[发明专利]一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统，其特征在于，该系统包括声波发射模块、声波接收模块、状态监测模块、信号处理模块；

所述声波发射模块包括声卡(2)、接线盒(3)、功率放大器(4)、电动声源(5)；其中，声卡(2)与工控机(1)相连接，同时与接线盒(3)输入端连接；功率放大器(4)与接线盒(3)输出端连接；电动声源(5)与功率放大器(4)输出端连接；

所述声波接收模块包括采集卡(10)、声波传感器(6)、信号调解器(9)、接线盒(3)；其中，声波传感器(6)与信号调理器(9)的输入端连接，信号调理器(9)连接到接线盒(3)输入端，接线盒(3)输出端与数据采集卡(10)连接，数据采集卡(10)连接到工控机(1)；

所述状态监测模块包括温度传感器(7)、压力传感器(8)、信号调理器(9)、接线盒(3)、数据采集卡(10)；温度传感器(7)和压力传感器(8)与信号调理器(9)的输入端连接，信号调理器(9)连接到接线盒(3)输入端，接线盒(3)输出端与数据采集卡(10)连接，数据采集卡(10)连接到工控机(1)；

所述信号处理模块包括工控机(1)、显示器(11)；

所述电动声源(5)、声波传感器(6)、温度传感器(7)、压力传感器(8)共同构成声学探针，并且安装在汽轮机末级出口处。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述声学探针为方形管，其轴中心开有一条线缆槽(e)用于固定电动声源和传感器线缆，其末端前后两面开有方形通孔作为湿蒸汽的流通通道(f)，湿蒸汽的流通通道(f)的中部四面均安装有电动声源(5)和声波传感器(6)，湿蒸汽的流通通道(f)的中部上下两面均安装有温度传感器(7)和压力传感器(8)；湿蒸汽的流通通道(f)的入口处为楔形，对流过的湿蒸汽流场影响较小。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电动声源(5)、声波传感器(6)前加装防水透气膜，以避免电声源和声波传感器受潮损坏。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电动声源(5)及声波传感器(6)数量不少于两组，声波探针具有多种测量模式。

5.一种基于权利要求1所述系统的汽轮机排汽湿度在线监测方法，其特征在于，具体包括：

步骤1：根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

其中，τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度；对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度；由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：

A=(ρ2Lu1τ)2---(3)]]>

B=L2τ2(ρ12u12-ρ22u22)+ρ22-ρ12---(4)]]>

C=ρ12-ρ12L2u12τ2---(5)]]>

步骤2：在测量状态下，由工控机(1)产生声波信号，通过声卡(2)调解将声波信号通过接线盒(3)传输到功率放大器(4)，最后由电动声源(5)发出声波；

步骤3：声波发出后，状态监测模块通过温度传感器(7)和压力传感器(8)测量通过声学探针的湿蒸汽的温度和压力；

步骤4：温度传感器(7)和压力传感器(8)通过接线盒(3)将信号传给信号调理器(9)，信号经过调理后由数据采集卡(10)将信号传输到工控机(1)中，该工控机(1)得出对应状态下饱和蒸汽和饱和水的参数用于进行湿度计算；

步骤5：声波在发出的同时被同一侧的声波传感器(6)检测接收；声波穿过湿蒸汽被其他位置的声波传感器(6)接收；

步骤6：声波传感器(6)将声波信号转换成电信号，电信号通过信号调理器(9)滤波和放大，经过接线盒(3)被数据采集卡(10)接收；

步骤7：数据采集卡(10)将声波信号输入到工控机(1)中，工控机(1)将获得的信号进行分析，计算出该温度、压力下对应的饱和蒸汽和饱和水的公式(1)中的各项参数，包括密度ρ₁、ρ₂和声速u₁、u₂，利用得到的各项参数，通过公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出蒸汽湿度并将各项参数通过显示器显示。