1 引言
常規(guī)電站中大型冷凝式蒸汽透平的末幾級和核電站中透平的全部級都在濕蒸汽狀態(tài)下工作。濕蒸汽中的液態(tài)水含量對工作介質(zhì)及其效率影響很大。蒸汽濕度的存在不僅降低透平級的運(yùn)行效率，而且還會引起嚴(yán)重的葉片水蝕，給電廠中運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性帶來隱患，所以精確測定濕蒸汽中液態(tài)水的含量即液化程度對氣輪機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)及其壽命具有重大意義。
微波諧振腔測濕技術(shù)是近幾年國內(nèi)外出現(xiàn)的一項(xiàng)熱門技術(shù)。腔內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)是在一定壓力和溫度下由流動氣體的濕度決定。根據(jù)諧振腔中諧振頻率隨腔內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)變化發(fā)生偏移這一特性，若能準(zhǔn)確測得諧振頻率的變化量，就能測得流動氣體的濕度。與目前使用的光學(xué)法、熱力學(xué)法相比，采用該蒸汽濕度測量方法可簡化設(shè)備，提高測量精度，有利于在線監(jiān)測，是一種很有發(fā)展前景的測濕新方法。在該測量方法中，微波諧振腔的腔體結(jié)構(gòu)、耦合結(jié)構(gòu)和性能是影響測濕精度的重要因素。在此，設(shè)計(jì)了小體積的同軸線耦合裝置用諧振腔。與矩形波導(dǎo)耦合相比，其結(jié)構(gòu)更適合用于汽輪機(jī)內(nèi)流動濕蒸汽濕度的測量。
2 汽輪機(jī)內(nèi)流動濕蒸汽濕度的測量原理
由文獻(xiàn)[3]可知，基于測量諧振腔諧振頻率偏移理論的蒸汽濕度關(guān)系式為：
式中：δf為頻偏；f0為諧振腔空腔諧振頻率。
由式(1)可見，通過測量諧振腔傳感器諧振頻率fs的偏移可得到腔體內(nèi)流通的濕蒸汽濕度。因系統(tǒng)工作頻率f=9.6GHz，所以設(shè)計(jì)的f0=9.6 GHz。圖1給出溫度為30℃時(shí)，壓力在0.02 MPa的條件下，由同軸線特性阻抗Z0算出濕度與頻偏的關(guān)系曲線?？梢?，兩者在小范圍內(nèi)即汽輪機(jī)工作濕度范圍內(nèi)近似呈線性。
3 微波諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 測量系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)的濕蒸汽測量，諧振腔需要放置在汽輪機(jī)腔體內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)洲量。測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要通過饋線傳人到外處理電路，同時(shí)外處理電路也需要通過饋線實(shí)時(shí)監(jiān)控諧振腔內(nèi)的頻率偏移。作為傳輸介質(zhì)，饋線應(yīng)滿足：①進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽腔時(shí)，對其腔體的破壞最?。虎谧鳛轳詈涎b置時(shí)，與諧振腔的耦合要滿足要求；③傳輸信號時(shí)，要使其衰減最小。
3.2 圓柱諧振腔結(jié)構(gòu)尺寸
圓柱形諧振腔以其品質(zhì)岡數(shù)Q較高，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，易于加工制作等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。圓柱形諧振腔可看作是其兩端用導(dǎo)體板封閉起來的一段圓柱波導(dǎo)。
由于蒸汽濕度測量系統(tǒng)對測量的靈敏度和精確度要求很高，因此選擇Q較高的TE011模式作為圓柱形諧振腔的工作模式。TE011模式的電場只有沿φ方向的分量；磁場分布有沿r和z方向的分量。在腔體側(cè)壁和兩端壁的內(nèi)表面上只有沿φ方向的電流，而且諧振腔的側(cè)壁與兩端壁之間也沒有電流通過。因此，可利用非接觸式活塞進(jìn)行調(diào)諧，以減少腔體磨損，減弱部分干擾模的影響。圖2給出TE011模圓柱形諧振腔的場結(jié)構(gòu)。圖中的實(shí)線為電力線；虛線為磁力線。
式中：a和l分別為諧振腔的直徑和長度；c為光速；ε和μ分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。
TE011模圓柱形諧振腔的空載品質(zhì)因數(shù)表示為：
式中：δ為諧振頻率時(shí)諧振腔材料的趨膚深度。
圓柱形諧振腔是濕度測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，決定了濕度測量系統(tǒng)的工作頻率，其件能直接影響到系統(tǒng)的精確度和靈敏度。
3.3 耦合結(jié)構(gòu)
耦合方式采用環(huán)耦合。耥合環(huán)在磁場作用下成為一個(gè)磁偶極子，通過其磁矩的作用使諧振器與同軸線相耥合，因此環(huán)耦合又稱為磁耦合。采用環(huán)耦合時(shí)應(yīng)置小環(huán)于諧振腔工作模式的磁場最強(qiáng)處，并調(diào)整環(huán)面使其與磁力線相垂直。與矩形波導(dǎo)和諧振腔的耦合相比，同軸線與鑿振腔的耦合能有效縮減系統(tǒng)的體積，且無需模式轉(zhuǎn)換就能直接把信號輸入到數(shù)據(jù)處理模塊。
(1)耦合環(huán)的結(jié)構(gòu)分析
圖3給出磁偶極子。在線圈中心處O點(diǎn)，磁偶極子的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：
耦合環(huán)的Hz分量與TE011模網(wǎng)柱形諧振腔的Hz分量一致，所以這種耦合方式可以激勵(lì)TE011模。TE011模式與TM111模式是簡并波型，在激勵(lì)端口TM111模的Hz分量為零，不能被激勵(lì)，所以采用這種激勵(lì)方式可巧妙地抑制TM111模的產(chǎn)生。將耦合環(huán)水平且垂直于磁力線地放置在諧振腔中外側(cè)，即為諧振腔工作模式的磁場最強(qiáng)處。根據(jù)對稱原理可知，諧振腔中間外側(cè)亦是耦合環(huán)磁場分布的最強(qiáng)處，因此可得到最大程度的耦合。
(2)同軸線尺寸的確定
同軸線的特性阻抗為：
式中：εr為同軸線中填充介質(zhì)的相劉介電常數(shù)；a為內(nèi)導(dǎo)體半徑：b為外導(dǎo)體半徑。
為了避免傳輸高次模，同軸線中的工作波長必須長于TE111模的截止波長，即：
4 HFSS仿真優(yōu)化
4.1 耦合環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
采用環(huán)耦合時(shí)，應(yīng)將小環(huán)置于諧振腔工作模式的磁場最強(qiáng)處，并調(diào)整環(huán)面使其與磁力線相垂直。耦合的好壞對輸出信號的影響極大。當(dāng)諧振腔處于最佳耦合時(shí)，可得最大的輸出信號。將耦合環(huán)水平放置在諧振腔體外側(cè)中間位置的好處是：①符合環(huán)耦合的耦合要求；②放置外側(cè)對諧振腔體內(nèi)空氣流動的影響可減至最小。
4.2 柵格分隔器優(yōu)化設(shè)計(jì)
柵格分隔器在電氣上起短路作用，它能使諧振腔傳感器封閉而產(chǎn)生駐波。柵格分隔器會影響fs，S11衰減及Q值等參數(shù)。為了有效阻止電磁輻射，必須對柵格分隔器的厚度Dg、短路圓環(huán)數(shù)量Ng、柵格的支架材料等進(jìn)行研究分析。理論上，Dg和柵格寬度Wd越大，柵格越密，其輻射越小，電磁性能也越好，而且柵格分隔器沒有沿徑向的表面電流分布，但因諧振器與柵格分隔器之間的形狀變化導(dǎo)致場的不均勻性，所以實(shí)際上柵格還會產(chǎn)生徑向電流，因此Wd不能太大，最終尺寸以最佳優(yōu)化值為準(zhǔn)。
4.3 其他特性參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)以同軸線長度、內(nèi)外半徑、諧振腔體的內(nèi)半徑a、外半徑b和長度l的最佳優(yōu)化值為基準(zhǔn)。
4.4 仿真結(jié)果及分析
仿真的試驗(yàn)條件：以優(yōu)化最佳值為準(zhǔn)，設(shè)耦合環(huán)半徑b0=3 mm；同軸線內(nèi)半徑a0=0.89 mm；b=2.65 mm；l=15.625 mm。另設(shè)a=20.598 mm；b=32 mm；l=41.196 mm。再設(shè)Dg=2 mm；Wd=1 mm；短路圓環(huán)數(shù)量為3個(gè)，柵格之間無旋轉(zhuǎn)角度。圖4給出同軸線耦合諧振腔的性能參數(shù)值。
由圖4可知，諧振腔的最大耦合諧振點(diǎn)在9.58 GHz，最大衰減為-9 dB，其能量耦合可允分滿足設(shè)計(jì)要求。圖5給出諧振腔內(nèi)磁場分布。由此可見，圓柱諧振腔內(nèi)為TE011振蕩模式，也符合設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)果分析
為了使Q值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須盡可能降低電磁場的輻射損耗(泄露)和諧振腔的內(nèi)表面損耗。對前者，選擇銅作為諧振腔的材料，兩端用分隔器短路，使電磁場量在諧振腔的兩端產(chǎn)生反射，以使諧振腔產(chǎn)生諧振。環(huán)形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對中央圓柱波導(dǎo)中的TE011模式是截止的，電磁場通過兩端結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的輻射很小。對后者，一方面要使內(nèi)表面很光滑；另一方面要在諧振腔表面鍍銀。由于內(nèi)表面的歐姆損耗與內(nèi)表面的表面電阻Rs成正比，因此Rs越小，能量損失也越少。實(shí)際測量系統(tǒng)中，諧振腔傳感器因制造誤差，導(dǎo)致圓環(huán)的放置可能與仿真不完全一致。此外，不可忽略因銅的熱膨脹系數(shù)較低而引發(fā)溫度和壓力的變化，導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)變形。采用高熱脹系數(shù)材料用于諧振腔傳感器的制造，可降低因溫度、壓力變化對腔結(jié)構(gòu)變形的影響。由于工業(yè)測量環(huán)境的溫度不恒定，會導(dǎo)致諧振腔空腔諧振頻率發(fā)生變化，而頻率測量系統(tǒng)的本振無法實(shí)時(shí)反映出這種變化的大小，因此系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時(shí)，需調(diào)整本振頻率，以盡可能地減少偏差。
6 結(jié)語
根據(jù)矩形波導(dǎo)與諧振腔耦合現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的問題，改用同軸線與諧振腔環(huán)耦合的設(shè)計(jì)，并采用HFSS微波軟件設(shè)計(jì)了適合流動濕蒸汽濕度測量中特殊結(jié)構(gòu)用的圓柱形諧振腔及其耦合裝置。仿真結(jié)果體現(xiàn)了理論與實(shí)際的較好一致，證明了新耦合方式的正確、可行性。與應(yīng)用矩形波導(dǎo)的耦合裝置相比，在保證結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)在線測量的同時(shí)，應(yīng)用同軸圓環(huán)耦合裝置可減少整個(gè)測濕系統(tǒng)的體積，還可使測量裝置與外處理電路的接口直接對接而無需矩形波導(dǎo)與同軸線的模式轉(zhuǎn)換，避免了信號的再次衰減。整個(gè)系統(tǒng)有著更好的現(xiàn)實(shí)操作性。