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原文传递一种基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统及方法

专利名称：	一种基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统及方法
摘要：	本发明公开了一种基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统及方法，属于管道内水蒸汽湿度在线监测技术领域，旁路管道、气动声源装置、多组传感器和声波信号处理系统构成。旁路管道上设置渐缩渐扩喷管，从而产生声压级较高的喷射噪音。经喷管后产生的喷射噪音经锥形声波导管传至蒸汽管道中，由安装在声波导管的第一声波传感器以及管道上的数个第二声波传感器接收先后接收。接收的信号传至计算机中进行处理，计算出各组声波信号对应的路径上的湿度情况，全面测量出蒸汽管道内蒸汽的热力特性。本发明可以同时测量水蒸汽的湿度，采用非接触式测量手段，对于水蒸汽管道内的介质流动没有影响，多路径测量的优势在于可以全面反映测量管道内湿度情况。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	华北电力大学
发明人：	张世平;王肖梦;赵旭;沈国清
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910893973.5
公开号：	CN110501417A
代理机构：	北京宝护知识产权代理有限公司
代理人：	王霞
分类号：	G01N29/024(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	102206 北京市昌平区回龙观镇北农路2号
主权项：	1.一种基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，包括：旁路管道(2)，旁路管道(2)设置在蒸汽管道(1)上；气动声源装置，气动声源装置安装在旁路管道(2)上，用于产生气动噪声，并将气动噪声传到至蒸汽管道(1)内；传感器系统，传感器系统安装于旁路管道(2)的侧壁与蒸汽管道(1)的侧壁之间，用于采集气动噪声的声波信号；声波信号处理系统，用于根据传感器系统采集的声波信号，计算出声波信号对应的路径上的温湿度情况，并显示测量结果。 2.根据权利要求1所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，旁路管道(2)的管径与蒸汽管道(1)的管径之比为1:4。 3.根据权利要求1所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，气动声源装置包括安装在旁路管道(2)上的渐缩渐扩的喷管(3)，以及安装在喷管(3)后方的锥形的声波导管(4)；声波导管(4)口径小的一端与旁路管道(2)的侧壁接触，口径大的一端与蒸汽管道(1)的侧壁接触。 4.根据权利要求3所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，传感器系统包括安装在蒸汽管道(1)上的压力传感器(5)、安装在声波导管(4)处的第一声波传感器(6)以及安装在蒸汽管道(1)侧壁上的数个第二声波传感器(7)；第一声波传感器(6)和第二声波传感器(7)接收由声波导管(4)传导至蒸汽管道(1)的声波信号，第一声波传感器(6)与数个第二声波传感器(7)之间构成多条路径，各传感器均与声波信号处理系统相连，且第二声波传感器(7)分布在第一声波传感器(6)上下游位置。 5.根据权利要求4所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，第一声波传感器(6)安装在声波导管(4)位置，第二声波传感器(7)安装在蒸汽管道(1)上，且分散在第一声波传感器(6)两侧，以抵消蒸汽自身流动的影响。 6.根据权利要求1或4所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测系统，其特征在于，声波信号处理系统采用计算机(8)，计算机(8)内运行声波信号处理算法。 7.一种采用权利要求6所述系统的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：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：其中，τ为飞渡时间；L为测点距离；c为湿蒸汽介质中声波的传播速度；ρ1为饱和蒸汽的密度；ρ2为饱和水的密度；CR为附加质量系数；PS为同温同压下的饱和湿蒸汽中饱和水分压力；T为湿蒸汽绝对温度；γ为饱和蒸汽的绝热指数；为湿蒸汽的湿度；c1为饱和蒸汽介质中的声速；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；步骤2：气液两相流的中的声速采用wood绝热声速公式：其中,c为湿蒸汽中的传播声速，m/s；c1为等条件下饱和水蒸气中的声速，m/s；ρ1为饱和水蒸气的密度，kg/m3；ρ为湿蒸汽的的密度，kg/m3；x1为水蒸气的体积组分；下标1,2分别表示气液两相；步骤3：根据气液混合物密度ρ＝x1ρ1+x2ρ2得到：蒸汽湿度X为：上式中含有的水蒸气及液态水的相关参数由下面的状态方程来确定：其中，p表示压力，pa；水蒸气的密度ρ1，ρ1＝1/v1；对于饱和水来说，其密度表达式为： ρ2＝642.91ΔTrn+315.46 其中：ΔTr＝(647.3-T)/274.15 步骤4：声波在单行水蒸气的传播速度应用下面的公式来进行得到：其中，R为通用气体常R＝8314J/(kmol·k)；M为水蒸气的分子量，M＝18；CV,m为对应温度下的水蒸气定容摩尔比热，通过水蒸气状态图表得到，另外由迈耶公式：其中，a1,a2,a3,a4,a5为常数；步骤5：通过测量压力信号来确定湿蒸汽温度，再通过对第一声波传感器(6)和第二声波传感器(7)的信号进行处理，计算出湿蒸汽的湿度。 8.根据权利要求7所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测方法，其特征在于，飞渡时间τ的测量方法如下：测量飞渡时间采用互相关算法，以第一声波传感器(6)和第二声波传感器(7)接收的信号进行互相关算法为例：假设气动噪声产生的声波在两传感器之间传递的路程为L，在没有混响干扰的情况下，两个传感器收到的信号为： x1(n)＝α1s(n-τ1)+n1(n) (1) x2(n)＝α2s(n-τ2)+n2(n) (2) 其中，s(n)为泄漏信号，n1(n)和n2(n)表示背景噪声，τ1和τ2是气动噪声传播到传感器的时间，α1和α2是声波衰减系数，n为时间；泄漏声源到两传感器的信号x1(n)和x2(n)的互相关函数表达为：设α＝α1α2，根据Wiener-Khinchin定理，互功率谱函数的傅里叶逆变换为互相关函数，式(3)进行变换得：为了提高时延估计算法的抗噪性能和精度，通过对x1(n)和x2(n)进行预滤波，使采集信号分别经过滤波器H1(n)和H2(n)后得到y1(n)和y2(n)再进行互相关计算； x1(n)和x2(n)经过滤波器H1(n)和H2(n)滤波后，y1(n)和y2(n)的互功率谱表达式为：在频域内给互功率谱加权来抑制背景噪声和混响的影响；式中，W(ω)为频域加权窗函数，得到的互相关函数就是广义互相关函数，即：其中：对于任意频率，理想情况为，W(ω)的选择应该保证有较明显的尖锐的峰值，以便得到准确的时间延迟估计值；此时公式(6)最大值对应的自变量τ即为所要求得的飞渡时间。 9.根据权利要求8所述的基于声学的管道内蒸汽湿度在线监测方法，其特征在于，管道内设有1个第一声波传感器(6)与多个第二声波传感器(7)，即有多条声波传播路径，每条路径上的湿度均能够计算得出，但是蒸汽自身流动的速度会对计算出的声速有所影响，需要对声速进行修正：布置在顺流区的路径测得声速为： v1＝c+vs (7) 布置在逆流区的路径测得声速为： v2＝c-vs (8) 其中：v为测得声速，c为实际声速，vs为蒸汽速度；将(7)、(8)两式相减，得到： 2vs＝v1-v2 (9) 在多条路径上将湿蒸汽流动自身速度计算出，在顺流区减去蒸汽速度，逆流区加上蒸汽速度，以此来对于测出的声速进行修正。
所属类别：	发明专利