[发明专利]谐振腔微扰法微水含量测试系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及谐振腔微扰法微水含量测试系统，该系统涵盖了谐振腔、频率综合器、 收发模块、信号处理、系统设计方案技术领域。微波谐振腔微扰法测量透平油 中微水含量是基于谐振腔的微扰，即谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常 数变化发生偏移这一原理。该系统可应用于石油、水利等微水含量测量。

二、背景技术

国家计量技术规范把固体和液体物质中水的含量定义为水分。水分是固体和液体物质在 生产、运输、储存、交易和处理期间需要了解的最重要参数之一。固体和液体物质中水分的 多少，对物质的性质，物质的储存和加工性，产品的产量和质量，产品的运输等都有重要影响， 所以水分的测量和控制具有重大的经济和技术价值。利用微波对物料进行水分含量测量是现 代测量中的一种重要方法，并在众多行业中获得广泛应用。

在诸多工农业生产过程中，某些材料的含水率对产品的性能、质量和生产效率有着非常 重要的影响。在某些场合，要求在线无损测量物质的含水率，进而实现对整个生产工艺过程 实行在线闭环控制，这就对测湿方法提出了更高的要求。

首先，测湿方法应为某种无损检测方法，即在检测过程中，被测物的结构与成分不会遭 到破坏。其次，检测装置应能实现在线测量，以使测水过程与生产、运输过程并行不悖。检 测方式最好采用非接触式，以便测湿装置适应生产过程。

现有能实现在线无损测量的测湿原理，其测量结果大部分受到被测物料密度的影响。。 一般情况下物料在加工、输送过程中，其密度会发生变化，如散装谷物等；甚至有时其密度 本身也是生产所需的数据之一，如烟丝等。要用常规的测量方法在满足无损、实时、非接触 等条件下测量的同时，做到测量结果与密度无关或能够对水分含量读数进行密度修正，就必 须对以往的测量原理进行改进。

在用谐振腔微扰法测量方法时，在现有的方案中都需要测量激励信号的频率和功率，高 精度频率测量技术难度大，本系统采用锁相环(PLL)技术实现了发射信号频率预知，该方案 可以省去频率测量部分，大大简化了系统方案，降低了成本。

三、发明内容

本发明的目的在于实现一部谐振腔微扰法微水含量测试系统，基于谐振腔的微扰，即谐振 腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化发生偏移这一原理。在相同温度、压力下，由于汽 轮机油和水的介电常数不同，透平油中含水量不同其混合溶液的介电常数也就不同，当含有水 分的汽轮机油通过微波谐振腔时，其谐振频率将发生偏移，且偏移量随透平油中的含水率不同 而不同，因此通过测量谐振腔谐振频率的偏移量可以确定汽轮机油中微水含量的多少。本系统 通过测量无水油填充下谐振腔的谐振频率点和Q值，无水油的相对介电常熟；用同样的方法 可以测得含微水油的相对介电常熟，对比无水油和微水油相对介电常熟并结合谐振腔的集总 参数，可以得到油的微水含量。本系统能够应用于石油工业和水利领域的微水含量测量中。

本系统采用的谐振腔法测试微水含量需要测试谐振腔的谐振频率点和Q值，传统的做法 是通过一个直流电压来控制电压控制振荡器(VCO)输出一定频率的信号，用该信号去激励谐 振腔，由于VCO控制电压和输出频率之间存在不确定的关系，不能通过控制电压得到精确的 VCO频率，本系统要测试谐振腔耦合输出端输出信号的功率和频率，对于功率的测量可以通 过功率检波器实现，如果透平油中微水含量在万分之一或者更低时，则对VCO输出信号频率 的测量精度要到达几百赫兹甚至几十赫兹，增加了技术难度。系统提出了一种频率预知的方 案，该方案采用恒温参考晶振和锁相环(PLL技)术，能实现较小步进频率信号的输出，主 控器可以根据测量进程控制PLL，将VCO输出频率设置到需要的频率点上，从而在Q值测 量过程中不需要进行频率的测量，该方案能够准确地测量谐振腔在有载和无载情况下的Q值。 该系统省去了频率测量的模块，大大降低了系统的技术难度，降低了成本。

四、附图说明

下面参照附图详细地说明本发明，其中

图1谐振腔微扰法微水含量测试系统方案框图

图2微水含量测试精度与频率分辨率关系曲线

图3谐振腔微扰法微水含量测试系统工作流程

五、具体实施方式

5.1谐振腔微扰法微水含量测试系统总体方案