微波諧振腔濕度測(cè)量同軸環(huán)耦合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

常規(guī)電站中大型冷凝式蒸汽透平的末幾級(jí)和核電站中透平的全部級(jí)都在濕蒸汽狀態(tài)下工作。濕蒸汽中的液態(tài)水含量對(duì)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(jí)的運(yùn)行效率，而且還會(huì)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(lái)隱患，所以精確測(cè)定濕蒸汽中液態(tài)水的含量即液化程度對(duì)氣輪機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)及其壽命具有重大意義。

微波諧振腔測(cè)濕技術(shù)是近幾年國(guó)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(dòng)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(cè)得諧振頻率的變化量，就能測(cè)得流動(dòng)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(cè)量方法可簡(jiǎn)化設(shè)備，提高測(cè)量精度，有利于在線監(jiān)測(cè)，是一種很有發(fā)展前景的測(cè)濕新方法。在該測(cè)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(cè)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(dòng)濕蒸汽濕度的測(cè)量。

2 汽輪機(jī)內(nèi)流動(dòng)濕蒸汽濕度的測(cè)量原理

由文獻(xiàn)[3]可知，基于測(cè)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(jiàn)，通過(guò)測(cè)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?jiàn)，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(cè)量系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)的濕蒸汽測(cè)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(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要通過(guò)饋線傳人到外處理電路，同時(shí)外處理電路也需要通過(guò)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(duì)其腔體的破壞最小；②作為耦合裝置時(shí)，與諧振腔的耦合要滿足要求；③傳輸信號(hào)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(lái)的一段圓柱波導(dǎo)。

由于蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)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(chǎng)只有沿φ方向的分量；磁場(chǎng)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(méi)有電流通過(guò)。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(chǎng)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(zhǎng)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(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，決定了濕度測(cè)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(chǎng)作用下成為一個(gè)磁偶極子，通過(guò)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(chǎng)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(wú)需模式轉(zhuǎn)換就能直接把信號(hào)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(jiǎn)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(chǎng)最強(qiáng)處。根據(jù)對(duì)稱原理可知，諧振腔中間外側(cè)亦是耦合環(huán)磁場(chǎng)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(zhǎng)必須長(zhǎng)于TE111模的截止波長(zhǎng)，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(chǎng)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(duì)輸出信號(hào)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(hào)。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(duì)諧振腔體內(nèi)空氣流動(dòng)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(huì)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(duì)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(méi)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(chǎng)的不均勻性，所以實(shí)際上柵格還會(huì)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(zhǎng)度、內(nèi)外半徑、諧振腔體的內(nèi)半徑a、外半徑b和長(zhǎng)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(wú)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(chǎng)分布。由此可見(jiàn)，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(chǎng)的輻射損耗(泄露)和諧振腔的內(nèi)表面損耗。對(duì)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(chǎng)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(duì)中央圓柱波導(dǎo)中的TE011模式是截止的，電磁場(chǎng)通過(guò)兩端結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的輻射很小。對(duì)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(cè)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(duì)腔結(jié)構(gòu)變形的影響。由于工業(yè)測(cè)量環(huán)境的溫度不恒定，會(huì)導(dǎo)致諧振腔空腔諧振頻率發(fā)生變化，而頻率測(cè)量系統(tǒng)的本振無(wú)法實(shí)時(shí)反映出這種變化的大小，因此系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

根據(jù)矩形波導(dǎo)與諧振腔耦合現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的問(wèn)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(dòng)濕蒸汽濕度測(cè)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的同時(shí)，應(yīng)用同軸圓環(huán)耦合裝置可減少整個(gè)測(cè)濕系統(tǒng)的體積，還可使測(cè)量裝置與外處理電路的接口直接對(duì)接而無(wú)需矩形波導(dǎo)與同軸線的模式轉(zhuǎn)換，避免了信號(hào)的再次衰減。整個(gè)系統(tǒng)有著更好的現(xiàn)實(shí)操作性。