基于单腔微扰湿度测量的自动频率跟踪系统的设计

1、引言

在工业生产过程中，火电厂大功率凝汽式汽轮机低压缸的末几级和水冷堆核电汽轮机的全部级都是在湿蒸汽区工作的。蒸汽湿度不仅会降低汽轮机的效率，还会引起叶片水蚀，使叶片表面变得粗糙，出现凹坑，严重威胁汽轮机的安全运行。因此，准确测量蒸汽湿度，对汽轮机的安全经济运行具有重要意义。微波测量技术是湿度测量中的一种重要方法。它利用湿度对微波传感器的影响测量湿度，该方法的最大优点是快速、连续和无接触，因此特别适用于工业自动控制系统。常用的微波湿度测量方法有空间波法、传输线法、衰减法、相位法、微扰法等。其中，微扰法早已用于介质介电常数的测量，它是一种可提供非破坏性频率随腔内介质的介电常数变化而发生偏移的测量技术。该测量方法的反应速度快。由于它利用谐振腔的谐振特性，并通过谐振频率的偏移测量湿度的，因此需要高精度的频率监控系统。为此，在基于单腔微扰湿度测量系统的基础上，设计了自动频率跟踪系统（简称频率跟踪系统）。

2、 单腔微扰测湿系统

利用单腔微扰测湿系统测量蒸汽湿度的基本思想是基于谐振腔的微扰，即微波谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数的变化而变化，在一定的温度和压力下，蒸汽湿度不同，其介电常数也不同。因此，湿蒸汽流过谐振腔时，通过测量谐振腔中谐振频率的偏移就可测量蒸汽湿度。谐振频率的偏移量和介质介电常数的关系为：

式中：fo为谐振腔在标准情况下的谐振频率；△f为谐振腔内通入湿蒸汽后相对于f0产生的频率偏移；εr为介质介电常数。

由式（1）可知，只要测得谐振腔谐振频率的偏移量．就可得知湿蒸汽的介电常数，再根据介电常数与蒸汽湿度的关系，求得蒸汽湿度。图1示出单腔微扰测湿系统框图。

系统工作时，谐振腔置于湿蒸汽环境中，可使湿蒸汽充满谐振腔体。压控振荡器（VC0）产生的信号经过隔离器和3 dB定向耦合器分为两路信号：一路为进入混频器信号，与本振信号混频．产生中频信号，为信号处理做准备；另一路为由环形器进入谐振腔的信号，谐振腔的反射信号再经环形器进入频率跟踪系统．最终由频率跟踪系统反馈给VCO的控制端。调节VCO的输出信号频率，使其始终与谐振腔的谐振频率相等。由于进入混频器与本振信号混频的是VCO的输出信号，因此保证VCO的输出与谐振腔的谐振频率相等对整个测湿系统的测量精度具有重要意义，即频率跟踪系统是整个测量控制系统的重要部分。

3、 频率跟踪原理

在测量系统中，VCO的输出信号为调频信号。当VCO的输出频率f1输入到谐振腔时，根据f1与谐振腔谐振频率的关系，谐振腔对调制信号fm的响应有3种情况，如图2所示。

图2中，当f1《f0时，谐振腔的输出包络与输人调制信号频率相同、相位相反；当f1》f0时，谐振腔的输出包络与输入调制信号频率相同、相位相同；当f1=f0时，谐振腔的输出为幅度很小的绝对值信号。由上分析可知，对谐振腔输出信号进行幅度和相位鉴别，即可得f0与f1的关系。因此确定频率跟踪系统分别由鉴幅和鉴相两部分组成。首先，对谐振腔的输出信号进行幅度鉴别，由于谐振腔谐振时，输出信号为幅度很小的绝对值信号。可近似为0；谐振腔不发生谐振时，输出信号的幅度很大，所以先对谐振腔的输出进行幅度鉴别，再根据鉴幅结果进行相位检测。

4、 频率跟踪的实现

4．1 频率跟踪硬件设计

幅度鉴别可通过检波器、直流放大器及比较器实现；相位鉴别则通过乘法器、低通滤波器、直流放大器以及比较器实现。图3给出频率跟踪系统框图。图中两个比较器的输出信号用于控制单片机的DACl2模块，将这两个输出信号读入单片机，使其输出准确调节VCO，从而保证VCO的输出与谐振腔的谐振频率保持一致。单片机可以实现频率跟踪的智能化。

在硬件设计中，两个比较器的参考电压非常重要。系统中．当谐振腔谐振时反射的微波信号功率约为一9 dBm，反射信号经环形器进入检波器的功率约为一9．5 dBm，此时检波器的输出电压信号约为150 mV，该信号太小，需对其放大，再进入比较器1。该硬件设计中，直流放大器的倍数设定为10．因此比较器l的参考电压设置为1．2 V。用PROTEL软件对鉴幅部分仿真，当峰值检波电路的输入电压小于1．2 V时，仿真取l V，鉴幅部分的输出电压约为200 mV，输入单片机为0：当峰值检波电路的输入电压大于1．2 V时，仿真取2 V，鉴幅部分的输出电压约为5 V，该输出电压值取决于与门的直流工作电压。图4给出鉴幅仿真结果。

当谐振腔的输出信号与VCO的输出信号同相时，乘法器的输出为正直流电压和VCO输出信号的二次谐波；当谐振腔的输出信号与VCO的输出信号反相时，乘法器的输出为负直流电压和VCO输出信号的二次谐波，经低通滤波后，只剩下正或负直流电压，因此比较器2的参考电压可设为0 V。图5为乘法器输出仿真。

4．2 频率跟踪的软件设计

采用MSP430系列16位超低功耗MSP430F157系列单片机。该系列器件是德州仪器公司的超低功耗Flash型16精简指令位高集成度单片机。其主要特点：①超低功耗。其处理器的功耗为1．8～3．6 V，0．1～400μA，250μA／MI／s；最大线输出漏电流为50 nA，是业界最低。②矢量中断。支持10多个中断源，并可任意嵌套。③执行速度快。一个时钟周期可执行一条指令，传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可执行一条指令。④高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。这里频率跟踪系统主要采用MSP430F157单片机的DACl2模块。MSP430F157单片机的DACl2_0通道有内部参考源发生器、DACl2核、数据及锁存控制逻辑和输出电压缓冲器。其主要特征是具有8位和12位分辨率、内部和外部参考电压、自校验，以及可直接用存储器存取等功能。DACl2寄存器包括DACl2_0CTL控制寄存器和DACl2_0DAT数据寄存器。前者用于设置DACl2_0输出。设计中，DACl2选择为12位分辨率，且满量程输出等于参考电压，DACl2_0数模转换的关系式为：

硬件实现鉴幅和鉴相；软件控制实现单片机的输出电压。通过比较器1将鉴幅结果转换为O和1信号．并由P1．3读入单片机；通过比较器2将鉴相结果转换为0和1信号，并由P1．4读入单片机。这两个信号共同控制DACl2_0以改变VCO的控制电压，实现频率跟踪。DACl2_0的工作过程是：当P1.3读入值为0时，谐振腔谐振，此时锁定单片机的输出电压；当P1．3读入值为1时，谐振腔失谐，此时需判断P1．4的值。当P1．4=0时，增大单片机的输出电压，反之。减小单片机的输出电压。

该过程软件设计代码为：

该软件设计方法可提高频率调整速度，减少扫频时间，从而提高整个系统的实时性，实现跟踪系统的智能化。

5、 结语

根据单腔微扰测湿原理，设计了自动频率跟踪系统。该系统可使VCO的输出频率与谐振腔的谐振频率实时保持一致，这对提高整个测湿系统测量精度，保证整个系统的实时性和智能化有着重要价值和意义。

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