CN102661933A - 基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置，包括宽带光源、偏振分光器件、光纤耦合器、光纤准直器、表面等离子体共振传感元件、多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器以及计算机，光纤准直器放在一旋转台上，光纤耦合器为Y型光纤，该Y型光纤包括总连接端以及自总连接端分开延伸的两个分连接端，总连接端与光纤准直器连接，两个分连接端分别与宽带光源及偏振分光器件连接，表面等离子体共振传感元件为具有两个直角面的直角棱镜，直角棱镜的两个直角面上分别镀有金属薄膜且镀有金属薄膜的面与待测湿蒸汽接触。本发明结构简单，传感器体积小，耐高温高压，精度高，测量范围大，能够实现实时在线连续测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸汽物理性质测量技术，尤其涉及一种湿蒸汽干度测量装置及测量方法。
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匀介质时，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，在实际测量中实现这一点难度很大。
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装置及测量方法，通过该装置及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，本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置及测量方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置，其包括宽带光源、偏振分光器件、接收并耦合宽带光源发出的光的光纤耦合器、与光纤耦合器连接的光纤准直器、表面等离子体共振传感元件、多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器以及计算机，所述光纤准直器放在一旋转台上，所述光纤耦合器为Y型光纤，所述Y型光纤包括总连接端以及自总连接端分开延伸的两个分连接端，所述总连接端与光纤准直器连接，所述两个分连接端分别与宽带光源及偏振分光器件连接，所述偏振分光器件与多通道光谱仪之间通过光纤连接，所述多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器均与计算机连接并各自将得到的数据信息反馈到计算机上，所述表面等离子体共振传感元件为具有两个直角面的直角棱镜，所述直角棱镜的两个直角面上分别镀有金属薄膜且镀有金属薄膜的面与待测湿蒸汽接触。
一种采用权利要求1所述的基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置测量湿蒸汽干度的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：
S101：将两个直角面上镀有金属薄膜的直角棱镜置于待测湿蒸汽上；
S102：宽带光源发光并将发出的光耦合到光纤耦合器；
S103：光纤耦合器出来的光经光纤准直器准直；
S104：光纤准直器准直后的平行光入射到直角棱镜上，并经过两个直角面反射后返回光纤准直器；
S105：光纤准直器再将直角棱镜反射后的反射光耦合回光纤耦合器；
S106：光纤耦合器耦合后的反射光通过偏振分光器件分离成TE偏振和TM偏振两束偏振光，分别进入多通道光谱仪进行探测，以TE偏振光作为参考光测得TM偏振光的反射率曲线，分析测得的反射率曲线，得到吸收峰对应的波长；
S107：根据表面等离子体共振原理计算出湿蒸汽的介电常数。
优选的，在上述湿蒸汽干度测量方法中，在所述步骤S107之后，还包括步骤：
S108：利用所述湿蒸汽的温度和压力计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；
S109：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
S110：求出湿蒸汽的干度。
优选的，在上述湿蒸汽干度测量方法中，所述步骤S107是利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括：选定步骤S101中棱镜的材料、金属薄膜的厚度和种类；在步骤S104中固定宽带光源的入射光的入射角度；观察步骤S106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。
优选的，在上述湿蒸汽干度测量方法中，所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜的两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使得反射率曲线的两个吸收峰重合，此时平行光在直角棱镜的两个直角面上的入射角相等即为45度；转动旋转台使得反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下旋转的角度；根据折射定律计算出入射角的改变量，如果吸收峰向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
优选的，在上述湿蒸汽干度测量方法中，所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下此位置；朝某一方向转动旋转台，使反射率曲线的吸收峰再次移到同一位置，记下旋转的角度；根据折射定律用旋转角度的二分之一计算出入射角的改变量，如果吸收峰先向短波方向移动后向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰先向长波方向移动后向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例的湿蒸汽干度测量装置结构简单，传感器体积小，耐高温高压，本发明实施例的湿蒸汽干度测量方法测量精度高，测量范围大，并能够实现实时在线连续测量。
附图说明
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，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置的结构示意图；
图2是图1中表面等离子体共振传感元件的结构示意图。
具体实施方式
表面等离子体共振（Surface plasmon resonance，SPR），又称表面等离子体子共振或表面等离激元共振，是一种物理光学现象，有关仪器和应用已经成为物理、化学和生物研究的重要工具。
本发明公开了一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置，该湿蒸汽干度测量装置包括宽带光源、偏振分光器件、接收并耦合宽带光源发出的光的光纤耦合器、与光纤耦合器连接的光纤准直器、表面等离子体共振传感元件、多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器以及计算机，所述光纤准直器放在一旋转台上，所述光纤耦合器为Y型光纤，所述Y型光纤包括总连接端以及自总连接端分开延伸的两个分连接端，所述总连接端与光纤准直器连接，所述两个分连接端分别与宽带光源及偏振分光器件连接，所述偏振分光器件与多通道光谱仪之间通过光纤连接，所述多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器均与计算机连接并各自将得到的数据信息反馈到计算机上，所述表面等离子体共振传感元件为具有两个直角面的直角棱镜，所述直角棱镜的两个直角面上分别镀有金属薄膜且镀有金属薄膜的面与待测湿蒸汽接触。
本发明还公开了一种采用上述的基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置测量湿蒸汽干度的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：
S101：将两个直角面上镀有金属薄膜的直角棱镜置于待测湿蒸汽上；
S102：宽带光源发光并将发出的光耦合到光纤耦合器；
S103：光纤耦合器出来的光经光纤准直器准直；
S104：光纤准直器准直后的平行光入射到直角棱镜上，并经过两个直角面反射后返回光纤准直器；
S105：光纤准直器再将直角棱镜反射后的反射光耦合回光纤耦合器；
S106：光纤耦合器耦合后的反射光通过偏振分光器件分离成TE偏振和TM偏振两束偏振光，分别进入多通道光谱仪进行探测，以TE偏振光作为参考光测得TM偏振光的反射率曲线，分析测得的反射率曲线，得到吸收峰对应的波长；
S107：根据表面等离子体共振原理计算出湿蒸汽的介电常数。
进一步的，在所述步骤S107之后，还包括步骤：
S108：利用所述湿蒸汽的温度和压力计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；
S109：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
S110：求出湿蒸汽的干度。
进一步的，所述步骤S107是利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括：选定步骤S101中棱镜的材料、金属薄膜的厚度和种类；在步骤S104中固定宽带光源的入射光的入射角度；观察步骤S106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。
进一步的，所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜的两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使得反射率曲线的两个吸收峰重合，此时平行光在直角棱镜的两个直角面上的入射角相等即为45度；转动旋转台使得反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下旋转的角度；根据折射定律计算出入射角的改变量，如果吸收峰向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
进一步的，所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下此位置；朝某一方向转动旋转台，使反射率曲线的吸收峰再次移到同一位置，记下旋转的角度；根据折射定律用旋转角度的二分之一计算出入射角的改变量，如果吸收峰先向短波方向移动后向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰先向长波方向移动后向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本发明基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置的结构示意图，该湿蒸汽干度测量装置包括宽带光源1、偏振分光器件4、接收并耦合宽带光源1发出的光的光纤耦合器2、与光纤耦合器2连接的光纤准直器3、表面等离子体共振传感元件5、多通道光谱仪6、温度传感器7、压力传感器8以及计算机9。光纤准直器放在一旋转台13上。多通道光谱仪6与计算机9用线缆10相连接。温度传感器7与压力传感器8分别用线缆10与计算机9相连接。光纤耦合器2为Y型光纤，Y型光纤包括总连接端以及自总连接端分开延伸的两个分连接端，所述总连接端与光纤准直器3连接，两个分连接端分别与宽带光源1及偏振分光器件4连接，偏振分光器件4与多通道光谱仪6之间通过光纤14连接，多通道光谱仪6、温度传感器7、压力传感器8均与计算机9连接并各自将得到的数据信息反馈到计算机9上，表面等离子体共振传感元件5为具有两个直角面的直角棱镜，直角棱镜的两个直角面上分别镀有金属薄膜且镀有金属薄膜的面与待测湿蒸汽接触。
其中，光纤耦合器2用于接收并耦合宽带光源1发出的光，光纤准直器3用于准直光纤耦合器2出来的光。
如图2所示，表面等离子体共振传感元件5是一个具有两个直角面的直角棱镜11。直角棱镜11的两个直角面上分别镀有金属薄膜12，镀有金属薄膜12的面与待测湿蒸汽接触。本发明的湿蒸汽干度测量装置通过采用直角棱镜11的两个直角面作为传感面，直角棱镜11是对称结构，便于确定入射角，装配调整方便，同时，整个测量装置是共光路结构，结构简单，元器件少，传感器体积小，耐高温高压，精度高，测量范围大，能够实现实时在线连续测量。
上述湿蒸汽干度测量装置能够降低光源稳定性等外界因数对准确测量共振波长的影响，上述湿蒸汽干度测量装置的工作原理是：将宽带光源1发出的光耦合到光纤耦合器2，然后经光纤准直器3准直后入射到表面等离子体共振传感元件5，经表面等离子体共振传感元件5反射后，反射光再由光纤准直器3耦合回光纤耦合器2，通过偏振分光器件4分离成TE偏振和TM偏振两束偏振光，分别进入多通道光谱仪6进行探测，由于表面等离子体共振传感元件5只对TM偏振光敏感，因此可以把TE偏振光作为参考光得到TM偏振光的反射率曲线，从而测得吸收峰对应的共振波长。
本发明还公开了一种采用上述基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置测量湿蒸汽干度的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：
S101：将两个直角面上镀有金属薄膜的直角棱镜置于待测湿蒸汽上；
S102：宽带光源发光并将发出的光耦合到光纤耦合器；
S103：光纤耦合器出来的光经光纤准直器准直；
S104：光纤准直器准直后的平行光入射到直角棱镜上，并经过两个直角面反射后返回光纤准直器；
S105：光纤准直器再将直角棱镜反射后的反射光耦合回光纤耦合器；
S106：光纤耦合器耦合后的反射光通过偏振分光器件分离成TE偏振和TM偏振两束偏振光，分别进入多通道光谱仪进行探测，以TE偏振光作为参考光测得TM偏振光的反射率曲线，分析测得的反射率曲线，得到吸收峰对应的波长；
S107：根据表面等离子体共振原理计算出湿蒸汽的介电常数。
湿蒸汽的介电常数通过如下公式换算求得：
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：
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：
式中εp、εm和εs分别是棱镜、金属薄膜和湿蒸汽的介电常数，θ是光波的入射角度，ω是光波的频率，c是光速。
只要知道发生表面等离子共振时棱镜11的材料、金属薄膜12的介电常数、金属薄膜12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。对于所使用的棱镜11以及制作在该棱镜11侧面上的金属薄膜12来说，棱镜11的介电常数、金属薄膜12的介电常数和厚度总是已知的。因此只需固定光波的入射角和波长中的一个，改变另外一个即可满足表面等离子体共振条件，从而测出湿蒸汽的介电常数。
具体地，所述步骤S107中的表面等离子体共振利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括：选定步骤S101中棱镜11的材料、金属薄膜12的厚度和种类；在步骤S104中固定宽带光源1的入射光的入射角度；观察步骤S106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。
由于共振角及共振波长皆与棱镜11的材料、金属薄膜12的种类、金属薄膜12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。金属薄膜12的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。
上述共振条件中，直角棱镜11的入射角的确定有两种方法，分别如下：
方法一：转动旋转台13改变平行光入射到直角棱镜11两个直角面上的入射角，观察多通道光谱仪6测得的反射率曲线，使得反射率曲线的两个吸收峰重合，此时平行光在直角棱镜11两个直角面上的入射角相等即为45度。转动旋转台13使得反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下旋转的角度，根据折射定律计算出入射角的改变量，如果吸收峰向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
方法二：转动旋转台13改变平行光入射到直角棱镜11两个直角面上的入射角，观察多通道光谱仪6测得的反射率曲线，使反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下此位置，朝某一方向转动旋转台13，使反射率曲线的吸收峰再次移到同一位置，记下旋转的角度，根据折射定律用旋转角度的二分之一计算出入射角的改变量，如果吸收峰先向短波方向移动后向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰先向长波方向移动后向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
一般来说，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波长较长的区域，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。
棱镜11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11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11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。
常用的金属薄膜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薄膜的方案。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。
金属薄膜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。例如对于金属薄膜12为金或银的Kretschmann-Raether结构传感元件，金属薄膜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。
S108：用温度传感器7和压力传感器8测量出此时湿蒸汽的温度和压力，利用所述湿蒸汽的温度和压力计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；
具体的，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。
S109：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；
式中εs、εv和εw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，
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
φV+φW=1 (5)
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（4）和式（5），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。
S110：求出湿蒸汽的干度。
干度x的定义为湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即
式中mv为干饱和蒸汽的质量，mw为饱和水的质量。对于单位体积的湿蒸汽，式（6）可写为：
式中ρV和ρW分别是干饱和蒸汽和饱和水的密度。
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（7）就可求出湿蒸汽的干度。
在具体实施例计算时，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，直角棱镜11材料为熔石英，金属薄膜12为金膜，厚度为45nm，入射角为47.2度。在温度为626.4K，压力为17.2MPa，共振波长为833nm时，计算出干度为0.787；如果温度为621.5K，压力为16.2MPa，共振波长为839nm时，计算出干度为0.689；如果温度为620.5K，压力为16MPa，共振波长为875.8nm时，计算出干度为0.642。如果入射角为46.3度。在温度为593.9K，压力为11.4MPa，共振波长为855.8nm时，计算出干度为0.609；如果温度为590.5K，压力为10.9MPa，共振波长为838.8nm时，计算出干度为0.589。
以上涉及到的两种方法是利用计算机分析反射光谱，测得表面等离子体共振波长，根据共振条件得出湿蒸汽的介电常数，通过温度传感器、压力传感器测量出此时水蒸汽的温度和压力，代入一系列计算公式从而计算出湿蒸汽的干度。
综上所述，本发明提出的湿蒸汽干度测量装置结构简单，传感器体积小，耐高温高压，本发明实施例的湿蒸汽干度测量方法测量精度高，测量范围大，并能够实现实时在线连续测量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置，其特征在于：包括宽带光源、偏振分光器件、接收并耦合宽带光源发出的光的光纤耦合器、与光纤耦合器连接的光纤准直器、表面等离子体共振传感元件、多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器以及计算机，所述光纤准直器放在一旋转台上，所述光纤耦合器为Y型光纤，所述Y型光纤包括总连接端以及自总连接端分开延伸的两个分连接端，所述总连接端与光纤准直器连接，所述两个分连接端分别与宽带光源及偏振分光器件连接，所述偏振分光器件与多通道光谱仪之间通过光纤连接，所述多通道光谱仪、温度传感器、压力传感器均与计算机连接并各自将得到的数据信息反馈到计算机上，所述表面等离子体共振传感元件为具有两个直角面的直角棱镜，所述直角棱镜的两个直角面上分别镀有金属薄膜且镀有金属薄膜的面与待测湿蒸汽接触。
2.一种采用权利要求1所述的基于表面等离子体共振的湿蒸汽干度测量装置测量湿蒸汽干度的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：
S101：将两个直角面上镀有金属薄膜的直角棱镜置于待测湿蒸汽上；
S102：宽带光源发光并将发出的光耦合到光纤耦合器；
S103：光纤耦合器出来的光经光纤准直器准直；
S104：光纤准直器准直后的平行光入射到直角棱镜上，并经过两个直角面反射后返回光纤准直器；
S105：光纤准直器再将直角棱镜反射后的反射光耦合回光纤耦合器；
S106：光纤耦合器耦合后的反射光通过偏振分光器件分离成TE偏振和TM偏振两束偏振光，分别进入多通道光谱仪进行探测，以TE偏振光作为参考光测得TM偏振光的反射率曲线，分析测得的反射率曲线，得到吸收峰对应的波长；
S107：根据表面等离子体共振原理计算出湿蒸汽的介电常数。
3.根据权利要求2所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于：在所述步骤S107之后，还包括步骤：
S108：利用所述湿蒸汽的温度和压力计算出干饱和蒸汽和饱和水的密度以及介电常数；
S109：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
S110：求出湿蒸汽的干度。
4.根据权利要求2所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于：所述步骤S107是利用波长调制方法实现，该波长调制方法包括：选定步骤S101中棱镜的材料、金属薄膜的厚度和种类；在步骤S104中固定宽带光源的入射光的入射角度；观察步骤S106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。
5.根据权利要求4所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于：所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜的两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使得反射率曲线的两个吸收峰重合，此时平行光在直角棱镜的两个直角面上的入射角相等即为45度；转动旋转台使得反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下旋转的角度；根据折射定律计算出入射角的改变量，如果吸收峰向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
6.根据权利要求4所述的湿蒸汽干度测量方法，其特征在于：所述步骤S104中，平行光入射到直角棱镜上的入射角的确定方法为：转动旋转台改变平行光入射到直角棱镜两个直角面上的入射角，观察光谱仪测得的反射率曲线，使反射率曲线的吸收峰对应的共振波长移到目标区域，记下此位置；朝某一方向转动旋转台，使反射率曲线的吸收峰再次移到同一位置，记下旋转的角度；根据折射定律用旋转角度的二分之一计算出入射角的改变量，如果吸收峰先向短波方向移动后向长波方向移动，则入射角为45度减去改变量，如果吸收峰先向长波方向移动后向短波方向移动，则入射角为45度加上改变量。
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