一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法技術方案

本發(fā)明專利技術公開了一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法，測量系統由信號處理及控制器、微波掃頻信號源、隔離器、功率分配器、第一環(huán)形器、測量諧振腔、第二環(huán)形器、參考諧振腔、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、壓力計和溫度計組成；測量方法包括以下步驟：分別測量測量諧振腔與參考諧振腔在TE111模式和TE011模式下的諧振頻率；計算濕蒸汽的相對介電常數；計算沒有水膜時，測量諧振腔在TE111模式下的諧振頻率；分別計算水膜在雙模式引起的諧振頻率偏移；計算TE011模式下蒸汽濕度引起的諧振頻率偏移，由其求得蒸汽濕度。本發(fā)明專利技術采用雙通道雙模諧振模式工作，準確測量濕蒸汽濕度傳感器內壁水膜厚度，消除水膜厚度及環(huán)境溫度引起的測量誤差，提高濕度測量精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法，尤其是一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法，屬于汽輪機蒸汽濕度在線監(jiān)測

技術介紹
對于汽輪機末幾級的濕蒸汽狀態(tài)，濕度過大會腐蝕葉片表面，濕度不同，造成的這種水蝕程度也就不同。所以從汽輪機運行效率的角度，以及從葉片水蝕程度的角度，在線精確測定濕蒸汽的濕度對汽輪機的長期穩(wěn)定性及其壽命具有重大意義。目前國內外用于汽輪機內流動濕蒸汽濕度的測量方法主要是熱力學法、光學法、CCD成像法及微波金屬圓柱波導微擾法。熱力學法是從汽輪機的排汽中抽取部分汽體樣本，引向測量段進行處理，由于熱力學濕度法濕度測量裝置的體積較大，只適用于在測量汽輪機排汽濕度等具有較大蒸汽空間的場合使用，不能夠實現蒸汽濕度的在線測量。光學法濕度測量依據的原理是當光線通過含有細微顆?；蜢F滴的介質時將產生散射現象?？芍苯訙y出蒸汽中水滴的粒徑分布，裝置的外形尺寸小，對被測汽流的狀態(tài)無干擾等優(yōu)點，但實用中要保證光學窗口的潔凈、不結露，測量結構復雜，設備造價高。CCD成像法采用圖像處理技術，顯微視頻技術和微粒圖像速度儀測量汽輪機中蒸汽濕度和水滴直徑，但設備造價高，在準確度等方面需進一步的提高。微波金屬圓柱波導諧振腔微擾法是微波諧振腔的微擾，其工作原理是：微波諧振腔內介質介電常數的微小變化，將對微波諧振腔產生微擾，引起微波諧振腔諧振頻率的改變，通過測量微波諧振腔諧振頻率的變化，可以測量微波諧振腔內介質介電常數，能夠實現蒸汽濕度的在線測量。汽輪機濕蒸汽是由干飽和蒸汽和大量的細小霧滴組成的汽-水混合物，由于氣態(tài)水和液態(tài)水的介電常數差別很大，因此汽輪機排汽的濕度不同，其介電常數也就不同。對于一定頻率的微波場，在壓力、溫度一定的情況下，汽輪機濕蒸汽的介電常數只決定于濕蒸汽的濕度，因此，可以通過測量汽輪機濕蒸汽的介電常數來實現汽輪機濕蒸汽濕度的測量。濕蒸汽濕度傳感器采用的是圓柱波導諧振腔結構，為了讓濕蒸汽流過圓柱波導諧振腔，圓柱波導諧振腔兩端開有圓環(huán)縫隙。圓柱波導諧振腔采用全金屬結構，長時間工作在濕蒸汽狀態(tài)，圓柱波導諧振腔內表面會形成一層水膜，使圓柱波導諧振腔諧振頻率發(fā)生偏移，從而使測量結果產生偏差?？梢?，水膜對蒸汽濕度測量系統的精確度會產生一定的影響，因此有必要對水膜厚度進行測量，消除水膜厚度對測量結果帶來的測量誤差，提高濕度測量精度。目前，國內外對微波諧振腔內表面形成的水膜層厚度測量還未見文獻報道，目前微波圓柱波導諧振腔濕度測量中大多使用一個圓柱波導諧振腔作為濕度傳感器，稱為單腔測量系統，單腔測量系統對微波源的頻率穩(wěn)定度要求較高，而且無法消除圓柱波導諧振腔體熱膨脹因素的影響；個別學位論文報道使用兩個圓柱波導諧振腔作為濕度傳感器，稱為雙腔測量系統，雙腔測量系統對微波源的頻率穩(wěn)定度要求不是很高，而且消除了圓柱波導諧振腔體熱膨脹因素的影響，但目前的雙腔測量系統沒有考慮圓柱波導諧振腔內表面形成的一層水膜對測量結果帶來的測量誤差，影響了測量精度；因此，迫切需要研究一種結構簡單，能夠消除水膜厚度引起的測量誤差的測量方法，提高濕度測量精度，滿足在線監(jiān)測汽輪機內蒸汽濕度測量的要求。
技術實現思路
針對上述現有技術的缺陷或不足，本專利技術提出一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案如下：技術方案一：一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統和方法，包括信號處理及控制器、微波掃頻信號源、隔離器、功率分配器、測量諧振腔、參考諧振腔、測量通道和參考通道組成；所述功率分配器為1:4功率分配器；所述信號處理及控制器的控制輸出端接微波掃頻信號源的輸入端，所述微波掃頻信號源在信號處理及控制器控制下生成掃頻信號，掃描信號經隔離器輸入功率分配器，所述功率分配器輸出的第一路信號和第二路信號經測量通道輸出至信號處理及控制器的相應輸入端，第三路信號和第四路信號經參考通道輸出至信號處理及控制器的相應輸入端；所述測量通道由第一環(huán)形器、第一乘法器、第一低通濾波器組成；所述功率分配器輸出的一路信號經第一環(huán)形器由第一乘法器的第一輸入端輸入第一乘法器，另一路信號由第一乘法器的第二輸入端輸入第一乘法器，所述第一乘法器的第一輸入端輸入的信號和第二輸入端輸入的信號的乘積信號經第一低通濾波器輸入信號處理及控制器；所述參考通道由第二環(huán)形器、第二乘法器、第二低通濾波器組成，其結構與測量通道相同；所述環(huán)形器的相應端口與所述測量諧振腔連接；所述第二環(huán)形器與參考諧振腔連接；所述參考諧振腔與測量諧振腔為尺寸相同的圓柱波導諧振腔，所述參考諧振腔為封閉腔，充滿干飽和蒸汽；所述測量諧振腔兩端開縫，待測蒸汽自由通過所述測量諧振腔；所述微波掃頻信號源的第一頻率掃描范圍由測量諧振腔的半徑、長度和工作模式決定，第二頻率掃描范圍由參考諧振腔的半徑、長度和工作模式決定。所述的雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統還包括壓力計和溫度計；所述壓力計和溫度計的輸出端接信號處理及控制器的相應輸入端。所述微波掃頻信號源為DDS微波掃頻信號源，其第一頻率掃描范圍為5.3G-5.7G，第二頻率掃描范圍為9.3G-9.7G。技術方案二：一種用于技術方案一所述系統的測量方法，包括以下步驟：步驟1：分別測量所述測量諧振腔與參考諧振腔在TE111模式下的諧振頻率f1和f2；步驟2：分別測量所述測量諧振腔與參考諧振腔在TE011模式下的諧振頻率f3和f4；步驟3：計算濕蒸汽的相對介電常數εrm：εrm＝(f4/f3)2εrv (1)式中，εrv為干飽和蒸汽的相對介電常數；步驟4：計算沒有水膜時，測量諧振腔在TE111模式下的諧振頻率f02： f 02 = f 2 / ϵ r m - - - ( 2 ) ]]>步驟5：計算TE111模式下水膜厚度0<hi<＝200μm，0<i<＝N，引起的相應頻率偏移Δfw-1,i： Δf w - 1 , i f 02 = - ( ϵ r - ϵ r m ) ∫ a - h 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統，其特征在于：包括信號處理及控制器(1)、微波掃頻信號源(2)、隔離器(3)、功率分配器(4)、測量諧振腔(6)、參考諧振腔(10)、測量通道和參考通道組成；所述功率分配器為1∶4功率分配器；所述信號處理及控制器(1)的控制輸出端接微波掃頻信號源(2)的輸入端，所述微波掃頻信號源(2)在信號處理及控制器(1)控制下生成掃頻信號，掃頻信號經隔離器(3)輸入功率分配器(4)，所述功率分配器(4)輸出的第一路信號和第二路信號經測量通道輸出至信號處理及控制器(1)的相應輸入端，第三路信號和第四路信號經參考通道輸出至信號處理及控制器(1)的相應輸入端；所述測量通道由第一環(huán)形器(5)、第一乘法器(7)、第一低通濾波器(8)組成；所述功率分配器(4)輸出的一路信號經第一環(huán)形器(5)由第一乘法器(7)的第一輸入端輸入第一乘法器(7)，另一路信號由第一乘法器(7)的第二輸入端輸入第一乘法器(7)，所述第一乘法器(7)的第一輸入端輸入的信號和第二輸入端輸入的信號的乘積信號經第一低通濾波器(8)輸入信號處理及控制器(1)；所述參考通道由第二環(huán)形器(9)、第二乘法器(11)、第二低通濾波器(12)組成，其結構與測量通道相同；所述第一環(huán)形器(5)的相應端口與所述測量諧振腔(6)連接；所述第二環(huán)形器(9)與參考諧振腔(10)連接；所述參考諧振腔(10)與測量諧振腔(6)為尺寸相同的圓柱波導諧振腔，所述參考諧振腔(10)為封閉腔，充滿干飽和蒸汽；所述測量諧振腔(6)兩端開縫，待測蒸汽自由通過所述測量諧振腔(6)；所述微波掃頻信號源的第一頻率掃描范圍由測量諧振腔(6)的半徑、長度和工作模式決定，第二頻率掃描范圍由參考諧振腔(10)的半徑、長度和工作模式決定。...

【技術特征摘要】
1.一種雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統，其特征在于：包括信號處理及控制器(1)、微波掃頻信號源(2)、隔離器(3)、功率分配器(4)、測量諧振腔(6)、參考諧振腔(10)、測量通道和參考通道組成；所述功率分配器為1∶4功率分配器；所述信號處理及控制器(1)的控制輸出端接微波掃頻信號源(2)的輸入端，所述微波掃頻信號源(2)在信號處理及控制器(1)控制下生成掃頻信號，掃頻信號經隔離器(3)輸入功率分配器(4)，所述功率分配器(4)輸出的第一路信號和第二路信號經測量通道輸出至信號處理及控制器(1)的相應輸入端，第三路信號和第四路信號經參考通道輸出至信號處理及控制器(1)的相應輸入端；所述測量通道由第一環(huán)形器(5)、第一乘法器(7)、第一低通濾波器(8)組成；所述功率分配器(4)輸出的一路信號經第一環(huán)形器(5)由第一乘法器(7)的第一輸入端輸入第一乘法器(7)，另一路信號由第一乘法器(7)的第二輸入端輸入第一乘法器(7)，所述第一乘法器(7)的第一輸入端輸入的信號和第二輸入端輸入的信號的乘積信號經第一低通濾波器(8)輸入信號處理及控制器(1)；所述參考通道由第二環(huán)形器(9)、第二乘法器(11)、第二低通濾波器(12)組成，其結構與測量通道相同；所述第一環(huán)形器(5)的相應端口與所述測量諧振腔(6)連接；所述第二環(huán)形器(9)與參考諧振腔(10)連接；所述參考諧振腔(10)與測量諧振腔(6)為尺寸相同的圓柱波導諧振腔，所述參考諧振腔(10)為封閉腔，充滿干飽和蒸汽；所述測量諧振腔(6)兩端開縫，待測蒸汽自由通過所述測量諧振腔(6)；所述微波掃頻信號源的第一頻率掃描范圍由測量諧振腔(6)的半徑、長度和工作模式決定，第二頻率掃描范圍由參考諧振腔(10)的半徑、長度和工作模式決定。2.根據權利要求1所述的雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統，其特征在于：所述微波掃頻信號源(2)為DDS微波掃頻信號源，其第一頻率掃描范圍為5.3G-5.7G，第二頻率掃描范圍為9.3G-9.7G。3.根據權利要求1所述的雙模雙通道汽輪機蒸汽濕度測量系統，其特征在于：還包括壓力計(13)、溫度計(14)，所述壓力計(13)和溫度計(14)的輸出端接信號處理及控制器(1)的相應輸入端。4.一種用于權利要求1所述系統的測量方法，包括以下步驟：步驟1：分別測量所述測量諧振腔(6)與參考諧振腔(10)在TE111模式下的諧振頻率f1和f2；步驟2：分別測量所述測量諧振腔(6)與參考諧振腔(10)在TE011模式下的諧振頻率f3和f4；步驟3：計算濕蒸汽的相對介電常數εrm：εrm＝(f4/f3)2εrv (1)式中，εrv為干飽和蒸汽的相對介電常數；步驟4：計算沒有水膜時，測量諧振腔(6)在TE111模式下的諧振頻率f02： f 02 = f 2 / ϵ r m - - - ( 2 ) ]]>步驟5：計算TE111模式下水膜厚度0＜hi＜＝200μm，0＜i＜＝N，自然數引起的相應頻率偏移Δfw-1，i： Δf w - 1 , i f 02 = - ( ϵ r - ϵ r m ) ∫ a - h i 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 C 2 r ) - J ...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張淑娥，楊再旺，張京席，
申請(專利權)人：華北電力大學保定，
類型：發(fā)明
國別省市：河北;13