一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备和方法技术

本发明专利技术提供了一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通；发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜，发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；本发明专利技术采用激光分子光谱技术，通过对水汽分子的指纹光谱测量，实现氢气工作工况下氢气湿度的精确在线测量；该种测量只与水分子本身的固有物理特性相关，具有高抗干扰性，可实现从ppm级到100%范围的浓度测量。

A method and method for measuring hydrogen humidity for hydrogen cooled generator

The present invention provides a method for measuring the hydrogen humidity in hydrogen cooled generator equipment, including generator generator internal components and external components, engine casing is provided with sealing optical window connection between generator and generator components, internal external components are connected through the pressure optical window; generator internal components include: both ends of the optical fiber collimator and prism, outside the generator assembly includes a laser diode, a circulator, optical fiber detector and the end is provided with a fiber collimator; the invention adopts laser molecular spectroscopy, through fingerprint spectrum measurement of water vapor molecules, to achieve accurate on-line measurement of hydrogen working conditions for measuring the hydrogen humidity; only with the inherent physical characteristics of water molecules the correlation has higher anti-interference ability, can be realized from ppm to 10 0% range measurement of concentration.

【技术实现步骤摘要】
一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备和方法
本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备和方法。
技术介绍
氢气是一种良好的冷却介质，具有密度小、比热高、导热率大等优点，被广泛应用于火力和核能电站发电机组的定子和转子绕组冷却系统。在发电机内部氢气被循环使用的过程中，其湿度需要进行精确测量以实现有效控制。发电机对氢气湿度最敏感的部件首先是转子护环,湿度过大对发电机护环产生腐蚀作用；其次是定子端部绝缘，湿度过大使发电机定子端部绝缘损坏而引发相间短路事故。氢气湿度过低会导致某些绝缘部件(如发电机定子端部垫块、支撑环产生收缩、裂纹。市面上传统的氢冷发电机中氢气湿度测量方法包括以下几种：1)已知通风干湿表类，其测量中存在测量结果重现性不好、准确性差，不能承受压力。2)已知电解法，其在承受压力下测量数值不稳定，并且不适合在湿度较低情况下使用。3)已知电测法，主要有电容法和电阻法，其探头随着使用时间的增长,性能会变差，在承受压力下测量时,偏差很大,甚至会发生结果错误。4)已知露点法，最常用的是镜面式光电露点仪，外形尺寸大，结构复杂，使用、维护要求严格,且不能在受压下工作,携带不方便,只能作离线测量。在激光分子光谱领域，采用可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体分子的吸收光谱，进而计算出分子的浓度、温度，是一种被广泛认知的方法。该方法只与被测分子的特定能级跃迁相关，由分子的固有特性决定，具有“指纹”特性。近年来该周知的实验室分析技术正在工业过程参数测量上获得推广。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术目的在于提供一种在氢冷发电机工作氢压下直接在线稳定准确测量发电机内部氢气的湿度，并满足防爆安全等级的要求，为有效控制氢气运行时的湿度提供有力技术保障的氢气湿度测量设备。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，所述的氢气湿度测量设备包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通。本专利技术的发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜；光纤的一端对接耐压光学窗口，另一端对接角锥棱镜；本专利技术的发电机内部没有任何其他有源或无源元件，这样实现和发电机外部完全没有电气连接和机械接触，既容易实现耐压密封，又保证可以实现高级的防爆安全等级；这一段两端均有光纤耦合准直器的光纤既传输激光器来的前向光，也传输角锥棱镜反射的反向光。本专利技术的发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；所述的环形器上设有公用端口，前向光输入端口和反向光输出端口，前向光输入端口通过光纤连接在二极管激光器上，反向光输出端口和公用端口上均连接有一端设有光纤耦合准直器的光纤，反向光输出端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接探测器，公用端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接耐压光学窗口。本专利技术的耐压光学窗口的两侧分别对接光纤耦合准直器，两个光纤耦合准直器对称分布在耐压光学窗口的两侧；在耐压窗口的两侧对称布置有光纤的光纤耦合准直器，无论是激光器的前向光还是角锥棱镜反射的反向光，两个方向上来光均能顺利完成出纤-传输-入纤的过程。本专利技术中，两端均有光纤耦合准直器的光纤与角锥棱镜之间设有氢气待测区；本专利技术采用角锥棱镜反射方式，可保证光束可靠返回光纤中，基本不受加工、安装和使用中振动等因素对光路的影响；氢气待测区可以设置在发电机内任何位置，实现对任意位置的氢气湿度测量，使测量点不局限于耐压光学窗口处。本专利技术的二极管激光器不少于一个，前向光输入端口通过复用器连接多个二极管激光器；所述的探测器不少于一个，反向光输出端口通过解复用器连接多个探测器；在环形器前需增加复用器，把各激光器的光合并成一路；同时在探测器前增加解复用器，把各不同波长激光分离到对应的探测器。本专利技术的探测器上连接有数据处理系统；数据处理系统接收探测器的光电转换输出信号，并使用周知的激光分子光谱技术，根据探测器数据测定氢气湿度，必要时可同时测定温度和压力。本专利技术的二极管激光器上连接有激光控制模块，激光控制模块通过控制线路连接在数据处理系统上；激光控制模块由数据处理系统根据周知的激光分子光谱技术的要求控制各激光器的温度和电流等参数。一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备的运行方法，二极管激光器通过发射选定中心波长的激光射入环形器的前向光输入端口，经过其公用端口输入至耐压光学窗口外侧的光纤耦合准直器，激光穿越耐压光学窗口后经两端均有光纤耦合准直器的光纤输入至氢气待测区，由角锥棱镜反射后，包含水汽分子激光吸收光谱的激光束沿原光路返回，到达环形器，经环形器的反向光输出端口输出至探测器，探测器根据光强的变化生成水汽分子激光吸收光谱的电信号。本专利技术的氢气湿度测量设备包括温度测量系统和压力测量系统；所述的氢气湿度测量设备用于发电机内部氢气温度、压力和浓度的测量；分子光谱具有分子浓度、温度和压力三个要素，对特定分子的特定谱线，这三个参数决定其分子光谱；如果测量点位的氢气温度未知，则可以通过优选对温度变化响应行为不同的谱线对，设备同时进行氢气温度和浓度测量。优选谱线对的两根光谱线可位于单一激光器的扫描范围内，或分别位于两个激光器的扫描范围内。如果测量点位的氢气压力未知，可任选两根合适的谱线，设备同时进行氢气压力和浓度测量。如果测量点位的氢气温度和压力均未知，则可以通过优选对温度变化响应行为不同的谱线对，外加至少另外一根合适的谱线，设备同时进行氢气温度、压力和浓度同时测量。所选谱线可位于单一激光器的扫描范围内，或分别位于多个激光器的扫描范围内。本专利技术的优点在于：本专利技术采用激光分子光谱技术，通过对水汽分子的指纹光谱测量，实现氢气工作工况下氢气湿度的精确在线测量。这种测量只与水分子本身的固有物理特性相关，原理清晰明了，具有高抗干扰性，可实现从ppm级到100％范围的浓度测量。分子光谱测量技术可运用于从绝对零度到高达几千度的温度范围，且在0-1MPa的压力范围内可稳定可靠工作，解决了现有仪器在氢压下工作困难的问题。测量点位可安排在发电机内部任何希望关注且空间可行的部位，方便灵活。采用全光测量，本质上保证满足防爆安全等级。采用光通信领域的标准器件，系统实现成本可控。附图说明图1本专利技术氢气测量设备的结构示意图。其中，1二极管激光器，2光纤，3复用器，4连接光输入端口的光纤，5环形器，6连接公用端口的光纤，7耐压光学窗口外侧的光纤耦合准直器，8耐压光学窗口，9耐压光学窗口内侧的光纤耦合准直器，10两端均有光纤耦合准直器的光纤，11光纤耦合准直器，12角锥棱镜，13氢气待测区，14发电机外壳，15连接反向输出端口的光纤，16解复用器，17光纤，18光纤耦合准直器，19探测器，20数据处理系统，21激光控制模块。具体实施方式下面结合附图说明和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的描述。实施例1：如图1所示，本专利技术提供了一种适用于氢冷发电机氢气湿度测量的传感设备。此传感设备利用中心波长在近红外或中红外波段的一个或以上具有特别选定中心波长的二极管激光器1，激光器的的光束耦合到光纤2中，并接入复用器3；复用器3合束后的激光光束有光纤4连接到环形器5前向光输入端口，经过环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的氢气湿度测量设备包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通；所述的发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜；光纤的一端对接耐压光学窗口，另一端对接角锥棱镜；所述的发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；所述的环形器上设有公用端口，前向光输入端口和反向光输出端口，前向光输入端口通过光纤连接在二极管激光器上，反向光输出端口和公用端口上均连接有一端设有光纤耦合准直器的光纤，反向光输出端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接探测器，公用端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接耐压光学窗口。

【技术特征摘要】
1.一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的氢气湿度测量设备包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通；所述的发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜；光纤的一端对接耐压光学窗口，另一端对接角锥棱镜；所述的发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；所述的环形器上设有公用端口，前向光输入端口和反向光输出端口，前向光输入端口通过光纤连接在二极管激光器上，反向光输出端口和公用端口上均连接有一端设有光纤耦合准直器的光纤，反向光输出端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接探测器，公用端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接耐压光学窗口。2.如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的耐压光学窗口的两侧分别对接光纤耦合准直器，两个光纤耦合准直器对称分布在耐压光学窗口的两侧。3.如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述两端均有光纤耦合准直器的光纤与角锥棱镜之间设有氢气待测区。4.如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的二极管激光器不少于一个，光输入端口通过复用器连接多个二极管激...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢荣军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32