CN101183081B - 用于蒸汽湿度检测的微波传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于蒸汽湿度检测的微波传感器，属测试技术领域，用于解决蒸汽湿度检测问题。其技术方案是，它包括一个两端开口、中间有微波信号传输接口的圆筒形腔体，在圆筒形腔体内部的两端分别设置一个圆环分隔器，所述圆环分隔器由1～4个与圆筒形腔体同轴的圆筒组成，它们靠近圆筒形腔体端口的一端与圆筒形腔体连接，圆环分隔器的膨胀系数比圆筒形腔体大。本发明结构简单，使用方便，对环境的要求低，将其与微波信号处理电路配合，可以实现流动湿蒸汽湿度的高精度在线测量。

Description

用于蒸汽湿度检测的微波传感器
技术领域
本发明涉及一种蒸汽湿度传感器，可对蒸汽湿度进行精确在线检测，属测试技术领域。
背景技术
蒸汽湿度对汽轮机的安全性能和经济运行性能都有着重要影响，因此有必要对汽轮机排汽湿度进行在线监测。现有蒸汽湿度测量方法主要分为两类，既热力学法和光学法。其中，热力学法又分为节流法、凝结法、蒸汽-空气混合法和加热法，各种方法的监测机理及优缺点如下：
节流法的原理是将抽取的试样节流到较低的压力，使节流后的蒸汽处于过热状态，根据节流前后焓值不变条件求出抽取试样蒸汽的湿度值。节流法的缺点是不宜用来测定低压区及湿度大于8％的湿蒸汽(一般凝汽式汽轮机的排汽压力较低，湿度在6～12％范围)。另外，热损失和湿蒸汽膨胀后不能完全混合还会影响测量的准确性。
凝结法是将被抽取的湿蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据冷凝器中冷却水吸收的蒸汽凝结热量计算出所抽取试样的湿度。这种方法需要对湿蒸汽的取样流量、冷却水量、水温等多个参数进行测量，可能会产生较大的测量累积误差，同时散热损失也会影响测量的准确性，故测量精度较低。
蒸汽-空气混合法是将被抽取的试样在一混合室中与外界引入的干空气在绝热条件下混合，根据质能守恒方程，求出抽取试样的湿度。测量时，要求保证湿蒸汽与干空气混合后，空气中的水分含量尚未达到饱和，因此需要大量的热空气，这就要求在测量现场配置一台容量很大的真空泵，因此限制了在现场的应用。
加热法是将抽取的饱和湿蒸汽试样加热到干饱和状态或过热状态，测量出蒸汽试样的流量，根据试样的吸热量以及加热前后试样热力参数的变化，计算出蒸汽的湿度。加热法需要对取样流量、加热量、蒸汽参数等多个参数进行测量，测量累积误差和散热损失会影响测量精度。
总而言之，上述各种热力学法，测量时都需要从汽轮机内的主汽流中抽取部分试样，不仅测量环节多，而且测量装置复杂，测量精度低。
光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射原理基础上的，当光线通过含有水滴的湿蒸汽流时，受蒸汽中水滴光散射效应的影响，一部分光线产生散射现象，因此透射光强小于入射光强，通过测量湿蒸汽对光的散射或衰减从而求出湿蒸汽中水滴直径、水滴数量及蒸汽湿度。
光学测量法不需抽吸取样，需要测量的参数也少，操作较简便。其缺点有两个：第一，光学法成功的关键之一在于保持光学窗口的洁净，目前普遍采用通暖空气来保持窗口表面不与油污和水接触，如果光学窗口较长时间暴露在测量汽流中，其表面受到污染是难以避免的，对测量环境的严格要求限制了其在实际中的应用；第二，光学法测量蒸汽湿度时，需要对一次水滴和二次水滴分别测量，一次水滴的测量技术已较成熟，但对二次水滴还没有成熟的测量技术。如仅对一次水滴测量，忽略湿汽中的二次水滴，由于水滴的质量与直径成三次方的关系，其测量结果必然低于真实值。即使可以对二次水滴测量，由于光学测量窗口很小，而二次水滴分布的不均匀性又很大，将可能由于取样偏差，使测量结果存在较大误差。
总之，现有的蒸汽湿度测量方法及其测量装置都存在着严重不足，设计一种结构简单、环境适应能力强、制造成本低廉、性能优良的蒸汽湿度传感器，用以检测蒸汽湿度，对提高汽轮机的安全性和经济性是十分必要的。
发明内容
本发明用于克服现有技术的缺陷、提供一种结构简单、测量精度高，环境适应能力强的用于蒸汽湿度检测的微波传感器。
本发明所称问题是以下述技术方案实现的：
一种用于蒸汽湿度检测的微波传感器，它包括一个两端开口、中间设有微波信号传输接口的圆筒形腔体，在圆筒形腔体内部的两端分别设置一个圆环分隔器，所述圆环分隔器由1～4个与圆筒形腔体同轴的圆筒组成，它们靠近圆筒形腔体端口的一端与圆筒形腔体连接，圆环分隔器的膨胀系数比圆筒形腔体大。
上述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，所述圆筒形腔体气流流入端的壁面为楔形结构。
上述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，所述圆环分隔器由金属细网构成。
上述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，所述圆筒形腔体由依次通过螺纹连接的楔形圆筒1、中间圆筒3和调节套筒6构成，所述楔形圆筒1的壁面为楔形结构，所述调节套筒6与中间圆筒间利用定位螺钉5予以固定。
上述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，所述连接微波信号传输波导的接口为椭圆孔，椭圆孔长短轴半径比为1∶0.4，椭圆孔的长轴与谐振腔轴线方向相同。
本发明以圆筒形腔体和圆环分隔器构成微波谐振腔，将蒸汽湿度信号转换成易于测量的谐振腔谐振频率信号，不仅可使测量装置大大简化，而且传感器对环境的要求不高。圆环分隔器采用金属细网构成，既可以让湿蒸汽两相流在阻力较小的情况下自由通过谐振腔，又保证了谐振腔具有高的品质因数；圆环分隔器采用膨胀系数比圆筒形腔体大的金属材料制成，通过合理设计圆环分隔器伸入圆筒形腔体的长度，可使被测湿蒸汽温度变化时，圆筒形腔体和分隔器的膨胀对谐振腔谐振频率的影响相互抵消，从而使测量结果不受蒸汽温度变化的影响；圆筒形腔体的气流流入端壁面为一楔形结构，可使进入谐振腔的湿蒸汽两相流参数与主流参数一致，最大限度地减小取样偏差。本发明结构简单，使用方便，对环境的要求低，与微波信号处理电路配合，可以实现流动湿蒸汽湿度的高精度在线测量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的结构示意图；
图2是楔形圆筒的结构示意图；
图3是图2的左视图；
图4是圆环分割器的结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是中间圆筒的结构示意图；
图7是图6的左视图图；
图8是调节套筒的结构示意图；
图9是图8的左视图。
图中各标号为：1、楔形圆筒，2、圆环分割器，3、中间圆筒，4、矩形波导，5、定位螺钉，6、调节套筒。
具体实施方式
微波谐振腔内介质介电常数的变化将引起谐振腔谐振频率的改变，通过测量谐振腔谐振频率的变化，可以测量谐振腔内介质介电常数或其变化量。一定压力(温度)下，湿蒸汽的湿度不同其介电常数也就不同，而且两者一一对应，因此，可以通过测量微波谐振腔内湿蒸汽的介电常数来检测湿蒸汽的湿度。
利用微波谐振腔测量蒸汽湿度，是通过测量湿蒸汽两相流流过微波谐振腔时谐振腔谐振频率的变化来实现的，为了使测量具有较高的准确度和精确度，用于检测湿蒸汽两相流湿度的微波谐振腔传感器应具有良好的两相流气动特性、高频电磁特性和低的温度敏感性，既满足如下要求：(1)进入谐振腔的湿蒸汽两相流参数与主流参数一致，取样偏差小；(2)湿蒸汽两相流可以自由通过谐振腔，且汽流在通过谐振腔时流动阻力小，谐振腔具有良好的两相流气动特性；(3)谐振腔具有高的品质因数；(4)湿蒸汽温度的变化不会引起谐振腔谐振频率的改变。
参看图1，圆筒形腔体由依次通过螺纹连接的楔形圆筒1、中间圆筒3和调节套筒6构成。楔形圆筒1进气端的壁面为楔形结构，气流进口的圆环分割器固定于楔形圆筒1和中间圆筒3之间，气流出口的圆环分割器固定于调节套筒6上。具体实施时，圆筒形腔体以及其与圆环分割器的连接方式可以有多种变化。为保证取样误差小，楔形圆筒1和中间圆筒3的内径应保持一致。
参看图4、图5，圆环分割器由三个等距离等厚度细网圆环组成，这种圆环形细网分隔器结构，既可以让湿蒸汽两相流自由通过谐振腔，汽流在通过谐振腔时流动阻力较小，又保证了谐振腔具有高的品质因数；谐振腔腔体与两端的圆环分隔器分别采用不同膨胀系数的金属材料，圆筒形谐振腔采用低膨胀系数材料，两端圆环分隔器采用高膨胀系数材料，根据采用的两种材料膨胀系数的不同，通过设计两端圆环分隔器伸入谐振腔的长度，使得当被测湿蒸汽温度变化时，谐振腔腔体和两端分隔器的膨胀对谐振腔谐振频率的影响相互抵消，从而使得测量不受蒸汽温度变化的影响。
参看图2、图3，谐振腔的气流流入端壁面为一楔形结构，这种结构可以使进入谐振腔的湿蒸汽两相流参数与主流参数一致，没有取样偏差。
参看图6、图7，在谐振腔的圆筒形壁面中央开有一椭圆孔，椭圆孔长短轴半径比为1∶0.4，椭圆孔的长轴与谐振腔轴线方向相同，谐振腔通过该椭圆孔与矩形波导耦合，进行微波信号传输。
参看图8、图9，调节套筒6用于调节谐振腔的长度，旋转调节套筒6可以调节两个圆环分割器之间的距离，调节谐振频率，定位螺钉5用于将调节套筒6与中间圆筒3固定。
测量湿蒸汽湿度时，谐振腔轴线与气流方向一致，让湿蒸汽自由流过谐振腔，通过测量谐振腔谐振频率的变化得出流过谐振腔的蒸汽湿度。

Claims (4)

1.一种用于蒸汽湿度检测的微波传感器，其特征是，它包括一个两端开口、中间设有微波信号传输接口的圆筒形腔体，在圆筒形腔体内部的两端分别设置一个圆环分隔器，所述圆环分隔器由1～4个与圆筒形腔体同轴的细网圆环组成，它们靠近圆筒形腔体端口的一端与圆筒形腔体连接，圆环分隔器的膨胀系数比圆筒形腔体大，其中，圆筒形腔体采用低膨胀系数材料，两端圆环分隔器采用高膨胀系数材料。
2.根据权利要求1所述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，其特征是，所述圆筒形腔体气流流入端的壁面为楔形结构。
3.根据权利要求1或2所述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，其特征是，所述圆筒形腔体由依次通过螺纹连接的楔形圆筒(1)、中间圆筒(3)和调节套筒(6)构成，所述楔形圆筒(1)的壁面为楔形结构，所述调节套筒(6)与中间圆筒间利用定位螺钉(5)予以固定。
4.根据权利要求3所述用于蒸汽湿度检测的微波传感器，其特征是，所述微波信号传输接口为椭圆孔，椭圆孔长短轴半径比为1∶0.4，椭圆孔的长轴与圆筒形腔体轴线方向相同。
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