CN104950078A - 一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法，包括数据采集系统、控制器、水箱、蒸汽发生器、调湿段、湿度探针连接段、过热段、均匀混合段、冷凝器、容器、换热管、若干换热管、以及用于称量容器质量的称量装置。本发明能够高精度的完成流动湿蒸汽湿度探针的标定。

Description

一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种标定装置及方法，具体涉及一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法。

背景技术

目前，诸多文献资料公开了数种原理的湿蒸汽湿度探针，但鲜有能够对湿蒸汽湿度探针进行精确标定的装置。为了标定湿度探针，标定装置必须产生湿度已知的流动湿蒸汽，因而需要采用热力法精确测量湿蒸汽的湿度。目前公布的湿度探针标定装置，对于湿蒸汽湿度的测量均未能给出精确的结果，其误差主要存在于湿蒸汽流量的测量以及散热量的计算。中国专利ZL02210915.3公布了“流动湿蒸汽湿度测量探针校验装置”，主要由蒸汽发生器、湿度测量探针、加热器、标准流量喷嘴等部件组成。该校验装置采用标准流量喷嘴进行流量的测量，与采用流量计测量的方法相比有更高的精度，但在实际操作中，喷嘴前后压差的测量是湿蒸汽流量误差的主要来源；此外，该装置采用大型化的设计增加了热量的散失，因而增大了精确计算散热量的难度，从而影响到湿蒸汽湿度的精确测量，进而影响了流动湿蒸汽湿度探针的标定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法，该装置及方法能够高精度的完成流动湿蒸汽湿度探针的标定。

为达到上述目的，本发明所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置包括数据采集系统、控制器、水箱、蒸汽发生器、调湿段、湿度探针连接段、过热段、均匀混合段、冷凝器、容器、换热管、若干换热管、以及用于称量容器质量的称量装置；

水箱的出口与蒸汽发生器的入口及各换热管的入口相连通，蒸汽发生器的蒸汽出口与调湿段的入口相连通，调湿段的出口与湿度探针连接段的入口相连通，湿度探针连接段的出口与过热段的入口相连通，过热段的出口与均匀混合段的入口相连通，均匀混合段的出口与冷凝器的入口相连通连接，冷凝器的凝结水出口通过排水管伸入到容器内，排水管与容器之间有间隙，换热管的出口穿过调湿段伸出到调湿段外；

所述湿度探针连接段的出口处设有第一温度传感器，均匀混合段的内壁上设有压力传感器及若干第二温度传感器；

称量装置的输出端、第一温度传感器的输出端、第二温度传感器的输出端及压力传感器的输出端均与数据采集系统的输入端相连接，数据采集系统的输出端与控制器的输入端相连接；

所述蒸汽发生器的外壁上、调湿段的外壁上、湿度探针连接段的外壁上及过热段的外壁上均设有保温层，所述保温层的内壁上和外壁上分别设有第三温度传感器及第四温度传感器，且第三温度传感器及第四温度传感器正对所述过热段；

水箱的出口通过调湿段进水管与换热管相连通，调湿段进水管上设有第一调节阀；

所述水箱的出口通过蒸发段进水管与蒸汽发生器的入口相连通；蒸发段进水管上设有第二调节阀；

所述蒸汽发生器的出口通过第三调节阀与调湿段的入口相连通。

还包括冷凝器进水管及设于所述冷凝器进水管上的第四调节阀；冷凝器进水管的入口与水箱的出口相连通，冷凝器进水管的出口穿过冷凝器伸出到冷凝器外。

所述蒸汽发生器包括内胆、蒸发段电加热丝、以及用于提供电能的电源，蒸发段电加热丝设于内胆内，电源与蒸发段电加热丝相连接，内胆的入口及出口分别与水箱的出口及调湿段的入口相连通。

所述过热段的外壁上缠绕有过热段电加热丝，所述过热段电加热丝与电源相连接。

所述湿度探针连接段的两端与调湿段及过热段之间、以及过热段与均匀混合段之间均通过法兰及密封垫圈相连接。

所述换热管的数量为2～8根，各换热管与调湿段相垂直，且相邻两个换热管垂直分布。

所述第三温度传感器及第四温度传感器均为片形温度传感器；

所述称量装置为电子天平，且容器放置于电子天平上；

所述第三温度传感器和第四温度传感器的总数目至少为12个；

所述称量装置的输出端、第一温度传感器的输出端、第二温度传感器的输出端及压力传感器的输出端与数据采集系统的输入端均通过信号引线相连接；

所述保温层与法兰之间设有绝热片。

本发明所述的流动湿蒸汽湿度探针标定方法包括以下步骤：

水箱内的水进入到蒸汽发生器及换热管中，蒸汽发生器对水进行加热并产生饱和湿蒸汽，饱和湿蒸汽进入到调湿段中，饱和湿蒸汽在调湿段通过换热管进行换热实现湿度调节，湿度调节后的饱和湿蒸汽经湿度探针连接段进入过热段，并在过热段受热形成过热蒸汽，过热蒸汽经均匀混合段混合后进入到冷凝器中冷凝为凝结水后进入到容器中，同时，待标定的湿蒸汽湿度探针实时测量湿度探针连接段中湿蒸汽的湿度信息；

第一温度传感器实时检测湿度探针连接段的出口处湿蒸汽的温度t₁，第二温度温度传感器实时测量均匀混合段中过热蒸汽的温度t₂，压力传感器实时测量均匀混合段中过热蒸汽的压力p₂，第三温度传感器实时测量正对过热段的保温层内壁的温度t_w1，第四温度传感器实时测量正对过热段的保温层外壁的温度t_w2，称量装置测量容器的质量变化量，并根据所述容器的质量变化量得凝结水的流量m；

设λ为保温层的导热系数，d₁及d₂分别为保温层的内径及外径，Q为过热段的加热功率，Q_s为过热段上保温层单位时间的散热量，其中 $Q_s=\frac{2\mathrm{\π\λL}(t_{w1}-t_{w2})}{\ln (d_2/d_1)},$ L为过热段的长度；

根据t₂和p₂得均匀混合段中过热蒸汽焓值h₂，则过热段入口处湿蒸汽焓值h₁为：然后根据h₁和t₁得流经湿度探针连接段中湿蒸汽的湿度y，然后根据所述流经湿度探针连接段的湿蒸汽的湿度y与待标定湿度探针的测量结果进行对比，实现对待标定湿度探针的标定。

本发明具有以下有益效果：

本发明流动湿蒸汽湿度探针标定装置及方法在测量的过程中，在获取湿蒸汽流量的过程中，通过冷凝器将湿蒸汽转换为凝结水，再通过称量装置称量凝结水的质量来实现对湿蒸汽流量的测量；整个系统结构紧凑，并且采用实时同步的数据处理减小测量误差；湿蒸汽经过的蒸汽发生器的外壁、调湿段的外壁、湿度探针连接段的外壁、过热段的外壁及均匀混合段的外壁均设有保温层，有效的减少热量的损失，在进行标定的过程中，精确计算过热段保温层上热量的损失，因此得到高精准度的流经湿度探针连接段的湿蒸汽的湿度，再通过所述流经湿度探针连接段的湿蒸汽的湿度来对待标定的流动湿蒸汽湿度探针进行标定，从而实现标定的精确性。

进一步，水箱的出口通过调湿段进水管与换热管相连通，调湿段进水管上设有第一调节阀，通过第一调节阀来调节进入到换热管中水的流量，从而实现对湿蒸汽湿度的调节，进而实现对待标定流动湿蒸汽湿度探针不同湿度的标定。进一步，所述换热管的数目为2～8根，且各换热管与调湿段相垂直，相邻两个换热管垂直分布，可以有效的提高换热管换热的效率和方便地调节调湿段出口湿蒸汽的湿度。

进一步，所述蒸汽发生器的蒸汽出口通过第三调节阀与调湿段的入口相连通，通过第三调节阀来调节进入到调湿段的湿蒸汽压力和流量，进而调节湿度探针连接段内湿蒸汽的压力和速度，实现对待标定流动湿蒸汽湿度探针不同压力和速度条件下的标定。

进一步，所述第三温度传感器及第四温度传感器为片形温度传感器，其总数目至少为12个，在过热段保温层内壁和外壁上多点布置，能够对过热段保温层内壁和外壁温度精准测量，从而精确计算过热段通过保温层散失的热量，进而保证湿蒸汽湿度测量的高精度。

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；

图3为图1中B-B方向的截面图。

其中，1为蒸汽发生器、2为内胆、3为保温层、4为蒸发段加热丝、5为称量装置、6为第三调节阀、7为蒸发段进水管、8为水箱、9为调湿段进水管、10为换热管、11为压力传感器、121为第一温度传感器、122为第二温度传感器、13为调湿段、14为湿度探针连接段、15为过热段、16为第四温度传感器、17为过热段电加热丝、18为绝热片、19为冷凝器、20为冷凝器进水管、21为密封垫圈、22为均匀混合段、23为排水管、24为容器。

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、图2及图3，本发明所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置包括数据采集系统、控制器、水箱8、蒸汽发生器1、调湿段13、湿度探针连接段14、过热段15、均匀混合段22、冷凝器19、容器24、换热管10、若干换热管10、以及用于称量容器24质量的称量装置5；水箱8的出口与蒸汽发生器1的入口及各换热管10的入口相连通，蒸汽发生器1的蒸汽出口与调湿段13的入口相连通，调湿段13的出口与湿度探针连接段14的入口相连通，湿度探针连接段14的出口与过热段15的入口相连通，过热段15的出口与均匀混合段22的入口相连通，均匀混合段22的出口与冷凝器19的入口相连通，冷凝器19的凝结水出口通过排水管23伸入容器24内，排水管23与容器24之间有间隙，换热管10的出口穿过调湿段13伸出到调湿段13外；所述湿度探针连接段14的出口处设有第一温度传感器121，均匀混合段22的内壁上设有压力传感器11及若干第二温度传感器122；称量装置5的输出端、第一温度传感器121的输出端、第二温度传感器122的输出端及压力传感器11的输出端均与数据采集系统的输入端相连接，数据采集系统的输出端与控制器的输入端相连接；所述蒸汽发生器1的外壁上、调湿段13的外壁上、湿度探针连接段14的外壁上及过热段15的外壁上、以及均设有保温层3，所述保温层3的内壁上和外壁上分别设有第三温度传感器及第四温度传感器16，且第三温度传感器及第四温度传感器16正对所述过热段15。

需要说明的是，水箱8的出口通过调湿段进水管9与换热管10相连通，调湿段进水管9上设有第一调节阀；水箱8的出口通过蒸发段进水管7与蒸汽发生器1的入口相连通；蒸发段进水管7上设有第二调节阀；蒸汽发生器1的出口通过第三调节阀6与调湿段13的入口相连通。

另外，本发明还包括冷凝器进水管20及设于所述冷凝器进水管20上的第四调节阀；冷凝器进水管20的入口与水箱8的出口相连通，冷凝器进水管20的出口穿过冷凝器19伸出到冷凝器19外；蒸汽发生器1包括内胆2、蒸发段电加热丝4、以及用于提供电能的电源，蒸发段电加热丝4设于内胆2内，电源与蒸发段电加热丝4相连接，内胆2的入口及出口分别与水箱8的出口及调湿段13的入口相连通；过热段15的外壁上缠绕有过热段电加热丝17，所述过热段电加热丝17与电源相连接；湿度探针连接段14的两端与调湿段13及过热段15之间、以及过热段15与均匀混合段22之间均通过法兰及密封垫圈21相连接；换热管10的数量为2～8根，各换热管10与调湿段13相垂直，且相邻两个换热管10垂直分布；所述第三温度传感器及第四温度传感器16均为片形温度传感器；所述称量装置5为电子天平，且容器24放置于电子天平上；所述第三温度传感器和第四温度传感器16的总数目至少为12个；冷凝器19的凝结水出口通过排水管23伸入到容器24内，排水管23与容器24之间有间隙；称量装置5的输出端、第一温度传感器121的输出端、第二温度传感器122的输出端及压力传感器11的输出端与数据采集系统的输入端均通过信号引线相连接；正对过热段15的保温层3与法兰之间设有绝热片18。

本发明所述的流动湿蒸汽湿度探针标定方法包括以下步骤：

水箱8内的水进入到蒸汽发生器1及换热管10中，蒸汽发生器1对水进行加热并产生饱和湿蒸汽，饱和湿蒸汽进入到调湿段13中，饱和湿蒸汽在调湿段13通过换热管10进行换热实现湿度调节，湿度调节后的饱和湿蒸汽经湿度探针连接段14进入过热段15，并在过热段15受热形成过热蒸汽，过热蒸汽经均匀混合段22混合后进入到冷凝器19中冷凝为凝结水后进入到容器24中，同时，待标定的湿蒸汽湿度探针实时测量湿度探针连接段14中湿蒸汽的湿度信息；

第一温度传感器121实时检测湿度探针连接段14的出口处湿蒸汽的温度t₁，第二温度温度传感器实时测量均匀混合段22中过热蒸汽的温度t₂，压力传感器11实时测量均匀混合段22中过热蒸汽的压力p₂，第三温度传感器实时测量正对过热管15的保温层3内壁的温度t_w1，第四温度传感器16实时测量正对过热管15的保温层3外壁的温度t_w2，称量装置5测量容器24的质量变化量，并根据所述容器24的质量变化量得凝结水的流量m；

设λ为保温层3的导热系数，d₁及d₂分别为保温层3的内径及外径，Q为过热段15的加热功率，Q_s为过热段15上保温层3单位时间的散热量，其中L为过热段15的长度；

根据t₂和p₂得均匀混合段22中过热蒸汽焓值h₂，则过热段15入口处湿蒸汽焓值h₁为：然后根据h₁和t₁得流经湿度探针连接段14中湿蒸汽的湿度y，然后根据所述流经湿度探针连接段14的湿蒸汽的湿度y与待标定湿度探针的测量结果进行对比，实现对待标定湿度探针的标定。

Claims (9)

1.一种流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，包括数据采集系统、控制器、水箱(8)、蒸汽发生器(1)、调湿段(13)、湿度探针连接段(14)、过热段(15)、均匀混合段(22)、排水管(23)、冷凝器(19)、容器(24)、换热管(10)、若干换热管(10)、以及用于称量容器(24)质量的称量装置(5)；

水箱(8)的出口与蒸汽发生器(1)的入口及各换热管(10)的入口相连通，蒸汽发生器(1)的蒸汽出口与调湿段(13)的入口相连通，调湿段(13)的出口与湿度探针连接段(14)的入口相连通，湿度探针连接段(14)的出口与过热段(15)的入口相连通，过热段(15)的出口与均匀混合段(22)的入口相连通，均匀混合段(22)的出口与冷凝器(19)的入口相连通连接，冷凝器(19)的凝结水出口通过排水管(23)伸入到容器(24)内，排水管(23)与容器(24)之间有间隙，换热管(10)的出口穿过调湿段(13)伸出到调湿段(13)外；

所述湿度探针连接段(14)的出口处设有第一温度传感器(121)，均匀混合段(22)的内壁上设有压力传感器(11)及若干第二温度传感器(122)；

称量装置(5)的输出端、第一温度传感器(121)的输出端、第二温度传感器(122)的输出端及压力传感器(11)的输出端均与数据采集系统的输入端相连接，数据采集系统的输出端与控制器的输入端相连接；

所述蒸汽发生器(1)的外壁上、调湿段(13)的外壁上、湿度探针连接段(14)的外壁上及过热段(15)的外壁上均设有保温层(3)，所述保温层(3)的内壁上和外壁上分别设有第三温度传感器及第四温度传感器(16)，且第三温度传感器及第四温度传感器(16)正对所述过热段(15)。

2.根据权利要求1所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，

水箱(8)的出口通过调湿段进水管(9)与换热管(10)相连通，调湿段进水管(9)上设有第一调节阀；

所述水箱(8)的出口通过蒸发段进水管(7)与蒸汽发生器(1)的入口相连通；蒸发段进水管(7)上设有第二调节阀；

所述蒸汽发生器(1)的出口通过第三调节阀(6)与调湿段(13)的入口相连通。

3.根据权利要求2所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，还包括冷凝器进水管(20)及设于所述冷凝器进水管(20)上的第四调节阀；冷凝器进水管(20)的入口与水箱(8)的出口相连通，冷凝器进水管(20)的出口穿过冷凝器(19)伸出到冷凝器(19)外。

4.根据权利要求1所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，所述蒸汽发生器(1)包括内胆(2)、蒸发段电加热丝(4)、以及用于提供电能的电源，蒸发段电加热丝(4)设于内胆(2)内，电源与蒸发段电加热丝(4)相连接，内胆(2)的入口及出口分别与水箱(8)的出口及调湿段(13)的入口相连通。

5.根据权利要求4所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，所述过热段(15)的外壁上缠绕有过热段电加热丝(17)，所述过热段电加热丝(17)与电源相连接。

6.根据权利要求1所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，所述湿度探针连接段(14)的两端与调湿段(13)及过热段(15)之间、以及过热段(15)与均匀混合段(22)之间均通过法兰及密封垫圈(21)相连接。

7.根据权利要求1所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，所述换热管(10)的数量为2～8根，各换热管(10)与调湿段(13)相垂直，且相邻两个换热管(10)垂直分布。

8.根据权利要求6所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，其特征在于，

所述第三温度传感器及第四温度传感器(16)均为片形温度传感器；

所述称量装置(5)为电子天平，且容器(24)放置于电子天平上；

所述第三温度传感器和第四温度传感器(16)的总数目至少为12个；

所述称量装置(5)的输出端、第一温度传感器(121)的输出端、第二温度传感器(122)的输出端及压力传感器(11)的输出端与数据采集系统的输入端均通过信号引线相连接；

所述保温层(3)与法兰之间设有绝热片(18)。

9.一种流动湿蒸汽湿度探针标定方法，其特征在于，基于权利要求1所述的流动湿蒸汽湿度探针标定装置，包括以下步骤：

水箱(8)内的水进入到蒸汽发生器(1)及换热管(10)中，蒸汽发生器(1)对水进行加热并产生饱和湿蒸汽，饱和湿蒸汽进入到调湿段(13)中，饱和湿蒸汽在调湿段(13)通过换热管(10)进行换热实现湿度调节，湿度调节后的饱和湿蒸汽经湿度探针连接段(14)进入过热段(15)，并在过热段(15)受热形成过热蒸汽，过热蒸汽经均匀混合段(22)混合后进入到冷凝器(19)中冷凝为凝结水后进入到容器(24)中，同时，待标定的湿蒸汽湿度探针实时测量湿度探针连接段(14)中湿蒸汽的湿度信息；

第一温度传感器(121)实时检测湿度探针连接段(14)的出口处湿蒸汽的温度t₁，第二温度温度传感器实时测量均匀混合段(22)中过热蒸汽的温度t₂，压力传感器(11)实时测量均匀混合段(22)中过热蒸汽的压力p₂，第三温度传感器实时测量正对过热段(15)的保温层(3)内壁的温度t_w1，第四温度传感器(16)实时测量正对过热段(15)的保温层(3)外壁的温度t_w2，称量装置(5)测量容器(24)的质量变化量，并根据所述容器(24)的质量变化量得凝结水的流量m；

设λ为保温层(3)的导热系数，d₁及d₂分别为保温层(3)的内径及外径，Q为过热段(15)的加热功率，Q_s为过热段(15)上保温层(3)单位时间的散热量，其中L为过热段(15)的长度；

根据t₂和p₂得均匀混合段(22)中过热蒸汽焓值h₂，则过热段(15)入口处湿蒸汽焓值h₁为：再根据h₁和t₁得流经湿度探针连接段(14)中湿蒸汽的湿度y，然后根据所述流经湿度探针连接段(14)的湿蒸汽的湿度y与待标定湿度探针的测量结果进行对比，实现对待标定湿度探针的标定。