一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开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，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，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；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完成湿度的测量；可以适用于各种狭窄空间内流动湿蒸汽湿度的在线实时测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术具有以下有益效果：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。本专利技术按照“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。采用本专利技术基于动态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器，其特征在于，还包括用于支撑外套管(1)的支架(8)。3.根据权利要求1所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器，其特征在于，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。4.一种基于动态加热的流动湿蒸汽湿度的测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于动态加热的流动湿蒸汽湿度传感器，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，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(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，邹佳生，周源远，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61