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】
[0001] 本发明设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】
[0002] 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，造成的运 种水蚀程度也就不同。所W从汽轮机运行效率的角度，W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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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W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。
[0007] 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、溫度一定的情况下，汽轮机湿蒸汽的介电常数只决定于湿蒸汽 的湿度，因此，可W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。 [000引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。
[0009]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。运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。
[0010] 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】
[0011] 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。
[0012] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
[0013] 技术方案一：
[0014] -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；
[0015] 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TEm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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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溫度计，所 述压力计和溫度计的输出端接信号处理及控制器的相应输入端。
[0019] 技术方案二：
[0020] -种用于技术方案一所述系统的测量方法，其特征在于:包括W下步骤：
[0021 ]步骤1:现慢所述微波测量谐振腔在TEm模式下的谐振频率fi;
[0022] 步骤2:计算没有水膜时，微波测量谐振腔在TEm模式下的谐振频率：
[0023]
( 1 )
[0024] 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，1为所述微波测量谐振腔的长度。
[0025] 步骤3:计算水膜引起的谐振频率偏移A fw-i:
[0026] Afw-i = fW〇2 (2)
[0027] 步骤4:求解湿度传感器内壁水膜厚度h: (3)
[002引
[0
[0030]式中，Er是水的相对复介电常数的实部，Kc2 = 1.841/a，Jo为0阶贝塞尔函数，Ji为I 阶贝塞尔函数，J2为2阶贝塞尔函数；
[0031 ] TEm模式下湿度传感器内壁水膜厚度h通过求解(3)式获得。
[0032] 本发明的有益效果在于：
[0033] 本发明基于圆柱波导谐振腔微波微扰法TEm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】
[0034] 图1是本发明中测量系统的原理框图；
[0035] 图2是本发明中测量方法的结构示意图；
[0036] 图3是本发明中测量方法的流程图。
【具体实施方式】
[0037] 实施例1:
[0038] 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和溫度计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；
[0039] 所述压力计9和溫度计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 TEm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。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044]