湿蒸汽湿度测量传感器及控制系统的设计与实现

1、湿蒸汽湿度测量传感器及控制系统的设计与实现 华北电力大学保定 硕士学位论文 湿蒸汽湿度测量传感器及控制系统的设计与实现 姓名：夏秋月 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：张淑娥 2021-03 华北电力大学硕士学位论文 摘 要 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。在本 文中，首先研究了湿蒸汽湿度测量原理及其相应的系统。从理论上分别阐述了单通 道测湿系统和双通道测湿系统的工作原理，比拟了两者实现的难易程度，理论结果 说明采用双通道能防止因热膨胀导致的频率偏移，使系统输出信号满足实验测量要 求。然后，对系统核心部件微波谐振腔进行设计。设计了圆柱形谐振腔，

2、其工作模 式为 TE011 模，用两个小孔将圆柱形谐振腔和矩形波导的窄壁相耦合，在谐振腔的 侧面开多个窄缝以使湿蒸汽自由通过谐振腔；使用 ANSOFT HFSS9.0 对传感部件谐 振腔进行设计；分析了由测量方法和测量仪器引起的系统误差；依据谐振腔的等效 原理设计了谐振腔的等效电路，对谐振腔的结构和等效电路进行了仿真，得到在谐 振频率为9.575GHz 时，TE011 模的品质因数为30537，适合作为测量流动湿蒸汽湿 度的传感器。最后，设计了湿度测量系统。介绍了频率跟踪和频率测量模块的原理， 以MSP430F157 单片机为核心，设计了频率跟踪和频率测量两个模块，频率跟踪模 块实现了VCO

3、的输出频率与谐振腔的谐振频率实时相等，在频率测量模块中采用多 周期同步测量与量化延迟法相结合的测量方法，使测量分辨率到达了0.1 Hz；利用 串行通信接口实现了PC 机与单片机之间的通信，调试结果说明频率测量和频率跟 踪模块能正常工作并且其性能指标满足测量系统的要求。 关键词：湿蒸汽；湿度测量；谐振腔；频率测量；频率跟踪 I 华北电力大学硕士学位论文 Abstract It is great significant to have accurate measurement of the humidity of wet stream of large condensing steam turbi

4、ne in conwntional pawer plant. In this paper, at first, the measurement principle and corresponding system of the humidity of wet stream are researched. The operating principle of the moisture measurement system with single-channel and dual-channel are elaborated theoretically, respectively, and the

5、 difficulty level of this two moisture measurement system are compared, the core microwave cavity of this system is optimized, to avoid frequency offset cased by its thermal expansion, in order to meet the experiment requirements. Then, the microwave cavity is designed. A cylindrical cavity is desig

6、ned, whose operating mode is the TE011 mode, and two holes coupled the cylindrical cavity with the narrow wall of rectangular waveguide, there are several narrow slit in the side of the cavity so that the wet stream can through it freely; the cavity of the sensor is designed by ANSOFT HFSS9.0; the s

7、ystematic errors caused by measurement methods and instruments are analysed; the equivalent circuit of the cavity is designed on equivalence principle of the cavity, the structure and the equivalent circuit of the cavity are simulated, when the resonant frequency is 9.575 GHz, the quality factor of

8、TE011 mode is 30537, so it is appropriate to be the sensor to measurement the humidity of the flow wet stream. At last, the moisture measurement system is designed. The principle of frequency tracking module and frequency measurement module are introduce, and these modules are also designed by the S

9、CM of MSP430F157, it is realized that the output frequency of VCO equals to the resonant frequency in the frequency tracking module, multi-cycle synchronous measurement and quantified delay measurement methods are both used in the frequency measurement module, with the measurement resolution ratio i

10、s up to 0.1 Hz; the communication between computer and SCM are realized by the serial communication interface, debugging results show that frequency measurements and frequency tracking module can work normally, and its performance indexes meet the measurement system requirements. Keywords: wet steam

11、 ；wetness measurement ；resonator ；frequency measurement ； frequency tracking II 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文?湿蒸汽湿度测量传感器及控制系 统的设计与实现?，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明局部外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要奉献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承当。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使

12、用授权书 ?湿蒸汽湿度测量传感器及控制系统的设计与实现?系本人在华北电力大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或局部内容编入有关数据库 进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或局部内容。 本学位论文属于请在以下相应方框内打“： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期

13、： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 第1 章 引 言 1.1 课题背景 随着经济和时代的开展，节约能源、提高产品质量和保证平安生产成为人们越 来越注重的问题。气体中水蒸汽的含量被定义为湿度，蒸汽湿度的测量对烟草、制 药、汽轮机平安经济运行具有重要意义。在工业生产过程中，气体湿度的在线测量 具有重要的意义。在常规电站中大型冷凝式蒸汽机的末几级和核电站中蒸汽机都在 湿蒸汽状态下工作，湿蒸汽中的液态水含量对工作介质以及效率具有很大影响。蒸 汽湿度的存在不但降低透平级的运行效率 ，而且还会引起严重的叶片水蚀，直接 影响汽轮机组的平安性和经济性，所以精确测定湿蒸汽中

14、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。由于目前蒸汽湿度不能直接通 过状态参数确定，汽轮机的相对内效率也就不能直接确定，末级叶片折断和水蚀形 成的原因也就难以分析、判断，所以测量汽轮机的湿度早已成为当前大机组在线监 测及故障诊断中迫切需要解决的问题。传统的湿度测量的方法有光学法、热力学法、 化学法等，这些方法在其专门的应用领域都有其优点和局限性。在汽轮机蒸汽的湿 度测量的现有方法中，热力学法、超声波法测量精度有待提高，光学法对使用环境 要求较高。微波测湿法近些年来开展极其迅速，不但弥补了以上方法的缺乏，而且 具有快速、连续的优点，并且能够实现在线测量，因此研究微波测

15、湿法有重要的实 1 用价值 。 1.2 研究现状 从 1901 年起，人们开始关注汽轮机低压级中蒸汽的流动问题，随着高参数大 容量机组和湿蒸汽汽轮机的采用，在线监测汽轮机内湿蒸汽湿度的测量技术和减少 湿度对汽轮机所造成的危害，一直以来是世界各国重视和研究的问题。自 20 世纪 70 年代，蒸汽湿度测量技术的研究取得了较大的进展，相继研究出了一些方法，例 如：光学法、热力学法、化学法和原子学法等等，但是可用于测量汽轮机内流动湿 蒸汽湿度的方法主要是热力学法和光学法。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GEC、德国汉诺威工业大学等。在国内，采用热力学 研究的主要有西安交通

16、大学、西安热工研究院、东北电力学院等。这些热力学测量 方法都需要从蒸汽机的主汽流中抽取局部试样，然后引向测量段2 。该方法的测量 精度不仅取决于测量环节并且还受试样抽取环节的影响，测量精度低，时间长，而 且不能实现蒸汽湿度的在线测量。 1 华北电力大学硕士学位论文 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，即抽取汽轮 机的局部试样在测量阶段进行处理，可以分为加热法、节流法、蒸汽-空气混合法、 3 凝结法等 。 1 加热法是把湿蒸汽的抽取试样加热到干饱和或者过热状态，测量出抽取试样 的流量，然后根据热力学参数的变化计算出该湿蒸汽的湿度。 2 节流法是把湿蒸汽的抽取试样流到较低的蒸

17、汽压力值，使得节流后的湿蒸汽 处于过热状态，然后根据节流前后焓值不变条件取样湿蒸汽汽流的焓值，求出蒸汽 的湿度值。 3 蒸汽-空气混合法是把湿蒸汽的抽取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到达饱和，根据质量守恒和能量守恒定律， 并测出相应的压力、温度及露点温度，计算出蒸汽湿度。 4 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汽 相的相比照例，然后算出蒸汽的湿度。 表1-1 各种热力学法湿度测量的测量精确度比拟以及误差来源 测量方法 湿度测量的精确度 测量误差的主要来源 加热法 0.016 散热损失、取样流量、加热量 节流法 0.010

18、散热量损失 蒸汽-空气混合法 0.023 出口压力测量 冷凝法 0.087 冷却水量、取样量、冷却水温 光学法：光线通过含有细微颗粒或雾滴的均匀介质时一局部产生散射现象。湿 蒸汽中水珠之间的距离远远超过不相关散射所需要的颗粒间的距离，由此出现了不 4 同的光学测湿方法，光学法可分为角散射法和全散射法或称为消光法 。 1 角散射法的实质是通过测量水滴对入射光的某一散射特性，然后按Mie 理论 对数据进行处理求得被测汽流中水滴直径和蒸汽湿度。 2 全散射法的实质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。 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

19、量,法国电力局 EDF 研制了用于测量水滴直径大于 10m 的基于显微视频测 量技术的测量系统5 。 微波谐振腔测湿技术是近几年国内外出现的一项热门技术。腔内介质的介电常 数是在一定压力和温度下由流动气体的湿度决定。根据谐振腔中谐振频率随腔内电 介质的介电常数变化发生偏移这一特性，只要能准确测得谐振频率的变化量，就能 6 测得流动气体的湿度 。与目前使用的光学法、热力学法相比，采用该蒸汽湿度测 2 华北电力大学硕士学位论文 量方法可简化设备，提高测量精度，有利于在线监测，是一种很有开展前景的测湿 新方法。 由电磁波在电介质中的传播特性可知，假设电介质的外加电场为E ，那么作用于电 1 介质分子

20、上的电场E E -E ，电介质宏观参量、 ，与其微观参量，n ，a，E ，之 1 2 1 2 7 间的关系为 ： naE 1 ?1 1-1 E 1 2 式中：n 为单位体积内的分子数；a 为分子极化率，与材料本身的性质有关， 而与外加电场的大小无关，对某一种确定的材料而言，a 为常数； 为真空中的介 0 电常数。因此，即使材料相同，分子密度不同，在恒定电场作用下，其宏观参量介 电常数也将不同。根据这一特性，蒸汽湿度不同，那么其密度也不同，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。 以下对湿蒸汽湿度测量方法进行了总结： 热力学法无需测

21、出湿蒸汽中水滴的粒径及其分布，基于其数学模型可直接算出 饱和蒸汽的湿度。理论上热力学法测量湿度时，对水滴的尺寸无严格限制，但是由 于热力学湿度法湿度测量装置的体积比拟大，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。 光学法可直接测出装置的外形尺寸大小，蒸汽中水滴的粒径分布，对被测汽流 的状态有无干扰等优点，但在实际应用中也受到一些条件的限制，例如：如何测量 直径较大的水滴一般要求水滴直径小于3 m ，如何保证光学窗口的洁净、不结 露，最重要的是如何测准流过测量区的汽-液双相流的流量，并且测得结果存在数据 标定或校验等问题

22、。 随着图像处理技术的开展，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。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8 。这种方 法不需要进行抽汽取样，并且对使用环境条件要求也不高，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。 微波测湿技术是近几年国内外出现的一项热门技术，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。常用的微波测量 方法有衰减法、相位法、传输线法、频率法等通过测量微波的不同参数而得到的材 9 料的湿度 。 3 华北电力大学硕士学位论

23、文 谐振腔技术很早就被应用于测量材料的微波特性，这一技术可以提供一种非破 坏性的、相对快速的湿度测量。1967 年，H.EBussey 首次在论文中提出了采用微波 谐振腔对物质特性进行测量的思想，此后随着微波湿度测量根底理论的不断深入研 究以及微波技术的快速开展，将谐振腔作为湿度传感器的技术迅速应用到各个领 10 域，包括粮食含水量的测量、油类物质含水量的测量、工业气体含水量的测量等 。 1986 年P.V. Vainikainen 提出了以单个谐振腔为传感器的测量湿度的方案，到90 年 代，在测量频率的思想下，提出了双通道系统，并给出了无源跟踪系统设计思想。 近几年华北电力大学的师生对单通道

24、和双通道测湿技术进行了理论研究，并在此基 础上对单通道腔和双通道测湿系统中的误差做了理论分析，为微波测湿技术的后续 研究和实际应用提供了珍贵资料和科学指导。 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特性， 可以采用谐振腔作为蒸汽湿度测量系统的传感器。微波谐振器具有较高的品种因 数，采用这种方法的突出优点是能够使测量系统具有很高的精确度和灵敏度，能够 11 实现蒸汽湿度的在线连续测量 。 1.3 课题研究内容 微波谐振腔微扰法测量蒸汽湿度的根本思想，是基于谐振腔的微扰，即微波谐 振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数的变化发生偏移，在一定的温度、压力下 蒸汽湿度不同其介电常数

25、也不同。因此，蒸汽湿度流过谐振腔，通过测量其谐振频 12 率的偏移就可以测量出蒸汽的介电常数，进而确定蒸汽的湿度 。基于此方法的谐 振频率改变量和介质的介电常数的关系，只要测量出谐振腔的谐振频率的改变量， 由上式就可以得到蒸汽的介电常数，由介电常数和湿度的对应关系得到蒸汽的湿度 13 ： 本课题主要研究以下方面： 1 对微波谐振腔测湿系统的工作原理进行理论分析，比拟两者实现的难易程 度。 2 设计适合流动湿蒸汽测量的微波传感器的结构，使其工作频率为 9.6GHz， 品质因数尽可能高；搭建整体测湿系统。 3 分析谐振腔的等效原理，给出所设计的谐振腔的等效电路模型。 4 由MSP430 单片机设计

26、频率跟踪和频率测量模块，并进行软硬件调试。 4 华北电力大学硕士学位论文 第2 章 蒸汽湿度测量系统 2.1 单通道测湿系统原理 在蒸汽机装置中所遇到的湿蒸汽是从干饱和到15以内湿度的湿蒸汽。在地热 14 电站或水冷堆核电站中，蒸汽机的蒸汽是干饱和蒸汽或湿度很小的湿蒸汽 。 汽轮机中的水珠可以分为两大类，第一类是所谓自发凝结后所形成的一次水 滴。这些水涸在以后的膨胀过程中，虽还会继续不断地长大，但其直径一般都不会 超过1、2 m 。由于直径较小，一次水滴可以很好地随主汽流一起活动，它们有着 几乎与汽相完全相同的速度、方向和速度三角形。因此，对汽轮机的危害作用不是 很大。二次水滴是在喷嘴和叶片的

27、出汽边由于水膜破碎而形成的。这些水滴有着较 大的直径，一般在几个m 到几十个m 之间，甚至更大。二次水滴的质量和惯性 很大，虽然在高速汽流的挟带下，它们的速度大小、方向以及速度三角形都与汽相 有着很大的差异，但也对汽轮机的级效率和叶片水蚀造成了危害15 。 汽轮机中的湿蒸汽有以下特点：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 ；将水滴视为杂 g 质，介电常数为 ；令混合湿蒸汽的介电常数为 。在选择了适宜的工作波长，使 l m 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16 本文设计的测湿系统工作

28、在X 波段，约为9.6 GHz，对应3.1 mm 的工作波长，满足前提条件。圆球杂质的混合介质公式为 1 ? 1+3f b 2-1 a i 2 + b 式中， 、 、Y 分别为湿蒸汽对基质相对介电常数 的归一值、水滴对基质 a b i g 相对介电常数 的归一值、水珠的体积百分率体积湿度，即 × 、 × 。 g m a g l b g 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，因此水珠的体积百 分率Yi 为 V Y 1 2-2 i V +V 1 2 式中，V 为在测量环境下水滴占的体积，V 为干饱和蒸汽占的体积。 1 2 对于流动湿蒸汽，它的湿度Y 定义为水分质量

29、占汽水混合物总质量的百分比17 5 华北电力大学硕士学位论文 m m V Y 1 1 1 1 2-3 m m +m V + V mix 1 2 1 1 2 2 式中，m1 为混合湿蒸汽中水滴的质量，mmix 为湿蒸汽总质量，m2 为干饱和蒸汽 质量， 为水滴的密度， 为干蒸汽的密度。 1 2 由式 2-1 至 2-3 得 1 Y 2-4 3 ? 2 1 2 2 1+ ?1 ? +2 1 m 2 1 2 由于应用时，在测量温度压力下的、 、 、 都为量，故只要测得湿蒸 l g l g 汽的介电常数即可应用式 2-4 得其湿度。 谐振腔的空腔谐振频率f 0 与腔内谐振模式自身波数k 的关系为： c

30、 1 f 0 0 k k 2-5 2 2 0 0 18 式中，c 为真空光速， 、 为真空介电常数和磁导率 。 0 0 0 当等效介电常数为 的湿蒸汽通过时，谐振腔的谐振频率f 与腔内谐振模式自 m 1 19 身波数k 的关系为 ： 1 f 1 k 2-6 2 1 0 2 m 式中， 1、2 为蒸汽相对介电常数和相对磁导率。 比拟式 2-5 2-6 ，由于蒸汽为非磁性材料，其磁导率根本不发生变化，可以得 出 f 0 ?2 n ? 2-7 f 1 ? ? 即为谐振腔微扰法测量蒸汽相对介电常数，在理论上只要测量出谐振腔空腔 n 谐振频率f 0 和腔内流通湿蒸汽时的谐振频率f 1，即可利用式 2-4

31、 及式 2-7 计算出腔 内的蒸汽湿度。 实际上在高频测量中，直接测量出谐振腔的谐振频率是不现实的，实际应用的 测频原理一般是通过比拟法将待测信号与某种频率标准频率或者频率特性的 20 电路相比拟，通过频率特性求出未知频率特性 。 如果将高频测量转化为低频测量，就成为比拟适宜的测量手段，将空腔谐振频 率当作参考频率f 0 ，将腔内流通湿蒸汽时的谐振频率当作未知频率f 1，通过混频等 手段得到二者的频率偏差f 。从而将高频测量转化为对?f 的低频测量。 6 华北电力大学硕士学位论文 频偏?f 与湿蒸汽相对介电常数 的关系式 n ? f B ? ?1 2-8 f 0 2 n 式中，?f 为谐振 腔

32、的谐振频率偏移量?f f f ，f 为空腔谐振频率，B 是和 1 0 0 谐振腔形式相关的结构因子。B 的取值范围在0 到 1 之间，B 越大，当 变化? n n 时频率的变化?f 也越大；即B 越大， 的变化越敏感。因此，设计的谐振腔应尽量 n 保证大的B 值。圆柱形谐振腔结构因子B 为 x 2 3.832 J 1 r rdr l a B 2 2 2-9 a J 0 3.832 式中，a ，x ，l 为谐振腔的结构尺寸，显然当a ，x ，l 确定后B 为常数。对本谐 振腔有l 0 ，x a ，即湿蒸汽充满谐振腔内部，根据贝塞尔函数的性质，可知B 1。 因此根据式 2-4 和式 2-8 可知，蒸汽湿度Y 的测量关系式为 1 Y 2-10 3 ? 2 1 2 2 1+ ?1 f 1 ? 1?2 ? +2 2 1 1 f 0 从式 2-10 看出可以通过测量谐振腔的谐振频率偏移可以到腔体内流通的湿蒸 汽的湿度。系统工作频率为9.6 GHz，所以设计的谐振腔空腔谐振频率f 0 为9.6 GHZ 。 在60 ，0.02 MPa 条件下根据式 2-10 计算出的湿度和频偏关系曲线见图2-1 ，可 21 见二者在小范围内汽轮机工作湿度范围内近似线性 。 z H k f ? 偏 频 湿度Y % 图2-1 湿度和频偏关系曲线 7 华北电力大学硕士学位论文 只要测得在谐振腔中流通湿蒸汽时和没