CN105716548A - 微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法，测量系统由信号处理及控制器、扫频信号源、隔离器、功率分配器、环形器、微波测量谐振腔、谐振频率扫描模块、压力计和温度计组成；测量方法包括以下步骤：测量微波测量谐振腔在TE₁₁₁模式下的谐振频率；计算没有水膜时，微波测量谐振腔在TE₁₁₁模式下的谐振频率；计算水膜引起的谐振频率偏移；求解TE₁₁₁模式下湿度传感器内壁水膜厚度。本发明基于圆柱波导谐振腔TE₁₁₁模式下工作，快速、准确测量湿度传感器内壁水膜厚度，为消除水膜厚度对湿度测量结果带来的测量误差，提高湿度测量精度，提供了便利条件。

Description

微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种测量汽湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法，尤其是一种微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法，属于汽轮机湿蒸汽湿度在线监测技术领域。

背景技术

对于汽轮机末几级的湿蒸汽状态，湿度过大会腐蚀叶片表面，湿度不同，造成的这种水蚀程度也就不同。所以从汽轮机运行效率的角度，以及从叶片水蚀程度的角度，在线精确测定湿蒸汽的湿度对汽轮机的长期稳定性及其寿命具有重大意义。目前国内外用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度的测量方法主要是热力学法、光学法、CCD成像法及微波金属圆柱波导微扰法。

热力学法是从汽轮机的排汽中抽取部分汽体样本，引向测量段进行处理，由于热力学湿度法湿度测量装置的体积较大，只适用于在测量汽轮机排汽湿度等具有较大湿蒸汽空间的场合使用，不能够实现湿蒸汽湿度的在线测量。

光学法湿度测量依据的原理是当光线通过含有细微颗粒或雾滴的介质时将产生散射现象。可直接测出湿蒸汽中水滴的粒径分布，装置的外形尺寸小，对被测汽流的状态无干扰等优点，但实用中要保证光学窗口的洁净、不结露，测量结构复杂，设备造价高。

CCD成像法采用图像处理技术，显微视频技术和微粒图像速度仪测量汽轮机中湿蒸汽湿度和水滴直径，但设备造价高，在准确度等方面需进一步的提高。

微波金属圆柱波导谐振腔微扰法是微波谐振腔的微扰，其工作原理是：微波谐振腔内介质介电常数的微小变化，将对微波谐振腔产生微扰，引起微波谐振腔谐振频率的改变，通过测量微波谐振腔谐振频率的变化，可以测量微波谐振腔内介质介电常数，能够实现蒸汽湿度的在线测量。

汽轮机湿蒸汽是由干饱和蒸汽和大量的细小雾滴组成的汽-水混合物，由于气态水和液态水的介电常数差别很大，因此汽轮机排汽的湿度不同，其介电常数也就不同。对于一定频率的微波场，在压力、温度一定的情况下，汽轮机湿蒸汽的介电常数只决定于湿蒸汽的湿度，因此，可以通过测量汽轮机湿蒸汽的介电常数来实现汽轮机湿蒸汽湿度的测量。

湿蒸汽湿度传感器采用的是圆柱波导谐振腔结构，为了让湿蒸汽流过圆柱波导谐振腔，圆柱波导谐振腔两端开有圆环缝隙。圆柱波导谐振腔采用全金属结构，长时间工作在湿蒸汽状态，圆柱波导谐振腔内表面会形成一层水膜，使圆柱波导谐振腔谐振频率发生偏移，从而使测量结果产生偏差。可见，水膜对蒸汽湿度测量系统的精确度会产生一定的影响，因此有必要对水膜厚度进行测量，消除水膜厚度对测量结果带来的测量误差，提高湿度测量精度。

目前，国内外对微波谐振腔内表面形成的水膜层厚度测量还未见文献报道，水膜厚度测量有采用电容传感器测量水膜厚度的方法及利用反射强度调制型位移光纤传感器对水润滑情况下滑靴副的水膜厚度测量的光纤法。这些方法都不适合谐振腔内表面水膜厚度的测量，而且光纤法成本高，设备复杂。

因此，迫切需要研究一种结构简单，适合微波谐振腔内表面水膜厚度的测量方法，满足在线监测汽轮机内湿蒸汽湿度测量的要求。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明提出一种微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

技术方案一：

一种微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统，包括信号处理及控制器、扫频信号源、隔离器、功率分配器、环形器、微波测量谐振腔、谐振频率扫描模块；所述谐振频率扫描模块由乘法器和低通滤波器组成；

所述信号处理及控制器的控制输出端接扫频信号源的输入端，所述扫频信号源在信号处理及控制器控制下生成扫频信号，扫描信号经隔离器输入功率分配器，所述功率分配器输出的一路信号经环形器由乘法器的第一输入端输入，另一路信号由乘法器的第二输入端输入乘法器，另一路信号由乘法器的第二输入端输入乘法器，所述乘法器将第一输入端输入的信号和第二输入端输入的信号乘积信号经低通滤波器输入信号处理及控制器；所述环形器的相应端口与所述微波测量谐振腔连接；所述微波测量谐振腔允许待测湿蒸汽自由通过；所述微波测量谐振腔工作在TE₁₁₁模式下，所述微波扫频信号源的频率扫描范围由测量谐振腔的谐振频率决定。

所述微波测量谐振腔为两端开设圆环缝隙的圆柱波导谐振腔，其谐振频率由半径、长度和工作模式决定。

所述功率分配器为1：2功率分配器，所述扫频信号源为DDS扫频信号源，其频率扫描范围为5.3G-5.7G。

所述微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统还包括压力计和温度计，所述压力计和温度计的输出端接信号处理及控制器的相应输入端。

技术方案二：

一种用于技术方案一所述系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：测量所述微波测量谐振腔在TE₁₁₁模式下的谐振频率f₁；

步骤2：计算没有水膜时，微波测量谐振腔在TE₁₁₁模式下的谐振频率：

$f_{02}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}}\sqrt{{\left(\frac{1.841}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，c为光速，为湿蒸汽的相对介电常数均值，a为所述微波测量谐振腔的半径，l为所述微波测量谐振腔的长度。

步骤3：计算水膜引起的谐振频率偏移Δf_w-1：

Δf_w-1＝f₁-f₀₂(2)

步骤4：求解湿度传感器内壁水膜厚度h：

$\frac{{\mathrm{\Δf}}_{w-1}}{f_1}=-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}){\∫}_{a-h}^a\left(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}{2\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}{\∫}_0^a\left(\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}=-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}})}{2\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}{W}_1(a,h)---\left(3\right)$

其中

式中，ε_r是水的相对复介电常数的实部，K_c2＝1.841/a，J₀为0阶贝塞尔函数，J₁为1阶贝塞尔函数，J₂为2阶贝塞尔函数；

TE₁₁₁模式下湿度传感器内壁水膜厚度h通过求解(3)式获得。

本发明的有益效果在于：

本发明基于圆柱波导谐振腔微波微扰法TE₁₁₁模式工作，准确测量湿蒸汽湿度传感器内壁水膜厚度，给出对金属内表面水膜、液膜厚度的测量方法，解决目前缺少圆柱型金属内表面水膜、液膜厚度的测量方法问题，为消除水膜厚度对湿度测量结果带来的测量误差提供了便利条件。

附图说明

图1是本发明中测量系统的原理框图；

图2是本发明中测量方法的结构示意图；

图3是本发明中测量方法的流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，由信号处理及控制器1、扫频信号源2、隔离器3、功率分配器4、环形器5、微波测量谐振腔6、谐振频率扫描模块、压力计9和温度计10组成；所述谐振频率扫描模块由乘法器7和低通滤波器8组成；

所述压力计9和温度计10的输出端接信号处理及控制器1的相应输入端，所述信号处理及控制器1的控制输出端接扫频信号源2的输入端，所述扫频信号源2在信号处理及控制器1控制下生成扫频信号，扫描信号经隔离器3输入功率分配器4，所述功率分配器4输出的一路信号经环形器5由乘法器7的第一输入端输入乘法器7，另一路信号由乘法器7的第二输入端输入乘法器7，所述乘法器7将第一输入端输入的信号和第二输入端输入的信号乘积信号经低通滤波器8输入信号处理及控制器1；所述环形器5的相应端口与所述微波测量谐振腔6连接；所述微波测量谐振腔允许待测湿蒸汽自由通过；所述微波测量谐振腔6工作在TE₁₁₁模式下，所述微波扫频信号源2的频率扫描范围由微波测量谐振腔6的谐振频率决定。

所述微波测量谐振腔6为两端开设圆环缝隙的圆柱波导谐振腔，其谐振频率由半径、长度和工作模式决定。

所述功率分配器4为1：2功率分配器，所述扫频信号源2为DDS扫频信号源，其频率扫描范围为5.3G-5.7G。

如图2所示，所述功率分配器4为1：2功率分配器，所述扫频信号源2为5.3G-5.7G频率范围的DDS扫频信号源。

在本实施例中，微波测量谐振腔6采用授权公告号CN101183081B的发明专利″用于蒸汽湿度检测的微波传感器″中描述的微波传感器。扫频信号源2的型号为MW88-C。隔离器3的型号为CTP-4080A。功率分配器4的型号为ZFSC-2-10G。乘法器7的型号为McA1-113H；低通滤波器8的型号为SCLF-30；环形器5的型号为CTP-4080H。

测量谐振腔6用支架支撑置于汽轮机排气缸内，其轴线上下平行。测量谐振腔6的微波信号传输接口分别通过矩形波导和波导同轴转换器连接到环形器5的相应端口，矩形波导穿过汽轮机排气缸外壳进入汽轮机排气缸内，温度计10和压力计9分别固定在测量谐振腔6的外壁上，测量湿蒸汽湿度时。测量谐振腔6的轴线均与汽轮机排汽气流方向平行，让湿蒸汽自由流过腔体。

系统启动后，扫频微波信号源2从低到高扫频输出TE₁₁₁模式工作频率范围的微波信号，该扫频信号由功率分配器分为2路功率相等的信号输出。一路信号输出用于激励微波测量谐振腔6；另一路信号输出用于乘法器7的参考信号。测量谐振腔6内充满待测湿蒸汽，其等效相对介电常数为ε_rm。当扫频微波信号源2的工作频率与谐振腔的谐振频率相同时，系统处于谐振状态，经谐振频率扫描模块进行扫描测频，测出谐振频率，并将测频结果送入信号处理及控制器1器进行处理，可得到当前环境下微波测量谐振腔6内壁表面的水膜厚度h引起的谐振频率的偏移，计算出湿度传感器内壁水膜厚度h，在测量湿度计算中对其进行抵消处理后，可以提高水蒸气湿度的测量精度。

实施例2：

如图3所示，一种用于实施例1所述系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：测量所述微波测量谐振腔6在TE₁₁₁模式下的谐振频率f₁；

步骤2：计算没有水膜时，微波测量谐振腔6在TE₁₁₁模式下的谐振频率：

$f_{02}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}}\sqrt{{\left(\frac{1.841}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，c为光速，为湿蒸汽的相对介电常数均值，a为所述微波测量谐振腔6的半径，l为所述微波测量谐振腔6的长度。

步骤3：计算水膜引起的谐振频率偏移Δf_w-1：

Δf_w-1＝f₁-f₀₂(2)

步骤4：求解湿度传感器内壁水膜厚度h：

$\frac{{\mathrm{\Δf}}_{w-1}}{f_1}=-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}){\∫}_{a-h}^a\left(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}{2\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}{\∫}_0^a\left(\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}=-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}})}{2\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}{W}_1(a,h)---\left(3\right)$

其中

式中，ε_r是水的相对复介电常数的实部，K_c2＝1.841/a，J₀为0阶贝塞尔函数，J₁为1阶贝塞尔函数，J₂为2阶贝塞尔函数；

TE₁₁₁模式下湿度传感器内壁水膜厚度h通过求解(3)式获得。

本发明应用谐振腔微扰理论，分析由水膜引起的TE₁₁₁模式的谐振频率偏移。微波测量谐振腔6两端开缝，让待测湿蒸汽自由通过，即测量谐振腔6内充满待测湿蒸汽。微波测量谐振腔6工作在圆柱波导谐振腔的TE₁₁₁模式。通过测量谐振腔6的谐振频率，求得水膜厚度h带来的谐振频率偏移，进而求出微波测量谐振腔6内壁的水膜厚度h。在湿蒸汽湿度测量时消除水膜厚度对测量结果带来的测量误差，有利于提高湿度测量精度。

测量谐振腔为微波圆柱波导谐振腔，以TE₁₁₁模式工作，圆柱坐标系下的圆柱波导谐振腔的电场方程为：

式中，K_c2＝1.841/a，A_m为腔内电场强度在r方向的幅值。a为圆柱波导谐振腔的半径，l为圆柱波导谐振腔的长度，r为半径方向变量，z为长度方向变量，为横截面上角度变量，E_r分别为圆柱波导腔内电场强度分布，J₁,J₁’分别为1阶贝塞尔函数和1阶贝塞尔函数的1阶导数。

设圆柱波导谐振腔内为充满相对介电常数均值ε_rm的湿蒸汽，没有水膜时，圆柱波导谐振腔的谐振频率可由(1)式计算。产生厚度为h水膜后，谐振频率由f₀₂变为f₁，应用微扰法，得谐振频率的改变量为Δf_w-1，Δf_w-1＝f₁-f₀₂，满足(3)式。

汽轮机中流动湿蒸汽湿度一般为6％～15％，在0.007MPa压力环境下，其相对介电常数ε_rm为1.0006～1.00062。取湿度1％～70％，其相对介电常数ε_rm为1.0005～1.0009。对ε_rm在1.0005～1.0009范围内取不同的值，式(1)、式(3)的结果几乎无变化，所以可采用ε_rm的均值带入式(1)、式(3)进行计算。

由式(3)即可求得h与f₁和f₀₂的关系。

本实施例中，圆柱波导谐振腔半径为20.598mm，长度为41.196mm，空气填充时圆柱波导谐振腔的TE₁₁₁模式的谐振频率为5.609GHz。某一时刻，湿蒸汽的相对介电常数均值取水的相对介电常数ε_r＝81。

本实施例中，扫频微波信号源从低到高输出频率范围为5.4GHz～5.61GHz频段的微波信号。TE₁₁₁模式下，测量谐振腔6的谐振频率f1＝5.531911004GHz。由式(1)得f₀₂＝5.607770197GHz；由水膜厚度引起的谐振频率偏移Δf_w-1＝f₁-f₀₂＝-0.07586GHz＝-75.86MHz。由式(3)可得到水膜厚度h＝50μm。

需要说明的是，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统，其特征在于：包括信号处理及控制器(1)、扫频信号源(2)、隔离器(3)、功率分配器(4)、环形器(5)、微波测量谐振腔(6)、谐振频率扫描模块；所述谐振频率扫描模块由乘法器(7)和低通滤波器(8)组成；

所述信号处理及控制器(1)的控制输出端接扫频信号源(2)的输入端，所述扫频信号源(2)在信号处理及控制器(1)控制下生成扫频信号，扫频信号经隔离器(3)输入功率分配器(4)，所述功率分配器(4)输出的一路信号经环形器(5)由乘法器(7)的第一输入端输入乘法器(7)，另一路信号由乘法器(7)的第二输入端输入乘法器(7)，所述乘法器(7)将第一输入端输入的信号和第二输入端输入的信号乘积信号经低通滤波器(8)输入信号处理及控制器(1)；所述环形器(5)的相应端口与所述微波测量谐振腔(6)连接；所述微波测量谐振腔(6)允许待测湿蒸汽自由通过；所述微波测量谐振腔(6)工作在TE₁₁₁模式下，所述微波扫频信号源(2)的频率扫描范围由测量谐振腔(6)的谐振频率决定。

2.根据权利要求1所述的微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统，其特征在于：所述微波测量谐振腔(6)为两端开设圆环缝隙的圆柱波导谐振腔，其谐振频率由半径、长度和工作模式决定。

3.根据权利要求1所述的微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统，其特征在于：所述功率分配器(4)为1：2功率分配器，所述扫频信号源(2)为DDS扫频信号源，其频率扫描范围为5.3G-5.7G。

4.根据权利要求1所述的微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统，其特征在于：还包括压力计(9)和温度计(10)；所述压力计(9)和温度计(10)的输出端接信号处理及控制器(1)的相应输入端。

5.一种用于权利要求1所述系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：测量所述微波测量谐振腔(6)在TE₁₁₁模式下的谐振频率f₁；

步骤2：计算没有水膜时，微波测量谐振腔(6)在TE₁₁₁模式下的谐振频率_f02：

$f_{02}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}}\sqrt{{\left(\frac{1.841}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，c为光速，为湿蒸汽的相对介电常数均值，a为所述微波测量谐振腔(6)的半径，l为所述微波测量谐振腔(6)的长度；

步骤3：计算水膜引起的谐振频率偏移Δf_w-1：

Δf_w-1＝f₁-f₀₂(2)

步骤4：求解微波测量谐振腔(6)内壁水膜厚度h：

$\frac{{\mathrm{\Δf}}_{w-1}}{f_1}=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}){\∫}_{a-h}^a\left(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}{2\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}{\∫}_0^a\left(\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}=-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-\stackrel{-}{{\mathrm{\ϵ}}_{rm}})}{\stackrel{-}{2{\mathrm{\ϵ}}_{rm}}}{W}_1(a,h)---\left(3\right)$

其中

$W_1(a,h)=\frac{{\∫}_{a-h}^a\left(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}{{\∫}_0^a\left(\right|J_{1\left(K_{C2}r\right)}{|}^2+k_{c2}^2{r}^2\frac{1}{4}{(J_{0\left(K_{C2}r\right)}-J_{2\left(K_{C2}r\right)})}^2)rdr}$

式中，ε_r是水的相对复介电常数的实部，K_c2＝1.841/a，J₀为0阶贝塞尔函数，J₁为1阶贝塞尔函数，J₂为2阶贝塞尔函数；

TE₁₁₁模式下微波测量谐振腔(6)内壁水膜厚度h通过求解(3)式获得。