液滴环境下氧浓度实时测量装置

摘要

一种液滴环境下氧浓度实时测量装置，包括：测量管道以及设置于其进气口一侧内部的气液分离结构、依次设置于出气口一侧的压力传感器和内置热电阻的氧化锆氧浓度传感器、数字信号转换器、信号放大器和信号处理单元，其中：压力传感器、热电阻以及氧化锆氧浓度传感器分别连接至数字信号转换器以及信号放大器，信号处理单元根据模数转换和放大后的氧化锆氧浓度传感信号以及压力传感信号、温度传感信号计算出实时氧浓度。本发明利用压力信号和温度信号对变压环境下的氧浓度信号进行修正，可以对压力变化范围在0‑0.5MPa，氧气浓度在0‑21％范围内的气体氧浓度进行实时测量。

权利要求

1.一种液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征在于，包括：测量管道以及设置于其进气口一侧内部的气液分离结构、依次设置于出气口一侧的压力传感器和内置热电阻的氧化锆氧浓度传感器、数字信号转换器、信号放大器和信号处理单元，其中：压力传感器、热电阻以及氧化锆氧浓度传感器分别连接至数字信号转换器以及信号放大器，信号处理单元根据模数转换和放大后的氧化锆氧浓度传感信号以及压力传感信号、温度传感信号计算出实时氧浓度；

所述的气液分离结构为以下任意一种形式：

A、包括：位于中心的支撑柱、围绕支撑柱设置的呈翅片状的液滴导流片以及设置于导流片上的若干鞭毛，当含液滴的待测气体经进气口进入气液分离结构后，液滴流动过程中通过与鞭毛之间的惯性碰撞作用被滞留在被气液分离结构的鞭毛上，并被引流到液滴导流片上通过液滴导流片流出流场，从而起到去除待测气体中液滴的作用；

B、包括：位于中心的支撑柱、位于支撑柱上的螺旋通孔以及固定在螺旋通孔上的针刺状结构，其中：支撑柱为不锈钢空心圆柱，圆柱上部密封且下部开口；不锈钢空心圆柱壁面设有螺旋状通孔，螺旋状通孔上固定有大量的针刺状结构，该针刺状结构为圆锥针。

2.根据权利要求1所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，方案A中的支撑柱为实心圆柱结构，液滴导流片缠绕支撑柱的圈数为4‑8圈。

3.根据权利要求1所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的鞭毛具体固定于液滴导流片上且鞭毛方向向上翘起且与液滴导流片的夹角为3‑5°，将分离出来的液滴引导至液滴导流片上，并由重力作用流出测量管道。

4.根据权利要求1所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的氧化锆氧浓度传感器包括：氧化锆内管以及分别设置于其外部和内部的氧化锆加热器及氧化锆管内热电阻，其中：氧化锆内管内布置有参比气，氧化锆管内热电阻用于测量参比气温度。

5.根据权利要求1或4所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的氧化锆氧浓度传感器的氧化锆加热器外部设有用于收集从排气口滴入测量管道内的液滴的液滴遮挡片，收集后的液滴直接被加热成蒸汽，通过排气口随已测流体流出测量管道。

6.根据权利要求2所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的测量管道内位于气液分离结构后的内壁面设置有一圈挡水环。

7.根据权利要求1所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的信号处理单元包括单片机和供电电源，其中：单片机根据压力传感信号对氧浓度信号进行实时修正，修正后的氧浓度信号、压力信号和温度信号由信号存储显示器显示并存储。

8.根据权利要求7所述的液滴环境下氧浓度实时测量装置，其特征是，所述的实时修正，包括：

1)在氧化锆氧浓度传感器的已知体积为V的氧化锆管内通入氧浓度为x1质量为M的空气作为参比气；

2)利用压力传感器测量待测气体环境中的实时绝对压力P2，压力传感器产生的电压信号经数字信号转换器转换为数字信号，获得绝对压力P2；

3)利用氧化锆管内热电阻测到管内参比气温度，热电阻产生的电阻信号经数字信号转换器转换为数字信号，获得参比气温度T；根据理想气体方程，参比气的压力为：

4)待测气体的氧气浓度可由氧化锆氧浓度传感器测得，氧化锆氧浓度传感器产生的微量电压信号由信号放大器放大后传递给数字信号转换器转变为数字信号，获得未经修正的氧浓度；

5)利用以下公式对氧化锆氧浓度传感器所测的数字信号进行修正，修正后的实际氧浓度为：

说明书

液滴环境下氧浓度实时测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种水蒸汽、空气、液滴混合且变压环境下氧浓度直接测量技术，具体是一种液滴环境下氧浓度实时测量装置。

背景技术

[0002] 核电厂严重事故过程中，大量蒸汽、氢气等混合气体会释放到安全壳中，为了评估安全壳中的氢气爆炸风险，需要对安全壳中的氧气含量动态过程进行实时测量。然而，在事故过程中，一些安全措施的投入如安全壳外部冷却、内部喷淋、防火喷淋等，会使安全壳内的蒸汽冷凝，部分冷凝液滴会漂浮在气体空间中，使安全壳内漂浮大量直径在0.2mm左右的液滴并导致压力变化，给氧气测量带来困难。

[0003] 现有的安全壳内气体测量手段包括壳外取样测量和壳内直接测量两种，壳外取样测量是通过伸入安全壳内的取样管，对安全壳内的气体进行取样测量，但是取样测量过程复杂，失真度大，不能及时反映安全壳内的气体含量变化情况，并且由于安全壳中含有大量的放射性物质，壳外取样测量会增加安全壳放射性泄漏风险。

[0004] 氧化锆氧浓度传感器是一种利用高温环境下(大于650℃)氧化锆两侧氧分压不同时，会在氧化锆表面形成电势差这一原理所设计开发的氧浓度直接测量设备，常用于常压环境下的氧浓度测量。但是由于氧化锆氧浓度传感器使用时需要将氧化锆传感器加热到650℃，当所测气体中夹带有液滴时，高温的氧化锆传感器会加热载气中液滴使其汽化成水蒸气，使得载气中的气体组分发生变化，影响传感器的测量精度，现有的氧化锆氧浓度传感器无法直接用在液滴环境下的氧浓度壳内测量。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种液滴环境下氧浓度实时测量装置，能够在水蒸汽、空气、液滴混合且变压环境下进行氧浓度实时测量。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明涉及一种液滴环境下氧浓度实时测量装置，包括：测量管道以及设置于其进气口一侧内部的气液分离结构、依次设置于出气口一侧的压力传感器和内置热电阻的氧化锆氧浓度传感器、数字信号转换器、信号放大器和信号处理单元，其中：压力传感器、热电阻以及氧化锆氧浓度传感器分别连接至数字信号转换器以及信号放大器，信号处理单元根据模数转换和放大后的氧化锆氧浓度传感信号以及压力传感信号、温度传感信号计算出实时氧浓度。

[0008] 所述的气液分离结构为以下任意一种形式：

[0009] A、包括：位于中心的支撑柱、围绕支撑柱设置的呈翅片状的液滴导流片以及设置于导流片上的若干鞭毛，当含液滴的待测气体经进气口进入气液分离结构后，液滴流动过程中通过与鞭毛之间的惯性碰撞作用被滞留在被气液分离结构的鞭毛上，并被引流到液滴导流片上通过液滴导流片流出流场，从而起到去除待测气体中液滴的作用；

[0010] B、包括：位于中心的支撑柱、位于支撑柱上的螺旋通孔以及固定在螺旋通孔上的针刺状结构，其中：支撑柱为不锈钢空心圆柱，圆柱上部密封且下部开口；不锈钢空心圆柱壁面设有螺旋状通孔，螺旋状通孔上固定有大量的针刺状结构，该针刺状结构为圆锥针。

[0011] 所述的导流结构为呈翅片状的液滴导流片或螺旋状导流通孔。

[0012] 所述的支撑柱为不锈钢空心圆柱结构，圆柱上部密封，下部开口。

[0013] 所述的液滴导流片或螺旋状导流通孔缠绕支撑柱的圈数为4‑8圈。

[0014] 所述的鞭毛具体固定于液滴导流结构上，每圈鞭毛数量不少于500个。

[0015] 所述的鞭毛方向向上翘起且与导流结构的夹角为3‑5°，可将分离出来的液滴引导至导流结构上，并引流至支撑柱内后流出测量管道。

[0016] 所述的测量管道内位于气液分离结构后的内壁面设置有一圈挡水环。

[0017] 所述的氧化锆氧浓度传感器包括：氧化锆内管以及分别设置于其外部和内部的氧化锆加热器及氧化锆管内热电阻，其中：氧化锆内管内布置有参比气，氧化锆管内热电阻用于测量参比气温度。

[0018] 所述的氧化锆氧浓度传感器的氧化锆加热器外部设有用于收集从排气口滴入测量管道内的液滴的液滴遮挡片，收集后的液滴直接被加热成蒸汽，通过排气口随已测流体流出测量管道。

[0019] 所述的信号处理单元包括：单片机和供电电源，其中：单片机根据压力传感信号和热电阻信号对氧浓度信号进行实时修正，修正后的氧浓度信号、压力信号和温度信号由信号存储显示器显示并存储。

[0020] 所述的实时修正，包括：

[0021] 1)在氧化锆氧浓度传感器的已知体积为V的氧化锆管内通入氧浓度为x1质量为M的空气作为参比气；

[0022] 2)利用压力传感器测量待测气体环境中的实时绝对压力P2，压力传感器产生的电压信号经数字信号转换器转换为数字信号，获得绝对压力P2；

[0023] 3)利用氧化锆管内热电阻测到管内参比气温度，热电阻产生的电阻信号经数字信号转换器转换为数字信号，获得参比气温度T；根据理想气体方程，参比气的压力为：

[0024] 4)待测气体的氧气浓度可由氧化锆氧浓度传感器测得，氧化锆氧浓度传感器产生的微量电压信号由信号放大器放大后传递给数字信号转换器转变为数字信号，获得未经修正的氧浓度；

[0025] 5)利用以下公式对氧化锆氧浓度传感器所测的数字信号进行修正，修正后的实际氧浓度为：

[0026] 技术效果

[0027] 本发明可以在待测气体靠近氧化锆氧浓度传感器之前通过机械原理分离去除待测气体中的液滴，使氧化锆氧浓度传感器可以在液滴环境下实时测量环境中的氧浓度，结构简单的同时利用压力信号对变压环境下的氧浓度信号进行修正，可以对压力变化的液滴环境中，对氧气浓度在0‑21％范围内的气体氧浓度进行实时测量。

附图说明

[0028] 图1为本发明结构示意图；

[0029] 图2为本发明的气液分离结构示意图；

[0030] 图3为本发明的实施例1中气液分离结构的液滴导流片结构示意图；

[0031] 图4为本发明结构仰视图；

[0032] 图5为本发明的带液滴遮挡片的氧化锆氧浓度传感器；

[0033] 图6为挡水环的截面示意图；

[0034] 图7为实施例1中支撑柱底部处的液滴导流片局部结构图；

[0035] 图8为本发明的信号处理方式示意图；

[0036] 图9为实施例2中所述的螺旋状通孔型鞭毛气液分离结构示意图

[0037] 图中：1测量管道、2气液分离结构、201支撑柱、202液滴导流片、203鞭毛、204固定支撑片、205螺旋状通孔、3排气口、4液滴遮挡片、5压力传感器、6进气口、7挡水环、8氧化锆氧浓度传感器、801氧化锆内管、802氧化锆管内热电阻、803氧化锆加热器、9信号放大器、10数字信号转换器、11信号处理单元、12信号存储显示器。

具体实施方式

[0038] 实施例1

[0039] 如图1和图8所示，为本实施例涉及一种液滴环境下氧浓度实时测量装置，包括：测量管道1以及设置于其进气口一侧内部的气液分离结构2、依次设置于出气口一侧的压力传感器5和氧化锆氧浓度传感器8，由于氧化锆氧浓度传感器在使用中会被加热到650℃，远高于环境温度，因此，受加热气体膨胀所产生的浮升力影响，测量管道内的气体不断的从排气口排出，引导环境中的待测气体流入测量管内，从而起到非能动驱动待测气体进入测量管道内的作用，氧化锆氧浓度传感器8中设置有氧化锆管内热电阻802，其中：压力传感器5和氧化锆管内热电阻802以及氧化锆氧浓度传感器8分别与数字信号转换器10和信号放大器9相连，信号处理单元11根据模数转换和放大后的压力传感信号和热电阻信号以及氧化锆氧浓度传感信号计算出实时氧浓度。

[0040] 如图2和图3所示，所述的气液分离结构2包括：位于中心的支撑柱201、围绕支撑柱的呈翅片状的液滴导流片202以及固定在导流片上的鞭毛203，含液滴的待测气体经进气口进入气液分离结构2后，液滴流动过程中通过与鞭毛203之间的惯性拦截碰撞作用被滞留在被气液分离结构的鞭毛203上，并被引流到液滴导流片202上通过液滴导流片202流出流场，从而起到去除待测气体中液滴的作用。

[0041] 所述的测量管道1为内径为20mm，长为200mm的不锈钢管道；

[0042] 如图5所示，所述的支撑气液分离结构2的直径与测量管道1的内径相同，该测量管道1的入口处焊接有固定支撑片204，用于固定支撑气液分离结构2，固定支撑片204的个数大于2个。

[0043] 所述的氧化锆氧浓度传感器8包括：氧化锆内管801以及分别设置于其外部和内部的氧化锆加热器803及氧化锆管内热电阻802，其中：氧化锆内管801内布置有质量为M，氧浓度为x1的常压空气作为参比气，氧化锆管内热电阻802用于测量参比气温度；氧化锆氧浓度传感器8的加热温度为650℃。

[0044] 如图6所示，所述的氧化锆氧浓度传感器8的氧化锆加热器803上部设有用于收集从排气口滴入测量管道内液滴的液滴遮挡片4，收集后的液滴直接被加热成蒸汽，通过排气口随已测流体流出测量管道。

[0045] 所述的氧化锆氧浓度传感器8距离气液分离结构2的顶部的距离为80mm。

[0046] 如图3所示，所述的气液分离结构2的支撑柱201为不锈钢空心圆柱，圆柱上部密封，下部开口；所述不锈钢空心圆柱直径为6mm，长为60mm；

[0047] 所述不锈钢空心圆柱外缠绕有翅片状液滴导流片202，所述的液滴导流片缠绕圈数为4‑8圈。

[0048] 如图4所示，所述的翅片状导流片202在所述空心的支撑柱201下端处通过支撑柱壁面上的小孔伸入支撑柱内部，将液滴引流至支撑柱201中心后流出测量管道1。

[0049] 如图2所示，所述的液滴导流片202上固定有大量的鞭毛203，所述的鞭毛为圆锥针刺状结构，鞭毛203略向上翘起，与液滴导流片202的夹角为3‑5°，可将分离出来的液滴引导至液滴导流片202上，并由重力作用流出测量管道。

[0050] 所述鞭毛在液滴导流片202上等距布置，每圈液滴导流片上的鞭毛数量不少于500个。

[0051] 考虑到测量管道1内壁面上的液滴可能会被待测气流带动，随气流向上滑动，因此在所述的气液分离结构2后的管道内壁面设置有一圈挡水环7，如图1及图7所示，该挡水环的高度为2mm。

[0052] 所述的氧化锆氧浓度传感器8与气液分离结构2的距离为80mm。

[0053] 所述的信号处理单元11包括：单片机和供电电源，其中：单片机根据压力传感信号和热电阻信号对氧浓度信号进行实时修正，修正后的氧浓度信号、压力信号和温度信号由信号存储显示器12显示并存储。

[0054] 所述的实时修正包括：

[0055] 1)在氧化锆氧浓度传感器8的体积为V的氧化锆内管801内通入氧浓度为x1质量为M的空气作为参比气；

[0056] 2)利用压力传感器5测量待测气体环境中的实时绝对压力P2，压力传感器5产生的电压信号经数字信号转换器10转换为数字信号，获得绝对压力P2；

[0057] 3)利用氧化锆管内热电阻802测到管内参比气温度，热电阻产生的电阻信号经数字信号转换器10转换为数字信号，获得参比气温度T；根据理想气体方程，可以参比气的压力为：

[0058] 4)待测气体的氧气浓度可由氧化锆氧浓度传感器8测得，氧化锆氧浓度传感器8产生的微量电压信号由信号放大器9放大后传递给数字信号转换器10转变为数字信号，获得未经修正的氧浓度；

[0059] 5)利用以下公式对氧化锆氧浓度传感器8所测的数字信号在信号处理单元11内进行修正，修正后的实际氧浓度为：

[0060] 实施例2

[0061] 如图9所示，本实施例中气液分离结构2包括：位于中心的支撑柱201、位于支撑柱201上的螺旋通孔205以及固定在螺旋通孔上的针刺状结构203，其中：支撑柱201为不锈钢空心圆柱，圆柱上部密封，下部开口；不锈钢空心圆柱直径为6mm，长为60mm；

[0062] 所述的不锈钢空心圆柱壁面设有螺旋状通孔205，该螺旋状通孔圈数为4‑8圈，通孔高度为1mm。

[0063] 所述的螺旋状通孔205上固定有大量的针刺状结构203，该针刺状结构203为圆锥针，其尖端略向上翘起，与螺旋状通孔205的夹角为3‑5°。

[0064] 所述的针刺状结构203通过螺旋状通孔205伸入支撑柱201内1mm，可将分离出来的液滴引导至支撑柱201内，由于支撑柱201为上部密封底部开孔结构，支撑柱内的气流为直径状态，流入支撑柱201的液滴不会被气流夹带，可由重力作用流出测量管道1。

[0065] 所述的针刺状结构203在旋状通孔205上等距布置，每圈旋状通孔上的针刺状结构的数量不少于500个。

[0066] 所述的支撑气液分离结构2的直径与测量管道1的内径相同，测量管道1的入口处焊接有固定支撑片204，用于固定支撑气液分离结构2，固定支撑片204的个数大于2个。

[0067] 经过具体实际实验，在压力变化范围在0‑0.5MPa的液滴、水蒸气、空气混合环境中，应用上述方式，可以直接准确测得环境气体中的氧浓度，氧浓度可测范围在0‑21％。

[0068] 与现有技术相比，本装置通过特殊结构设计，使待测气体可以自动流入测量管道，并经气液分离结构去除待测气体中的液滴，解决了含液滴环境中常规氧化锆氧浓度测量仪测量不准的问题，并通过修正方法解决了变压环境下氧化锆氧浓度测量仪壳内在线变压测量问题。

[0069] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。