專利名稱：非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流動(dòng)濕蒸汽濕度測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
“蒸汽濕度”的存在不但降低汽輪機(jī)組的運(yùn)行效率，而且會(huì)引起嚴(yán)重的葉片水蝕， 給汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性帶來很大的危害。因此，水滴顆粒直徑和濃度等參數(shù)的測(cè)量 是濕蒸汽問題及電站機(jī)組運(yùn)行控制中亟待解決的課題。近幾十年蒸汽濕度測(cè)量技術(shù)的研究逐漸受到重視，自20世紀(jì)70年代，蒸汽濕度測(cè) 量技術(shù)的研究才取得了較大的進(jìn)展，主要的測(cè)量技術(shù)方法有熱力學(xué)法、光學(xué)法、示蹤與導(dǎo) 電法、分離法、臨界速度法及利用板孔測(cè)量等。但可用于汽輪機(jī)內(nèi)流動(dòng)濕蒸汽濕度測(cè)量的方 法主要是熱力學(xué)法和光學(xué)法。熱力學(xué)方法主要有節(jié)流法、凝結(jié)法、蒸汽_空氣混合法、加熱 法等。在“熱力學(xué)法”中，以英國(guó)中央電業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室(CERL)在Moore的主持下研制出的 CERL過熱式濕度探針最為著名，并應(yīng)用到汽輪機(jī)最末級(jí)濕度的測(cè)量中?！肮鈱W(xué)測(cè)量法”是建 立在光的散射原理基礎(chǔ)上的，主要分為角散射法和全散射法；上世紀(jì)70年代后，蒸汽濕度 的光學(xué)法測(cè)量得到了很大的發(fā)展，由于它不僅能測(cè)量濕度，而且可以測(cè)出蒸汽中水珠的尺 寸、數(shù)目和分布，因此受到人們格外的重視?，F(xiàn)在，在光學(xué)方法中主要是應(yīng)用探針進(jìn)行測(cè)量， 前蘇聯(lián)莫斯科動(dòng)力學(xué)院研制了角散射式光學(xué)探針，但該探針只能測(cè)量水滴直徑，而不能測(cè) 量蒸汽濕度；美國(guó)西屋公司和瑞士 BBC公司采用單色激光作為光源，研制了全散射式光學(xué) 探針；英國(guó)CERL研制的全散射式光學(xué)探針，采用白色可見光為光源，對(duì)測(cè)量方法作了改進(jìn)； 在我國(guó)不少研究人員在濕蒸汽光學(xué)測(cè)量方面作了很多工作，已經(jīng)研制出全散射光學(xué)濕度探 針，所采用的雙光束法彌補(bǔ)了 CERL光學(xué)探針方法的不足，適合進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，曾在汽輪機(jī) 上進(jìn)行了末級(jí)濕度的測(cè)量。但是，上述方法也存在著不足1、探針的測(cè)量頭部仍需置于汽流 中，對(duì)被測(cè)氣流仍有一定的干擾作用，并非實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且對(duì)測(cè)量設(shè)備和環(huán)境要求很 高，這些在測(cè)量過程中就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；2、探針法只能測(cè)出汽輪機(jī)級(jí)一點(diǎn)或一線上的 蒸汽濕度和顆粒直徑分布等參數(shù)，存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度高、適用范圍廣、測(cè)量效率高、可進(jìn)行在線測(cè)量的非接觸式汽輪 機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法及其裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟為①、安裝將激光器和C⑶相機(jī)分別置于汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口的兩側(cè)并分別固 定于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述激光器與觀察窗口之間設(shè)有衰減片和孔徑光闌；②、初始化調(diào)節(jié)首先調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使入射光線與觀察窗口的中心線重合，記下此時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置；然后，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，待激光器的激光光斑 移到(XD相機(jī)的(XD圖像中心位置，記下此時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)位置；③、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)CCD相機(jī)下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，記錄當(dāng)激光器的激光光斑中心剛好移 出CCD相機(jī)視場(chǎng)邊緣時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置，然后調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使激光器發(fā)出的 入射光線轉(zhuǎn)動(dòng)，確保大量散射光進(jìn)入CCD相機(jī)；④、獲得汽輪機(jī)低壓缸總透過率打開調(diào)整后的激光器，用光功率計(jì)分別測(cè)量觀察 窗口進(jìn)光口和出光口處的光強(qiáng)，分別記為IA、I…則汽輪機(jī)低壓缸總透過率為T = I出/I
入；⑤、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機(jī)低壓缸充蒸汽一段時(shí)間，利用CCD相機(jī) 實(shí)時(shí)記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時(shí)關(guān)閉進(jìn)、排汽閥，待汽流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) 后，用CCD連續(xù)拍攝多幅圖像，保存作后續(xù)處理；接著，快速調(diào)節(jié)激光器發(fā)出的入射光線，分 別記錄在不同散射角下的散射光分布；改變汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)的工況，測(cè)量不同工況下的散 射光分布；⑥、根據(jù)光強(qiáng)的分布和激光散射理論，對(duì)散射光強(qiáng)分布進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算出汽 輪機(jī)低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)所述步驟⑤中，需測(cè)量散射角為0° 10°范圍內(nèi)的散射光分布。所述步驟⑤中，采用分段式測(cè)量法，通過調(diào)節(jié)激光器發(fā)出入射光的方向，將散射角 測(cè)量范圍分為三段，分別為2.6° 6. 6°、5° 9°和8° 10°。所述步驟①之前，首先對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行三次以上的標(biāo)定，采用多次標(biāo)定的平均值 來確定CCD相機(jī)的平均比例因子。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量裝置，包括計(jì) 算機(jī)以及裝設(shè)于汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口兩側(cè)的激光器和CCD相機(jī)，所述激光器固定于激光 器二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述CCD相機(jī)固定于相機(jī)二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述CCD相機(jī)通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相 連。所述激光器與觀察窗口之間設(shè)有衰減片和孔徑光闌。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明是一種激光角散射理論與CCD (Charge Coupled Devices)技術(shù)相結(jié)合的 方法，用來測(cè)量汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度和水滴顆粒直徑及其空間分布，其可在線測(cè)量汽輪機(jī) 末級(jí)水滴顆粒直徑的分布，無需像熱力學(xué)那樣抽汽取樣，因此不會(huì)影響汽輪機(jī)的工作；2、本發(fā)明不僅能夠測(cè)量汽輪機(jī)內(nèi)單點(diǎn)的水滴大小及濃度，還能測(cè)量出整個(gè)末級(jí)蒸 汽濕度和水滴顆粒直徑分布；3、本發(fā)明的測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、并能實(shí)時(shí)得到測(cè)量結(jié)果，一股只需幾分鐘即 可完成整個(gè)測(cè)量工作；4、本發(fā)明的測(cè)量裝置，自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、安裝操作簡(jiǎn)便、大 大提高了測(cè)量效率。


圖1是本發(fā)明測(cè)量裝置的原理示意圖2是本發(fā)明測(cè)量方法的原理示意圖；圖3是本發(fā)明對(duì)CXD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的原理示意圖。1、激光器；2、C⑶相機(jī)；3、二維轉(zhuǎn)臺(tái)；4、汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口 ；5、計(jì)算機(jī)；7、孔
徑光闌；8、觀察窗口進(jìn)光口 ；9、觀察窗口出光口。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明為一種采用激光散射理論與CCD技術(shù)相結(jié)合的方法，來 測(cè)量汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度及水滴顆粒直徑，在本實(shí)施例中本發(fā)明方法的具體步驟為①、標(biāo)定測(cè)量之前，首先對(duì)CCD相機(jī)2進(jìn)行多次標(biāo)定，采用多次標(biāo)定的平均值來確 定CCD相機(jī)2的平均比例因子，標(biāo)定系統(tǒng)如圖3所示；②、安裝把激光器1和CCD相機(jī)2分別固定在汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口 4兩側(cè)的精 密二維轉(zhuǎn)臺(tái)3上，以便能夠精確調(diào)節(jié)激光器1發(fā)出入射光線與CCD相機(jī)2光軸之間的夾角。 測(cè)量中必須讓入射光與CCD光軸之間保持一定角度，以便能夠從強(qiáng)入射光中分離出微弱散 射光，使CCD相機(jī)2能夠探測(cè)到微弱的散射光信號(hào)。因此，測(cè)量的關(guān)鍵是精確調(diào)節(jié)入射光與 CCD相機(jī)2之間的夾角，使之保持一定角度。在激光器1與觀察窗口進(jìn)光口 8之間加入衰減 片和孔徑光闌7，使激光器1發(fā)出的入射光強(qiáng)和光束發(fā)散角限制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)理 論，在小角度范圍內(nèi)，水蒸汽對(duì)光的散射較為明顯，隨著散射角的增加，散射光強(qiáng)逐漸減弱。 因此測(cè)量中需要測(cè)量0° 10°范圍內(nèi)的散射光的分布。根據(jù)計(jì)算，若CCD相機(jī)2的視場(chǎng) 角為10°，則要求入射光與CXD光軸的夾角為5°。測(cè)量中可以通過下述兩個(gè)步驟精確調(diào) 節(jié)入射光線。③、初始化調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)激光器1下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)3，使激光器1發(fā)出的入射光線與觀 察窗口進(jìn)光口 8、觀察窗口出光口 9的口徑中心連線重合，記下此時(shí)的二維轉(zhuǎn)臺(tái)3位置；然 后，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)2下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)3，待激光器1的激光光斑剛好移到CCD相機(jī)2的CCD圖 像中心位置，記下此時(shí)的二維轉(zhuǎn)臺(tái)3位置；④、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C⑶相機(jī)2下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)3，直至激光器1的激光光斑中心剛好 移出CXD相機(jī)2的視場(chǎng)邊緣，固定二維轉(zhuǎn)臺(tái)3，并記下其位置，此時(shí)CXD相機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)約為2°。 然后，精確調(diào)節(jié)激光器1的轉(zhuǎn)臺(tái)，使入射光線轉(zhuǎn)動(dòng)約2。36，以確保大量散射光進(jìn)入CCD相 機(jī)2 ；經(jīng)過上述精確調(diào)節(jié)過程，入射光線與CCD光軸之間的夾角就可以達(dá)到測(cè)量所需要的角度。⑤、獲得汽輪機(jī)低壓缸總透過率用光功率計(jì)分別測(cè)量觀察窗口進(jìn)光口 8和觀察 窗口出光口 9處的光強(qiáng)，記為I λ，則可得汽輪機(jī)低壓缸總透過率為Τ = Ι /Ιλ ；⑥、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機(jī)低壓缸充蒸汽一段時(shí)間，用CXD相機(jī)2實(shí) 時(shí)記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時(shí)關(guān)閉進(jìn)、排汽閥，待汽流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后， 用CXD相機(jī)2連續(xù)拍攝多幅圖像，保存作后續(xù)處理。然后，快速調(diào)節(jié)入射光線，分別記錄不 同散射角下的散射光分布；接下來，改變汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)的工況，測(cè)量不同工況下的散射光 分布；⑦、根據(jù)光強(qiáng)的分布和激光散射理論，對(duì)散射光強(qiáng)分布進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算出汽 輪機(jī)低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。
本實(shí)施例中，測(cè)量中使用的CXD尺寸為1/3英寸，分辨率為656X493pixelS，鏡 頭焦距為75mm，視場(chǎng)角約為4° ；為了能夠測(cè)量0° 10°范圍內(nèi)的散射光分布，采用分 段測(cè)量的方法，通過調(diào)節(jié)入射光方向，將散射角測(cè)量范圍分為三段，分別為2. 6° 6. 6°、
5° 9° 和 8° 10°。如圖2所示，圖2標(biāo)明了測(cè)量汽輪機(jī)低壓缸水蒸汽散射光強(qiáng)分布的原理。圖中，入 射光線與光軸之間的夾角為α，象元位置N處的散射角記為β，其灰度值為g，設(shè)單位象元 對(duì)應(yīng)的水平角度為θ，則<formula>formula see original document page 6</formula>散射光強(qiáng)為<formula>formula see original document page 6</formula>設(shè)入射光強(qiáng)度為I，孔徑總透過率為T，則散射角β處的散射系數(shù)Y為
Γ πh κ-g(3)γ = —!— = ~—
I-T I-T參見圖1，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量裝 置，包括計(jì)算機(jī)5以及裝設(shè)于汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口 4兩側(cè)的激光器1和CCD相機(jī)2，激光 器1固定于激光器1 二維轉(zhuǎn)臺(tái)3上，CXD相機(jī)2固定于相機(jī)二維轉(zhuǎn)臺(tái)3上，CXD相機(jī)2通過 信號(hào)線與計(jì)算機(jī)5相連。激光器1與觀察窗口之間設(shè)有衰減片和孔徑光闌7。該測(cè)量裝置 工作時(shí)，將采用本發(fā)明的上述測(cè)量方法。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法，其特征在于，步驟為①、安裝將激光器和CCD相機(jī)分別置于汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口的兩側(cè)并分別固定于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述激光器與觀察窗口之間設(shè)有衰減片和孔徑光闌；②、初始化調(diào)節(jié)首先調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使入射光線與觀察窗口的中心線重合，記下此時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置；然后，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，待激光器的激光光斑移到CCD相機(jī)的CCD圖像中心位置，記下此時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)位置；③、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)CCD相機(jī)下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，記錄當(dāng)激光器的激光光斑中心剛好移出CCD相機(jī)視場(chǎng)邊緣時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置，然后調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使激光器發(fā)出的入射光線轉(zhuǎn)動(dòng)，確保大量散射光進(jìn)入CCD相機(jī)；④、獲得汽輪機(jī)低壓缸總透過率打開調(diào)整后的激光器，用光功率計(jì)分別測(cè)量觀察窗口進(jìn)光口和出光口處的光強(qiáng)，分別記為I入、I出，則汽輪機(jī)低壓缸總透過率為T＝I出/I入；⑤、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機(jī)低壓缸充蒸汽一段時(shí)間，利用CCD相機(jī)實(shí)時(shí)記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時(shí)關(guān)閉進(jìn)、排汽閥，待汽流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，用CCD連續(xù)拍攝多幅圖像，保存作后續(xù)處理；接著，快速調(diào)節(jié)激光器發(fā)出的入射光線，分別記錄在不同散射角下的散射光分布；改變汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)的工況，測(cè)量不同工況下的散射光分布；⑥、根據(jù)光強(qiáng)的分布和激光散射理論，對(duì)散射光強(qiáng)分布進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算出汽輪機(jī)低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法，其特征在 于所述步驟⑤中，需測(cè)量散射角為0° 10°范圍內(nèi)的散射光分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法，其特征在 于所述步驟⑤中，采用分段式測(cè)量法，通過調(diào)節(jié)激光器發(fā)出入射光的方向，將散射角測(cè)量 范圍分為三段，分別為2. 6° 6. 6°、5° 9°和8° 10°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法， 其特征在于所述步驟①之前，首先對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行三次以上的標(biāo)定，采用多次標(biāo)定的平均 值來確定CCD相機(jī)的平均比例因子。
5.一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量裝置，其特征在于包括計(jì)算機(jī)以 及裝設(shè)于汽輪機(jī)低壓缸觀察窗口兩側(cè)的激光器和CCD相機(jī)，所述激光器固定于激光器二維 轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述CCD相機(jī)固定于相機(jī)二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述CCD相機(jī)通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量裝置，其特征在 于所述激光器與觀察窗口之間設(shè)有衰減片和孔徑光闌。
全文摘要
一種非接觸式汽輪機(jī)蒸汽濕度和水滴直徑的測(cè)量方法及其裝置，將激光器和CCD相機(jī)分置于汽輪機(jī)低壓缸的觀察窗口兩側(cè)，并固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，以便能夠精確調(diào)節(jié)入射光線與CCD光軸之間的夾角；讓入射光與CCD光軸之間保持一定角度，以便能夠從強(qiáng)入射光中分離出微弱散射光，使CCD相機(jī)能夠探測(cè)到微弱的散射光信號(hào)；調(diào)節(jié)入射光與CCD之間的夾角，使之保持一定角度；測(cè)量0°～10°范圍內(nèi)的激光對(duì)蒸汽的散射光強(qiáng)，根據(jù)光強(qiáng)的分布和激光散射理論等相關(guān)知識(shí)，計(jì)算出汽輪機(jī)低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。該裝置包括激光器、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)和二維轉(zhuǎn)臺(tái)。本發(fā)明具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度高、適用范圍廣、測(cè)量效率高、可進(jìn)行在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/51GK101819146SQ20101019003
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者曹小玲, 黃竹青 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)