[发明专利]用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种用于对蒸汽湿度进行精确在线检测的温度自补偿微波传感器，属测试技术领域。

背景技术

湿蒸汽是干饱和水蒸汽和饱和水滴两相共存的汽液混合物。火电站凝汽式汽轮机低压缸的末几级和水冷堆核电汽轮机的全部级都工作在湿蒸汽区，随着蒸汽湿度的增加，湿蒸汽给汽轮机带来两方面的问题：一是产生较大的湿汽损失，使湿蒸汽级的效率大大低于干蒸汽级；二是湿蒸汽中的水分会对汽轮机动叶产生侵蚀与冲击，甚至发生断裂，严重威胁汽轮机的安全运行。同时，蒸汽湿度的准确测量，也有助于确定汽轮机低压缸的运行效率，了解湿蒸汽区级的工作状态，为汽轮机的安全经济运行提供指导以及为汽轮机的优化设计、结构改进提供参考。因此，汽轮机内蒸汽湿度的准确测量具有重要的理论意义与实用价值。

目前，测量蒸汽湿度的方法主要有热力学法、光学法、微波法等，上述方法的检测机理和优缺点简述如下：

热力学法包括节流法、凝结法、蒸汽-空气混合法和加热法，热力学法测量蒸汽湿度时都需要从汽轮机末级主流中抽取试样，测量结果受取样影响较大，而且测量参数多，装置复杂，累积误差大，精度不高。

光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射基础之上的，光束通过含有细微颗粒的均匀介质时，受到水滴光散射效应的影响，一部分会产生散射，另一部分会被颗粒吸收。通过测量湿蒸汽对光的散射或衰减从而求出湿蒸汽中水滴尺寸、数量和蒸汽湿度。光学法测量湿度受波长的限制，只能测量直径较小的一次水滴的数目和分布特征，测量结果必然低于真实值。测量探针的光窗口必须置于气流中，光窗口不可避免会沉积水膜和污染，所以该方法无法实现连续长期监测。

微波法测量蒸汽湿度，一定压力（温度）下，湿蒸汽的湿度不同其介电常数也就不同，而且两者一一对应，因此，可以通过测量微波谐振腔内湿蒸汽的介电常数来检测湿蒸汽的湿度。水分子是一种极性很强的偶极子，在外电场作用下，水的极化程度远远大于其它物质。不同形态的水，其介电常数差别很大，常温下干水蒸汽的介电常数接近1，液态水的介电常数约为80。汽轮机内湿蒸汽是由气态水和液态水组成的混合物，液态水是由均匀散布的细小水滴组成的。其中，大部分是通过自发凝结增长过程形成的直径为0.01μm～2μm的一次水滴，这部分水滴的数量巨大（可达10⁷个/cm3），占湿蒸汽中液相质量的90%以上，其余水分为直径较大二次水滴（10μm～200μm）。在微波频段，电磁波波长不同，汽液两相所占的比例不同，混合物表现的介电性质也就不同。因此，一定微波频率和一定压力（温度）的湿蒸汽的等效复介电常数的大小也就反映了蒸汽湿度的大小，可以通过测量湿蒸汽的等效复介电常数来间接测量蒸汽的湿度。基于此思想，利用微波谐振腔微扰技术可以实现汽轮机内蒸汽湿度的实时测量。

谐振腔一般采用金属加工而成，谐振腔的谐振频率由腔体的结构、尺寸和填充介质的性质决定。蒸汽湿度测量传感器一般采用易于加工的圆柱形谐振腔。如果谐振腔的结构、尺寸一定，当湿蒸汽的压力（温度）已知时，湿蒸汽湿度不同，其介电特性也不同，当湿蒸汽流过谐振腔，谐振腔的谐振频率会发生相应变化，通过监测湿蒸汽的压力（温度）和谐振腔的谐振频率的变化，就可以间接得到湿蒸汽的湿度变化。谐振腔结构尺寸的变化同样会引起谐振频率的变化，当测试环境温度发生变化时，由于热胀冷缩，腔体尺寸会发生变化，进而引起谐振频率变化，影响蒸汽湿度的测量。如果不采用温度补偿措施，则温度变化对谐振频率和湿度测量的影响如图6所示。（注：频率变化                                                ；温度变化。）图中曲线由上而下依次为采用因瓦合金、不锈钢、紫铜、硬铝材料加工的谐振腔的温度频率特性，由于温度变化引起材料热膨胀，腔体尺寸变化引起的频率波动要比蒸汽湿度变化引起的频率变化大很多。而且，汽轮机排汽温度是随着环境温度、运行负荷变化而波动的，幅度可以达到5-10℃。因此，需要对谐振腔进行温度补偿，否则湿度测量结果是没有意义的。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种结构简单、性能可靠、环境适应能力强、成本低廉的用于蒸汽湿度测量的温度自补偿微波传感器。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：