谐振腔微扰技术测量湿蒸汽两相流的理论分析

蒸汽湿度的准确测量对汽轮机的安全、经济运行和优化设计具有重要意义。根据湿蒸汽混合物的介电性质,采用微波谐振腔介质微扰理论,建立圆柱形谐振腔在TE011模式下测量蒸汽湿度的关系式。测量湿度与湿蒸汽的热物性、温度(压力)、谐振腔的谐振频率和相对频偏有关。湿蒸汽的温度(压力)降低、谐振腔的谐振频率升高、相对频偏升高,湿度测量结果会增大,反之减小。谐振频率降低、温度升高,湿度的测量精度提高。蒸汽湿度测量谐振腔的谐振频率建议在5~10 GHz。对某200 MW凝汽式汽轮机进行排汽湿度测量实验,湿度测量结果与理论计算值吻合,验证了微波谐振腔微扰法测量蒸汽湿度理论的正确性。     

基于谐振腔湿度测量系统的等精度频率测量系统设计

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,频率测量的精度直接影响蒸汽湿度测量的精度.介绍了一种多周期同步与量化延时短时间间隔相结合的频率测量方法,在MSP430单片机的控制下完成宽频率范围内的等精度测量,消除了被测信号±1计数误差,使测量精度达到10e-7,满足蒸汽湿度测量精度的要求.给出了频率测量的硬件原理图,并利用可编程序逻辑器件CPLD来实现,使设计简单,集成度高,可靠性强.     

双层套管直接加热式流动湿蒸汽湿度测量仪

提出了一种以能量守恒定律为基础,用于加热法测量流动湿蒸汽湿度的计算表达式,并以此设计了一种彼此同心、相互绝热和绝缘的双层套管直接加热的实现流动湿蒸汽湿度测量的仪器。在该仪器中,双层套管的内、外层加热管均直接作为电加热元件。内层管用来加热湿蒸汽取样,使之变成过热蒸汽;外层管加热以维持内外层管壁具有相同的温度,实现内层管对湿蒸汽加热时的零散热损失。测出内层管对流动湿蒸汽取样的加热量、流动湿蒸汽的压力、湿蒸汽取样加热后得到的过热蒸汽的压力和温度以及湿蒸汽取样的流量,按照所提出的流动湿蒸汽湿度的计算表达式,可准确地测出流动湿蒸汽的湿度。     

电容法测量湿蒸汽湿度的可行性研究

由于在同温度、同压力下,水和水蒸气的相对介电常数存在很大差异,当一定压力的湿蒸汽通过电容传感器时,湿度的变化会引起传感器电容的变化,且相对变化只与湿度有关,与电容器的结构无关。以平板电容器为例,计算湿蒸汽通过时由于湿度变化引起的电容相对变化量,并探讨了含盐量的影响。蒸汽压力小于15 MPa范围内的计算结果显示：在同一湿度下,电容传感器电容量相对于湿度的变化率随着饱和蒸汽压力的增大而增大;在同一压力下,电容传感器电容量相对于湿度的变化率随湿度的增大而增大。根据计算结果并结合湿度测量的具体应用,分析了电容传感器用于测量湿蒸汽湿度的可行性。     

用于液膜厚度测量的开式同轴腔传感器结构设计

汽轮机低压缸的湿蒸汽区液膜在高速汽流拖拽撕裂下形成较大水滴,会造成动叶片的严重水蚀,实时监测液膜厚度对于叶片防护及机组的安全运行具有重要意义。对此,搭建了谐振腔等效电路,并推导液膜厚度的测量关系式,设计了电磁性能良好的开式同轴谐振腔传感器,仿真分析了同轴腔的谐振频率随水膜厚度的变化关系,确定了测量关系式中的待定系数;选择蒸馏水为液膜材料,介电常数为81,利用电磁仿真软件HFSS计算水膜厚度h从0变化到1 mm,单位增加0.02 mm时进行拟合仿真,结果表明:拟合相似度0.995,均方根误差0.022。可见,该测量关系式可靠性较高,该测量技术可用于测量汽轮机静叶片、汽缸壁、导流环等结构处的液膜厚度。     

汽轮机排汽湿度谐振腔微扰测量法的研究

蒸汽湿度的准确测量对某些工业生产及指导电厂汽轮机安全经济运行具有重要意义。该文提出了采用微波谐振腔微扰法连续测量汽轮机内流动湿蒸汽湿度的方法,给出了计算汽轮机排汽湿蒸汽等效介电常数的模型,设计了适用于流动湿蒸汽湿度连续测量的谐振器及测量系统,其测量系统与现有的热力学法或光学法测量系统相比,不仅结构简单,而且能实现蒸汽湿度的在线连续测量。实际应用中,可以通过选择蒸汽在谐振器中的通流位置,选择高品质因数工作模式,提高系统对相对频偏的测量精度,以及采用低热胀材料和特殊谐振器端头结构的办法来提高测量精度。测量误差约为±1％。     

倒置微带贴片谐振器测量汽轮机湿度的研究

汽轮机蒸汽湿度的在线测量,对汽轮机的安全、经济运行具有重要的理论意义和实用价值。根据微扰法的基本理论,提出一种结构简单、灵敏度高的倒置微带贴片谐振器,实现汽轮机湿度的准确在线测量。湿蒸汽的湿度变化反应为谐振器介质层介电常数的变化,根据微带贴片谐振器的基本原理,仿真计算不同介电常数下的谐振频率,得到其变化关系曲线;讨论样本厚度、基质厚度和基质介电常数对频率偏移量的影响;设计微带贴片谐振器模型,并分别在HFSS和CST软件下进行仿真。研究及仿真结果表明,微带贴片谐振器模型适用于汽轮机蒸汽湿度的在线测量,蒸汽湿度每变化1%,谐振器频偏约为18 k Hz,约为微带缝隙谐振器频偏的3.6倍,有利于蒸汽湿度的准确测量。     

流动湿蒸汽湿度的加热法测量方法及其装置

由于测量湿蒸汽湿度的光学法和热力法的缺点，提出了一种对湿蒸汽湿度探针内管与外管同时加热，并保持它们的温度相同，以避免湿蒸汽试样加热期间引起的对外散热损失的加热方法；设计并制成了一套采用这种新型加热方法的湿度测量装置。     

汽轮机内湿蒸汽两相流介电性质研究

将电介质的复介电常数与其静介电参数、交变电场频率的关系引入Maxwell-Wagner非均质电介质理论,建立湿蒸汽等效复介电常数模型,得到饱和水、干饱和蒸汽和湿蒸汽的复介电常数随波长和温度的变化。饱和水复介电常数的实部随波长增加、温度降低而变大,当波长较大时,实部趋于静介电常数,当波长较小时,实部趋于常数,与温度无关;其虚部随波长增加先变大后减小,随温度降低而变大,当波长较小或较大时,虚部趋于0。干饱和蒸汽复介电常数的实部随波长增加、温度升高而变大,当波长较小或温度较低时,实部趋于1;其虚部随波长增加先变大后减小,随温度升高而变大,当波长较小或较大或温度较低时,虚部趋于0。湿蒸汽的复介电常数和干饱和蒸汽规律相近,当湿度增加时,实部和虚部均变大,而且温度越高,数值越大。     

电容式湿度传感器在汽–水系统中的静态响应特性分析

电介质的介电理论表明,同一压力和温度下的饱和水和饱和蒸汽,介电常数相差较大。基于此理论,该文利用电容法进行湿度标定实验研究,及对电容式湿度测量仪的静态特性进行分析。实验中采用向空气中喷雾化水滴的方式来模拟湿蒸汽,应用所设计的多电极同轴圆筒形电容传感器测量蒸汽湿度。测量电路以电容为测量参数,以电压为输出信号,通过输出与电容值成正比的电压值的大小来反应电容量的大小。实验结果表明,传感器电容值不随空气流量的增加而变化,其稳定性较好;在实验范围内该传感器的灵敏度不是一个定值,最大灵敏度为0.045nF/1%;湿度越小该传感器的可重复性越好,随着湿度的增加,其可重复性概率逐渐减小,其可重复性指标值为3.68%;随着汽流湿度的逐渐增加,传感器电容逐渐增大,湿度在小于12%的范围内,其线性度较差,而湿度范围在3%~8%时,其线性度较好。     

同轴谐振腔测量片状介质材料的介电常数

基于同轴谐振腔,提出一种测量低损耗片状介质材料相对介电常数的方法。结合麦克斯韦方程组和电磁场边界条件,分析部分填充介质的同轴谐振腔内TEM谐振模,推导填充介质同轴谐振腔的本征方程。采用多项式拟合法简化计算模型。本文通过计算分析,设计一个空腔工作频率在1.8183 GHz的同轴谐振腔进行研究。在HFSS电磁仿真软件中进行仿真分析,研究填充介质材料的厚度和放置高度对测量结果的影响,仿真测量结果与理论模型结果一致。在实验中搭建测量系统实现全自动测量。实验测量同轴谐振腔空腔的谐振频率为1.8183 GHz。对FR4介质材料的相对介电常数进行测量。经过多次测量表明测量系统稳定性良好。实验结果符合实际标称值,与仿真误差小于5%,证明该方法的可行性和准确性。     

谐振腔测湿温度补偿系统实验设计

针对谐振腔微扰法测湿过程中,腔体尺寸随温度变化对测湿结果影响显著的问题,提出了温度补偿的实验方案。根据谐振腔体积微扰原理,对温度补偿原理进行了分析,推导了腔体尺寸变化量与频偏的关系,设计了温度补偿实验系统方案,并对实验中的温度控制系统进行了分析。该温度补偿系统结构简单、成本适中,并对提高谐振腔法微水测量精度具有重要意义。     

熔融盐–亚临界汽/水传热性能实验分析

熔融盐是太阳能热电联产系统中一种新型的蓄热介质,实验以60%Na NO_3和40%KNO_3混合二元盐为工质,分别研究熔融盐与亚临界蒸汽和亚临界水在套管中传热特性。实验结果表明:熔融盐与亚临界汽/水换热时,熔熔融盐进口温度对熔融盐努塞尔特数影响较大,而蒸汽或水因压力改变影响自身的物性的变化对其影响很小。根据实验数据并采用多元线性拟合熔融盐努塞尔特数实验关联式,其最大拟合偏差分别是±10%、±5%。并与经典圆管对流传热DittusBoelter、Sieder-Tate、Михеев、Gnielinski关联式比较,其计算值均比实验值大,其最大偏差在-20%~-40%。     

蒸汽湿度测量系统的研究与设计

根据谐振腔的谐振频率随腔内空气介电常数变化发生偏移这一特性,研制了基于微波谐振腔的汽轮机蒸汽湿度测量系统。设计了自动频率跟踪模块,利用单片机来控制压控振荡器VCO的输出频率。保证了VCO的输出频率与谐振腔的谐振频率一致,减小了频率跟踪的时延,从而提高了整个测湿系统的测量精度。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高精度频率测量方法,使测量分辨率达到了0．1Hz,满足系统的要求。利用此系统对湿空气环境进行了测量,分析了测量结果和理论结果间的误差,二者表现出较好的一致性．     

基于微波谐振腔微扰法的汽轮机蒸汽湿度测量

汽轮机内蒸汽湿度的大小和分布状况直接影响汽轮机运行的经济性和安全性。以汽轮机内蒸汽湿度的准确测量为目的,设计了基于微波谐振腔微扰法的蒸汽湿度测量系统:自动频率跟踪系统和等精度频率测量系统。经实验测试,自动频率跟踪系统能够在9.6 GHz基础上检测出千赫兹的频率变化;等精度频率测量系统在标准频率为10 MHz时,分辨率可达到10-7,对于1～10 MHz的测量信号,能分辨出的频率范围为0.1～1 Hz。     

布拉格光纤光栅测量湿蒸汽两相流温/湿度的理论数学模型

基于布拉格(Bragg)光纤光删(FBG)测量湿蒸汽两相流温度和湿度的物理模型,推导测量湿蒸汽两相流温度和湿度的数学模型,设计了新颖的测量结构和实验系统,并进行了分析。在同一光纤两段区域上写入不同中心反射波长的FBG,在一处FBG外面涂覆了湿敏材料(如PI材料),增强其感湿能力,把湿敏材料吸湿后发生湿膨胀引起的膨胀量当作产生湿应变来处理,同时还引入了湿敏材料与FBG的界面粘接系数,得出由于温度和湿度变化湿敏材料产生的应变使FBG波长发生漂移;把另一处FBG封装在温敏材料(如铝材料)中,只感受温度的响应,通过热应变对FBG作用,波长发生漂移,从而推导出测量的理论数学模型。     

河南省电力公司2006年科学技术进步获奖成果简介之一

成果简介：该成果根据介质光波导中的光场分布理论光能损耗机理和石英玻璃棒上有污秽时将对光能产生损耗的原理，提出了利用光学传感器来测量绝缘子等值盐密的方法。试验研究了石英玻璃棒光通量衰减于表面盐分组成、湿度、温度、附尘厚度和灰盐比等影响因素的相关性。应用神经网络理论建立了光衰减与绝缘子表面盐密关系的数学模型。设计制作了一套完整的光技术学盐密测量系统，通过光学传感器的光通量变化来测量盐密的大小。     

GIS内SF_6气体湿度测量的影响因素及修正方法

详细分析GIS内SF6气体湿度测量过程中气体管路结构、温度、压力因素对测量结果的影响,提出改善气体管路结构及修正温度、压力对湿度测量产生的影响等方法,指出在线监测方法将成为SF6气体监测的发展趋势。     

汽包水位的压力温度补偿

通过分析汽包压力对汽包水位测量的影响,提出了饱和水、饱和蒸汽密度的数学模型;通过分析平衡容器内凝结水温度和压力对汽包水位测量的影响,提出了凝结水密度的数学模型,从而得出汽包水位测量的补偿模型,应用于汽包水位的压力温度补偿系统,将会使锅炉汽包水位的测量准确度得到进一步提高。     

空气湿度微波谐振腔测量方法

提出一种通过微波谐振腔测量气体介电常数实现空气湿度连续测量的方法,并给出计算不同温度和湿度下空气等效介电常数的模型,设计出作为流动空气湿度传感器的两端采用开放同心圆环结构的特殊结构的谐振腔,对制作的谐振腔进行了气动特性仿真及S参数测量。仿真和测量结果表明：该结构的谐振腔适合于流动气体湿度的在线测量。研制了适用于空气湿度在线测量的微波测量系统。利用此系统对该文设计产生的饱和湿空气环境进行了测量,分析了测量结果和理论结果间的误差。该测量系统在29~38℃范围内能够实现±1.5%空气相对湿度的测量精度。