[发明专利]利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法

权利要求书

1.一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法，测量装置由MCU控制单元，微波激励单元，微波接收单元和微波谐振腔传感器组成，通过检测装置得到的TM010TM110双模态谐振频率信息建立预测模型实现含水率测量。

2.根据权利要求1所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，微波激励单元包括频率源及外围电路。为实现微波扫频测量获得谐振频率信号，频率源的频率范围为0.3GHz-20GHz。

3.根据权利要求1所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，微波接收单元由匹配电阻，检波器，接收调理电路，AD转换电路组成。接收调理电路由放大器和减法器等组成，用于调制基准电压，提高测量灵敏度。

4.根据权利要求3所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，检波器用于将微波幅值转换为电压信号。

5.根据权利要求1所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，微波谐振腔传感器由圆柱形金属空腔，微波发射与接收天线，透波管和金属管道组成，透波管内嵌入圆柱形金属空腔中心并于金属管道相连接。微波发射与接收天线插入金属空腔内，于透波管两侧对称布置。

6.根据权利要求5所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，金属空腔传感器内径和长度尺寸分别应在金属管道内径的1.1-10倍和0.1-10倍之间。

7.根据权利要求5所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，透波管由非金属低介电常数的透波材料制成，且应选用零浸润度材料避免结垢影响测量精度。透波管厚度应在金属管道内径的1.1-10倍之间。

8.根据权利要求5所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置，其特征在于，采用两对天线的方式实现TM010和TM110双模态激励，每对天线均可采用针耦合或环耦合形式，针耦合的探针为终端开路；环耦合的探针为终端短路的环形、半圆形或“U”形结构。两对天线可成任意角度，与微波谐振腔传感器中心轴线平行或者垂直布置。天线具体形式及尺寸参数根据腔体的尺寸及激励谐振模式进行设计。

9.根据权利要求1所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的方法，测量装置中MCU控制单元与微波激励单元及接收单元相连接，微波激励单元与微波谐振腔传感器的微波发射天线相连接，微波接收单元与微波接收天线相连接。当油水两相流流过从位于空腔中心的管道，含水率的变化会影响空腔内电磁场强度的分布。由于不同谐振模式的电场分布不同，在不同含水率范围内受影响程度不同，因此结合TM010TM110双模谐振频率信息建立含水率预测模型。MCU控制微波激励单元实现微波谐振腔传感器TM010TM110双模分时扫频激励，接收天线通过微波接收单元将测量得到受含水率影响的微波幅频响应信息转化为电压值并传输给MCU，由MCU提取TM010TM110双模谐振频率并根据计算模型实现含水率预测。

10.根据权利要求9所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的方法，对得到谐振频率信号进行归一化处理，包括以下步骤：

步骤1：MCU控制扫频激励并提取谐振频率信息。

步骤2：分别测量纯水和纯油条件下的谐振频率。

步骤3：测量当前含水率下的谐振频率。

步骤4：采用下述公式进行归一化处理：

其中，f_water，f_oil分别为管道内为纯水和纯油时的谐振频率；f_r为实际测量过程中得到的当前含水率的谐振频率，η_f为计算得到的归一化谐振频率。

11.根据权利要求9所述的一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将含水率检测装置安装在被测管路上。

步骤2：MCU控制单元通过开关定时切换频率源，分别得到TM010和TM110模式的微波信号。

步骤3：采用上述归一化处理方法得到归一化谐振频率。

步骤4：带入下述双模谐振频率含水率预测模型计算得到当前管道内的含水率。

其中，分别为谐振模式TM010，TM110的归一化谐振频率，k_w为计算得到的含水率。