CN104458808B - 一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针及方法，包括硬同轴线外导体、取样头、端部连接件、外套管、后端盖、导流管、调节阀、抽真空设备、T型定位支架、陶瓷套管、硬同轴线内导体、微波源、微波功率计、多孔刚玉棒、硬同轴线终端电阻及数据采集系统。本发明可以准确的测量湿蒸汽的湿度。

Description

一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针及方法

技术领域

本发明涉及一种湿蒸汽湿度测量探针及方法，具体涉及一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针及方法。

背景技术

湿蒸汽作为一种工作介质广泛应用于各种工程实践中，特别是动力工程领域。例如在汽轮机中，流动湿蒸汽不仅引起机组效率的下降，还对汽缸和叶片造成水蚀。测量汽轮机中流动湿蒸汽的湿度(特别是排汽湿度)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。

汽轮机中湿度测量的方法主要是热力法和光学法。热力法无法测量流动湿蒸汽中水滴的粒径，但其依据热平衡计算得到的湿度测量结果具有较高的精度，且测量装置无需标定。光学法虽然能够兼顾湿度和水滴粒径的测量，但其本质上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得出的结果，一般认为其测量精度低于热力法。热力法和光学法各有优缺点，目前都在发展中。

各类热力法测量方法中最有发展前途的是加热法。目前公布的各种加热法湿度测量探针专利(如85103642，200410011148.1，200420012591.6，201310073920.1)，无一例外均采用了电加热的方式。采用电加热方式加热流动湿蒸汽只能凭借传导、对流和辐射三种热能的传播方式将热量由电加热体传递至蒸汽及蒸汽中携带的水滴；采用外加热方式时还需首先加热管体，再将热量传递到管体内的湿蒸汽中。采用电加热方式存在传热效率低、加热段长、产生热耗散和热惯性的环节多、加热量的精确测量困难以及加热元件易损坏等不足，从而不能准确地测量湿蒸汽的湿度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针及方法，该测量探针及方法可以准确的测量湿蒸汽的湿度。

为达到上述目的，本发明所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，包括硬同轴线外导体、取样头、端部连接件、外套管、后端盖、导流管、调节阀、抽真空设备、T型定位支架、陶瓷套管、硬同轴线内导体、微波源、微波功率计、多孔刚玉棒、硬同轴线终端电阻及数据采集系统；

所述硬同轴线外导体的一端及取样头的一端均套接于端部连接件内，且取样头与硬同轴线外导体相连接，外套管的两端分别套接于端部连接件上及后端盖上，硬同轴线外导体的另一端穿过后端盖并通过密封填料密封，外套管与硬同轴线外导体之间设有保温层，导流管固定于硬同轴线外导体的侧面，硬同轴线外导体的侧面开设有若干通流孔，且硬同轴线外导体的内部通过所述通流孔与导流管的一端相连通，导流管的另一端通过调节阀与抽真空设备相连接，T型定位支架由横杆及竖杆组成，其中，竖杆的两端分别与硬同轴线外导体的内壁相连接，横杆套接于硬同轴线内导体一端内，且陶瓷套管位于横杆与硬同轴线内导体之间，硬同轴线内导体的另一端固定于密封填料上且与微波源及微波功率计相连接，硬同轴线内导体与硬同轴线外导体之间形成了一个蒸汽流动通道，多孔刚玉棒位于硬同轴线内导体内，硬同轴线终端电阻为丝状结构，且硬同轴线终端电阻绕至于多孔刚玉棒内，硬同轴线终端电阻的两端分别固定于硬同轴线内导体及硬同轴线外导体上，取样头另一端的入口处及导流管内均安装有插入式温度传感器，导流管内还安装有总压传感器、静压传感器，外套管的内壁面上与硬同轴线外导体的外壁面上均均匀设置有若干片形温度传感器，数据采集系统的输入端与总压传感器的输出端、静压传感器的输出端、插入式温度传感器的输出端及片形温度传感器的输出端相连接。

所述竖杆的两端与硬同轴线外导体的内壁过盈配合连接；

所述密封填料与硬同轴线外导体之间过盈配合连接。

所述密封填料为聚四氟乙烯。

所述硬同轴线终端电阻的电阻为50Ω。

所述通流孔的数量为49个。

本发明所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量方法包括以下步骤：

微波源产生的微波在蒸汽流动通道内传播，待测量的湿蒸汽经取样头进入到蒸汽流动通道内并被微波加热，未被湿蒸汽吸收的微波能量经由硬同轴线终端电阻变为热量，并通过硬同轴线内导体对湿蒸汽加热，经加热后的湿蒸汽变为过热蒸汽，并通过通流孔进入到导流管内，插入式温度传感器分别测量取样头入口处湿蒸汽的静温t₁及导流管内过热蒸汽的静温t₂，总压传感器与静压传感器分别测量导流管内过热蒸汽的总压与静压p₂，微波功率计测量湿蒸汽吸收的热量q；

则蒸汽流动通道内的能量平衡方程为：

其中，q_d为蒸汽在蒸汽流动通道内散失的热量，u₁及u₂分别为蒸汽流动通道的入口处及出口处蒸汽的流速，h₁及h₂分别为蒸汽流动通道入口处及出口处蒸汽的焓值，m为蒸汽流动通道中蒸汽的流量，则由式(1)得：

其中，蒸汽流动通道出口处过热蒸汽的焓h₂根据导流管内过热蒸汽的静压p₂及静温t₂得到，根据导流管内过热蒸汽的静压p₂及静温t₂得过热蒸汽的密度ρ₂，u₁＝u₂，m＝ρ₂u₂A₂，A₂为导流管的横截面积，q_d＝2πλL(t_i-t_o)/ln(d_o/d_i)，L为蒸汽流动通道的长度，d_o为保温层的外径，d_i为保温层的内径，t_i和t_o分别为保温层内壁及外壁的静温，λ为保温层所填充的保温材料的导热系数；

由式(2)得蒸汽流动通道入口处过热蒸汽的焓h₁，根据过热蒸汽的焓h₁及取样头入口处湿蒸汽的静温t₁得取样头入口处湿蒸汽的湿度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的利用硬同轴线进行微波加热的湿蒸汽湿度测量探针及方法在测量湿蒸汽湿度时，湿蒸汽经取样头进入到蒸汽流动通道，微波源发出的微波进入到所述蒸汽流通道内，并对湿蒸汽进行加热，由于水分子为极性分子，在微波超高频电场作用下热量从湿蒸汽中的水滴与水蒸汽分子内部均匀产生，加热速度快，可以缩短加热段的长度，减少产生热耗散以及热惯性的环节；由于湿蒸汽中水滴的介电常数远大于蒸汽的介电常数，从而使微波对湿蒸汽加热具有选择性，在湿蒸汽变为干饱和蒸汽的加热阶段，水滴吸收绝大部分微波能量而发热汽化，对干饱和蒸汽继续加热则获得过热蒸汽，符合湿度探针中消除加热段壁面水膜沉积以及使水滴尤其是汽流中心的水滴迅速汽化的要求；另外，微波能量完全限制于蒸汽流动通道中，不仅减少热耗散，也有利于加热量的准确测量；同时，硬同轴线终端电阻将剩余的微波能量转换为热能，对蒸汽进一步加热，微波能量被充分利用，从而准确的获取测量湿蒸汽的湿度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A方向的截面图。

其中，1为端部连接件、2为蒸汽流动通道、3为数据采集系统、4为微波功率计、5为微波源、6为保温层、7为外套管、8为硬同轴线外导体、9为硬同轴线内导体、10为多孔刚玉棒、11为T型定位支架、12为陶瓷套管、13为硬同轴线终端电阻、14为片形温度传感器、15为总压传感器、16为静压传感器、17为插入式温度传感器、18为调节阀、19为密封填料、20为通流孔、21为取样头、22为导流管、23是后端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针包括硬同轴线外导体8、取样头21、端部连接件1、外套管7、后端盖23、导流管22、调节阀18、抽真空设备、T型定位支架11、陶瓷套管12、硬同轴线内导体9、微波源5、微波功率计4、多孔刚玉棒10、硬同轴线终端电阻13及数据采集系统3；硬同轴线外导体8的一端及取样头21的一端均套接于端部连接件1内，且取样头21与硬同轴线外导体8相连接，外套管7的两端分别套接于端部连接件1上及后端盖23上，硬同轴线外导体8的另一端穿过后端盖23并通过密封填料19密封，外套管7与硬同轴线外导体8之间设有保温层6，导流管22固定于硬同轴线外导体8的侧面，硬同轴线外导体8的侧面开设有若干通流孔20，且硬同轴线外导体8的内部通过所述通流孔20与导流管22的一端相连通，导流管22的另一端通过调节阀18与抽真空设备相连接，T型定位支架11由横杆及竖杆组成，其中，竖杆的两端分别与硬同轴线外导体8的内壁相连接，横杆套接于硬同轴线内导体9一端内，且陶瓷套管12位于横杆与硬同轴线内导体9之间，硬同轴线内导体9的另一端固定于密封填料19上且与微波源5及微波功率计4相连接，硬同轴线内导体9与硬同轴线外导体8之间形成了一个蒸汽流动通道2，多孔刚玉棒10位于硬同轴线内导体9内，硬同轴线终端电阻13为丝状结构，且硬同轴线终端电阻13绕至于多孔刚玉棒10内，硬同轴线终端电阻13的两端分别固定于硬同轴线内导体9及硬同轴线外导体8上，取样头21另一端的入口处及导流管22内均安装有插入式温度传感器17，导流管22内还安装有总压传感器15、静压传感器16，外套管7的内壁面上与硬同轴线外导体8的外壁面上均均匀设置有若干片形温度传感器14，数据采集系统3的输入端与总压传感器15的输出端、静压传感器16的输出端、插入式温度传感器17的输出端及片形温度传感器14的输出端相连接，竖杆的两端与硬同轴线外导体8的内壁过盈配合连接，密封填料19与硬同轴线外导体8之间过盈配合连接，密封填料19为聚四氟乙烯，硬同轴线终端电阻13的电阻为50Ω，通流孔20的数量为49个。

本发明所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量方法包括以下步骤：

微波源5产生的微波在蒸汽流动通道2内传播，待测量的湿蒸汽经取样头21进入到蒸汽流动通道2内并被微波加热，未被湿蒸汽吸收的微波能量经由硬同轴线终端电阻13变为热量，并通过硬同轴线内导体9对湿蒸汽加热，经加热后的湿蒸汽变为过热蒸汽，并通过通流孔20进入到导流管22内，插入式温度传感器17分别测量取样头21入口处湿蒸汽的静温t₁及导流管22内过热蒸汽的静温t₂，总压传感器15与静压传感器16分别测量导流管22内过热蒸汽的总压与静压p₂，微波功率计4测量湿蒸汽吸收的热量q；

则蒸汽流动通道2内的能量平衡方程为：

其中，q_d为蒸汽在蒸汽流动通道2内散失的热量，u₁及u₂分别为蒸汽流动通道2的入口处及出口处蒸汽的流速，h₁及h₂分别为蒸汽流动通道2入口处及出口处蒸汽的焓值，m为蒸汽流动通道2中蒸汽的流量，则由式(1)得：

其中，蒸汽流动通道2出口处过热蒸汽的焓h₂根据导流管22内过热蒸汽的静压p₂及静温t₂得到，根据导流管22内过热蒸汽的静压p₂及静温t₂得过热蒸汽的密度ρ₂，u₁＝u₂，m＝ρ₂u₂A₂，A₂为导流管22的横截面积，q_d＝2πλL(t_i-t_o)/ln(d_o/d_i)，L为蒸汽流动通道2的长度，d_o为保温层6的外径，d_i为保温层6的内径，t_i和t_o分别为保温层6内壁及外壁的静温，λ为保温层6所填充的保温材料的导热系数；

由式2得蒸汽流动通道2入口处过热蒸汽的焓h₁，根据过热蒸汽的焓h₁及取样头21入口处湿蒸汽的静温t₁得取样头21入口处湿蒸汽的湿度。

Claims (5)

1.一种利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，包括硬同轴线外导体(8)、取样头(21)、端部连接件(1)、外套管(7)、后端盖(23)、导流管(22)、调节阀(18)、抽真空设备、T型定位支架(11)、陶瓷套管(12)、硬同轴线内导体(9)、微波源(5)、微波功率计(4)、多孔刚玉棒(10)、硬同轴线终端电阻(13)及数据采集系统(3)；

所述硬同轴线外导体(8)的一端及取样头(21)的一端均套接于端部连接件(1)内，且取样头(21)与硬同轴线外导体(8)相连接，外套管(7)的两端分别套接于端部连接件(1)上及后端盖(23)上，硬同轴线外导体(8)的另一端穿过后端盖(23)并通过密封填料(19)密封，外套管(7)与硬同轴线外导体(8)之间设有保温层(6)，导流管(22)固定于硬同轴线外导体(8)的侧面，硬同轴线外导体(8)的侧面开设有若干通流孔(20)，且硬同轴线外导体(8)的内部通过所述通流孔(20)与导流管(22)的一端相连通，导流管(22)的另一端通过调节阀(18)与抽真空设备相连接，T型定位支架(11)由横杆及竖杆组成，其中，竖杆的两端分别与硬同轴线外导体(8)的内壁相连接，横杆套接于硬同轴线内导体(9)一端内，且陶瓷套管(12)位于横杆与硬同轴线内导体(9)之间，硬同轴线内导体(9)的另一端固定于密封填料(19)上且与微波源(5)及微波功率计(4)相连接，硬同轴线内导体(9)与硬同轴线外导体(8)之间形成了一个蒸汽流动通道(2)，多孔刚玉棒(10)位于硬同轴线内导体(9)内，硬同轴线终端电阻(13)为丝状结构，且硬同轴线终端电阻(13)绕至于多孔刚玉棒(10)内，硬同轴线终端电阻(13)的两端分别固定于硬同轴线内导体(9)及硬同轴线外导体(8)上，取样头(21)另一端的入口处及导流管(22)内均安装有插入式温度传感器(17)，导流管(22)内还安装有总压传感器(15)、静压传感器(16)，外套管(7)的内壁面上与硬同轴线外导体(8)的外壁面上均均匀设置有若干片形温度传感器(14)，数据采集系统(3)的输入端与总压传感器(15)的输出端、静压传感器(16)的输出端、插入式温度传感器(17)的输出端及片形温度传感器(14)的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，

所述竖杆的两端与硬同轴线外导体(8)的内壁过盈配合连接；

所述密封填料(19)与硬同轴线外导体(8)之间过盈配合连接。

3.根据权利要求1所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，所述密封填料(19)为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，所述硬同轴线终端电阻(13)的电阻为50Ω。

5.根据权利要求1所述的利用微波硬同轴线的湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，所述通流孔(20)的数量为49个。