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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术的缺陷或不足，本专利技术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。为实现上述专利技术目的，本专利技术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 = c 2 π ϵ r m - ( 1.841 a ) 2 + ( π l ) 2 - - - ( 1 ) ]]>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Δfw-1：Δfw-1＝f1-f02(2)步骤4：求解湿度传感器内壁水膜厚度h： Δf w - 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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 = c 2 π ϵ r m - ( 1.841 a ) 2 + ( π l ) 2 - - - ( 1 ) ]]>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Δfw-1：
Δfw-1＝f1-f02(2)
步骤4：求解微波测量谐振腔(6)内壁水膜厚度h：
Δf w - 1 f 1 = ( ϵ r - ϵ r m - ) ∫ a - h a ( 1 ϵ r | J 1 ( K C 2 r ) | 2 + k c 2 2 r 2 1 4 ( J 0 ( K C 2 r ) - J 2 ( K C 2 r ) ) 2 ) r d r 2 ϵ r m - ∫ 0 a ( | J 1 ( K C 2 r ) | 2 + k c 2 2 r 2 1 4 ( J 0 ( K ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张淑娥，杨再旺，宋文妙，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13