空气湿度微波谐振腔测量方法

    0 引言

    气体湿度的精确测量对烟草、制药、火电厂的汽轮机[1]等都具有重要意义。在烟草的储存过程中，由于不能对垛心温湿度进行有效的监控，致使烟草在仓储中的库耗每年达总额的 3%~4%，直接影响烟草的质量和企业的经济效益[2]。制药过程中溶解性凝结核的半径也受空气湿度的影响。一般情况下，当相对湿度为 95%时，凝结核半径要比相对湿度为40%时增大 1.3 倍[3],这将直接影响药品的质量。

    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，使叶片变得粗糙，出现凹坑，甚至造成叶片扭曲断裂，严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[1,4]。在反映汽轮机运行经济状态的在线计算中，最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[5]。另外，湿空气透平的研究中，关于湿化器进出口的空气湿度测量精度的保证也很重要[6]。所以，电力系统中蒸汽湿度的准确在线测量具有重要的实用价值。透平蒸汽湿度测量方法主要有热力学法和光学法，热力学法测量精度有待提高且实时性不易保证[7]，光学法对使用环境要求较高[8-9]，微波谐振腔测湿法在弥补了以上不足的同时具有快速、可在线测量的优点。

    本文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空气湿度测量系统，实现了空气湿度的准确测量。由于汽轮机透平末级蒸汽湿度的谐振腔测量方法同样基于上述原理[1]，因此本文设计的系统也可用于发电厂汽轮机透平末级蒸汽湿度的测量。

    1 空气湿度测量原理及测量系统

    1.1 空气湿度测量原理

    空气是氧气和氮气等的混合物，在常温常压下其介电特性比较稳定，可以看作一种气体。水分子比氧分子、氮分子更易极化，空气中的含水量不同其介电特性会有明显的变化，所以，通过测量空气的介电常数可以得知空气的湿度。利用微波谐振腔测量空气湿度时，腔的谐振频率随腔内空气的介电常数不同而发生变化，谐振频率与腔内空气相对介电常数之间的关系可表示为[10]

    由式(1)可知，在 f₀、f_r已知时，便可确定腔内空气的相对介电常数。空气的介电常数随空气的湿度、温度、压力变化而变化，在温度、压力不变的情况下空气的介电常数只与湿度有关，因此通过测量谐振腔谐振频率、空气的温度和压力就可以计算出空气的湿度。