CN102253059A - 用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，它由气流入口螺母、前端隔离器、谐振腔腔体、弹性件、后端隔离器、高热膨胀率环和后端调节筒组成，气流入口螺母、后端调节筒分别与谐振腔腔体的两端螺纹旋合形成筒形结构，前端隔离器、后端隔离器分别位于上述筒形结构内的两侧，前端隔离器、后端隔离器内部设置格栅、外部设有环形凸台，弹性件位于后端隔离器与谐振腔腔体之间、其两端分别触压两件，高膨胀率环位于后端隔离器环形凸台与后端调节筒之间。本发明当测试环境温度变化时，利用不同部件的热膨胀系数差异，保证谐振频率基本不变，使得湿度测量不受蒸汽温度变化的影响。

Description

用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器

技术领域

    本发明涉及一种用于对蒸汽湿度进行精确在线检测的温度自补偿微波传感器，属测试技术领域。

背景技术

湿蒸汽是干饱和水蒸汽和饱和水滴两相共存的汽液混合物。火电站凝汽式汽轮机低压缸的末几级和水冷堆核电汽轮机的全部级都工作在湿蒸汽区，随着蒸汽湿度的增加，湿蒸汽给汽轮机带来两方面的问题：一是产生较大的湿汽损失，使湿蒸汽级的效率大大低于干蒸汽级；二是湿蒸汽中的水分会对汽轮机动叶产生侵蚀与冲击，甚至发生断裂，严重威胁汽轮机的安全运行。同时，蒸汽湿度的准确测量，也有助于确定汽轮机低压缸的运行效率，了解湿蒸汽区级的工作状态，为汽轮机的安全经济运行提供指导以及为汽轮机的优化设计、结构改进提供参考。因此，汽轮机内蒸汽湿度的准确测量具有重要的理论意义与实用价值。

目前，测量蒸汽湿度的方法主要有热力学法、光学法、微波法等，上述方法的检测机理和优缺点简述如下：

热力学法包括节流法、凝结法、蒸汽-空气混合法和加热法，热力学法测量蒸汽湿度时都需要从汽轮机末级主流中抽取试样，测量结果受取样影响较大，而且测量参数多，装置复杂，累积误差大，精度不高。

光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射基础之上的，光束通过含有细微颗粒的均匀介质时，受到水滴光散射效应的影响，一部分会产生散射，另一部分会被颗粒吸收。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尺寸、数量和蒸汽湿度。光学法测量湿度受波长的限制，只能测量直径较小的一次水滴的数目和分布特征，测量结果必然低于真实值。测量探针的光窗口必须置于气流中，光窗口不可避免会沉积水膜和污染，所以该方法无法实现连续长期监测。

微波法测量蒸汽湿度，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。水分子是一种极性很强的偶极子，在外电场作用下，水的极化程度远远大于其它物质。不同形态的水，其介电常数差别很大，常温下干水蒸汽的介电常数接近1，液态水的介电常数约为80。汽轮机内湿蒸汽是由气态水和液态水组成的混合物，液态水是由均匀散布的细小水滴组成的。其中，大部分是通过自发凝结增长过程形成的直径为0.01μm～2μm的一次水滴，这部分水滴的数量巨大（可达10⁷个/cm3），占湿蒸汽中液相质量的90%以上，其余水分为直径较大二次水滴（10μm～200μm）。在微波频段，电磁波波长不同，汽液两相所占的比例不同，混合物表现的介电性质也就不同。因此，一定微波频率和一定压力（温度）的湿蒸汽的等效复介电常数的大小也就反映了蒸汽湿度的大小，可以通过测量湿蒸汽的等效复介电常数来间接测量蒸汽的湿度。基于此思想，利用微波谐振腔微扰技术可以实现汽轮机内蒸汽湿度的实时测量。

谐振腔一般采用金属加工而成，谐振腔的谐振频率由腔体的结构、尺寸和填充介质的性质决定。蒸汽湿度测量传感器一般采用易于加工的圆柱形谐振腔。如果谐振腔的结构、尺寸一定，当湿蒸汽的压力（温度）已知时，湿蒸汽湿度不同，其介电特性也不同，当湿蒸汽流过谐振腔，谐振腔的谐振频率会发生相应变化，通过监测湿蒸汽的压力（温度）和谐振腔的谐振频率的变化，就可以间接得到湿蒸汽的湿度变化。谐振腔结构尺寸的变化同样会引起谐振频率的变化，当测试环境温度发生变化时，由于热胀冷缩，腔体尺寸会发生变化，进而引起谐振频率变化，影响蒸汽湿度的测量。如果不采用温度补偿措施，则温度变化对谐振频率和湿度测量的影响如图6所示。（注：频率变化                                                

；温度变化

。）图中曲线由上而下依次为采用因瓦合金、不锈钢、紫铜、硬铝材料加工的谐振腔的温度频率特性，由于温度变化引起材料热膨胀，腔体尺寸变化引起的频率波动要比蒸汽湿度变化引起的频率变化大很多。而且，汽轮机排汽温度是随着环境温度、运行负荷变化而波动的，幅度可以达到5-10℃。因此，需要对谐振腔进行温度补偿，否则湿度测量结果是没有意义的。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种结构简单、性能可靠、环境适应能力强、成本低廉的用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，其特别之处是：它由气流入口螺母、前端隔离器、谐振腔腔体、弹性件、后端隔离器、高热膨胀率环和后端调节筒组成，其中，气流入口螺母、后端调节筒分别与谐振腔腔体的两端螺纹旋合形成筒形结构，所述前端隔离器、后端隔离器分别位于上述筒形结构内的两侧，前端隔离器、后端隔离器内部设置格栅、外部设有环形凸台，所述弹性件位于后端隔离器与谐振腔腔体之间、其两端分别触压两件，所述高膨胀率环位于后端隔离器环形凸台与后端调节筒之间。

上述用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，所述气流入口螺母、前端隔离器、谐振腔腔体、后端隔离器、后端调节筒为热膨胀系数相同的材料，高热膨胀率环的热膨胀系数比上述部件的热膨胀系数大10倍以上。

上述用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，所述气流入口螺母前部外表面为一曲面，该曲面与轴向平面交线为反正切函数曲线，其规律满足：

其中，(x, y)为曲线上的点，δ为入口螺母壁厚，x的取值范围为[-a, a]，其中a的取值为

。

上述用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，所述弹性件为弹簧或弹性垫圈。

本发明针对微波谐振腔受环境温度变化影响波动大的问题进行了改进，设计了一种温度自补偿微波传感器，该传感器气流入口为反正切函数曲线形状结构，可以减小非等动能取样误差；传感器入口螺母、谐振腔腔体、隔离器和后端调节筒采用相同的低热膨胀系数金属材料加工而成，高膨胀率圆环采用高热膨胀系数金属或非金属加工而成，当测试环境温度变化时，利用不同部件的热膨胀系数差异，保证谐振频率基本不变，使得湿度测量不受蒸汽温度变化的影响。本发明结构简单，加工方便，配合测量电路，可用于对流动湿蒸汽湿度进行高精度在线测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是前端隔离器结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6是现有谐振腔谐振频率随温度变化的偏移量；

图7-a~7-d是本发明谐振腔谐振频率随温度变化的偏移量。

附图中标号表示如下：1.气流入口螺母，2.前端隔离器，3.谐振腔腔体，3-1. 耦合件安装孔，4.弹性件，5.后端隔离器，6.高热膨胀率环，7.后端调节筒。

具体实施方式

参看图1-3，本发明的构成由左至右依次为气流入口螺母1、前端隔离器2、谐振腔腔体3、弹性件4、后端隔离器5、高热膨胀率环6和后端调节筒7。其中气流入口螺母1、后端调节筒7分别与谐振腔腔体3的两端螺纹旋合形成筒形结构。前端隔离器2、后端隔离器5分别位于上述筒形结构内谐振腔腔体的两侧，前端隔离器2、后端隔离器5的外部均设有便于卡紧的环形凸台。弹性件4位于谐振腔腔体与后端隔离器之间，弹性件的两端分别触压谐振腔腔体右端及后端隔离器的环形凸台左侧，弹性件为弹簧或弹性垫圈。所述高膨胀率环6位于后端隔离器的环形凸台右侧与后端调节筒之间。旋紧或旋松后端调节筒可使弹性件压缩或伸展，带动后端隔离器移动，实现对工作频率的调节。气流入口螺母、前端隔离器、谐振腔腔体、后端隔离器、后端调节筒为热膨胀系数相同的材料，高热膨胀率环的热膨胀系数比上述部件的热膨胀系数大10倍以上。湿蒸汽由气流入口螺母流入，依次经过前端隔离器、谐振腔腔体、后端隔离器和后端调节筒，测量在谐振腔腔体中间的有效部分进行。谐振腔腔体的轴向中间位置开有一个或成一定角度的两个耦合件安装孔3-1，以安装耦合件，耦合方式可以是探针耦合、孔耦合或环耦合。

前端隔离器和后端隔离器的结构类同，图4、图5为前端隔离器的结构图。前端（或后端）隔离器由1~4个同心薄壁圆筒组成，各同心薄壁圆筒间由2~6个径向薄壁平板固定。湿蒸汽气流通过前后隔离器栅格流过谐振腔腔体，当栅格间隙尺寸小于谐振腔内微波波长时，可以实现对微波的隔离，保证谐振腔具有较高的品质因数。

参看图1、图3，气流入口螺母1前部外表面为一曲面，该曲面与轴向平面交线为反正切函数曲线。该设计可以减小非等动能取样误差。

本发明自补偿的原理如下：当温度变化时，由于材料的热胀冷缩，谐振腔腔体内有效尺寸D、L会变大或缩小。当温度升高时，腔体的直径D变大，腔体长度变长，由于高热膨胀率环的热膨胀系数远大于其他部件，高热膨胀率环的右端面与后端调节筒7的左端面紧密接触，并以该端面为基准向左膨胀，进而推挤后端隔离器5向左移动，使腔体的有效长度L缩小。即温度上升时，腔体的有效直径D增大而长度L缩小，而保证谐振频率基本不变。反之，当温度降低时，腔体的直径D变小，腔体长度变小，高热膨胀率环的收缩大于其它部件，在弹性件作用下使后端隔离器向右移动，使腔体的有效长度L增大。即温度降低时，腔体的有效直径D减小而长度L增大，而保证谐振频率基本不变。

若腔体以TE₀₁₁模式工作，TE₀₁₁模式谐振频率计算公式为：

当腔体测试环境温度变化△t时，则腔体的有效尺寸变为：

其中、

分别为腔体材料和高热膨胀率垫环的热膨胀系数。

把D、L带入上式，当温度变化△T时，其谢振频率为f，设频率偏移

，则F为△T和Lx的函数。

令

，可得Lx关于△T的表达式：

若谐振腔的有效尺寸D ₀=0.06m、L ₀=0.04m。如果腔体材料选择因瓦合金，高膨胀垫环采用紫铜，取最大温度变化范围△T=10℃时，Lx=0.006221343m。当温度变化时采取上述补偿结构后腔体谐振频率随温度的变化如图7 (a)- (d)所示。

图7中a铜环厚度取0.006221343m，温度变化10℃时频偏只有1.4Hz，传感器由于热膨胀结构尺寸变化引起的谐振频率偏移完全补偿。考虑加工精度影响，分别对铜环厚度取不同厚度，得到频偏的变化如上图：图7中b铜环厚度取0.0062m，当△T=10℃时，频偏不大于173.16Hz，对应湿度误差不大于0.0043%/℃；图7中c铜环厚度取0.006m，△T=10℃时，频偏不大于1782.82 Hz，对应湿度误差不大于0.0446%/℃；图7中d铜环厚度取0.007m，△T=10℃时，频偏不大于6269.01Hz，对应湿度误差不大于0.1567%/℃。

高热膨胀率环材料和其它部件材料的热膨胀系数推荐相差10倍以上，高热膨胀率环材料选取较高热膨胀系数的金属或非金属材料，其它部件材料选用较低热膨胀系数的金属材料，二者搭配如：因瓦合金+铜、铜+有机玻璃、铝+有机玻璃等。

本发明的谐振腔温度自补偿结构可以非常好的补偿由于腔体热膨胀而引起的腔体谐振频率的偏移，与微波信号处理电路配合，可以实现对流动湿蒸汽湿度的高精度在线测量。 

Claims (4)

1.一种用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，其特征在于：它由气流入口螺母（1）、前端隔离器（2）、谐振腔腔体（3）、弹性件（4）、后端隔离器（5）、高热膨胀率环（6）和后端调节筒（7）组成，其中，气流入口螺母（1）、后端调节筒（7）分别与谐振腔腔体（3）的两端螺纹旋合形成筒形结构，所述前端隔离器（2）、后端隔离器（5）分别位于上述筒形结构内的两侧，前端隔离器、后端隔离器内部设置格栅、外部设有环形凸台，所述弹性件（4）位于后端隔离器与谐振腔腔体之间、其两端分别触压两件，所述高膨胀率环（6）位于后端隔离器环形凸台与后端调节筒之间。

2.根据权利要求1所述的用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，其特征在于：所述气流入口螺母（1）、前端隔离器（2）、谐振腔腔体（3）、后端隔离器（5）、后端调节筒（7）为热膨胀系数相同的材料，高热膨胀率环（6）的热膨胀系数比上述部件的热膨胀系数大10倍以上。

3.根据权利要求2所述的用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，其特征在于：所述气流入口螺母（1）前部外表面为一曲面，所述曲面与轴向平面交线为反正切函数曲线；其规律满足：

其中，(x, y)为曲线上的点，δ为入口螺母壁厚，x的取值范围为[-a, a]，其中a的取值为

。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器，其特征在于：所述弹性件（4）为弹簧或弹性垫圈。

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