[實用新型]用于蒸汽濕度測量的溫度自補償微波傳感器

無效

• 申請號: 201120213085.3
• 申請日: 2011-06-22
• 公開（公告）號: CN202101951U
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 錢江波;韓中合
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標事務所有限公司 13108
• 代理人: 李羨民;周曉萍

技術領域

本實用新型涉及一種用于對蒸汽濕度進行精確在線檢測的溫度自補償微波傳感器，屬測試技術領域。

背景技術

濕蒸汽是干飽和水蒸汽和飽和水滴兩相共存的汽液混合物。火電站凝汽式汽輪機低壓缸的末幾級和水冷堆核電汽輪機的全部級都工作在濕蒸汽區，隨著蒸汽濕度的增加，濕蒸汽給汽輪機帶來兩方面的問題：一是產生較大的濕汽損失，使濕蒸汽級的效率大大低于干蒸汽級；二是濕蒸汽中的水分會對汽輪機動葉產生侵蝕與沖擊，甚至發生斷裂，嚴重威脅汽輪機的安全運行。同時，蒸汽濕度的準確測量，也有助于確定汽輪機低壓缸的運行效率，了解濕蒸汽區級的工作狀態，為汽輪機的安全經濟運行提供指導以及為汽輪機的優化設計、結構改進提供參考。因此，汽輪機內蒸汽濕度的準確測量具有重要的理論意義與實用價值。

目前，測量蒸汽濕度的方法主要有熱力學法、光學法、微波法等，上述方法的檢測機理和優缺點簡述如下：

熱力學法包括節流法、凝結法、蒸汽-空氣混合法和加熱法，熱力學法測量蒸汽濕度時都需要從汽輪機末級主流中抽取試樣，測量結果受取樣影響較大，而且測量參數多，裝置復雜，累積誤差大，精度不高。

光學法測量蒸汽濕度是建立在光的散射基礎之上的，光束通過含有細微顆粒的均勻介質時，受到水滴光散射效應的影響，一部分會產生散射，另一部分會被顆粒吸收。通過測量濕蒸汽對光的散射或衰減從而求出濕蒸汽中水滴尺寸、數量和蒸汽濕度。光學法測量濕度受波長的限制，只能測量直徑較小的一次水滴的數目和分布特征，測量結果必然低于真實值。測量探針的光窗口必須置于氣流中，光窗口不可避免會沉積水膜和污染，所以該方法無法實現連續長期監測。

微波法測量蒸汽濕度，一定壓力（溫度）下，濕蒸汽的濕度不同其介電常數也就不同，而且兩者一一對應，因此，可以通過測量微波諧振腔內濕蒸汽的介電常數來檢測濕蒸汽的濕度。水分子是一種極性很強的偶極子，在外電場作用下，水的極化程度遠遠大于其它物質。不同形態的水，其介電常數差別很大，常溫下干水蒸汽的介電常數接近1，液態水的介電常數約為80。汽輪機內濕蒸汽是由氣態水和液態水組成的混合物，液態水是由均勻散布的細小水滴組成的。其中，大部分是通過自發凝結增長過程形成的直徑為0.01μm～2μm的一次水滴，這部分水滴的數量巨大（可達10⁷個/cm3），占濕蒸汽中液相質量的90%以上，其余水分為直徑較大二次水滴（10μm～200μm）。在微波頻段，電磁波波長不同，汽液兩相所占的比例不同，混合物表現的介電性質也就不同。因此，一定微波頻率和一定壓力（溫度）的濕蒸汽的等效復介電常數的大小也就反映了蒸汽濕度的大小，可以通過測量濕蒸汽的等效復介電常數來間接測量蒸汽的濕度。基于此思想，利用微波諧振腔微擾技術可以實現汽輪機內蒸汽濕度的實時測量。

諧振腔一般采用金屬加工而成，諧振腔的諧振頻率由腔體的結構、尺寸和填充介質的性質決定。蒸汽濕度測量傳感器一般采用易于加工的圓柱形諧振腔。如果諧振腔的結構、尺寸一定，當濕蒸汽的壓力（溫度）已知時，濕蒸汽濕度不同，其介電特性也不同，當濕蒸汽流過諧振腔，諧振腔的諧振頻率會發生相應變化，通過監測濕蒸汽的壓力（溫度）和諧振腔的諧振頻率的變化，就可以間接得到濕蒸汽的濕度變化。諧振腔結構尺寸的變化同樣會引起諧振頻率的變化，當測試環境溫度發生變化時，由于熱脹冷縮，腔體尺寸會發生變化，進而引起諧振頻率變化，影響蒸汽濕度的測量。如果不采用溫度補償措施，則溫度變化對諧振頻率和濕度測量的影響如圖6所示。（注：頻率變化????????????????????????????????????????????????；溫度變化。）圖中曲線由上而下依次為采用因瓦合金、不銹鋼、紫銅、硬鋁材料加工的諧振腔的溫度頻率特性，由于溫度變化引起材料熱膨脹，腔體尺寸變化引起的頻率波動要比蒸汽濕度變化引起的頻率變化大很多。而且，汽輪機排汽溫度是隨著環境溫度、運行負荷變化而波動的，幅度可以達到5-10℃。因此，需要對諧振腔進行溫度補償，否則濕度測量結果是沒有意義的。

實用新型內容

本實用新型用于解決上述已有技術之缺陷而提供一種結構簡單、性能可靠、環境適應能力強、成本低廉的用于蒸汽濕度測量的溫度自補償微波傳感器。

本實用新型所稱問題是由以下技術方案解決的：