專利名稱：非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流動濕蒸汽濕度測量領域，尤其涉及一種汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法。
背景技術：
“蒸汽濕度”的存在不但降低汽輪機組的運行效率，而且會引起嚴重的葉片水蝕， 給汽輪機組的經(jīng)濟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)的測量 是濕蒸汽問題及電站機組運行控制中亟待解決的課題。近幾十年蒸汽濕度測量技術的研究逐漸受到重視，自20世紀70年代，蒸汽濕度測 量技術的研究才取得了較大的進展，主要的測量技術方法有熱力學法、光學法、示蹤與導 電法、分離法、臨界速度法及利用板孔測量等。但可用于汽輪機內(nèi)流動濕蒸汽濕度測量的方 法主要是熱力學法和光學法。熱力學方法主要有節(jié)流法、凝結法、蒸汽_空氣混合法、加熱 法等。在“熱力學法”中，以英國中央電業(yè)研究實驗室(CERL)在Moore的主持下研制出的 CERL過熱式濕度探針最為著名，并應用到汽輪機最末級濕度的測量中?！肮鈱W測量法”是建 立在光的散射原理基礎上的，主要分為角散射法和全散射法；上世紀70年代后，蒸汽濕度 的光學法測量得到了很大的發(fā)展，由于它不僅能測量濕度，而且可以測出蒸汽中水珠的尺 寸、數(shù)目和分布，因此受到人們格外的重視?，F(xiàn)在，在光學方法中主要是應用探針進行測量， 前蘇聯(lián)莫斯科動力學院研制了角散射式光學探針，但該探針只能測量水滴直徑，而不能測 量蒸汽濕度；美國西屋公司和瑞士 BBC公司采用單色激光作為光源，研制了全散射式光學 探針；英國CERL研制的全散射式光學探針，采用白色可見光為光源，對測量方法作了改進； 在我國不少研究人員在濕蒸汽光學測量方面作了很多工作，已經(jīng)研制出全散射光學濕度探 針，所采用的雙光束法彌補了 CERL光學探針方法的不足，適合進行在線監(jiān)測，曾在汽輪機 上進行了末級濕度的測量。但是，上述方法也存在著不足1、探針的測量頭部仍需置于汽流 中，對被測氣流仍有一定的干擾作用，并非實現(xiàn)非接觸測量，而且對測量設備和環(huán)境要求很 高，這些在測量過程中就會產(chǎn)生一定的誤差；2、探針法只能測出汽輪機級一點或一線上的 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)明要解決的技術問題就在于針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一 種自動化程度高、測量精度高、適用范圍廣、測量效率高、可進行在線測量的非接觸式汽輪 機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法及其裝置。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法，其特征在于，步驟為①、安裝將激光器和C⑶相機分別置于汽輪機低壓缸觀察窗口的兩側(cè)并分別固 定于二維轉(zhuǎn)臺上，所述激光器與觀察窗口之間設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，使入射光線與觀察窗口的中心線重合，記下此時二維轉(zhuǎn)臺的位置；然后，調(diào)節(jié)CCD相機下的二維轉(zhuǎn)臺，待激光器的激光光斑 移到(XD相機的(XD圖像中心位置，記下此時二維轉(zhuǎn)臺位置；③、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)CCD相機下的二維轉(zhuǎn)臺，記錄當激光器的激光光斑中心剛好移 出CCD相機視場邊緣時二維轉(zhuǎn)臺的位置，然后調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺，使激光器發(fā)出的 入射光線轉(zhuǎn)動，確保大量散射光進入CCD相機；④、獲得汽輪機低壓缸總透過率打開調(diào)整后的激光器，用光功率計分別測量觀察 窗口進光口和出光口處的光強，分別記為IA、I…則汽輪機低壓缸總透過率為T = I出/I
入；⑤、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機低壓缸充蒸汽一段時間，利用CCD相機 實時記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時關閉進、排汽閥，待汽流達到穩(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；改變汽輪機低壓缸內(nèi)的工況，測量不同工況下的散 射光分布；⑥、根據(jù)光強的分布和激光散射理論，對散射光強分布進行計算和分析，計算出汽 輪機低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。作為本發(fā)明的進一步改進所述步驟⑤中，需測量散射角為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CCD相機進行三次以上的標定，采用多次標定的平均值 來確定CCD相機的平均比例因子。本發(fā)明進一步提供一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量裝置，包括計 算機以及裝設于汽輪機低壓缸觀察窗口兩側(cè)的激光器和CCD相機，所述激光器固定于激光 器二維轉(zhuǎn)臺上，所述CCD相機固定于相機二維轉(zhuǎn)臺上，所述CCD相機通過信號線與計算機相 連。所述激光器與觀察窗口之間設有衰減片和孔徑光闌。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明是一種激光角散射理論與CCD (Charge Coupled Devices)技術相結合的 方法，用來測量汽輪機末級蒸汽濕度和水滴顆粒直徑及其空間分布，其可在線測量汽輪機 末級水滴顆粒直徑的分布，無需像熱力學那樣抽汽取樣，因此不會影響汽輪機的工作；2、本發(fā)明不僅能夠測量汽輪機內(nèi)單點的水滴大小及濃度，還能測量出整個末級蒸 汽濕度和水滴顆粒直徑分布；3、本發(fā)明的測量速度快、測量精度高、并能實時得到測量結果，一股只需幾分鐘即 可完成整個測量工作；4、本發(fā)明的測量裝置，自動化程度高、結構簡單緊湊、成本低廉、安裝操作簡便、大 大提高了測量效率。


圖1是本發(fā)明測量裝置的原理示意圖2是本發(fā)明測量方法的原理示意圖；圖3是本發(fā)明對CXD相機進行標定的原理示意圖。1、激光器；2、C⑶相機；3、二維轉(zhuǎn)臺；4、汽輪機低壓缸觀察窗口 ；5、計算機；7、孔
徑光闌；8、觀察窗口進光口 ；9、觀察窗口出光口。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。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技術相結合的方法，來 測量汽輪機末級蒸汽濕度及水滴顆粒直徑，在本實施例中本發(fā)明方法的具體步驟為①、標定測量之前，首先對CCD相機2進行多次標定，采用多次標定的平均值來確 定CCD相機2的平均比例因子，標定系統(tǒng)如圖3所示；②、安裝把激光器1和CCD相機2分別固定在汽輪機低壓缸觀察窗口 4兩側(cè)的精 密二維轉(zhuǎn)臺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2光軸之間的夾角。 測量中必須讓入射光與CCD光軸之間保持一定角度，以便能夠從強入射光中分離出微弱散 射光，使CCD相機2能夠探測到微弱的散射光信號。因此，測量的關鍵是精確調(diào)節(jié)入射光與 CCD相機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)出的入射光強和光束發(fā)散角限制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)相關理 論，在小角度范圍內(nèi)，水蒸汽對光的散射較為明顯，隨著散射角的增加，散射光強逐漸減弱。 因此測量中需要測量0° 10°范圍內(nèi)的散射光的分布。根據(jù)計算，若CCD相機2的視場 角為10°，則要求入射光與CXD光軸的夾角為5°。測量中可以通過下述兩個步驟精確調(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3，使激光器1發(fā)出的入射光線與觀 察窗口進光口 8、觀察窗口出光口 9的口徑中心連線重合，記下此時的二維轉(zhuǎn)臺3位置；然 后，調(diào)節(jié)CCD相機2下的二維轉(zhuǎn)臺3，待激光器1的激光光斑剛好移到CCD相機2的CCD圖 像中心位置，記下此時的二維轉(zhuǎn)臺3位置；④、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C⑶相機2下的二維轉(zhuǎn)臺3，直至激光器1的激光光斑中心剛好 移出CXD相機2的視場邊緣，固定二維轉(zhuǎn)臺3，并記下其位置，此時CXD相機2轉(zhuǎn)動約為2°。 然后，精確調(diào)節(jié)激光器1的轉(zhuǎn)臺，使入射光線轉(zhuǎn)動約2。36，以確保大量散射光進入CCD相 機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到測量所需要的角度。⑤、獲得汽輪機低壓缸總透過率用光功率計分別測量觀察窗口進光口 8和觀察 窗口出光口 9處的光強，記為I λ，則可得汽輪機低壓缸總透過率為Τ = Ι /Ιλ ；⑥、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機低壓缸充蒸汽一段時間，用CXD相機2實 時記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時關閉進、排汽閥，待汽流達到穩(wěn)定狀態(tài)后， 用CXD相機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，改變汽輪機低壓缸內(nèi)的工況，測量不同工況下的散射光 分布；⑦、根據(jù)光強的分布和激光散射理論，對散射光強分布進行計算和分析，計算出汽 輪機低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。
本實施例中，測量中使用的CXD尺寸為1/3英寸，分辨率為656X493pixelS，鏡 頭焦距為75mm，視場角約為4° ；為了能夠測量0° 10°范圍內(nèi)的散射光分布，采用分 段測量的方法，通過調(diào)節(jié)入射光方向，將散射角測量范圍分為三段，分別為2. 6° 6. 6°、
5° 9° 和 8° 10°。如圖2所示，圖2標明了測量汽輪機低壓缸水蒸汽散射光強分布的原理。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，設單位象元 對應的水平角度為θ，則<formula>formula see original document page 6</formula>散射光強為<formula>formula see original document page 6</formula>設入射光強度為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)明進一步提供一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量裝 置，包括計算機5以及裝設于汽輪機低壓缸觀察窗口 4兩側(cè)的激光器1和CCD相機2，激光 器1固定于激光器1 二維轉(zhuǎn)臺3上，CXD相機2固定于相機二維轉(zhuǎn)臺3上，CXD相機2通過 信號線與計算機5相連。激光器1與觀察窗口之間設有衰減片和孔徑光闌7。該測量裝置 工作時，將采用本發(fā)明的上述測量方法。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的 普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護 范圍。
權利要求
一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法，其特征在于，步驟為①、安裝將激光器和CCD相機分別置于汽輪機低壓缸觀察窗口的兩側(cè)并分別固定于二維轉(zhuǎn)臺上，所述激光器與觀察窗口之間設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，使入射光線與觀察窗口的中心線重合，記下此時二維轉(zhuǎn)臺的位置；然后，調(diào)節(jié)CCD相機下的二維轉(zhuǎn)臺，待激光器的激光光斑移到CCD相機的CCD圖像中心位置，記下此時二維轉(zhuǎn)臺位置；③、精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)CCD相機下的二維轉(zhuǎn)臺，記錄當激光器的激光光斑中心剛好移出CCD相機視場邊緣時二維轉(zhuǎn)臺的位置，然后調(diào)節(jié)激光器下的二維轉(zhuǎn)臺，使激光器發(fā)出的入射光線轉(zhuǎn)動，確保大量散射光進入CCD相機；④、獲得汽輪機低壓缸總透過率打開調(diào)整后的激光器，用光功率計分別測量觀察窗口進光口和出光口處的光強，分別記為I入、I出，則汽輪機低壓缸總透過率為T＝I出/I入；⑤、記錄散射光分布打開汽閥，給汽輪機低壓缸充蒸汽一段時間，利用CCD相機實時記錄充蒸汽過程中的汽流狀態(tài)變化，然后同時關閉進、排汽閥，待汽流達到穩(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；改變汽輪機低壓缸內(nèi)的工況，測量不同工況下的散射光分布；⑥、根據(jù)光強的分布和激光散射理論，對散射光強分布進行計算和分析，計算出汽輪機低壓缸中蒸汽濕度和水滴直徑分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法，其特征在 于所述步驟⑤中，需測量散射角為0° 10°范圍內(nèi)的散射光分布。
3.根據(jù)權利要求2所述的非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法，其特征在 于所述步驟⑤中，采用分段式測量法，通過調(diào)節(jié)激光器發(fā)出入射光的方向，將散射角測量 范圍分為三段，分別為2. 6° 6. 6°、5° 9°和8° 10°。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法， 其特征在于所述步驟①之前，首先對CCD相機進行三次以上的標定，采用多次標定的平均 值來確定CCD相機的平均比例因子。
5.一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量裝置，其特征在于包括計算機以 及裝設于汽輪機低壓缸觀察窗口兩側(cè)的激光器和CCD相機，所述激光器固定于激光器二維 轉(zhuǎn)臺上，所述CCD相機固定于相機二維轉(zhuǎn)臺上，所述CCD相機通過信號線與計算機相連。
6.根據(jù)權利要求5所述的非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量裝置，其特征在 于所述激光器與觀察窗口之間設有衰減片和孔徑光闌。
全文摘要
一種非接觸式汽輪機蒸汽濕度和水滴直徑的測量方法及其裝置，將激光器和CCD相機分置于汽輪機低壓缸的觀察窗口兩側(cè)，并固定在二維轉(zhuǎn)臺上，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，以便能夠從強入射光中分離出微弱散射光，使CCD相機能夠探測到微弱的散射光信號；調(diào)節(jié)入射光與CCD之間的夾角，使之保持一定角度；測量0°～10°范圍內(nèi)的激光對蒸汽的散射光強，根據(jù)光強的分布和激光散射理論等相關知識，計算出汽輪機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、計算機和二維轉(zhuǎn)臺。本發(fā)明具有自動化程度高、測量精度高、適用范圍廣、測量效率高、可進行在線測量等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/51GK101819146SQ20101019003
公開日2010年9月1日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權日2010年6月2日
發(fā)明者曹小玲, 黃竹青 申請人:長沙理工大學