張淑娥, 孟憲蓋, 韓中合
(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003)
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蒸汽濕度微波諧振腔熱膨脹自補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)研究
張淑娥,孟憲蓋,韓中合
(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003)
摘要:研究了微波微擾法測(cè)量濕蒸汽過(guò)程中熱膨脹因素對(duì)諧振腔傳感器的影響,建立了系統(tǒng)工作頻率的熱膨脹校正方案,并提出了具有熱膨脹自補(bǔ)償功能的蒸汽濕度雙腔測(cè)量系統(tǒng).針對(duì)諧振腔傳感器受熱膨脹的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,給出了諧振腔熱膨脹過(guò)程的實(shí)測(cè)結(jié)果,分析并比較了上述系統(tǒng)與現(xiàn)有的單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)之間在熱補(bǔ)償方面的優(yōu)勢(shì).結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽濕度高精度在線測(cè)量,其濕度測(cè)量誤差約為±1%,其熱補(bǔ)償能力是單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的40倍左右.諧振腔熱膨脹測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明了頻率校正方法的有效性.
關(guān)鍵詞:微波諧振腔; 濕度測(cè)量; 熱膨脹; 自補(bǔ)償
對(duì)于大型火力發(fā)電機(jī)組,大功率凝汽式汽輪機(jī)低壓缸的末幾級(jí)和壓水堆核電汽輪機(jī)的全部級(jí)均在濕蒸汽區(qū)工作,濕度過(guò)高是造成葉片水蝕[1]的主要原因[2],蒸汽攜帶的水珠會(huì)損耗蒸汽動(dòng)能、沖蝕葉片.葉片水蝕降低了通流部分的效率,濕度造成的濕汽損失使汽輪機(jī)的級(jí)效率降低,進(jìn)而使汽輪機(jī)效率降低[3],給汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性帶來(lái)很大危害.在地?zé)犭娬竞秃穗娬局校瑵穸冗^(guò)高對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性和安全性的危害尤為突出[4].因此,有必要開(kāi)展蒸汽濕度測(cè)量方法的研究.
現(xiàn)行的流動(dòng)濕蒸汽濕度測(cè)量方法主要有熱力學(xué)法和光學(xué)法,近幾年提出了微波測(cè)量法[4].熱力學(xué)法測(cè)量精度有待提高,且不易保證實(shí)時(shí)性;光學(xué)法對(duì)使用環(huán)境要求較高[5];微波測(cè)量法則在彌補(bǔ)了以上不足的同時(shí)具有快速和可在線測(cè)量的優(yōu)點(diǎn).
目前的微波諧振腔濕度測(cè)量方法[6-7]大多使用一個(gè)諧振腔作為濕度傳感器,通過(guò)檢測(cè)諧振腔的諧振頻率偏移量得到蒸汽的介電常數(shù),進(jìn)而由介電常數(shù)與濕度的關(guān)系確定蒸汽濕度,稱(chēng)為單腔濕度測(cè)量系統(tǒng).單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微波源的頻率穩(wěn)定度要求較高,而且無(wú)法消除諧振腔體熱膨脹和溫度偏移等因素的影響.因此,筆者在濕蒸汽單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)濕蒸汽雙腔濕度微波測(cè)量法的基本原理,設(shè)計(jì)了熱膨脹自補(bǔ)償測(cè)濕系統(tǒng),以提高系統(tǒng)測(cè)量精度,并進(jìn)行了基本的試驗(yàn)論證,為進(jìn)一步研究提供依據(jù).
1濕蒸汽測(cè)量的工作原理
汽輪機(jī)內(nèi)的濕蒸汽是一種由氣態(tài)水和液態(tài)水組成的氣液兩相混合物,氣態(tài)水指飽和水蒸氣,液態(tài)水指分布均勻的細(xì)小水滴.由于存在形態(tài)不同,水的氣、液兩相物質(zhì)對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)是有差異的.常溫狀態(tài)下(20 ℃),水蒸氣的介電常數(shù)為1.000 2,而水的介電常數(shù)為81.5.當(dāng)水的氣液混合物中兩相質(zhì)量所占比例發(fā)生變化時(shí),混合物的介電常數(shù)會(huì)隨之變化.當(dāng)汽輪機(jī)內(nèi)部溫度(或壓力)一定時(shí),濕蒸汽的介電常數(shù)可直接反映蒸汽濕度,而介質(zhì)的介電常數(shù)可通過(guò)測(cè)量諧振頻率得到,因此,準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽溫度和諧振頻率是得到蒸汽濕度的核心問(wèn)題.
汽輪機(jī)中濕蒸汽的蒸汽濕度一般小于15%,體積分?jǐn)?shù)φ?1,經(jīng)分析,濕蒸汽中飽和蒸汽與飽和水的存在狀態(tài)符合Maxwell-Wagner混合物的介電模型[7].采用單德拜弛豫模型計(jì)算飽和水蒸氣的介電常數(shù),采用雙德拜弛豫模型計(jì)算飽和水的介電常數(shù)[6],利用Maxwell-Wagner方程推導(dǎo)濕蒸汽介電常數(shù)與蒸汽濕度Y的關(guān)系式.
(1)
諧振腔內(nèi)充滿待測(cè)蒸汽時(shí)的諧振頻率f與基準(zhǔn)諧振腔(諧振腔內(nèi)充滿干飽和蒸汽時(shí))的諧振頻率f0的關(guān)系[6,9]為:
(2)
式中:Δf為諧振腔的諧振頻率偏移,Δf=f-f0,Δf/f0為諧振腔的相對(duì)頻率偏移.
(3)
2系統(tǒng)工作頻率的校正
現(xiàn)有的微波諧振腔微擾法蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)主要有基于測(cè)量諧振頻率的單腔頻率測(cè)量方案和基于測(cè)量反射系數(shù)的雙腔差分測(cè)量方案[11-14]2類(lèi).由于高頻信號(hào)難以測(cè)量,因此單腔頻率測(cè)量方案利用本振和諧振腔內(nèi)流通濕蒸汽時(shí)反射的信號(hào)混頻得到低頻信號(hào),最終通過(guò)測(cè)量低頻信號(hào)的頻率得到諧振腔內(nèi)蒸汽濕度的變化.對(duì)于單腔頻率測(cè)量方案,其工作頻率即為微波諧振腔的諧振頻率.而雙腔差分測(cè)量方案則通過(guò)檢測(cè)2個(gè)諧振腔(參考諧振腔和測(cè)量諧振腔)在同一工作頻率下反射系數(shù)的不同得到相應(yīng)濕度的變化.對(duì)于雙腔差分測(cè)量方案,其工作頻率越接近參考諧振腔的基準(zhǔn)諧振頻率,則其靈敏度越高.
由于汽輪機(jī)工作時(shí)內(nèi)部溫度變化,設(shè)計(jì)的諧振腔傳感器的工作溫度不可能與工作溫度完全一致,因此測(cè)量系統(tǒng)的工作頻率也需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的初始測(cè)量溫度進(jìn)行校正,以減少溫度因素對(duì)測(cè)量精度的影響.
2.1微波諧振腔的結(jié)構(gòu)及其諧振頻率
作為濕度傳感器的微波諧振腔,需要保證腔體內(nèi)濕蒸汽的通流性和腔體較高的品質(zhì)因數(shù).因此設(shè)計(jì)了根據(jù)TE011模模式工作的圓柱形微波諧振腔[6],其結(jié)構(gòu)如圖1所示,a、b及l(fā)分別為微波諧振腔的內(nèi)、外半徑及長(zhǎng)度.諧振腔兩端的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在不降低濕蒸汽流動(dòng)性的情況下,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的電磁諧振,保證了微波諧振腔的品質(zhì)因數(shù).
圖1 圓柱形微波諧振腔模型
微波諧振腔的諧振頻率由其內(nèi)半徑a和長(zhǎng)度l決定,其計(jì)算公式[9]為:
(4)
式中:μ0和ε0分別為真空中的磁導(dǎo)率和介電常數(shù).
諧振腔傳感器的基準(zhǔn)諧振頻率f0與其尺寸相關(guān),由于物質(zhì)的熱膨脹效應(yīng),諧振腔的尺寸與環(huán)境溫度和材料的熱膨脹系數(shù)相關(guān).筆者設(shè)計(jì)的諧振腔傳感器,設(shè)計(jì)加工時(shí)的基準(zhǔn)溫度為20 ℃,材料為黃銅,由于諧振腔傳感器的基準(zhǔn)諧振頻率只有在工作溫度為基準(zhǔn)溫度時(shí)才能保證諧振頻率為工作頻率,即9.6 GHz;而汽輪機(jī)的測(cè)量環(huán)境溫度一般在30 ℃以上,且有一定的波動(dòng),無(wú)法與基準(zhǔn)溫度吻合.因此,諧振腔的基準(zhǔn)諧振頻率將由于工作溫度與基準(zhǔn)溫度的不同而變化.若系統(tǒng)仍采用基準(zhǔn)溫度下的基準(zhǔn)諧振頻率作為其工作頻率,將導(dǎo)致性能下降.
2.2諧振腔熱變形量的計(jì)算
微波諧振腔的膨脹與其熱膨脹系數(shù)有關(guān).熱膨脹系數(shù)分為線膨脹系數(shù)αl和體膨脹系數(shù)aV,定義為材料在不受外界干擾的情況下,只受自身屬性影響時(shí),單位溫度下長(zhǎng)度(體積)的變化量[15].若令物體在溫度T0和T1時(shí)的長(zhǎng)度分別為l0和l1,內(nèi)半徑分別為a0和a1,外半徑分別為b0和b1,體積分別為V0和V1,則αl和aV分別為:
(5)
如圖1所示,有
(6)
諧振腔在軸線上的變化量符合線膨脹系數(shù)的定義,且諧振腔的諧振頻率偏移是因?yàn)閮?nèi)半徑a的變化,與外半徑b無(wú)關(guān),因此可用線膨脹系數(shù)的定義表示b
(7)
式中:ΔT=T1-T0.
令內(nèi)半徑的變形量為δa0,則有
(8)
由式(3)~式(5)可得:
(9)
由于1+aVΔT=[1+αlΔT]3,可得:
(10)
(11)
式中:δl0為諧振腔的長(zhǎng)度變形量.
2.3工作頻率的校正
將圓柱諧振腔TE011模的基準(zhǔn)諧振頻率f0對(duì)諧振腔內(nèi)半徑a和長(zhǎng)度l求偏導(dǎo),可得諧振腔熱變形引起的諧振頻率偏移量:
(12)
δf0與溫度的關(guān)系為:
(13)
則有
(14)
式中:ft為修正后的諧振腔諧振頻率理論值.
在測(cè)量蒸汽濕度時(shí),諧振腔諧振頻率應(yīng)按式(14)進(jìn)行校正處理.
3熱膨脹自補(bǔ)償測(cè)濕系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)原理圖
考慮到汽輪機(jī)排汽濕度應(yīng)用的場(chǎng)合及測(cè)量設(shè)備的小型化和成本,引入?yún)⒖纪ǖ酪缘窒驕p小環(huán)境因素尤其是溫度帶來(lái)的熱膨脹的影響.設(shè)計(jì)了新的雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng),采用同一晶振產(chǎn)生掃頻信號(hào)源和本地振蕩器,消除了信號(hào)源自身帶來(lái)的影響頻率穩(wěn)定度的因素.測(cè)量系統(tǒng)原理如圖2所示.
參考諧振腔內(nèi)充滿濕度恒定的氣體,測(cè)量諧振腔中有待測(cè)濕蒸汽自由流通,兩諧振腔結(jié)構(gòu)相同,并將二者共同置放于現(xiàn)場(chǎng),系統(tǒng)其余模塊在汽輪機(jī)外面.壓控振蕩器VCO與本地振蕩器均使用同一晶振,本地振蕩器精度要求更高.
系統(tǒng)啟動(dòng)后,單片機(jī)DAC模塊通過(guò)輸出模擬電壓控制信號(hào),使壓控振蕩器VCO輸出掃頻信號(hào),該掃頻信號(hào)由定向耦合器分為2路.一路輸出用于激勵(lì)諧振腔,諧振腔所處環(huán)境的濕蒸汽濕度不同,對(duì)應(yīng)的諧振頻率也不同.在諧振頻率處,反射信號(hào)功率衰減達(dá)到最小值.諧振腔的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波器將功率信號(hào)送至單片機(jī),以判斷系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí),定向耦合器的另一路輸出與本地振蕩器進(jìn)行混頻,該混頻信號(hào)經(jīng)中頻放大器放大后送入CPLD頻率測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)頻,并將測(cè)頻結(jié)果送入單片機(jī)處理,得到微波諧振腔的諧振頻率f.
圖2 雙腔測(cè)濕系統(tǒng)原理圖
Fig.2Schematic diagram of the double-chamber wetness measurement system
系統(tǒng)工作時(shí),先測(cè)得參考諧振腔諧振頻率,得到當(dāng)前環(huán)境下參考諧振腔諧振頻率偏移Δf,由于參考諧振腔是封閉腔,故認(rèn)為Δf僅由溫度變化引起;再測(cè)得測(cè)量諧振腔此時(shí)的諧振頻率偏移Δf',由于測(cè)量諧振腔是開(kāi)放式的且流過(guò)濕蒸汽,故認(rèn)為Δf'是由濕度和溫度變化共同引起的.則由濕度引起的諧振頻率偏移為(Δf'-Δf),因此可根據(jù)式(3)計(jì)算得到蒸汽濕度Y.
3.2系統(tǒng)熱膨脹補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)
3.2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境
在原理上,蒸汽濕度的測(cè)量基于以下事實(shí),即濕度不同是因?yàn)檎羝械乃急壤煌?,進(jìn)而導(dǎo)致混合氣體的介電常數(shù)不同.因此,為了探討本系統(tǒng)相對(duì)于單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)在熱膨脹補(bǔ)償方面的優(yōu)劣,在比較2方案中熱膨脹因素導(dǎo)致的影響時(shí)需排除水的影響.設(shè)計(jì)了具有加熱系統(tǒng)的測(cè)量環(huán)境,此測(cè)量環(huán)境使用2個(gè)封閉的諧振腔,由于水不能進(jìn)入諧振腔,因此排除了水的影響,可有效地研究熱膨脹對(duì)系統(tǒng)的影響.單腔與雙腔熱膨脹測(cè)量環(huán)境如圖3所示.
測(cè)量諧振腔和參考諧振腔均置于開(kāi)有小孔的容器中(保持容器內(nèi)外壓力一致),在容器底部放一定量的水,并將容器置于大水槽中.通過(guò)調(diào)節(jié)水槽中水的溫度來(lái)調(diào)節(jié)容器中氣體的溫度.圖3中,M為攪拌風(fēng)扇,它使容器內(nèi)產(chǎn)生對(duì)流,便于水的充分汽化,保證在任何溫度下容器內(nèi)混合氣為飽和蒸汽(剛好處于飽和狀態(tài),此時(shí)蒸汽濕度為0).溫度傳感器T1用于測(cè)量容器內(nèi)飽和蒸汽的溫度;溫度傳感器T2和T3用于測(cè)量諧振腔的溫度,以便研究諧振腔熱膨脹的影響.
(a) 單腔熱膨脹測(cè)量環(huán)境
(b) 雙腔熱膨脹測(cè)量環(huán)境
Fig.3Thermal expansion environment for both the single- and dual-chamber measurement system
3.2.2頻率校正理論驗(yàn)證
借助上述測(cè)量環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn),用來(lái)比較單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)與雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)之間對(duì)于抵消熱膨脹效應(yīng)的優(yōu)劣.首先利用上述測(cè)量環(huán)境對(duì)單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到各溫度下諧振腔諧振頻率的測(cè)量值以及由式(13)和式(14)得到各溫度下諧振腔諧振頻率的理論值,如表1所示.其中,f為測(cè)量諧振腔諧振頻率的實(shí)際測(cè)量值.
利用上述測(cè)量環(huán)境對(duì)雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到各溫度下參考諧振腔諧振頻率測(cè)量值和測(cè)量諧振腔諧振頻率測(cè)量值,如表2所示.其中,測(cè)量諧振腔諧振頻率為f,參考諧振腔諧振頻率為fr.
3.2.3熱膨脹對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
圖4所示為表1和表2中諧振頻率偏移量與溫度的關(guān)系曲線.圖4中3條曲線分別表示單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)未做熱膨脹理論修正、單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)做熱膨脹理論修正及雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)3種情況下諧振頻率偏移與溫度的關(guān)系.
表1 單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果
表2 雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果
圖4 3種情況下諧振頻率偏移量與溫度的關(guān)系
由表1和圖4可知,熱補(bǔ)償工作頻率校正公式可在一定程度上預(yù)測(cè)諧振腔的諧振頻率偏移量,可用于提高單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度.理論值與測(cè)量值下降趨勢(shì)相同,且在低溫階段近似度較好.理論值與測(cè)量值的最大偏差為0.02%(80 ℃時(shí)),誤差較大的原因是容器隨水槽中的水自然降溫,因此在溫度較高時(shí)腔體溫度降低相對(duì)較快,溫度傳感器T2的輸出與諧振腔真實(shí)溫度之間的差距增大.汽輪機(jī)排汽濕度測(cè)量環(huán)境的溫度一般為30~55 ℃,表1中這一溫度區(qū)間的最大諧振頻率偏移量為0.18 MHz,相對(duì)諧振頻率偏移為0.001 88%(55 ℃時(shí)),導(dǎo)致介電常數(shù)變化0.003 8%.由式(1)和表1可知,熱膨脹理論修正后相應(yīng)濕度誤差可控制在±10%內(nèi).若要提高測(cè)量精度,還應(yīng)進(jìn)一步修正式(12).
由表2測(cè)量數(shù)據(jù)可知,雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率偏移量在1.3 kHz附近,理論值應(yīng)為0,誤差來(lái)源為測(cè)量諧振腔和參考諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸及晶振的頻率穩(wěn)定度等.
由表1、表2和圖4可知,在相同溫度下,雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)比修正的單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率偏移量小.在上述測(cè)量過(guò)程中,由于系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境排除了蒸汽濕度的影響,因此諧振頻率偏移量即代表了單、雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于熱膨脹的補(bǔ)償能力.由圖4可見(jiàn),應(yīng)用單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)波動(dòng)較大,即單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度比較敏感;雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)波動(dòng)幅度小,可以對(duì)系統(tǒng)熱膨脹實(shí)現(xiàn)一定的補(bǔ)償.以溫度為45 ℃時(shí)為例,單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率相對(duì)偏移為0.000 55%,而雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率相對(duì)偏移為0.000 013 5%.雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)減小了環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的波動(dòng),其補(bǔ)償能力是單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的40倍左右.
對(duì)于腔體材料為銅的諧振腔,在溫度為45 ℃同等條件下,由于溫度變化導(dǎo)致單腔測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率偏移量最大值約為0.532 MHz,而雙腔溫度測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率偏移量在1.3 kHz附近。由理論計(jì)算可知,蒸汽濕度改變1%時(shí),諧振頻率偏移量約為11 kHz[16],可見(jiàn)雙腔測(cè)量系統(tǒng)可將溫度變化對(duì)濕度測(cè)量產(chǎn)生的誤差控制在±1%。
4結(jié)論
熱膨脹測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了諧振腔諧振頻率校正思想的正確性,單、雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了筆者提出的雙腔溫度測(cè)量系統(tǒng)在熱膨脹自補(bǔ)償方面的優(yōu)勢(shì).相對(duì)單腔濕度測(cè)量系統(tǒng),自補(bǔ)償雙腔濕度測(cè)量系統(tǒng)減小了系統(tǒng)由于環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的諧振腔諧振頻率偏移量,可達(dá)到更高的測(cè)量精度,對(duì)諧振腔諧振頻率偏移量進(jìn)行校正后,可將濕度的測(cè)量誤差控制在±1%,其熱補(bǔ)償能力是單腔濕度測(cè)量系統(tǒng)的40倍左右,可有效抵消熱膨脹的影響.
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Study on a Thermal Expansion Self-compensation System for Wetness Measurement of Moist Steam Based on Microwave Resonator
ZHANGShue,MENGXiangai,HANZhonghe
(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)
Abstract:The effects of thermal expansion on resonant cavity sensor in the process of steam wetness measurement by microwave perturbation method were studied, after which a thermal expansion correction scheme was established for the system at working frequencies, while a dual-chamber wetness measurement system with thermal expansion self-compensation function was put forward. In the environment where resonant cavity sensor was thermally expanded, the steam wetness was measured respectively in dual-chamber and single-chamber system, and subsequently their results were analyzed and compared with focus on the action of thermal compensation. Results show that the thermal expansion self-compensation dual-chamber system can achieve high accuracy on-line measurement of steam wetness, with an error of about ±1%, and a thermal compensation capacity 40 times of the existing single-chamber measurement system, proving the frequency correction method to be effective.
Key words:microwave resonant cavity; wetness measurement; thermal expansion; self-compensation
收稿日期:2015-07-01
修訂日期:2015-08-17
基金項(xiàng)目:河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2013502298)
作者簡(jiǎn)介:張淑娥(1964-),女,滿族,遼寧沈陽(yáng)人,副教授,碩士,研究方向?yàn)槲⒉▊鞲信c技術(shù).電話(Tel.):0312-7522771;
文章編號(hào):1674-7607(2016)06-0442-06中圖分類(lèi)號(hào):TK261
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A學(xué)科分類(lèi)號(hào):
E-mail:zhang_shu_e@sina.com.