信號進行分析處理，得到溼蒸汽的溼度。
[0017]利用電光調製器對雷射進行調製，按照預先設計的調製方法和控制參數，控制激勵能量一雷射的光強大小及隨時間變化的規律。
[0018]作為改進，所述的超聲波信號要依次經過信號放大器和鎖相放大器處理，所述的信號放大器，將聲傳感器陣列檢測得到的微弱信號進行放大；所述的鎖相放大器利用所述的電光調製器對雷射的調製方式和控制參數，如頻率和相位，作為參考信號，對被測超聲波信號本身和參考信號同頻(或者倍頻)、同相的分量進行放大，能大幅度抑制噪聲，改善檢測信噪比，具有很高的檢測靈敏度。
[0019]所述的溼蒸汽受到調製雷射的照射，被激發產生超聲波，即在溼蒸汽中產生了光聲效應。由於溼蒸汽的汽液兩相處於平衡狀態，液相飽和水吸收熱量相變汽化，比容增大很多的特點，比通常所指的在單相氣體、液體或固體中的光聲效應更強烈。溼蒸汽溼度的光聲學測量方法idea正是基於此而產生的。思路就是通過研究由於相變汽化增強的光聲效應來達到測量溼蒸汽溼度的目的。通過雷射誘導溼蒸汽中的液相汽化增強光聲信號測量蒸汽溼度的方法是根據已知的光聲腔系統的特徵參數，控制激勵能量輸入一雷射的光強大小及隨時間變化，通過測量輸出能量一超聲波信號的強弱、隨時間變化關係及超聲波信號的相位與調製雷射的相位關係，採用光聲技術的量熱方法，測量得到由雷射轉換成熱的熱量，從而導出因受到加熱溼蒸汽中飽和液相相變汽化，變成飽和水蒸氣的量，再通過傳熱、傳質和相變汽化過程規律及理論模型計算，最終得到未知系統變量一溼蒸汽中飽和水滴的數目、分布、直徑大小等重要參數，得到溼蒸汽的溼度。
[0020]本發明的原理如下:
[0021]溼蒸汽兩相中的液相飽和水滴，在調製過的雷射輻照下，吸收雷射的能量，轉變為水滴中水的內能，由於溼蒸汽兩相處於汽液兩相平衡狀態，飽和水吸收了熱能後發生相變汽化，而處在兩相平衡狀態條件下(飽和壓力或對應的飽和溫度)的飽和水蒸氣的比容要比飽和水的比容大很多倍，由此產生壓力的波動。激勵的能量一雷射的調製導致加熱過程也是調製的，即加熱過程是周期交變的，由此，由周期交變的加熱過程產生的壓力的波動就產生超聲波(如果調製的頻率處在超聲波範圍)。
[0022]在這一系列的物理過程中，存在光一熱一聲多種能量形式的轉換過程，特別是在熱過程中，還存在相變汽化，環環相扣，相互耦合。在能量轉換過程中，轉換成熱、激發出聲起著關鍵作用，而雷射是一種非常有效和方便的激勵能源。
[0023]溼蒸汽兩相中液相水滴的數目、直徑大小、粒徑分布、傳熱傳質和相變汽化特性參數、產生的超聲波信號參數、光聲腔(即為光聲腔或光聲池、光聲盒)的特徵參數、噪聲等多參數也相互耦合，對熱一聲能量轉換過程起關鍵作用。
[0024]溼蒸汽溼度的光聲學方法測量就是分析上述光一熱一聲能量轉換過程、多參數耦合規律，精心設計光聲腔系統的特徵參數使系統工作於諧振狀態，控制這一複雜能量轉換系統的激勵能量輸入參數的變化(激勵能量一雷射的光強大小及隨時間變化)，測量最終的能量輸出(超聲波信號的強弱、隨時間變化關係及超聲波信號的相位與調製雷射的相位關係)，由具高精度量熱特性的光聲技術通過測量得到的熱量的多少，推算出因受到加熱溼蒸汽中飽和液相相變汽化成飽和水蒸氣的量，再通過傳熱、傳質和相變汽化過程規律，推算出未知的系統變量，包括溼蒸汽中飽和水滴的數目、直徑大小、粒徑分布等，即溼蒸汽的溼度。
[0025]與以往和現有技術相比，本發明的優點如下:
[0026]1、可以測量包含直徑從微米(甚至更小)到毫米(甚至更大)的飽和水滴的溼蒸汽的溼度，測量限大。
[0027]2、可以連續、在線、在快速流動的情況下測量，非接觸式、不需要進行採樣操作、對被測量的溼蒸汽流體本身幹擾少。
[0028]3、將光聲光熱技術和溼蒸汽中飽和水滴到飽和水蒸氣的汽化相變過程結合在一起研究，在原來光聲學方法已經具有很高信噪比的基礎上，充分利用相變汽化帶來的比容大大增加的特性，增強光聲效應，再增大信噪比，大大提高測量的靈敏度和精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明溼蒸汽溼度的光聲學測量的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發明的溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，包括:雷射器1、電光調製器
2、調焦系統3、光聲腔4、透光窗口 5、聲傳感器陣列6、信號放大器7、鎖相放大器8、計算機9和反射鏡10。
[0031]雷射器I用於發出測量雷射，並由反射鏡10反射進入電光調製器2內，由電光調製器2對雷射進行調製處理，調製處理後的雷射由調焦系統3聚焦並照射待測的溼蒸汽。
[0032]光聲腔4內通入待測的溼蒸汽，光聲腔4的頂部開有透光窗口 5，以使雷射能照射光聲腔4內的溼蒸汽。光聲腔4內部還安裝有聲傳感器陣列6,其包括布置在光聲腔4兩側的聲傳感器，檢測超聲波信號，並測量超聲波信號的時空分布。
[0033]信號放大器7與聲傳感器陣列6連接，對檢測得到的超聲波信號(此時超聲波信號已經由聲傳感器轉換成電信號)進行放大處理；鎖相放大器8分別與信號放大器7、電光調製器2和計算機9連接，對經信號放大器7放大處理後的信號，根據電光調製器2的調製方式和調製參數進行鎖相放大處理並輸出至計算機9，計算機9對信號進行存儲、分析和處理，並算得溼蒸汽的溼度。
[0034]上述的光聲學測量裝置，測量溼蒸汽溼度的過程如下:
[0035]雷射器I發出的雷射，經反射鏡10進入電光調製器2進行調製，調製後的雷射經調焦系統3調節雷射的聚焦程度和準直程度，並穿過光聲腔4上的透光窗口 5，照射光聲腔內的溼蒸汽，激發出超聲波，由光聲腔4兩側的聲傳感器陣列6,檢測超聲波信號的時空分布，得到的超聲波信號(電信號)由信號放大器7、鎖相放大器8放大後，進入計算機9進行存儲、信號計算和分析，最終得到溼蒸汽的溼度測量值。
【權利要求】
1.一種溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，其特徵在於，包括: 光聲腔，內部通入待測的溼蒸汽； 雷射器，作為激勵源用於發出雷射照射所述的溼蒸汽，並激發溼蒸汽產生超聲波； 電光調製器，位於雷射光路上，用於對雷射進行調製； 聲傳感器陣列，安裝在光聲腔沿光程的兩側側壁，用於感知、檢測超聲波信號； 以及計算機系統，用於對所述的超聲波信號進行分析處理，得到溼蒸汽的溼度。
2.如權利要求1所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，其特徵在於，所述光聲腔的頂部開有透光窗口，雷射穿過所述的透光窗口照射溼蒸汽。
3.如權利要求1所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，其特徵在於，所述的光聲學測量裝置還設有位於所述電光調製器出射光路上的調焦系統，用於調節雷射的聚焦程度和準直程度。
4.如權利要求1所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，其特徵在於，所述的聲傳感器陣列和計算機系統之間連接有信號放大模塊。
5.如權利要求4所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量裝置，其特徵在於，所述的信號放大模塊包括依次連接的信號放大器和鎖相放大器；所述的鎖相放大器還與電光調製器連接，依據所述電光調製器的調製方式對超聲波信號進行放大處理。
6.一種溼蒸汽溼度的光聲學測量方法，其特徵在於，將調製後的雷射照射光聲腔中待測的溼蒸汽並激發溼蒸汽產生超聲波，利用聲傳感器陣列感知、檢測超聲波信號，然後對所述的超聲波信號進行分析處理，得到溼蒸汽的溼度。
7.如權利要求6所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量方法，其特徵在於，利用電光調製器對雷射光強大小及隨時間變化的規律進行調製。
8.如權利要求7所述的溼蒸汽溼度的光聲學測量方法，其特徵在於，所述的超聲波信號要依次經過信號放大器和鎖相放大器處理。
【文檔編號】G01N21/17GK103760109SQ201310753834
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】陳堅紅, 盛德仁, 李蔚, 程元 申請人:浙江大學