（通信与信息系统专业论文）湿蒸汽湿度测量系统的研究与实现.pdf

毫。 。气 冬小埘铲啄。， 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文湿蒸汽湿度测量系统的研究与实现， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：套生歪! 歪 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：z 潞 日 期：塞! 翌：12 ：萝 导师签名：蜜。鉴必导师签名：终。鳖燮 日 期：坌攀z 2 1 孑 j l 毒 j 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 湿度被定义为气体中水蒸汽的含量，是一个重要的环境参数。湿蒸汽湿度的准 确测量对常规电站中大型冷凝式蒸汽透平具有重要意义。 本文根据微波谐振腔的谐振频率随腔内介质的介电常数变化而发生偏移这一原 理，设计了基于微扰的湿蒸汽湿度测量系统，并进行了系统误差分析。通过检测谐振 腔谐振频率的偏移可以得到湿蒸汽的介电常数，由介电常数和蒸汽湿度的关系，进而确 定蒸汽的湿度。测量系统包括频率跟踪模块和高精度的频率测量模块。频率跟踪模 块采用单片机，实现v c o 的输出频率与谐振腔的谐振频率实时相等。频率测量模块采 用多周期同步测量与量化延迟法相结合的测量方法，使测量分辨率达到了0 1 h z 。设计 中采用了c p l d 芯片，用v h d l 语言编程，提高了设计的效率。 关键词：湿蒸汽，湿度测量，误差分析，频率跟踪模块，频率测量模块 a b s t r a c t w e t n e s sw h i c hi sd e f i n e da st h ec o n t e n to fv a p o ri ng a si sa ni m p o r t a n t e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fw e ts t e a mw e t n e s sh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e f o rg u i d i n gt h ee c o n o m ya n d s e c u r i t yo ft h ec o n d e n s i n gt u r b i n ei n c o n v e n t i o n a lp o w e rs t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h er e s o n a n tc a v i t y s h i f t e dw i t ht h ec h a n g eo ft h ea i rp e r m i t t i v i t y ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h ew e ts t e a m w e t n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ep e r t u r b a t i o nc a v i t y ，a n dc a r r i e do u ts y s t e m e r r o ra n a l y s i s t h ed i e l e c t r i c c o n s t a n tc a nb eg o tb ym e a s u r i n gt h e0 f f s e to fr e s o n a n t f r e q u e n c yo ft h ec a v i t y a n d ，t h e nt h eh u m i d i t yc a nb eg o ta c c o r d i n gt o t h er e l a t i o n b e t w e e nd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n ds t e a mw e t n e s s t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ff r e q u e n c y t r a c k i n ga n dm e a s u r e m e n tm o d u l e s f r e q u e n c yt r a c k i n gm o d u l eu s e sm c ua n dr e a l i z e s t h a tt h eo u t p u to fv c 0i se q u a lt or e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h er e s o n a t o r an e wm e t h o do f f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti s u s e di n f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e ，w h i c hi st h e c o m b i n a t i o no fm u l t i - c y c l es y n c h r o n i z a t i o na n dq u a n t i z a t i o nd e l a y t h em e a s u r e m e n t r e s o l u t i o ng e t st o0 1h z i tu s e sc p l dc h i pa n dv h d ll a n g u a g ep r o g r a m m i n gi nt h i s d e s i g n ，h a v i n gi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n l ip e i p e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h u e k e yw o r d s ：w e ts t e a m ，w e t n e s sm e a s u r e m e n t ，e r r o ra n a l y s i s ，f r e q u e n c y t r a c k i n gm o d u l e ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e 焉 毛 华北电力大学硕士学位目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状1 1 3 本课题研究内容4 第二章蒸汽湿度测量系统分析5 2 1 微扰蒸汽湿度测量系统5 2 1 1 蒸汽湿度测量原理5 2 1 2 流动湿蒸汽湿度与介电常数的关系7 2 1 3 湿蒸汽介电常数与频率的关系8 2 1 4 蒸汽湿度测量系统8 2 2 影响谐振腔谐振频率的因素9 2 3 小结1 0 第三章系统误差分析理论1 2 3 1 系统误差分析1 2 3 2 误差合成分析1 2 3 3 微波谐振腔法湿度测量系统的精度分析1 3 3 4 提高微波谐振腔法湿度测量系统的精度1 5 3 4 1 谐振腔采用低热膨胀系数材料和特殊结构1 5 3 4 2 提高腔体的有载品质因数1 5 3 4 3 提高腔体失谐检测灵敏度1 5 3 4 4 腔壁水膜对测量结果的影响1 5 3 5 湿度测量方法1 6 3 6 小结1 6 第四章湿度测量系统的设计1 7 4 11 6 位系列单片机m s p 4 3 0 介绍：1 7 4 2m s p 4 3 0 f 1 5 7 在系统中的引脚配置1 9 4 3 频率跟踪模块1 9 4 3 1 频率跟踪原理1 9 t 华北电力大学硕十学位目录 4 3 2 频率跟踪模块组成2 0 4 3 3 频率跟踪模块的流程2 2 4 3 4 频率跟踪模块软件设计2 2 4 3 5 频率跟踪硬件电路设计2 3 4 4 基于电压采样的频率跟踪2 5 4 4 1 软件实现的频率跟踪控制系统2 5 4 4 2 软件设计2 5 4 5 频率测量模块2 7 4 5 1c p l d 器件一、2 7 4 5 2 硬件描述语言v h d l 2 8 4 5 3 软件开发工具m a x + p l u s i i 2 8 4 5 4m a x + p l u si i 的设计方法2 9 4 5 5 频率测量模块2 9 4 5 6 频率测量方法的选择j 2 9 4 5 7 时间间隔测量方法的选择3 1 4 5 8 频率测量方法3 3 4 6 串行通信接口3 5 4 7 主程序的设计3 6 4 8 小结3 7 第五章测试结果3 8 5 1 频率跟踪模块实验3 8 5 2 基于电压采样的频率跟踪模块实验4 0 5 3 频率测量模块实验4 l 5 4 湿度测量结果4 2 5 5 小结4 3 第六章结论4 5 参考文献4 7 致谢5 0 附录1 5 1 附录2 5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 湿度被定义为气体中水蒸汽的含量，是一个重要的环境参数。湿度测量和控制 广泛应用于电力、航空航天、微电子、原子能、石油化工、气象、仓储等领域。气 体湿度的精确测量对烟草、制药、火电厂的汽轮机等都具有重要意义【l 】。 常规电站中大型冷凝式蒸汽透平的末几级和核电站中透平的全部级都在湿蒸 汽状态下工作【2 】。蒸汽湿度的大小直接影响汽轮机运行的安全性和经济性，蒸汽湿 度增加，一方面会对汽轮机叶片产生强烈的侵蚀与冲击，使叶片变的粗糙，出现凹 坑，甚至造成叶片扭曲断裂，即重威胁汽轮机的安全运行；同时还会使汽轮机的热 效率降低【3 】。在地热电站和核电站中，由于饱和蒸汽的出现而带来的汽轮发电机组 经济性和安全性的危害尤为突出。如对于一台1 3 0 0 m w 的核电机组，蒸汽湿度所造 成的功率损失约为7 0 m w 4 1 。通过对美国5 9 家电厂的调查表明，有3 l 家电厂曾经发生过 低压级组叶片水蚀断裂事故，因此造成的年损失高达2 亿6 千万美元【5 1 。 在汽轮机热经济指标在线性能计算中，由于排汽处于湿蒸汽区，其压力和温度 不再是独立参数。因此，在实时热平衡计算中，其焓值不能由蒸汽图表查得，从而 低压缸效率的计算不能采用常规算法。为了计算汽轮机末级排汽焓，一种方法是假 定排汽焓，根据汽轮机总的输入、输出热量的平衡，通过计算汽轮机功率确定排汽 焓；另一种方法是根据已知的再热段入口蒸汽状态点和抽汽状态点作出做功膨胀 线，然后将此曲线平滑外推到湿蒸汽区，得出处于湿蒸汽区的抽汽及排汽焓，但由 于曲线拟合点数目较少，精度较差1 6 1 。更好的办法是通过直接测量汽轮机的排汽湿 度来确定汽轮机的排汽焓，以提高汽轮机相对内效率在线监测的准确性，不过这也 是近似计算，这种间接计算方法使汽轮机热经济指标的计算可靠性难以保i i e 7 1 。如 果能够直接测量排汽湿度，则由排汽压力或温度即可确定排汽焓。因此，需要一种 较好的蒸汽湿度测量方法使其能满足对汽轮机热经济指标进行在线监测。所以精确 测定湿蒸汽中液态水的含量( 液化程度) 对汽轮机的长期稳定的运转及其寿命具有 重大意义。因此，蒸汽湿度的准确测量具有重要的实用价值。 1 2 研究现状 在线监测汽轮机内蒸汽湿度并设法减少其对汽轮机所造成的危害，长期以来一直是 世界各国所关心和努力追求的目标。蒸汽湿度测量技术的研究也取得了较大的进展，相 继研究出了一些方法。但可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和 华北电力大学硕士学位论文 光学法【8 】o 基于热力学和光学原理，一些国家对蒸汽湿度测量技术进行了研究，并先后 研制了不同类型的蒸汽湿度测量装置。在国外，采用热力学方法研究的主要有英国电力 中心实验室、英国的g e c 、德国汉诺威工业大学等；前苏联莫斯科动力学院、德国阿 亨工业大学、美国的西屋公司、瑞士的b b c 公司、英国c e r l 公司等基于光学原理对 蒸汽湿度测量技术进行了研究。近年来，法国电力局( e d f ) 利用显微视频技术和微粒图 像速度仪技术对实现蒸汽湿度及雾滴直径的测量进行了研究。在国内，针对蒸汽湿度的 测量，西安交通大学、西安热工研究院、东北电力学院等采用热力学法，上海理工大学 和厦门大学对光学法分别进行了研究，并取得了一些成果【8 1 0 热力学法：热力学湿度探针在测量时几乎都采用的是抽汽采样法，即从汽轮机 的排汽中抽取部分汽样引向测量段进行处理，可以分为节流法、加热法、凝结法、 空气蒸汽混合法等【9 1 。 a 节流法是将所抽取的试样节流到较低的压力，使节流后的蒸汽处于过热状态， 根据节流前后烩值不变条件，求出蒸汽的湿度值。 b 加热法是将抽取的湿蒸汽试样在加热段加热到过热状态，测量加热后的状态 及焓值，由能量方程求得取样点湿蒸汽的焓，再根据取样点的压力或温度确定蒸汽 的湿度。 c 凝结法是将被抽取的蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据热平衡关系求出被 抽取蒸汽试样的焓值。再由采样点的压力或温度，便可从焓一熵图计算出蒸汽的湿 度。 d 蒸汽一空气混合法是将被抽取的试样与足够量的外引热空气在混合室内绝热 混合，使混合后的空气中水分含量未达到饱和。根据质量守恒和能量守恒方程，并 测出相应的压力、温度及露点温度，计算出蒸汽湿度。 表1 - 1 各种热力学法湿度测量的测量精确度比较以及误差来源 测量方法 湿度测量的精确度 测量误差的主要来源 节流法0 o l o 散热量损失 加热法o 0 1 6加热量、散热损失、取样流量 冷凝法0 0 8 7冷却水温、冷却水量、取样量 蒸汽一空气混合法0 0 2 3出口压力测量 光学法：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。若入射光 波波长已知，则散射光的光强分布、偏振状态与消光系统与水滴直径有关。光学法 湿度测量就是依据这一原理设计的。可分为角散射法和全散射法( 或称为消光法) 。 a 角散射法是通过测量水滴对入射光的某一散射特性，然后按m i e 理论对测量 2 建鬣1警心 ：， ， 华北电力大学硕士学位论文 数据进行处理求得被测汽流中水滴直径和蒸汽湿度。 b 全散射法是通过测量湿蒸汽对入射光的衰减来确定水滴直径和蒸汽湿度的。 在全散射法中，既可采用单色光也可采用白光作为测量光源。 近年来，显微视频技术和微粒图像速度仪技术也开始应用于蒸汽湿度及雾滴直径的 测量 s l 。法国电力局( e d f ) 研制了用于测量水滴直径大于l o l u n 的基于显微视频测量技术 的测量系统。它用两个功率为1 0 0 w ，脉冲宽度为5 n s 的脉冲二极管激光器提供背光和 侧光照射被测区，通过显微透镜和光线传像束将被测湿蒸汽区的水滴图像传给c c d 摄 像机，并存入录像机，然后通过图像分析系统处理或直接输入图像分析系统实时处理。 微波测湿技术是近几年国内外出现的一项热门技术，它是利用湿度对微波传感 器的影响来进行湿度测量的，采用这种方法的最大优点是快速、连续和无需接触， 因此特别适用于工业生产自动化系统。 由电磁波在电介质中的传播特性可知，若电介质的外加电场为局，则作用于电 介质分子上的电场e = e o e l ，电介质宏观参量、e o ，与其微观参量n ，a ，蜀，之间 的关系为【1 0 】： 爱c g l ：n a e i ( 1 1 ) 岛岛 t 式中：为单位体积内的分子数；a 为分子极化率，对某一种确定的材料而言，口 为常数；o 为真空中的介电常数。因此，即使同一种材料，分子密度不同，在恒定 电场作用下，其宏观参量介电常数8 也将不同。根据这一特性，蒸汽湿度不同，则 其密度也不同，其介电常数也就不同，因此可以通过测量湿蒸汽介电常数的变化来 反映其密湿度的变化，从而计算出蒸汽的湿度。 蒸汽湿度测量方法的总结： 热力学法其数学模型直接算出的是饱和蒸汽的湿度，因此这种方法无需测出蒸 汽中水滴的粒径及分布。理论上热力学法测量湿度时，对水滴的尺寸无严格限制。 另一方面，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 汽湿度等具有较大蒸汽空间的场合使用。自二十世纪七十年代中期开始，热力学法 逐步被光学法所取代。 光学法可直接测出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，但实用中也受到一些条件的限制，如：如何保证光学窗口的洁 净、不结露，如何测量直径较大的水滴( 一般要求水滴直径小于3 微米) ，更重要 的是如何测准流过测量区的汽一液双相流的流量，并且测量结果存在数据校验或标 定问题。 随着图像处理技术的发展，显微视频技术和微粒图像速度仪技术也开始应用于 3 华北电力大学硕士学位论文 蒸汽湿度及雾滴直径的测量。 ，微波测量蒸汽湿度方法是利用蒸汽湿度的不同，在微波穿过湿蒸汽时衰减也不 同这一特性，可采用微波进行蒸汽湿度的测量【l l 】。这种方法可以和光学法一样不像 热力学法那样要进行抽汽取样，而对使用环境条件也不像光学法要求那样很高，其 设备造价比也不高，是一种值得研究的蒸汽湿度在线测量方法。 1 3 本课题研究内容 本文基于谐振腔的蒸汽湿度测量原理，设计并制作了基于谐振腔的湿度测量控 制系统，使测量精度进一步提高，满足系统的要求，主要内容如下： 1 分析并研究湿蒸汽湿度测量原理及测湿方法，并对蒸汽湿度测量系统进行理 论误差分析。 2 设计以m s p 4 3 0 单片机为中央控制和处理核心的频率跟踪系统、并且利用 p r o t e l 9 9s e 软件和m u l t i s i m 2 0 0 1 软件对设计进行仿真，为硬件电路的搭制提供可行 性论证。 3 改进频率跟踪方案，提出一种基于电压采样的频率跟踪方法，能够快速准确 的实现频率的跟踪。 t 4 设计基于c p l d 芯片和v h d l 语言的高精度的频率测量系统，利用 m a x + p l u s i i 平台对其测量系统进行仿真，能够满足整个测湿系统的要求。 5 完成系统电路的原理图设计，p c b 图布线等工作。 6 对系统软硬件进行调试，当流入谐振腔的蒸汽湿度改变时，频率跟踪系统能 实时进行跟踪，实现频率的自动跟踪。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章蒸汽湿度测量系统分析 近年来蒸汽湿度测量技术的研究逐渐受到重视，相继研究出了一些方法，但这 些方法在汽轮机内流动湿蒸汽湿度长期在线测量中都存在一定限制。根据微波谐振 腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化将发生偏移这一特性，采用微波测量蒸 汽湿度。下面介绍微扰蒸汽湿度测量系统的测湿原理。 2 1 微扰蒸汽湿度测量系统 2 1 1 蒸汽湿度测量原理 微波谐振腔测量蒸汽湿度的基本思想是基于微波谐振腔的微扰【1 2 】，即微波谐振 腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化将发生偏移这一原理。蒸汽的介电常数 随蒸汽的湿度、温度、压力变化而变化，在温度、压力不变的情况下蒸汽的介电常 数只与湿度有关，因此通过测量谐振腔谐振频率、蒸汽的温度和压力就可以确定蒸 汽的湿度。 为了对流动湿蒸汽湿度进行实时测量，要求测量时湿蒸汽可以自由流过谐振腔 1 3 1 ，因此要求谐振腔两端开e l ，以t e o l l 模式工作的圆柱形谐振腔能满足这一要求。 为了保证谐振腔有较高的品质因数，在两端采用了特殊细网状结构如图2 1 所示【1 4 1 。 国 图2 1t e o l l 模圆柱形谐振腔结构模型 t e o i i 模在腔体的侧壁和两端壁的内表面上只有多方向的电流，而且谐振腔的侧 壁和两端壁之间也没有电流通过。因此，可以利用非接触式活塞进行调谐，减少了 腔体的磨损，也可以减弱部分干扰模的影响。t e o l l 模圆柱形谐振腔的场结构如图 2 2 所示( 实线为电力线，虚线为磁力线) 。 5 华北电力大学硕士学位论文 空腔的谐振频率可表示为： 图2 2t e o l l 模圆柱形谐振腔的场结构 l b = ( 2 1 ) 当介电常数为占。的湿蒸汽流过谐振腔，腔体的谐振频率将发生偏移，使用谐振 腔微扰理论分析其谐振频率的变化。设谐振腔在没有湿蒸汽通过时，谐振腔内介质 的介电常数为岛、磁导率为。；在有湿蒸汽通过时，谐振腔内介质的介电常数变为 + 占，+ ，谐振频率由f o 变为f ，由麦克斯韦尔方程推导可得： 丝= 笪= 丘玉 q氛氏 一( 刮毛1 2 + 舡酬2 ) 咖 q 。2 ) 工( 岛甜+ 比oi n o l 2 ) d v 腔体以t e o l l 模式工作时，极坐标下的圆柱空腔的场方程为【1 5 】： 驴a j o ( k , 小i n 耻一苦蹦c o s 即川觚小i n ( 2 3 ) 式中，丸= 3 8 3 2 a ，a = 2 0 ) 。h 。k , ，1 - 1 0 是与场的激励情况有关的常数，e 。为腔内 电场强度分布，h r 、恁为在径向，i 和轴向z 的腔内磁场强度分布，j o 、，o 分别为零阶 贝塞尔函数和其一阶导数。 将t e o i l 模场方程带入( 2 3 ) 式，整理得到： 6 华北电力大学硕士学位论文 届1 2 + 酬风1 2i v = b 一1 k 工f 万j f l 易f 2 r d r d c d z = g ，一1 ) 氏竽2 万r l 纯叫2 胁 。g 。i e 。1 2 + 。川2 i v = 2 l 占。i e 。1 2d v = 2 j 1 0s 。i e 伊1 2d y = 2 s 。rj c z 君r 川2 删缈出 = 2 占。竽2 万ri ，：g 。，) i2 胁 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 受o 一一= 雩 池6 j 2 舭( t 叫2 砌 2 w 2 1 2 流动湿蒸汽湿度与介电常数的关系 湿蒸汽中水珠占的体积与质量份额都不大，水滴主要成球形。如果将干饱和蒸汽视 为基质，其相对介电常数为占窖；将水滴视为杂质，介电常数为毛；令混合湿蒸汽的介电 常数为g 。在选择了合适的工作波长，使水珠的尺寸比工作波长小得多时，湿蒸汽的状 态满足含小体积百分率球形杂质的混合介质公式( 本文设计的测湿系统工作在x 波段， 约为9 6 g h z ，对应3 1 删：1 1 的工作波长) 。圆球杂质的混合介质公式为： = 1 + 3 r , g e ，r f , + - 芝1 ( 2 7 ) s 订+ z 、 式中，g 脯、“、z 分别为湿蒸汽对基质相对介电常数g g 的归一值、水滴对基质相对介 电常数s g 的归一值、水珠的体积百分率( 体积湿度) ，即g 卅= s 。s g 、q = s 譬。 因为仅将湿蒸汽看做水滴和干饱和水蒸气两种介质的均匀混合物，所以水珠的体积 百分率z 为 _ = 书 陋8 ， 式中，巧为在测量环境下水滴占的体积，圪为干饱和蒸汽占的体积。 华北电力大学硕士学位论文 对流动湿蒸汽，它的湿度y 定义为水分质量占汽水混合物总质量的百分比 】，：旦：一竺一：旦! l m m i x m i 弋m gp y , p g ( 2 - 9 ) 式中，m ，为混合湿蒸汽中水滴的质量，m 。打为湿蒸汽总质量，m 量为干饱和蒸汽质量，p l 为水滴的密度，p 。为干蒸汽的密度。由式( 2 7 ) 至( 2 9 ) 得 1 i t ， 卜砸i 甄弼 q 。 ， 1 1 + 堡 0 _ ! 垒一1 】 uw 7 岛( 气一) ( 毛+ 2 6 9 ) 1 从而得出蒸汽湿度y 与其相对介电常数s 。的关系。由于应用时，在测量温度压力下 的s ，、占g 、岛、以都为已知量，故只要测得湿蒸汽的介电常数即可应用式( 2 1 0 ) 得其 湿度。关于给定状态下水和蒸汽的各项计算参数可参考文献 1 6 】。 2 1 3 湿蒸汽介电常数与频率的关系 由于汽轮机排汽压力一般很低，湿度也较小，故其对微波的损耗很小。根据湿 度与介电常数及介电常数与频偏的关系，得到蒸汽湿度与频偏的关系。将式( 2 6 ) 代 入式( 2 1 0 ) 整理得： 卜一 ( 2 1 1 ) 从式( 2 1 1 ) 看出可以通过测量谐振腔传感器的谐振频率偏移可以到腔体内流通的湿 蒸汽的湿度。因为系统工作频率为9 6 g h z ，所以设计的谐振腔空腔谐振频率兀为 9 6 g h z 。由式( 2 1 1 ) 可知，在温度、压力不变的情况下，汽轮机蒸汽湿度只与谐振腔谐 振频率有关，因此通过测量谐振腔谐振频率、蒸汽的温度和压力就可以计算出汽轮机蒸 汽的湿度【1 7 j 。 2 1 4 蒸汽湿度测量系统 湿蒸汽湿度测量系统如图2 3 所示【1 8 】，图中的谐振腔为t e o l l 模开放式圆柱型谐振 腔，蒸汽可以在腔内自由流通，其真空谐振频率为9 6 g h z t l 9 】。系统工作时，其谐振频 率随流过谐振腔的蒸汽湿度不同而变化。自动频率跟踪系统使压控振荡器( v c o ) 的输 出频率与谐振腔的谐振频率保持一致，v c o 的输出频率通过与9 6 g h z 的基准频率源混 频后通过中频放大器，输出频率范围o 1 0 m h z ，之后通过频率测量系统后与压力温度 一起进入数据处理单元进行处理。环境压力和温度的测量可以直接通过压力传感器和温 度传感器得到，此系统利用谐振频率与本振混频的方案，将高频测量转化为较低频率的 测量，简化系统实现难度。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 微扰测湿系统框图 2 2 影响谐振腔谐振频率的因素 当湿蒸汽通过微波谐振腔时，在谐振腔内形成的水膜厚度以及蒸汽的湿度都对 谐振腔的谐振频率产生了影响。 谐振腔内壁水膜使腔内介质的介电常数发生变化，使得谐振腔的谐振频率降 低。在0 0 0 7 m p a 压力下，蒸汽湿度为1 1 5 时，湿度每变化1 ，谐振频率变 化约为8 1 k h z 。设空腔的谐振频率厶为9 6 g h z 。分别取谐振腔内壁水膜厚度为 l o m 、1 5 1 t m 、2 0 1 t m 和2 5 i _ t m ，分析其对谐振频率、品质因数以及测量结果的影响， 结果示于表2 1 1 1 2 j 。 表2 1 谐振腔内壁水膜对谐振频率及品质冈数的影响( p = 0 0 0 7 m p a ) 水膜厚度 品质因数的引起谐振频率变湿度变化1 时湿度测量偏差 l a m 下降值 化k h z的谐振频率变化 k h z 1 0 6 00 7 3+ o 0 9 1 51 7 l2 1 0+ 0 2 6 8 1 2 03 6 04 4 7 + o 5 5 2 56 4 l8 0 2+ 0 9 9 由表2 1 可以看出，在水膜较薄时，其对测量结果的影响非常小，随着水膜厚度 的增大其影响明显增加。在水膜厚度为1 0 9 m 时，水膜造成的谐振腔q 值下降为6 0 ， 引起的谐振腔谐振频率偏移量约为0 7 3 k h z ，由此产生的蒸汽湿度测量偏差为 + 0 0 9 ；水膜厚度为1 5 9 m 时，湿度测量偏差为+ 0 2 6 ；水膜厚度为2 0 1 t t m 时，湿度 测量偏差为+ o 5 5 ；如水膜厚度增长至1 2 5 1 t m ，引起的谐振腔q 值下降约为6 4 1 ，谐 9 华北电力大学硕士学位论文 频率的偏移量约为8 0 2 k h z ，湿度测量偏差将增n n + o 9 9 。可见，如谐振腔内 沉积水膜较薄，可以忽略沉积水膜对测量结果的影响，如水膜较厚，则要对测量 结果进行修正。但在仿真和试验中发现，经特殊处理过的谐振腔腔壁不会形成过厚 的水膜，其厚度只有微米级。通过设计谐振腔内外特殊结构将大水滴打碎的办法， 可以使水膜的厚度小于1 0 p m ，从而可以减小其对应的影响。在工作频率和谐振频率 之间相差不大时，工作频率和谐振频率不完全一致的影响可以忽略。 蒸汽湿度变化会导致蒸汽的介电常数发生变化，而介电常数与频偏存在着一定 的关系，因此蒸汽湿度会对谐振腔谐振频率产生一定的影响。在压强为0 0 0 5 m p a ， 温度为3 2 0 c 时，对谐振频率为9 6 g h z 的圆柱形谐振腔进行仿真，波形如图2 4 所示。 图2 4 湿度与频率偏移的关系 由上图可得，蒸汽湿度与频率偏移近似曲线，当湿度由6 上升到1 2 时( 汽轮机末 级蒸汽湿度一般为6 - - 1 2 ) 2 0 】，谐振频率的偏移为31 - 6 6 k h z ，所以，当频率的偏 移量得出后，根据频率偏移和蒸汽湿度的线性关系，即可得出谐振腔内流通的湿蒸 汽的湿度。 2 3 小结 根据微波谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化将发生偏移这一原 理，分析了微波谐振腔蒸汽湿度测量系统，为了使湿蒸汽自由流过谐振腔，又有较 高的测量精度，采用了两端开口，以t e o l i 模式工作的圆柱形谐振腔，并介绍了其场 结构。根据湿度与介电常数及介电常数与频偏的关系，通过频率测量系统，测量出 谐振腔的频偏进而得到蒸汽湿度。分析了蒸汽通过谐振腔时，谐振腔内形成的水膜 厚度和蒸汽的湿度对谐振腔的谐振频率产生的影响。 微扰蒸汽湿度测量系统不仅结构简单，而且能够实现蒸汽湿度的在线连续测量。 1 0 zt盘夏季m；fc 华北电力大学硕士学位论文 它从谐振腔的基本参数谐振频率出发，测量流通和不流通湿蒸汽时谐振腔传感器的 谐振频率变化量，从而得n - 者之间相对介电常数的变化，并最终根据混合湿蒸汽 的等效相对介电常数与其湿度之间的关系式( 2 1 0 ) ，获得待测蒸汽的湿度。本课题 将在微扰蒸汽湿度测量系统的基础上设计其控制系统。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 系统误差分析 第三章系统误差分析理论 系统误差是在相同条件下多次测量同一量时，其大小和符号都保持不变，或在 条件改变时按某一确定规律而变的误差。这种误差的产生原因主要是由测量工具、 环境条件、测量方法、人员生理特点等固定因素引起的。分为恒定系统误差和可变 系统误差【2 1 。 从系统误差的产生原因出发，本文将主要分析的是测量仪器方面的因素和测量方法 的因素引起的系统误差。测量仪器方面的因素是测量频偏的频率的精度和本振的精度； 测量方法的因素是采用微波谐振腔法测量。 3 2 误差合成分析 谐振腔微波测湿法属于间接测量，由测量得到的参量经理论公式计算出的数值 不可避免地存在误差传递的问题。 设y 是r 1 个自变量工l ，砣，x n 的函数【2 2 1 ，即 y = f ( x l ，屯，z 。) ( 3 1 ) 并假设各个t 间彼此独立，一的绝对误差为a x j ，y 的绝对误差为每，则： y + 吵= 厂( 五+ a x l ，而+ a x 2 ，x 。+ a x 。) ( 3 2 ) 将上式按泰勒级数展开，并略去高阶项得： a y - y + 蹴a f 。+ 差如+ + 善瓴 。) 甘 蹴i蹴，劣。 ” 由上式有： 垆a i x , + 差蚶+ 阮a f a x 。 4 ) 已知各分项的误差，并有确定的函数( 各变量偏导数存在) 时，由( 3 4 ) 可分析 和计算总的合成误差。在实际应用中，由于分项误差符号不定而不可同时取正负，有时 就采用保守的办法来估算误差，即将式中各分项取绝对值后再相加： 妙= 争l l 望a x , 缸 1 ( 3 - 5 ) 若a x f 0 ，则有： ， ， 华北电力大学硕士学位论文 每= 矧缸+ 巨l 缸：+ + 巨卜 3 3 微波谐振腔法湿度测量系统的精度分析 ( 3 - 6 ) 谐振腔谐振频率的改变量与湿蒸汽的相对介电常数之间的关系可表示为： 笪：占一l ( 3 7 ) 一= ；= = 一i j ， 氏 心8 啦 在汽轮机末级，排汽温度一般在3 0 0 c 5 0 。c 的区间内变化，蒸汽湿度一般为6 , - - 1 2 。系统工作频率为9 6 g h z ，水的介电常数日= 8 0 。在3 5 。c 时，试验测得饱和湿蒸 汽的相对介电常数岛为1 0 0 0 9 2 ，饱和水岛为9 9 4 0 2 9 k g m 3 ，蒸汽湿度y - - 0 0 8 。 因为随汽轮机蒸汽含水变化而在1 0 0 0 9 2 附近的很小范围内变化，故可以将函数 i 用泰勒公式在毛= 1 0 0 0 9 2 展开，过程如下： 一1 ：一：竺一( c m - 1 0 0 0 9 2 + 1 ) 一5 ( 3 8 ) 万2x6=-100092+1000922 1 0 0 0 9 2 1 面+ 1 厂 u 喝， 要= 面赢- 1 ) 一丽啬忘面( e m - - 1 0 0 溉) 由式( 2 1 0 ) 得： 气= 毛( 1 + 3 彳丽靠 其怯箍- o 9 6 3 3 8 2 卜一1 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 由式( 3 9 ) 得： s 。= 2 0 0 1 8 4 ( 1 - 4 1 0 0 0 9 2 ) 一- 7 2 0 0 1 8 4 4 1 0 0 0 9 2 + 1 。9 2 ( 3 _ 1 2 ) 把( 3 一1 2 ) 代入( 3 - 1 1 ) 中，有： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 r， y = ib l南c 20 0 2 7 r + 旦i ( 3 1 3 ) 其中b - - 0 9 9 9 4 0 8 ，c = 0 0 0 0 9 2 本系统影响汽轮机湿度测量精度的变量是i 矿l 和晶振厶，由误差合成传递原理( 3 - 5 ) 有： 妒矧刮狲i 酬甑 由微波谐振频率公式( 2 2 ) 以及g 。 ，其中占。为蒸汽湿度的相对介电常数，大 约为1 0 0 0 9 2 ；占。为空气的相对介电常数，大约为1 ，知：矿= f f o 0 ，故有： 例= 一矿 ( 3 1 5 ) 将( 3 1 5 ) 代入( 3 1 4 ) 中有： ( 3 1 6 ) 暑一一1 。同1 半( 3 - 1 7 ) 一1 网1 半3 - 1 8 ) 又。f o = 9 6 g h z ，l 驴i 一= i o m h z ：f a 趔，f o f 在3 5 0 c 时，实验测得蒸汽湿度y = 0 0 8 ，把a = i 0 1 2 8 3 2 ，b = 0 9 9 9 4 0 8 ，c = 0 0 0 0 9 2 ， 代枷彤，热有芋- o o 0 0 5 3 7 5 ，f o = 9 6 g h z ，篙为频偏的相对髓其 精度为l 。一6 可以满足系统的测量速度要舻，即可a ( 4 r ) = l n 篮f o 为本振的频率精度， 华北电力大学硕士学位论文 本系统选择的晶振类型是室 r t x o ，由文献 2 3 】得知其精度为2 5 l o - 6 ，把数据都代 入( 3 1 6 ) 中，有： a y = 1 7 9 6 9 8 1 0 - 6( 3 1 9 ) 即此汽轮机蒸汽湿度测量系统的理论误差约为1 7 9 6 9 8 x1 0 - 6 ，本文精度分析的对象 是系统误差，而且只是系统误差中的一部分误差，并不完全等同于系统误差。 3 4 提高微波谐振腔法湿度测量系统的精度 从上面的分析我们可以得出g 要想提高系统的测量精度，最有效的方法是提高 频偏频率的测量精度，因此可采取以下几个措施来提高测量精度【2 1 。 3 4 1 谐振腔采用低热膨胀系数材料和特殊结构 腔体形状变化会引起谐振腔的谐振频率漂移。本系统采用的谐振材料为黄铜， 是一种合金材料，选择合适的合金比例以减小其热膨胀系数，并且谐振器端部与端 头在外端面固定连接，以减小热膨胀的影响。 3 4 2 提高腔体的有载品质因数 腔体的有载品质因数q l l 决定了腔体受微扰后谐振的半宽度虢，其关系为 f 0 2 2 qa f o ( 3 - 2 0 ) 因此，有载品质因数越低，谐振腔的谐振半宽度觚也就越大，失谐就越不易检测。 如包太低，腔内介电常数小的变化引起的频偏系统可能无法检测出来。因此选择具 有高品质因数值的t e o l l 工作模式的圆柱型谐振腔。 3 4 3 提高腔体失谐检测灵敏度 由前述可知， 翌：上鱼 兀2 q l l 瓴 因此可以通过提高检测电路对谐振峰点鉴别精度( 精度，从而提高系统对湿度的测量精度。 3 4 4 腔壁水膜对测量结果的影响 ( 3 - 2 1 ) 8 f a f o ) 来提高相对频偏的测量 当湿蒸汽流过谐振腔时，由于在壁面上会形成一层水膜，因此可能需要对壁面 上的沉积物进行校正。第二章已经提到对腔壁进行特殊处理后，腔壁上不会形成完 整水膜，且水膜厚度很小，只有几微米。由于在谐振腔的内表面上电场强度很弱， 使沉积在腔壁内表面的水膜不敏感，当水膜厚度小于1 0 9 m 时，对测量结果的影响可 1 5 华北电力大学硕+ 学位论文 理简单，它从谐振腔的基本参数谐振频率出发，测量流通和不 传感器的谐振频率变化量，从而得n - 者之间相对介电常数的 合湿蒸汽的等效相对介电常数与其湿度之间的关系式( 2 1 0 ) ， 。因为其测量系统只要得到谐振频率变化量( 测量环境的压力 压力传感器和温度传感器得到) ，因此它可以参考现有的频率 测量系统，利用与本振混频的方案，将高频测量化为较低频率的测量，从而简化了 系统实现难度。 3 6 小结 本章对于蒸汽湿度测量系统进行了系统误差分析，并从测量频偏的频率的精度 和本振的精度来分析影响系统误差的因素。 对测量频偏的频率的精度引起的测量误差给出了相应的补偿措施：( 1 ) 采用低热 胀系数材料和特殊结构提高腔体的有载品质因数跏，减小因热膨胀影响造成的频 率漂移；( 2 ) 对谐振腔的内壁采取特殊处理，使形成的水膜尽可能小；( 3 ) 通过提高检 测电路对谐振峰点鉴别精度来提高相对频偏的测量精度；( 4 ) 采用精度较高的频率测 量方法，在下一章将会详细叙述高精度的频率测量系统。通过对以上4 个环节的补 偿，可以有效地提高蒸汽湿度的测量精度。 1 6 ， 一 华北电力大学硕士学位论文 第四章湿度测量系统的设计 微波谐振腔的谐振频率随腔内介质的介电常数变化而发生偏移。当湿蒸汽流过微波 谐振腔时，通过检测谐振腔谐振频率的偏移可以得到湿蒸汽的介电常数，由介电常数和 蒸汽湿度的关系，进而确定蒸汽的湿度。因此这就需要高精度的频率监控系统，实现 v c o 的输出频率与谐振腔的谐振频率实时相等，而频率测量的精度直接影响蒸汽湿度 测量的精度。本章设计了高精度的频率跟踪系统和频率测量系统。而单片机是信号控制 与处理的核心器件，下面我们介绍一下m s p 4 3 0 系列的单片机。 4 11 6 位系列单片机m s p 4 3 0 介绍 m s p 4 3 0 是t i 公司近几年推出的1 6 位系列单片机【2 4 l 【2 5 1 ，由于极好的应用效果 和很大的市场潜力，t i 很快将其发展为通用单片机。其采用了t i 公司最新的低功 耗技术，使其在众多的单片机中独树一帜。m s p 4 3 0 的超低功耗使其在电池供电、 便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。m s p 4 3 0 也具有非常高的集成度，单 片集成了多通道1 2 b i t 的a d 转换、片内精密比较器、多个具有p w m 功能的定时 器、斜边a d 转