基于單腔微擾濕度測量的自動頻率跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

1、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，火電廠大功率凝汽式汽輪機低壓缸的末幾級和水冷堆核電汽輪機的全部級都是在濕蒸汽區(qū)工作的。蒸汽濕度不僅會降低汽輪機的效率，還會引起葉片水蝕，使葉片表面變得粗糙，出現(xiàn)凹坑，嚴重威脅汽輪機的安全運行。因此，準確測量蒸汽濕度，對汽輪機的安全經(jīng)濟運行具有重要意義。微波測量技術(shù)是濕度測量中的一種重要方法。它利用濕度對微波傳感器的影響測量濕度，該方法的最大優(yōu)點是快速、連續(xù)和無接觸，因此特別適用于工業(yè)自動控制系統(tǒng)。常用的微波濕度測量方法有空間波法、傳輸線法、衰減法、相位法、微擾法等。其中，微擾法早已用于介質(zhì)介電常數(shù)的測量，它是一種可提供非破壞性頻率隨腔內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)變化而發(fā)生偏移的測量技術(shù)。該測量方法的反應(yīng)速度快。由于它利用諧振腔的諧振特性，并通過諧振頻率的偏移測量濕度的，因此需要高精度的頻率監(jiān)控系統(tǒng)。為此，在基于單腔微擾濕度測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了自動頻率跟蹤系統(tǒng)（簡稱頻率跟蹤系統(tǒng)）。

2、 單腔微擾測濕系統(tǒng)

利用單腔微擾測濕系統(tǒng)測量蒸汽濕度的基本思想是基于諧振腔的微擾，即微波諧振腔的諧振頻率隨腔內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)的變化而變化，在一定的溫度和壓力下，蒸汽濕度不同，其介電常數(shù)也不同。因此，濕蒸汽流過諧振腔時，通過測量諧振腔中諧振頻率的偏移就可測量蒸汽濕度。諧振頻率的偏移量和介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系為：

式中：fo為諧振腔在標準情況下的諧振頻率；△f為諧振腔內(nèi)通入濕蒸汽后相對于f0產(chǎn)生的頻率偏移；εr為介質(zhì)介電常數(shù)。

由式（1）可知，只要測得諧振腔諧振頻率的偏移量．就可得知濕蒸汽的介電常數(shù)，再根據(jù)介電常數(shù)與蒸汽濕度的關(guān)系，求得蒸汽濕度。圖1示出單腔微擾測濕系統(tǒng)框圖。

系統(tǒng)工作時，諧振腔置于濕蒸汽環(huán)境中，可使?jié)裾羝錆M諧振腔體。壓控振蕩器（VC0）產(chǎn)生的信號經(jīng)過隔離器和3 dB定向耦合器分為兩路信號：一路為進入混頻器信號，與本振信號混頻．產(chǎn)生中頻信號，為信號處理做準備；另一路為由環(huán)形器進入諧振腔的信號，諧振腔的反射信號再經(jīng)環(huán)形器進入頻率跟蹤系統(tǒng)．最終由頻率跟蹤系統(tǒng)反饋給VCO的控制端。調(diào)節(jié)VCO的輸出信號頻率，使其始終與諧振腔的諧振頻率相等。由于進入混頻器與本振信號混頻的是VCO的輸出信號，因此保證VCO的輸出與諧振腔的諧振頻率相等對整個測濕系統(tǒng)的測量精度具有重要意義，即頻率跟蹤系統(tǒng)是整個測量控制系統(tǒng)的重要部分。

3、 頻率跟蹤原理

在測量系統(tǒng)中，VCO的輸出信號為調(diào)頻信號。當VCO的輸出頻率f1輸入到諧振腔時，根據(jù)f1與諧振腔諧振頻率的關(guān)系，諧振腔對調(diào)制信號fm的響應(yīng)有3種情況，如圖2所示。

圖2中，當f1《f0時，諧振腔的輸出包絡(luò)與輸人調(diào)制信號頻率相同、相位相反；當f1》f0時，諧振腔的輸出包絡(luò)與輸入調(diào)制信號頻率相同、相位相同；當f1=f0時，諧振腔的輸出為幅度很小的絕對值信號。由上分析可知，對諧振腔輸出信號進行幅度和相位鑒別，即可得f0與f1的關(guān)系。因此確定頻率跟蹤系統(tǒng)分別由鑒幅和鑒相兩部分組成。首先，對諧振腔的輸出信號進行幅度鑒別，由于諧振腔諧振時，輸出信號為幅度很小的絕對值信號?？山茷?；諧振腔不發(fā)生諧振時，輸出信號的幅度很大，所以先對諧振腔的輸出進行幅度鑒別，再根據(jù)鑒幅結(jié)果進行相位檢測。

4、 頻率跟蹤的實現(xiàn)

4．1 頻率跟蹤硬件設(shè)計

幅度鑒別可通過檢波器、直流放大器及比較器實現(xiàn)；相位鑒別則通過乘法器、低通濾波器、直流放大器以及比較器實現(xiàn)。圖3給出頻率跟蹤系統(tǒng)框圖。圖中兩個比較器的輸出信號用于控制單片機的DACl2模塊，將這兩個輸出信號讀入單片機，使其輸出準確調(diào)節(jié)VCO，從而保證VCO的輸出與諧振腔的諧振頻率保持一致。單片機可以實現(xiàn)頻率跟蹤的智能化。

在硬件設(shè)計中，兩個比較器的參考電壓非常重要。系統(tǒng)中．當諧振腔諧振時反射的微波信號功率約為一9 dBm，反射信號經(jīng)環(huán)形器進入檢波器的功率約為一9．5 dBm，此時檢波器的輸出電壓信號約為150 mV，該信號太小，需對其放大，再進入比較器1。該硬件設(shè)計中，直流放大器的倍數(shù)設(shè)定為10．因此比較器l的參考電壓設(shè)置為1．2 V。用PROTEL軟件對鑒幅部分仿真，當峰值檢波電路的輸入電壓小于1．2 V時，仿真取l V，鑒幅部分的輸出電壓約為200 mV，輸入單片機為0：當峰值檢波電路的輸入電壓大于1．2 V時，仿真取2 V，鑒幅部分的輸出電壓約為5 V，該輸出電壓值取決于與門的直流工作電壓。圖4給出鑒幅仿真結(jié)果。

當諧振腔的輸出信號與VCO的輸出信號同相時，乘法器的輸出為正直流電壓和VCO輸出信號的二次諧波；當諧振腔的輸出信號與VCO的輸出信號反相時，乘法器的輸出為負直流電壓和VCO輸出信號的二次諧波，經(jīng)低通濾波后，只剩下正或負直流電壓，因此比較器2的參考電壓可設(shè)為0 V。圖5為乘法器輸出仿真。

4．2 頻率跟蹤的軟件設(shè)計

采用MSP430系列16位超低功耗MSP430F157系列單片機。該系列器件是德州儀器公司的超低功耗Flash型16精簡指令位高集成度單片機。其主要特點：①超低功耗。其處理器的功耗為1．8～3．6 V，0．1～400μA，250μA／MI／s；最大線輸出漏電流為50 nA，是業(yè)界最低。②矢量中斷。支持10多個中斷源，并可任意嵌套。③執(zhí)行速度快。一個時鐘周期可執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機要12個時鐘周期才可執(zhí)行一條指令。④高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。這里頻率跟蹤系統(tǒng)主要采用MSP430F157單片機的DACl2模塊。MSP430F157單片機的DACl2_0通道有內(nèi)部參考源發(fā)生器、DACl2核、數(shù)據(jù)及鎖存控制邏輯和輸出電壓緩沖器。其主要特征是具有8位和12位分辨率、內(nèi)部和外部參考電壓、自校驗，以及可直接用存儲器存取等功能。DACl2寄存器包括DACl2_0CTL控制寄存器和DACl2_0DAT數(shù)據(jù)寄存器。前者用于設(shè)置DACl2_0輸出。設(shè)計中，DACl2選擇為12位分辨率，且滿量程輸出等于參考電壓，DACl2_0數(shù)模轉(zhuǎn)換的關(guān)系式為：

硬件實現(xiàn)鑒幅和鑒相；軟件控制實現(xiàn)單片機的輸出電壓。通過比較器1將鑒幅結(jié)果轉(zhuǎn)換為O和1信號．并由P1．3讀入單片機；通過比較器2將鑒相結(jié)果轉(zhuǎn)換為0和1信號，并由P1．4讀入單片機。這兩個信號共同控制DACl2_0以改變VCO的控制電壓，實現(xiàn)頻率跟蹤。DACl2_0的工作過程是：當P1.3讀入值為0時，諧振腔諧振，此時鎖定單片機的輸出電壓；當P1．3讀入值為1時，諧振腔失諧，此時需判斷P1．4的值。當P1．4=0時，增大單片機的輸出電壓，反之。減小單片機的輸出電壓。

該過程軟件設(shè)計代碼為：

該軟件設(shè)計方法可提高頻率調(diào)整速度，減少掃頻時間，從而提高整個系統(tǒng)的實時性，實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)的智能化。

5、 結(jié)語

根據(jù)單腔微擾測濕原理，設(shè)計了自動頻率跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可使VCO的輸出頻率與諧振腔的諧振頻率實時保持一致，這對提高整個測濕系統(tǒng)測量精度，保證整個系統(tǒng)的實時性和智能化有著重要價值和意義。

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