CN104297112A - 一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置，超声激励信号采用了叠加波的方式获取三种不同的频率的超声波信号，在计算机中的处理分析过程为：将得到的信号作快速傅里叶变换获得三种频率下超声信号幅值，计算得到声衰减系数；根据被测液滴颗粒的粒径值跟三种频率下的声衰减系数比值的关系，获得液滴颗粒的粒径值。同样，根据体积浓度值与声衰减系数关系，获得体积浓度值，再由体积浓度和湿度的换算关系得到湿蒸汽的湿度值。测量装置结构简单、成本低，相比于其它原理的湿蒸汽测量方法，超声波具有强的穿透力，超声换能器适应恶劣环境正常工作，无需精度校正，可以实现在汽轮机低压缸末级进行较高浓度的湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种湿蒸汽测量，特别涉及一种叠加波激励下的超声衰减法测量湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的方法以及装置。
背景技术
在电力行业、石油化工等领域中，通常需要用到湿蒸汽，并且需要确定湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度以及湿度，以用于过程控制或能量评价等方面。在火力发电厂中的大型凝气式汽轮机低压缸的末几级、压水堆核电机组、核动力船舰用的汽轮机的全部级或大部分级均工作在湿蒸汽状态下。核电汽轮机通流部分中，进入高压缸的新蒸汽湿度为0.25%～0.5%，且湿度逐级增大，到高压缸通流区域排汽湿度达到12%～15%，而其低压缸排汽口湿度可以达到12%～14%；依据Baumann法则，汽轮机级内出现1%的平均湿度可以使得效率降低大约1%。可见，湿蒸汽的产生不仅降低了机组运行的安全性以及经济性同时也给机组的设计带了困难。
在湿蒸汽的测量中液滴颗粒的粒径、体积浓度以及湿度信息的测量极为重要，湿蒸汽参数的测量有许多种方法：1)热力学法；2)光学法；3)微波法；4)电容法；5)静电测量；6)超声法等方法。当被测湿蒸汽浓度较高时，其他方法的精度下降，这时提出了一种叠加波激励下的超声衰减法测量湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的方法以及装置。超声波具有很强的穿透能力，通过超声波可以实现非接触、在线测量，还具有自动化程度高，能进行快速且准确的测量的特点。
基于超声法开展湿蒸汽测量的方法较少也比较新，当然仍有相关方法被提出。现有的一些基于超声法对湿蒸汽区进行液滴颗粒的浓度以及湿度测量的方法，多是采用了经验公式或者进行标定，从而得到被测参数值，没有很好的考虑液滴颗粒的粒度差异对声衰减的影响。
发明内容
本发明是针对湿蒸汽浓度测试时随着浓度升高，现有的测量方法的精度下降的问题，提出了一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置，根据声学模型进行测量，充分考虑超声传播时液滴颗粒对声波的作用以及液滴颗粒间的相互作用。同时，提出了三种频率叠加构成叠加波信号激励宽带超声波换能器，发射超声波信号，获取了更多的被测信息，提高了测量准确度。
本发明的技术方案为：一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法，具体包括如下步骤：
1）、由信号发射电路编制三种频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz构成的叠加波信号，将叠加波信号作为激励源，激励宽带超声波换能器同时发射三种频率超声波；
2）、超声波信号穿透湿蒸汽区后，另一个宽带超声波换能器接收并获得3个步骤1）编制的三种频率下声波信号；
3）、计算声衰减系数：对步骤2）接收的进行处理，由快速傅里叶变换得到超声幅值并进行了声吸收的修正，得到最终的声衰减 ，计算公式如下：
其中为超声波频率为f时测得经测量区域传播的原始信号幅值， 为超声波频率为f在测量区域中有蒸汽液滴颗粒时测得的幅值，L为两个换能器之间距离，为考虑在测量区域中背景的声吸收等效应的超声衰减修正系数，可查阅声学手册得到，通过对实验信号处理分别计算在频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz下的声衰减、、；
4）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的粒径：在数据处理过程中采集两相流中复波数理论表达式：
其中，
这里j=，D是液滴颗粒的直径，为液滴颗粒的体积浓度，即单位体积的湿蒸汽中液滴颗粒所占的体积百分比，是连续介质中的波数，是两相流中的复波数，为角频率，和分别表示湿蒸汽两相流中与频率有关的声衰减系数和声速，n为级数阶数，实际使用中选20；
5）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度：得液滴粒径值后，基于理论模型，根据步骤4）中理论表达式绘制声衰减值与湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度的理论图，呈单调趋势，并且一一对应，根据步骤3）求得实验的声衰减值代入理论曲线，从而可以得到体积浓度值；
6）、计算湿蒸汽区的湿度值：此时可根据下式计算：
式中，是液滴颗粒的体积浓度，为测量区域下的温度对应的饱和水蒸气的密度值，为测量区域下的温度对应的饱和水的密度值。
一种湿蒸汽区液滴颗粒的测试方法的测试装置， 包括：一对宽带超声波换能器、信号发射电路、信号调理电路、信号放大电路、采集卡、计算机，信号发射电路编制频率分别为f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz的叠加波信号，叠加波信号作为激励源激励宽带超声波换能器，超声波信号穿透湿蒸汽区后，置于湿蒸汽区另一端的另一个宽带超声波换能器接收其透射信号，宽带超声波换能器将接收的信号输出，依次经过信号调理电路、信号放大电路、采集卡后传输到计算机进行数据处理分析。
本发明的有益效果在于：本发明湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置，测量装置结构简单、成本低，超声换能器在一定的恶劣环境下仍可正常工作，且无需精确的对中。可实现在线测量，相比于其它原理的湿蒸汽测量方法如热力学法、光学法、微波法等，超声波具有强的穿透力，本发明的应用具有非常明显的优势，可以在汽轮机低压缸末级进行较高浓度的湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的在线测量。
附图说明
图1为本发明实施例的三种频率下的叠加波时域示意图；
图2为本发明实施例的三种频率下的频域信号的示意图；
图3为本发明湿蒸汽区液滴颗粒的测量装置结构示意图；
图4本发明实施例的声衰减与粒径的理论关系曲线图；
图5本发明实施例的声衰减比值与粒径的理论关系曲线图；
图6本发明实施例的声衰减与体积浓度的理论关系曲线图。
具体实施方式
本发明是基于三种不同频率下的超声衰减法的原理进行的，超声激励信号采用了叠加波的方式获取三种不同的频率的超声波信号，在计算机中的处理分析过程为：将得到的信号作快速傅里叶变换(FFT, Fast Fourier Transformation)获得三种频率下超声信号幅值，计算得到声衰减系数；根据被测液滴颗粒的粒径值跟三种频率下的声衰减系数比值的关系，则可获得液滴颗粒的粒径值D。同样，根据体积浓度值与声衰减系数关系，获得体积浓度值，再由体积浓度和湿度的换算关系得到湿蒸汽的湿度值H。
具体步骤如下：
1）如图1和2所示本发明实施例的三种频率下的叠加波时域和频域信号的示意图，本发明采用了三种不同频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz连续正弦波信号通过叠加的方式，产生叠加波信号对超声波换能器进行激励，进行不同频率的同时发射。同时获得了此3个特定频率下声波信号，图1是通过计算机程序编制的叠加波发射信号的时域图，图2是发射信号经过傅里叶变换后的频谱图，可见信号中包含3个频率超声波信号，并非等同于单频的超声发射信号。
2）、采集接收端的超声波信号：如图3所示湿蒸汽区液滴颗粒的测量装置结构示意图，测量装置包括：一对宽带超声波换能器、信号发射电路、信号调理电路、信号放大电路、采集卡、计算机以及软件。信号发射电路编制频率分别为f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz的叠加波信号，上述三种单一频率下的连续正弦波信号叠加构成一个叠加波信号，该叠加波信号可以激励宽带超声波换能器同时发射频率为f1、f2和f3的超声波，超声波信号穿透湿蒸汽区后，由于液滴颗粒的吸收、散射效应产生声衰减，另一个宽带超声波换能器接收其透射信号，换能器将接收的信号输出后依次经过信号调理电路、信号放大电路、采集卡后传输到计算机进行数据处理分析，通过对采集到的时域叠加信号进行傅里叶变换，同样可得类似图2的3个指定频率的频谱信息；
3）、计算声衰减系数：在数据处理过程中由FFT(Fast Fourier Transformation)得到超声幅值并进行了声吸收的修正，得到最终的声衰减：
其中为超声波频率为f时测得经测量区域传播的原始信号幅值， 为超声波频率为f在测量区域中有蒸汽液滴颗粒时测得的幅值，L为两个换能器的距离，为考虑在测量区域中背景的声吸收等效应的超声衰减修正系数，可查阅声学手册得到，这样，通过对实验信号处理分别计算在频率f 1 =200kHz、f 2 =40kHz、f 3 =25kHz下的声衰减、、；
4）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的粒径：在数据处理过程中采用两相流中复波数理论表达式：
其中，
这里j=，D是液滴颗粒的直径，液滴颗粒的体积浓度（在进行多频法测量粒径的时候，首先假定一个体积浓度值，代入理论模型计算得到声衰减比（图4、图5），由于在求解粒径大小的时候是采用衰减比的方法，同时衰减随体积浓度呈线性变化，在求解粒径过程中可以将约去，所以假设体积浓度值对粒径测量基本没有影响。在得到粒径值后，需要将粒径值代入理论模型，求得图6所示的声衰减~体积浓度的关系，根据实验所得的声衰减值便可得到体积浓度值），为连续介质中的波数，是两相流中的复波数，为角频率是与超声波频率有关的变量，=2*pi*f。系数为压缩波散射系数，表示单个颗粒散射的压缩波场的幅度大小，它可以通过构造以液滴颗粒直径D为自变量的n阶球汉克尔函数有关的线性方程组并求解获得，n为级数阶数，实际使用中选20，具体求解过程用到颗粒相与连续相的声速、声吸收、压缩率、热膨胀系数、密度值；和分别表示湿蒸汽两相流中与频率有关的声衰减系数和声速。n为级数阶数，实际使用中选20；上述公式为超声理论模型计算公式，通过该公式可以计算并通过曲线形式表述了声衰减与液滴颗粒粒径、体积浓度、超声波频率之间关系；例如根据上述理论计算公式编写程序，得到理论曲线图4~图6。
如图4所示声衰减与粒径的关系曲线图及图5所示声衰减比值与粒径的关系曲线图，声衰减比值跟粒径有一定的关系，此发明采用了三种频率，同时利用以及的比值与粒径的关系从而确定唯一的粒径值，最终得到湿蒸汽区液滴颗粒的粒径值D；图4所示为声衰减~粒径值的变化曲线，图5所示为声衰减比值~液滴粒径的关系曲线，在对实验数据处理后，便可以得到3种不同频率下的声衰减值及其比值，根据图5对应的理论值，便可以通过编程方式搜索获得真实的液滴粒径。
5）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度：获得液滴粒径后，基于理论模型，根据步骤4）中理论表达式绘制声衰减值与湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度的理论图6，呈单调趋势，并且一一对应，根据步骤3）求得实验的声衰减值代入理论曲线，从而可以得到体积浓度值；
6）、计算湿蒸汽区的湿度值：此时可根据下式计算：
式中，是液滴颗粒的体积浓度，为测量区域的温度对应的饱和水蒸气的密度值，为测量区域下的温度对应的饱和水的密度值。
Claims (2)
1.一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）、由信号发射电路编制三种频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz构成的叠加波信号，将叠加波信号作为激励源，激励宽带超声波换能器同时发射三种频率超声波；
2）、超声波信号穿透湿蒸汽区后，另一个宽带超声波换能器接收并获得3个步骤1）编制的三种频率下声波信号；
3）、计算声衰减系数：对步骤2）接收的进行处理，由快速傅里叶变换得到超声幅值并进行了声吸收的修正，得到最终的声衰减 ，计算公式如下：
其中为超声波频率为f时测得经测量区域传播的原始信号幅值， 为超声波频率为f在测量区域中有蒸汽液滴颗粒时测得的幅值，L为两个换能器之间距离，为考虑在测量区域中背景的声吸收等效应的超声衰减修正系数，可查阅声学手册得到，通过对实验信号处理分别计算在频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz下的声衰减、、；
4）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的粒径：在数据处理过程中采集两相流中复波数理论表达式：
其中，
这里j=，D是液滴颗粒的直径，为液滴颗粒的体积浓度，即单位体积的湿蒸汽中液滴颗粒所占的体积百分比，是连续介质中的波数，是两相流中的复波数，为角频率，和分别表示湿蒸汽两相流中与频率有关的声衰减系数和声速，n为级数阶数，实际使用中选20；
5）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度：得液滴粒径值后，基于理论模型，根据步骤4）中理论表达式绘制声衰减值与湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度的理论图，呈单调趋势，并且一一对应，根据步骤3）求得实验的声衰减值代入理论曲线，从而可以得到体积浓度值；
6）、计算湿蒸汽区的湿度值：此时可根据下式计算：
式中，是液滴颗粒的体积浓度，为测量区域下的温度对应的饱和水蒸气的密度值，为测量区域下的温度对应的饱和水的密度值。
2.一种湿蒸汽区液滴颗粒的测试方法的测试装置，其特征在于，
包括：一对宽带超声波换能器、信号发射电路、信号调理电路、信号放大电路、采集卡、计算机，信号发射电路编制频率分别为f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz的叠加波信号，叠加波信号作为激励源激励宽带超声波换能器，超声波信号穿透湿蒸汽区后，置于湿蒸汽区另一端的另一个宽带超声波换能器接收其透射信号，宽带超声波换能器将接收的信号输出，依次经过信号调理电路、信号放大电路、采集卡后传输到计算机进行数据处理分析。
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