专利名称：非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流动湿蒸汽湿度测量领域，尤其涉及一种汽轮机蒸汽湿度和水滴 直径的测量装置。
背景技术：
“蒸汽湿度”的存在不但降低汽轮机组的运行效率，而且会引起严重的叶片水蚀， 给汽轮机组的经济性和安全性带来很大的危害。因此，水滴颗粒直径和浓度等参数的测量 是湿蒸汽问题及电站机组运行控制中亟待解决的课题。近几十年蒸汽湿度测量技术的研究逐渐受到重视，自20世纪70年代，蒸汽湿度测 量技术的研究才取得了较大的进展，主要的测量技术方法有热力学法、光学法、示踪与导 电法、分离法、临界速度法及利用板孔测量等。但可用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度测量的方 法主要是热力学法和光学法。热力学方法主要有节流法、凝结法、蒸汽_空气混合法、加热 法等。在“热力学法”中，以英国中央电业研究实验室(CERL)在Moore的主持下研制出的 CERL过热式湿度探针最为著名，并应用到汽轮机最末级湿度的测量中。“光学测量法”是建 立在光的散射原理基础上的，主要分为角散射法和全散射法；上世纪70年代后，蒸汽湿度 的光学法测量得到了很大的发展，由于它不仅能测量湿度，而且可以测出蒸汽中水珠的尺 寸、数目和分布，因此受到人们格外的重视。现在，在光学方法中主要是应用探针进行测量， 前苏联莫斯科动力学院研制了角散射式光学探针，但该探针只能测量水滴直径，而不能测 量蒸汽湿度；美国西屋公司和瑞士 BBC公司采用单色激光作为光源，研制了全散射式光学 探针；英国CERL研制的全散射式光学探针，采用白色可见光为光源，对测量方法作了改进； 在我国不少研究人员在湿蒸汽光学测量方面作了很多工作，已经研制出全散射光学湿度探 针，所采用的双光束法弥补了 CERL光学探针方法的不足，适合进行在线监测，曾在汽轮机 上进行了末级湿度的测量。但是，上述方法也存在着不足1、探针的测量头部仍需置于汽流 中，对被测气流仍有一定的干扰作用，并非实现非接触测量，而且对测量设备和环境要求很 高，这些在测量过程中就会产生一定的误差；2、探针法只能测出汽轮机级一点或一线上的 蒸汽湿度和颗粒直径分布等参数，存在一定的局限性。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本实用新 型提供一种自动化程度高、测量精度高、适用范围广、测量效率高、可进行在线测量的非接 触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，包括计算机以及装设于汽 轮机低压缸观察窗口两侧的激光器和CCD相机，所述激光器固定于激光器二维转台上，所 述CCD相机固定于相机二维转台上，所述CCD相机通过信号线与计算机相连。作为本实用新型的进一步改进[0008]所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑。与现有技术相比，本实用新型的优点在于1、本实用新型采用激光角散射理论与CCD (Charge Coupled Devices)技术相结合 的方法，用来测量汽轮机末级蒸汽湿度和水滴颗粒直径及其空间分布，其可在线测量汽轮 机末级水滴颗粒直径的分布，无需像热力学那样抽汽取样，因此不会影响汽轮机的工作；2、本实用新型不仅能够测量汽轮机内单点的水滴大小及浓度，还能测量出整个末 级蒸汽湿度和水滴颗粒直径分布；3、本实用新型的测量速度快、测量精度高、并能实时得到测量结果，一般只需几分 钟即可完成整个测量工作；4、本实用新型的测量装置，自动化程度高、结构简单紧凑、成本低廉、安装操作简 便、大大提高了测量效率。

图1是本实用新型测量装置的原理示意图；图2是本实用新型测量方法的原理示意图；图3是本实用新型对CCD相机进行标定的原理示意图。1、激光器；2、C⑶相机；3、二维转台；4、汽轮机低压缸观察窗口 ；5、计算机；7、孔
径光阑；8、观察窗口进光口 ；9、观察窗口出光口。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。如图1所示，本实用新型是一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装 置，包括计算机5以及装设于汽轮机低压缸观察窗口 4两侧的激光器1和CCD相机2，激光 器1固定于激光器1 二维转台3上，CXD相机2固定于相机二维转台3上，CXD相机2通过 信号线与计算机5相连。激光器1与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑7。该测量装置 工作时，将采用以下测量方法。如图1和图2所示，本实用新型采用激光散射理论与CCD技术相结合的方法，来测 量汽轮机末级蒸汽湿度及水滴颗粒直径，本实施例中测量方法的具体步骤为①、标定测量之前，首先对CCD相机2进行多次标定，采用多次标定的平均值来确 定CCD相机2的平均比例因子，标定系统如图3所示；②、安装把激光器1和CXD相机2分别固定在汽轮机低压缸观察窗口 4两侧的精 密二维转台3上，以便能够精确调节激光器1发出入射光线与CCD相机2光轴之间的夹角。 测量中必须让入射光与CCD光轴之间保持一定角度，以便能够从强入射光中分离出微弱散 射光，使CCD相机2能够探测到微弱的散射光信号。因此，测量的关键是精确调节入射光与 CCD相机2之间的夹角，使之保持一定角度。在激光器1与观察窗口进光口 8之间加入衰减 片和孔径光阑7，使激光器1发出的入射光强和光束发散角限制在一定范围内。根据相关理 论，在小角度范围内，水蒸汽对光的散射较为明显，随着散射角的增加，散射光强逐渐减弱。 因此测量中需要测量0° 10°范围内的散射光的分布。根据计算，若CCD相机2的视场 角为10°，则要求入射光与CXD光轴的夹角为5°。测量中可以通过下述两个步骤精确调节入射光线。③、初始化调节调节激光器1下的二维转台3，使激光器1发出的入射光线与观 察窗口进光口 8、观察窗口出光口 9的口径中心连线重合，记下此时的二维转台3位置；然 后，调节CXD相机2下的二维转台3，待激光器1的激光光斑刚好移到CXD相机2的CXD图 像中心位置，记下此时的二维转台3位置；④、精确调节调节CXD相机2下的二维转台3，直至激光器1的激光光斑中心刚 好移出CXD相机2的视场边缘，固定二维转台3，并记下其位置，此时CXD相机2转动约为 2。。然后，精确调节激光器1的转台，使入射光线转动约2° 36'，以确保大量散射光进入 CCD相机2 ；经过上述精确调节过程，入射光线与CCD光轴之间的夹角就可以达到测量所需 要的角度。⑤、获得汽轮机低压缸总透过率用光功率计分别测量观察窗口进光口 8和观察 窗口出光口 9处的光强，记为I λ，则可得汽轮机低压缸总透过率为Τ = Ι /Ιλ ；⑥、记录散射光分布打开汽阀，给汽轮机低压缸充蒸汽一段时间，用CCD相机2实 时记录充蒸汽过程中的汽流状态变化，然后同时关闭进、排汽阀，待汽流达到稳定状态后， 用CXD相机2连续拍摄多幅图像，保存作后续处理。然后，快速调节入射光线，分别记录不 同散射角下的散射光分布；接下来，改变汽轮机低压缸内的工况，测量不同工况下的散射光 分布；⑦、根据光强的分布和激光散射理论，对散射光强分布进行计算和分析，计算出汽 轮机低压缸中蒸汽湿度和水滴直径分布。本实施例中，测量中使用的CXD尺寸为1/3英寸，分辨率为656X493pixelS，镜 头焦距为75mm，视场角约为4° ；为了能够测量0° 10°范围内的散射光分布，采用分 段测量的方法，通过调节入射光方向，将散射角测量范围分为三段，分别为2. 6° 6. 6°、
5° 9° 和 8° 10°。如图2所示，标明了测量汽轮机低压缸水蒸汽散射光强分布的原理。图中，入射光 线与光轴之间的夹角为α，象元位置N处的散射角记为β，其灰度值为g，设单位象元对应 的水平角度为θ，则β = N · θ (1)散射光强为I0 = K · g (2)设入射光强度为I，孔径总透过率为T，则散射角β处的散射系数Y为
Γ πh κ-g(3)γ = —!— = ~—
I-T I-T以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述 实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰， 应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，其特征在于包括计算机以及装设于汽轮机低压缸观察窗口两侧的激光器和CCD相机，所述激光器固定于激光器二维转台上，所述CCD相机固定于相机二维转台上，所述CCD相机通过信号线与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，其特征在 于所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑。
专利摘要本实用新型公开了一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，包括计算机以及装设于汽轮机低压缸观察窗口两侧的激光器和CCD相机，所述激光器固定于激光器二维转台上，所述CCD相机固定于相机二维转台上，所述CCD相机通过信号线与计算机相连。本实用新型具有自动化程度高、测量精度高、适用范围广、测量效率高、可进行在线测量等优点。
文档编号G01N15/02GK201707294SQ20102021273
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者曹小玲, 黄竹青 申请人:长沙理工大学