CN104697582B - 一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法，包括支架、内管、外管、总压传感器、测量电路，数据采集系统及若干静压传感器；内管的一端沿轴向分布于外管内，内管的另一端穿过外管的侧面伸出到外管外，且内管与外管之间固定连接，外管与内管的内壁及外壁上均设有绝缘层，支架套接于外管的外壁上，各静压传感器沿周向设置于外管的内壁上，总压传感器设置于内管的内壁上，内管及外管与测量电路的输入端相连接，数据采集系统的输入端与总压传感器的输出端、测量电路的输出端与各静压传感器的输出端相连接。本发明可连续测量流动湿蒸汽的湿度、压力及速度，成本低，结构紧凑，安装方便，适用于各种环境下流动湿蒸汽的测量。

Description

一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法
技术领域
本发明涉及一种传感器及测量方法，具体涉及一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法。
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。
汽轮机中湿度测量方法主要有热力法、光学法和电容法等。热力法通过对流动湿蒸汽进行取样，将其加热为过热蒸汽，测量加热量以及过热蒸汽的热力学参数，然后根据热平衡计算得到湿度的测量结果。依据热力法设计的湿度测量装置的优点是无需标定，缺点是无法对流动湿蒸汽实现实时在线的连续测量。光学法基于湿蒸汽中的微小水滴对光的散射与吸收原理来实现湿度和水滴粒径的测量，其本质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。光学法的优点是可以实时在线测量流动湿蒸汽的湿度以及水滴粒径，缺点是测量条件较为苛刻，测量设备复杂昂贵，目前还仅用于科学实验研究，难以在工业生产中大范围推广。
电容法是对传感器的电容量进行实时在线测量，电容量由固定的电容器结构以及变化的流动湿蒸汽的介电常数决定，而湿蒸汽的介电常数与湿度之间存在着对应关系，由此通过测量电容器内湿蒸汽流过时电容量的变化就可以测出湿蒸汽的湿度。目前公布的电容式湿蒸汽湿度传感器(如专利200520021459.6)的尺寸较大，传感器安装固定过程繁琐，并且只能测量管道内的湿蒸汽湿度，无法对汽轮机内部的湿蒸汽湿度进行测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法，该传感器及方法可以实时连续的对流动湿蒸汽的湿度、压力及速度进行测量，并且该传感器的成本低，结构紧凑，安装方便，适用于各种环境下流动湿蒸汽的测量。
为达到上述目的，本发明所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器包括支架、内管、外管、总压传感器、测量电路，数据采集系统及若干静压传感器；
所述内管的一端沿轴向分布于外管内，内管的另一端穿过外管的侧面伸出到外管外，且内管与外管之间固定连接，外管与内管的内壁及外壁上均设有绝缘层，支架套接于外管的外壁上，各静压传感器沿周向设置于外管的内壁上，总压传感器设置于内管的内壁上，内管及外管与测量电路的输入端相连接，数据采集系统的输入端与总压传感器的输出端、测量电路的输出端与各静压传感器的输出端相连接。
所述内管为L型结构。
所述内管通过固定部件与外管固定连接，固定部件包括第一定位杆及若干第二定位杆，第一定位杆沿轴向分布于外管内，第一定位杆的一端与内管的外壁相连接，各第二定位杆的一端与第一定位杆的侧面相连接，外管的侧面开设有若干定位孔，第二定位杆的另一端穿过定位孔伸出到外管外，且第二定位杆与外管之间固定连接。
所述固定部件还包括箍丝，箍丝穿过第二定位杆的侧面将第二定位杆与外管固定连接，箍丝的表面包覆有绝缘胶带。
所述定位孔的数量为3-5个；
相邻两个第二定位杆之间的夹角为90°。
所述绝缘层为聚四氟乙烯层。
所述外管的内径小于25mm。
所述静压传感器的数量为4个。
所述测量电路为基于CAV444集成电路的电容/电压转换电路。
相应的，本发明所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的方法包括以下步骤：
先将测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器放置到待测的区域，湿蒸汽流经外管及内管，调整支架的位置，使各静压传感器测量的结果相同，然后固定支架，此时静压传感器测量的湿蒸汽的静压为P，测量电路测量内管与外管之间的电容量，然后将内管与外管之间的电容量转换为电压信号，并将所述电压信号转发至数据采集系统中，数据采集系统根据所述电压信号得湿蒸汽的湿度Y，同时总压传感器采集湿蒸汽的总压P*，数据采集系统根据湿蒸汽的总压P*、湿蒸汽的湿度Y及湿蒸汽的静压P得湿蒸汽的速度u，其中，ρ为湿蒸汽的密度，湿蒸汽的密度ρ通过湿蒸汽的静压P及湿蒸汽的湿度Y得到。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器及方法在测量时，只需将测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器放到待测的区域，然后调整支架的位置，使各静压传感器测量的结果相同，再固定支架，即可完成测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器的安装，操作简单、方便，测量时，无需对湿蒸汽进行取样就可以在线连续测量湿蒸汽的湿度、压力和速度，并且本发明采用一体化设计，将湿度、压力和速度的测量集成于一体，结构紧凑，成本低，可适用于各中环境下流动湿蒸汽的测量。
进一步，固定部件包括第一定位杆及若干第二定位杆，第一定位杆沿轴向分布于外管内，各第二定位杆的一端与第一定位杆的侧面相连接，第二定位杆的另一端穿过定位孔伸出到外管外，且相邻两个第二定位杆之间的夹角为90°，可以将内管有效的固定在外管上，从而提高测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的机构示意图；
图2为图1中A-A方向的截面图；
图3为本发明中测量电路10的结构示意图。
其中，1为支架、2为内管、3为外管、4为静压传感器、5为总压传感器、6为箍丝、7为绝缘层、8为绝缘胶带、9为导线、10为测量电路、11为数据采集系统。
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，本发明所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器包括支架1、内管2、外管3、总压传感器5、测量电路10，数据采集系统11及若干静压传感器4；所述内管2的一端沿轴向分布于外管3内，内管2的另一端穿过外管3的侧面伸出到外管3外，且内管2与外管3之间固定连接，外管3与内管2的内壁及外壁上均设有绝缘层7，支架1套接于外管3的外壁上，各静压传感器4沿周向设置于外管3的内壁上，总压传感器5设置于内管2的内壁上，内管2及外管3与测量电路10的输入端相连接，数据采集系统11的输入端与总压传感器5的输出端、测量电路10的输出端与各静压传感器4的输出端相连接。另外，外管3与内管2通过导线9与测量电路10相连接。
需要说明的是，所述内管2为L型结构，内管2通过固定部件与外管3固定连接，固定部件包括第一定位杆及若干第二定位杆，第一定位杆沿轴向分布于外管3内，第一定位杆的一端与内管2的外壁相连接，各第二定位杆的一端与第一定位杆的侧面相连接，外管3的侧面开设有若干定位孔，第二定位杆的另一端穿过定位孔伸出到外管3外，且第二定位杆与外管3之间固定连接，固定部件还包括箍丝6，箍丝6穿过第二定位杆的侧面将第二定位杆与外管3固定连接，箍丝6的表面包覆有绝缘胶带8，定位孔的数量为3-5个；相邻两个第二定位杆之间的夹角为90°。另外，所述绝缘层7为聚四氟乙烯层，外管3的内径小于25mm，静压传感器4的数量为4个。
参考图3，所述测量电路10为基于CAV444集成电路的电容/电压转换电路。测量电路10由CAV444集成电路，电阻、滤波电容器、5V直流稳压电源组成，可实现电容/电压转换功能。
本发明所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的方法包括以下步骤：
先将测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器放置到待测的区域，湿蒸汽流经外管3及内管2，调整支架1的位置，使各静压传感器4测量的结果相同，然后固定支架1，此时静压传感器4测量的湿蒸汽的静压为P，测量电路10测量内管2与外管3之间的电容量，然后将内管2与外管3之间的电容量转换为电压信号，并将所述电压信号转发至数据采集系统11中，数据采集系统11根据所述电压信号得湿蒸汽的湿度Y，同时总压传感器5采集湿蒸汽的总压P*，数据采集系统11根据内管2内湿蒸汽的总压P*、湿蒸汽的湿度Y及湿蒸汽的静压P得湿蒸汽的速度u，其中ρ为湿蒸汽的密度，湿蒸汽的密度ρ通过湿蒸汽的静压P及湿蒸汽的湿度Y得到。
其中，湿蒸汽等动能地从内管2和外管3间流过。将内管2和外管3分别作为电容两极与测量电路10相连，由于不同湿度的湿蒸汽具有不同的介电常数，湿蒸汽流过内管2与外管3时会引起内管2与外管3之间的电容量变化，从而可以根据内管2与外管3之间电容量的变化来实现对湿蒸汽湿度的测量。

Claims (10)

1.一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，包括支架(1)、内管(2)、外管(3)、总压传感器(5)、测量电路(10)，数据采集系统(11)及若干静压传感器(4)；
所述内管(2)的一端沿轴向分布于外管(3)内，内管(2)的另一端穿过外管(3)的侧面伸出到外管(3)外，且内管(2)与外管(3)之间固定连接，外管(3)与内管(2)的内壁及外壁上均设有绝缘层(7)，支架(1)套接于外管(3)的外壁上，各静压传感器(4)沿周向设置于外管(3)的内壁上，总压传感器(5)设置于内管(2)的内壁上，内管(2)及外管(3)与测量电路(10)的输入端相连接，数据采集系统(11)的输入端与总压传感器(5)的输出端、测量电路(10)的输出端及各静压传感器(4)的输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述内管(2)为L型结构。
3.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述内管(2)通过固定部件与外管(3)固定连接，固定部件包括第一定位杆及若干第二定位杆，第一定位杆沿轴向分布于外管(3)内，第一定位杆的一端与内管(2)的外壁相连接，各第二定位杆的一端与第一定位杆的侧面相连接，外管(3)的侧面开设有若干定位孔，第二定位杆的另一端穿过定位孔伸出到外管(3)外，且第二定位杆与外管(3)之间固定连接。
4.根据权利要求3所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述固定部件还包括箍丝(6)，箍丝(6)穿过第二定位杆的侧面将第二定位杆与外管(3)固定连接，箍丝(6)的表面包覆有绝缘胶带(8)。
5.根据权利要求3所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，
所述定位孔的数量为3-5个；
相邻两个第二定位杆之间的夹角为90°。
6.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述绝缘层(7)为聚四氟乙烯层。
7.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述外管(3)的内径小于25mm。
8.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述静压传感器(4)的数量为4个。
9.根据权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，其特征在于，所述测量电路(10)为基于CAV444集成电路的电容/电压转换电路。
10.一种测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器，包括以下步骤：
先将测量流动湿蒸汽湿度、压力和速度的传感器放置到待测的区域，湿蒸汽流经外管(3)及内管(2)，调整支架(1)的位置，使各静压传感器(4)测量的结果相同，然后固定支架(1)，此时静压传感器(4)测量的湿蒸汽的静压为P，测量电路(10)测量内管(2)与外管(3)之间的电容量，然后将内管(2)与外管(3)之间的电容量转换为电压信号，并将所述电压信号转发至数据采集系统(11)中，数据采集系统(11)根据所述电压信号得湿蒸汽的湿度Y，同时总压传感器(5)采集湿蒸汽的总压p*，数据采集系统(11)根据湿蒸汽的总压p*、湿蒸汽的湿度Y及湿蒸汽的静压P得湿蒸汽的速度u，其中，ρ为湿蒸汽的密度，湿蒸汽的密度ρ通过湿蒸汽的静压P及湿蒸汽的湿度Y得到。
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