微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)處理及控制器、掃頻信號(hào)源、隔離器、功率分配器、環(huán)形器、微波測(cè)量諧振腔、諧振頻率掃描模塊、壓力計(jì)和溫度計(jì)組成。本實(shí)用新型基于圓柱波導(dǎo)諧振腔TE111模式下工作，快速、準(zhǔn)確測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度，為消除水膜厚度對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果帶來的測(cè)量誤差，提高濕度測(cè)量精度，提供了便利條件。
【專利說明】
微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量汽濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，尤其是一種微波微 擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，屬于汽輪機(jī)濕蒸汽濕度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于汽輪機(jī)末幾級(jí)的濕蒸汽狀態(tài)，濕度過大會(huì)腐蝕葉片表面，濕度不同，造成的這 種水蝕程度也就不同。所以從汽輪機(jī)運(yùn)行效率的角度，以及從葉片水蝕程度的角度，在線精 確測(cè)定濕蒸汽的濕度對(duì)汽輪機(jī)的長期穩(wěn)定性及其壽命具有重大意義。目前國內(nèi)外用于汽輪 機(jī)內(nèi)流動(dòng)濕蒸汽濕度的測(cè)量方法主要是熱力學(xué)法、光學(xué)法、CCD成像法及微波金屬圓柱波導(dǎo) 微擾法。
[0003] 熱力學(xué)法是從汽輪機(jī)的排汽中抽取部分汽體樣本，引向測(cè)量段進(jìn)行處理，由于熱 力學(xué)濕度法濕度測(cè)量裝置的體積較大，只適用于在測(cè)量汽輪機(jī)排汽濕度等具有較大濕蒸汽 空間的場(chǎng)合使用，不能夠?qū)崿F(xiàn)濕蒸汽濕度的在線測(cè)量。
[0004] 光學(xué)法濕度測(cè)量依據(jù)的原理是當(dāng)光線通過含有細(xì)微顆?；蜢F滴的介質(zhì)時(shí)將產(chǎn)生 散射現(xiàn)象?？芍苯訙y(cè)出濕蒸汽中水滴的粒徑分布，裝置的外形尺寸小，對(duì)被測(cè)汽流的狀態(tài)無 干擾等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)用中要保證光學(xué)窗口的潔凈、不結(jié)露，測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)高。
[0005] CCD成像法采用圖像處理技術(shù)，顯微視頻技術(shù)和微粒圖像速度儀測(cè)量汽輪機(jī)中濕 蒸汽濕度和水滴直徑，但設(shè)備造價(jià)高，在準(zhǔn)確度等方面需進(jìn)一步的提高。
[0006] 微波金屬圓柱波導(dǎo)微擾法是基于微波諧振腔的微擾，其工作原理是:微波諧振腔 內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)的微小變化，將對(duì)諧振腔產(chǎn)生微擾，引起諧振腔諧振頻率的改變，通過測(cè)量 微波諧振腔諧振頻率的變化，可以測(cè)量微波諧振腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)濕蒸汽濕度 的在線測(cè)量。
[0007] 汽輪機(jī)濕蒸汽是由干飽和蒸汽和大量的細(xì)小霧滴組成的汽-水混合物，由于氣態(tài) 水和液態(tài)水的介電常數(shù)差別很大，因此汽輪機(jī)排汽的濕度不同，其介電常數(shù)也就不同。對(duì)于 一定頻率的微波場(chǎng)，在壓力、溫度一定的情況下，汽輪機(jī)濕蒸汽的介電常數(shù)只決定于濕蒸汽 的濕度，因此，可以通過測(cè)量汽輪機(jī)濕蒸汽的介電常數(shù)來實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)濕蒸汽濕度的測(cè)量。
[0008] 濕蒸汽濕度傳感器采用的是圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，為了讓濕蒸汽流過諧振腔，諧振腔兩 端開有圓環(huán)縫隙。諧振腔采用全金屬結(jié)構(gòu)，長時(shí)間工作在濕蒸汽狀態(tài)，諧振腔內(nèi)表面會(huì)形成 一層水膜，使諧振腔諧振頻率發(fā)生偏移，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。可見，水膜對(duì)濕蒸汽濕 度測(cè)量系統(tǒng)的精確度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此有必要對(duì)水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，消除水膜厚度 對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的測(cè)量誤差，提高濕度測(cè)量精度。
[0009] 目前，國內(nèi)外對(duì)諧振腔內(nèi)表面形成的水膜層厚度測(cè)量還未見文獻(xiàn)報(bào)道，水膜厚度 測(cè)量有采用電容傳感器測(cè)量水膜厚度的方法及利用反射強(qiáng)度調(diào)制型位移光纖傳感器對(duì)水 潤滑情況下滑靴副的水膜厚度測(cè)量的光纖法。這些方法都不適合諧振腔內(nèi)表面水膜厚度的 測(cè)量，而且光纖法成本高，設(shè)備復(fù)雜。
[0010]因此，迫切需要研究一種結(jié)構(gòu)簡單，適合諧振腔內(nèi)表面水膜厚度的測(cè)量方法，滿足 在線監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽濕度測(cè)量的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，本實(shí)用新型提出一種微波微擾法測(cè)量濕度傳感 器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：
[0013] 一種微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，由信號(hào)處理及控制器、掃 頻信號(hào)源、隔離器、功率分配器、環(huán)形器、微波測(cè)量諧振腔、諧振頻率掃描模塊、壓力計(jì)和溫 度計(jì)組成;所述諧振頻率掃描模塊由乘法器和低通濾波器組成；
[0014] 所述壓力計(jì)和溫度計(jì)的輸出端接信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)輸入端，所述信號(hào)處理 及控制器的控制輸出端接掃頻信號(hào)源的輸入端，所述掃頻信號(hào)源在信號(hào)處理及控制器控制 下生成掃頻信號(hào)，掃描信號(hào)經(jīng)隔離器輸入功率分配器，所述功率分配器輸出的一路信號(hào)經(jīng) 環(huán)形器由乘法器的第一輸入端輸入，另一路信號(hào)由乘法器的第二輸入端輸入乘法器，另一 路信號(hào)由乘法器的第二輸入端輸入乘法器，所述乘法器將第一輸入端輸入的信號(hào)和第二輸 入端輸入的信號(hào)乘積信號(hào)經(jīng)低通濾波器輸入信號(hào)處理及控制器;所述環(huán)形器的相應(yīng)端口與 所述微波測(cè)量諧振腔連接;所述微波測(cè)量諧振腔允許待測(cè)濕蒸汽自由通過;所述微波掃頻 信號(hào)源的頻率掃描范圍由測(cè)量諧振腔的諧振頻率決定;所述微波測(cè)量諧振腔為兩端開設(shè)圓 環(huán)縫隙的圓柱波導(dǎo)諧振腔，其諧振頻率為f O2:
[0015] (1)
[0016] 式中，c為光速為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所述微波測(cè)量諧振腔的半 徑，1為所述微波測(cè)量諧振腔的長度。
[0017] 所述功率分配器為1:2功率分配器，所述掃頻信號(hào)源為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率掃 描范圍為5.3G-5.7G。
[0018] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0019] 本實(shí)用新型基于圓柱波導(dǎo)諧振腔微波微擾法TEm模式工作，準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽濕度 傳感器內(nèi)壁水膜厚度，給出對(duì)金屬內(nèi)表面水膜、液膜厚度的測(cè)量方法，解決目前缺少圓柱型 金屬內(nèi)表面水膜、液膜厚度的測(cè)量方法問題，為消除水膜厚度對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果帶來的測(cè)量 誤差提供了便利條件。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本實(shí)用新型中測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖；
[0021] 圖2是本實(shí)用新型中測(cè)量方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】 [0022] 實(shí)施例1:
[0023] 如圖1所示，由信號(hào)處理及控制器1、掃頻信號(hào)源2、隔離器3、功率分配器4、環(huán)形器 5、微波測(cè)量諧振腔6、諧振頻率掃描模塊、壓力計(jì)9和溫度計(jì)（10)組成;所述諧振頻率掃描模 塊由乘法器7和低通濾波器8組成；
[0024] 所述壓力計(jì)9和溫度計(jì)10的輸出端接信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸入端，所述信號(hào) 處理及控制器1的控制輸出端接掃頻信號(hào)源2的輸入端，所述掃頻信號(hào)源2在信號(hào)處理及控 制器1控制下生成掃頻信號(hào)，掃描信號(hào)經(jīng)隔離器3輸入功率分配器4,所述功率分配器4輸出 的一路信號(hào)經(jīng)環(huán)形器5由乘法器7的第一輸入端輸入乘法器7,另一路信號(hào)由乘法器7的第二 輸入端輸入乘法器7,所述乘法器7將第一輸入端輸入的信號(hào)和第二輸入端輸入的信號(hào)乘積 信號(hào)經(jīng)低通濾波器8輸入信號(hào)處理及控制器1;所述環(huán)形器5的相應(yīng)端口與所述微波測(cè)量諧 振腔6連接;所述微波測(cè)量諧振腔允許待測(cè)濕蒸汽自由通過;所述微波掃頻信號(hào)源2的頻率 掃描范圍由測(cè)量諧振腔6的諧振頻率決定;所述微波測(cè)量諧振腔6為兩端開設(shè)圓環(huán)縫隙的圓 柱波導(dǎo)諧振腔，其諧振頻率為f 〇2:
[0025] (1)
[0026] 式中，c為光速，A?為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所述微波測(cè)量諧振腔6的半 徑，1為所述微波測(cè)量諧振腔6的長度。
[0027]所述功率分配器4為1:2功率分配器，所述掃頻信號(hào)源2為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率 掃描范圍為5.3G-5.7G。
[0028]如圖2所示，所述功率分配器4為1:2功率分配器，所述掃頻信號(hào)源2為5.3G-5.7G頻 率范圍的DDS掃頻信號(hào)源。
[0029]在本實(shí)施例中，微波測(cè)量諧振腔6采用授權(quán)公告號(hào)CN101183081B的發(fā)明專利"用于 蒸汽濕度檢測(cè)的微波傳感器"中描述的微波傳感器。掃頻信號(hào)源2的型號(hào)為MW88-C。隔離器3 的型號(hào)為CTP-4080A。功率分配器4的型號(hào)為ZFSC-2-10G。乘法器7的型號(hào)為McAl-113H;低通 濾波器8的型號(hào)為SCLF-30;環(huán)形器5的型號(hào)為CTP-4080H。
[0030]測(cè)量諧振腔6用支架支撐置于汽輪機(jī)排氣缸內(nèi)，其軸線上下平行。測(cè)量諧振腔6的 微波信號(hào)傳輸接口分別通過矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器連接到環(huán)形器5的相應(yīng)端口，矩形 波導(dǎo)穿過汽輪機(jī)的機(jī)箱外殼和汽輪機(jī)排氣缸外殼進(jìn)入汽輪機(jī)排氣缸內(nèi)，溫度計(jì)10和壓力計(jì) 9分別固定在測(cè)量諧振腔6的外壁上，測(cè)量濕蒸汽濕度時(shí)。測(cè)量諧振腔6的軸線均與汽輪機(jī)排 汽氣流方向平行，讓濕蒸汽自由流過腔體。
[0031 ]系統(tǒng)啟動(dòng)后，掃頻微波信號(hào)源2從低到高掃頻輸出TEm模式工作頻率范圍的微波 信號(hào)，該掃頻信號(hào)由功率分配器分為2路功率相等的信號(hào)輸出。一路信號(hào)輸出用于激勵(lì)微波 測(cè)量諧振腔6;另一路信號(hào)輸出用于乘法器7的參考信號(hào)。測(cè)量諧振腔6內(nèi)充滿待測(cè)濕蒸汽， 其等效相對(duì)介電常數(shù)為ε?。當(dāng)掃頻微波信號(hào)源2的工作頻率與諧振腔的諧振頻率相同時(shí)，系 統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，經(jīng)諧振頻率掃描模塊進(jìn)行掃描測(cè)頻，測(cè)出諧振頻率，并將測(cè)頻結(jié)果送入信 號(hào)處理及控制器1器進(jìn)行處理，可得到當(dāng)前環(huán)境下微波測(cè)量諧振腔6內(nèi)壁表面的水膜厚度h 引起的諧振頻率的偏移，計(jì)算出濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度h，在測(cè)量濕度計(jì)算中對(duì)其進(jìn)行抵 消處理后，可以提高水蒸氣濕度的測(cè)量精度。
[0032]本實(shí)用新型應(yīng)用諧振腔微擾理論，分析由水膜引起的TEm模式的諧振頻率偏移。 微波測(cè)量諧振腔6兩端開縫，讓待測(cè)濕蒸汽自由通過，即測(cè)量諧振腔6內(nèi)充滿待測(cè)濕蒸汽。微 波測(cè)量諧振腔6工作在圓柱波導(dǎo)諧振腔的TEm模式。通過測(cè)量諧振腔6的諧振頻率，求得水 膜厚度h帶來的諧振頻率偏移，進(jìn)而求出微波測(cè)量諧振腔6內(nèi)壁的水膜厚度h。在濕蒸汽濕度 測(cè)量時(shí)消除水膜厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的測(cè)量誤差，有利于提高濕度測(cè)量精度。
[0033] 測(cè)量諧振腔為微波圓柱波導(dǎo)諧振腔，以TEm模式工作，圓柱坐標(biāo)系下的圓柱波導(dǎo) 諧振腔的電場(chǎng)方程為：
[0034] ,-、 (1)
[0035] 、 (2 )
[0036] 式中，Kc2 = 1.841 /a，Am為腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度在r方向的幅值。a為圓柱波導(dǎo)諧振腔的半 徑，1為圓柱波導(dǎo)諧振腔的長度，r為半徑方向變量，z為長度方向變量，為橫截面上角度變 量
分別為圓柱波導(dǎo)腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布，J1, Ji'分別為1階貝塞爾函數(shù)和1階貝塞爾函 數(shù)的1階導(dǎo)數(shù)。
[0037] 設(shè)圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)為充滿相對(duì)介電常數(shù)均值erm的濕蒸汽，沒有水膜時(shí)，圓柱波 導(dǎo)諧振腔的諧振頻率為f 〇2:
[0038] (3)
[0039] 式中，c為光速，a為圓柱波導(dǎo)諧振腔的半徑，1為圓柱波導(dǎo)諧振腔的長度。產(chǎn)生厚度 為h水膜后，諧振頻率由f〇2變?yōu)閒 i，應(yīng)用微擾法，得諧振頻率的改變量為Δ fVq，Δ = f ^ f 02,滿足：
[0040]
[0042] 式中，是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，erm為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)，a為諧振腔 的半徑，h為水膜厚度，1(。 2 = 1.841/&，上為0階貝塞爾函數(shù)，11為1階貝塞爾函數(shù)，12為2階貝塞 爾函數(shù)。
[0043] 汽輪機(jī)中流動(dòng)濕蒸汽濕度一般為6%~15%，在0.007MPa壓力環(huán)境下，其相對(duì)介電 常數(shù)erm為1.0006~1.00062。取濕度1 %~70%，其相對(duì)介電常數(shù)erm為1.0005~1.0009。對(duì) erm在1.0005~1.0009范圍內(nèi)取不同的值，式(3)、式(4)的結(jié)果幾乎無變化，所以可采用erm 的均值?帶入式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算。
[0044] 由式(4)即可求得h與fi和f〇2的關(guān)系。
[0045] 本實(shí)施例中，圓柱波導(dǎo)諧振腔半徑為20.598mm，長度為41.196mm，空氣填充時(shí)圓柱 波導(dǎo)諧振腔的TEm模式的諧振頻率為5.609GHz。某一時(shí)刻，濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值取 ' =1.0007 ,水的相對(duì)介電常數(shù)εΓ = 81。
[0046] 本實(shí)施例中，掃頻微波信號(hào)源從低到高輸出頻率范圍為5.4GHz~5.61GHz頻段的 微波信號(hào)。TEm模式下，測(cè)量諧振腔6的諧振頻率Π = 5.531911004GHz。由（3)式計(jì)算出f02 = 5.607770197GHz;再計(jì)算由水膜厚度引起的諧振頻率偏移Δ = f ^fo2 = -〇. 07586GHz =- 75.86MHz。最后由式(4)可得到水膜厚度h = 50ym。
[0047] 需要說明的是，在未脫離本實(shí)用新型構(gòu)思前提下，對(duì)本實(shí)用新型所做的任何微小 變化與修飾均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，其特征在于:包括信號(hào)處理 及控制器（1)、掃頻信號(hào)源（2)、隔離器（3)、功率分配器(4)、環(huán)形器（5)、微波測(cè)量諧振腔 (6 )、諧振頻率掃描模塊;所述諧振頻率掃描模塊由乘法器(7)和低通濾波器(8)組成； 所述信號(hào)處理及控制器（1)的控制輸出端接掃頻信號(hào)源(2)的輸入端，所述掃頻信號(hào)源 (2)在信號(hào)處理及控制器（1)控制下生成掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)經(jīng)隔離器(3)輸入功率分配器 (4)，所述功率分配器(4)輸出的一路信號(hào)經(jīng)環(huán)形器(5)由乘法器(7)的第一輸入端輸入乘法 器(7)，另一路信號(hào)由乘法器(7)的第二輸入端輸入乘法器(7)，所述乘法器(7)將第一輸入 端輸入的信號(hào)和第二輸入端輸入的信號(hào)乘積信號(hào)經(jīng)低通濾波器(8)輸入信號(hào)處理及控制器 (1);所述環(huán)形器(5)的相應(yīng)端口與所述微波測(cè)量諧振腔(6)連接;所述微波測(cè)量諧振腔(6) 允許待測(cè)濕蒸汽自由通過;所述微波掃頻信號(hào)源(2)的頻率掃描范圍由測(cè)量諧振腔(6)的諧 振頻率決定;所述微波測(cè)量諧振腔(6)為兩端開設(shè)圓環(huán)縫隙的圓柱波導(dǎo)諧振腔，其諧振頻率 為 f〇2:(1) 式中，C為光速，島"為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所述微波測(cè)量諧振腔(6)的半徑， 1為所述微波測(cè)量諧振腔(6)的長度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，其特征在 于:所述功率分配器(4)為1:2功率分配器，所述掃頻信號(hào)源(2)為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率掃 描范圍為5.3G-5.7G。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波微擾法測(cè)量濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度的系統(tǒng)，其特征在 于:還包括壓力計(jì)(9)和溫度計(jì)（10);所述壓力計(jì)(9)和溫度計(jì)（10)的輸出端接信號(hào)處理及 控制器(1)的相應(yīng)輸入端。
【文檔編號(hào)】G01B15/02GK205537551SQ201620391476
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張淑娥, 孫麗紅, 楊再旺
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)（保定）