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Abstract

本发明提供了一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通；发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜，发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；本发明采用激光分子光谱技术，通过对水汽分子的指纹光谱测量，实现氢气工作工况下氢气湿度的精确在线测量；该种测量只与水分子本身的固有物理特性相关，具有高抗干扰性，可实现从ppm级到100%范围的浓度测量。

Description

一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备和方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备和方法。
背景技术
氢气是一种良好的冷却介质，具有密度小、比热高、导热率大等优点，被广泛应用于火力和核能电站发电机组的定子和转子绕组冷却系统。
在发电机内部氢气被循环使用的过程中，其湿度需要进行精确测量以实现有效控制。发电机对氢气湿度最敏感的部件首先是转子护环,湿度过大对发电机护环产生腐蚀作用；其次是定子端部绝缘，湿度过大使发电机定子端部绝缘损坏而引发相间短路事故。氢气湿度过低会导致某些绝缘部件(如发电机定子端部垫块、支撑环产生收缩、裂纹。
市面上传统的氢冷发电机中氢气湿度测量方法包括以下几种：
1)已知通风干湿表类，其测量中存在测量结果重现性不好、准确性差，不能承受压力。
2)已知电解法，其在承受压力下测量数值不稳定，并且不适合在湿度较低情况下使用。
3)已知电测法，主要有电容法和电阻法，其探头随着使用时间的增长,性能会变差，在承受压力下测量时,偏差很大,甚至会发生结果错误。
4)已知露点法，最常用的是镜面式光电露点仪，外形尺寸大，结构复杂，使用、维护要求严格,且不能在受压下工作,携带不方便,只能作离线测量。
在激光分子光谱领域，采用可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体分子的吸收光谱，进而计算出分子的浓度、温度，是一种被广泛认知的方法。该方法只与被测分子的特定能级跃迁相关，由分子的固有特性决定，具有“指纹”特性。近年来该周知的实验室分析技术正在工业过程参数测量上获得推广。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种在氢冷发电机工作氢压下直接在线稳定准确测量发电机内部氢气的湿度，并满足防爆安全等级的要求，为有效控制氢气运行时的湿度提供有力技术保障的氢气湿度测量设备。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，所述的氢气湿度测量设备包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通。
本发明的发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜；光纤的一端对接耐压光学窗口，另一端对接角锥棱镜；本发明的发电机内部没有任何其他有源或无源元件，这样实现和发电机外部完全没有电气连接和机械接触，既容易实现耐压密封，又保证可以实现高级的防爆安全等级；这一段两端均有光纤耦合准直器的光纤既传输激光器来的前向光，也传输角锥棱镜反射的反向光。
本发明的发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；所述的环形器上设有公用端口，前向光输入端口和反向光输出端口，前向光输入端口通过光纤连接在二极管激光器上，反向光输出端口和公用端口上均连接有一端设有光纤耦合准直器的光纤，反向光输出端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接探测器，公用端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接耐压光学窗口。
本发明的耐压光学窗口的两侧分别对接光纤耦合准直器，两个光纤耦合准直器对称分布在耐压光学窗口的两侧；在耐压窗口的两侧对称布置有光纤的光纤耦合准直器，无论是激光器的前向光还是角锥棱镜反射的反向光，两个方向上来光均能顺利完成出纤-传输-入纤的过程。
本发明中，两端均有光纤耦合准直器的光纤与角锥棱镜之间设有氢气待测区；本发明采用角锥棱镜反射方式，可保证光束可靠返回光纤中，基本不受加工、安装和使用中振动等因素对光路的影响；氢气待测区可以设置在发电机内任何位置，实现对任意位置的氢气湿度测量，使测量点不局限于耐压光学窗口处。
本发明的二极管激光器不少于一个，前向光输入端口通过复用器连接多个二极管激光器；所述的探测器不少于一个，反向光输出端口通过解复用器连接多个探测器；在环形器前需增加复用器，把各激光器的光合并成一路；同时在探测器前增加解复用器，把各不同波长激光分离到对应的探测器。
本发明的探测器上连接有数据处理系统；数据处理系统接收探测器的光电转换输出信号，并使用周知的激光分子光谱技术，根据探测器数据测定氢气湿度，必要时可同时测定温度和压力。
本发明的二极管激光器上连接有激光控制模块，激光控制模块通过控制线路连接在数据处理系统上；激光控制模块由数据处理系统根据周知的激光分子光谱技术的要求控制各激光器的温度和电流等参数。
一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备的运行方法，二极管激光器通过发射选定中心波长的激光射入环形器的前向光输入端口，经过其公用端口输入至耐压光学窗口外侧的光纤耦合准直器，激光穿越耐压光学窗口后经两端均有光纤耦合准直器的光纤输入至氢气待测区，由角锥棱镜反射后，包含水汽分子激光吸收光谱的激光束沿原光路返回，到达环形器，经环形器的反向光输出端口输出至探测器，探测器根据光强的变化生成水汽分子激光吸收光谱的电信号。
本发明的氢气湿度测量设备包括温度测量系统和压力测量系统；所述的氢气湿度测量设备用于发电机内部氢气温度、压力和浓度的测量；分子光谱具有分子浓度、温度和压力三个要素，对特定分子的特定谱线，这三个参数决定其分子光谱；如果测量点位的氢气温度未知，则可以通过优选对温度变化响应行为不同的谱线对，设备同时进行氢气温度和浓度测量。优选谱线对的两根光谱线可位于单一激光器的扫描范围内，或分别位于两个激光器的扫描范围内。如果测量点位的氢气压力未知，可任选两根合适的谱线，设备同时进行氢气压力和浓度测量。如果测量点位的氢气温度和压力均未知，则可以通过优选对温度变化响应行为不同的谱线对，外加至少另外一根合适的谱线，设备同时进行氢气温度、压力和浓度同时测量。所选谱线可位于单一激光器的扫描范围内，或分别位于多个激光器的扫描范围内。
本发明的优点在于：本发明采用激光分子光谱技术，通过对水汽分子的指纹光谱测量，实现氢气工作工况下氢气湿度的精确在线测量。这种测量只与水分子本身的固有物理特性相关，原理清晰明了，具有高抗干扰性，可实现从ppm级到100％范围的浓度测量。
分子光谱测量技术可运用于从绝对零度到高达几千度的温度范围，且在0-1MPa的压力范围内可稳定可靠工作，解决了现有仪器在氢压下工作困难的问题。测量点位可安排在发电机内部任何希望关注且空间可行的部位，方便灵活。采用全光测量，本质上保证满足防爆安全等级。采用光通信领域的标准器件，系统实现成本可控。
附图说明
图1本发明氢气测量设备的结构示意图。
其中，1二极管激光器，2光纤，3复用器，4连接光输入端口的光纤，5环形器，6连接公用端口的光纤，7耐压光学窗口外侧的光纤耦合准直器，8耐压光学窗口，9耐压光学窗口内侧的光纤耦合准直器，10两端均有光纤耦合准直器的光纤，11光纤耦合准直器，12角锥棱镜，13氢气待测区，14发电机外壳，15连接反向输出端口的光纤，16解复用器，17光纤，18光纤耦合准直器，19探测器，20数据处理系统，21激光控制模块。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例1：如图1所示，本发明提供了一种适用于氢冷发电机氢气湿度测量的传感设备。
此传感设备利用中心波长在近红外或中红外波段的一个或以上具有特别选定中心波长的二极管激光器1，激光器的的光束耦合到光纤2中，并接入复用器3；复用器3合束后的激光光束有光纤4连接到环形器5前向光输入端口，经过环形器5后从其公用端口的光纤6输出。
环形器5公用端口的光纤6与发电机壳体14外侧的光纤耦合准直器7相连，激光器的输出光由此准直后穿越耐压光学窗口8，耐压光学窗口8安装在发电机外壳14上，使用熔融石英材料制成，具有的厚度能耐受1MPa，为消除光干涉效应，其两个光学面需有一定的楔角，一般0.3°左右。
激光器的输出光穿越耐压光学窗口8后，经在发电机内部布置的两端均有光纤耦合准直器的光纤10其中一端的准直器9耦合到光纤10中，另一端的准直器11把激光准直后从光纤10中射出，穿过一段待测湿度的氢气13，在远端由角锥棱镜12反射后，包含了水汽分子激光吸收光谱的激光束沿原光路返回，使水汽分子激光吸收光谱的有效作用距离加倍，被出射准直器11耦合回光纤10中，然后逆向沿光路一直返回，经光纤6到达环形器公用端口。
反射光到达环形器5后，被分离到环形器5的反向光输出端口的光纤15中；传输反射光的光纤15与解复用器16输入端相连，经解复用器后把各波长的光分别分离到输出光纤17中。输出光纤17端部的准直器18把反射光照射到探测器19上，探测器19根据光强的变化生成水汽分子激光吸收光谱的电信号。
实施例2：如图1所示，准直器11和角锥棱镜12构成水汽分子激光吸收光谱的氢气待测区，其间充满待测氢气，距离是激光与水分子相互作用的区域，本发明中有效光程长度为该距离的两倍。采用1392nm中心波长的二极管激光器1测量水分子吸收谱线，该距离只需5cm，获得的吸收谱线信号即可获得很好的湿度测量精度。
相对水汽分子激光吸收光谱的测量能力，氢气湿度的测量不属于痕量分子测量，使用标准的直接吸收法即可获得满意的效果。
对吸收光谱积分后，有
Figure BDA0001402097400000041
A为谱线下的面积，P为压力，χabs为水汽浓度，L为效光程长度，S(T)为谱线强度。
如果温度数值未知，可增加选择1357nm处的水分子吸收谱线，和1392nm处的水分子吸收谱线构成谱线对。1392nm处的水分子吸收谱线在-45℃至70℃温度范围内谱线强度有较大变化，而在1357nm处的水分子吸收谱线强度基本不变。测量这两根谱线，使用周知的两线测温法即可同时测温度和浓度。
如果温度和压力数值均未知，可再增加选择1410nm处的水分子吸收谱线，与前述两根谱线一起，完成浓度、温度和压力的测量。
波长选择考虑到该波段标准的复用器和解复用器的波长格栅是20nm，从而使用光通信的标准产品。
实施例3：如图1所示，本发明的设备包含数据处理系统20，使用周知的激光分子光谱技术，完成测量参数的解算。
实施例4：如图1所示，本发明的设备包含激光控制模块21，激光控制模块21由数据处理系统20根据周知的激光分子光谱技术的要求控制各激光器的温度和电流等参数。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的氢气湿度测量设备包括发电机内部组件和发电机外部组件，发动机的外壳上设有密封连接的耐压光学窗口，发电机内部组件和发电机外部组件之间通过耐压光学窗口相连通；
所述的发电机内部组件包括：两端均有光纤耦合准直器的光纤和角锥棱镜；光纤的一端对接耐压光学窗口，另一端对接角锥棱镜；
所述的发电机外部组件包括：二极管激光器，环形器，探测器和一端设有光纤耦合准直器的光纤；所述的环形器上设有公用端口，前向光输入端口和反向光输出端口，前向光输入端口通过光纤连接在二极管激光器上，反向光输出端口和公用端口上均连接有一端设有光纤耦合准直器的光纤，反向光输出端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接探测器，公用端口上的光纤通过光纤耦合准直器对接耐压光学窗口；
所述的耐压光学窗口的两侧分别对接光纤耦合准直器，两个光纤耦合准直器对称分布在耐压光学窗口的两侧；所述两端均有光纤耦合准直器的光纤与角锥棱镜之间设有氢气待测区。
2.如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的二极管激光器不少于一个，光输入端口通过复用器连接多个二极管激光器。
3.如权利要求1或2所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的探测器不少于一个，反向光输出端口通过解复用器连接多个探测器。
4.如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的探测器上连接有数据处理系统。
5.如权利要求3所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备，其特征在于，所述的二极管激光器上连接有激光控制模块，激光控制模块通过控制线路连接在数据处理系统上。
6.一种如权利要求1所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备的运行方法，其特征在于，二极管激光器通过发射选定中心波长的激光射入环形器的光输入端口，经过其公用端口输入至耐压光学窗口外侧的光纤耦合准直器，激光穿越耐压光学窗口后经两端均有光纤耦合准直器的光纤输入至氢气待测区，由角锥棱镜反射后，包含水汽分子激光吸收光谱的激光束沿原光路返回，到达环形器，经环形器的反向输出端口输出至探测器，探测器根据光强的变化生成水汽分子激光吸收光谱的电信号。
7.根据权利要求6所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备的运行方法，其特征在于，所述的氢气湿度测量设备包括温度测量系统和压力测量系统。
8.根据权利要求7所述的用于氢冷发电机的氢气湿度测量设备的运行方法，其特征在于，所述的氢气湿度测量设备用于发电机内部氢气温度、压力和浓度的测量。
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