基于單腔微擾濕度測(cè)量的自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，火電廠大功率凝汽式汽輪機(jī)低壓缸的末幾級(jí)和水冷堆核電汽輪機(jī)的全部級(jí)都是在濕蒸汽區(qū)工作的。蒸汽濕度不僅會(huì)降低汽輪機(jī)的效率，還會(huì)引起葉片水蝕，使葉片表面變得粗糙，出現(xiàn)凹坑，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽濕度，對(duì)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。微波測(cè)量技術(shù)是濕度測(cè)量中的一種重要方法。它利用濕度對(duì)微波傳感器的影響測(cè)量濕度，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是快速、連續(xù)和無(wú)接觸，因此特別適用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。常用的微波濕度測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)。該測(cè)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(guò)諧振頻率的偏移測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱頻率跟蹤系統(tǒng)）。

2、 單腔微擾測(cè)濕系統(tǒng)

利用單腔微擾測(cè)濕系統(tǒng)測(cè)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(guò)諧振腔時(shí)，通過(guò)測(cè)量諧振腔中諧振頻率的偏移就可測(cè)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(biāo)準(zhǔn)情況下的諧振頻率；△f為諧振腔內(nèi)通入濕蒸汽后相對(duì)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(cè)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(cè)濕系統(tǒng)框圖。

系統(tǒng)工作時(shí)，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(hào)經(jīng)過(guò)隔離器和3 dB定向耦合器分為兩路信號(hào)：一路為進(jìn)入混頻器信號(hào)，與本振信號(hào)混頻．產(chǎn)生中頻信號(hào)，為信號(hào)處理做準(zhǔn)備；另一路為由環(huán)形器進(jìn)入諧振腔的信號(hào)，諧振腔的反射信號(hào)再經(jīng)環(huán)形器進(jìn)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(hào)頻率，使其始終與諧振腔的諧振頻率相等。由于進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)混頻的是VCO的輸出信號(hào)，因此保證VCO的輸出與諧振腔的諧振頻率相等對(duì)整個(gè)測(cè)濕系統(tǒng)的測(cè)量精度具有重要意義，即頻率跟蹤系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的重要部分。

3、 頻率跟蹤原理

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

圖2中，當(dāng)f1《f0時(shí)，諧振腔的輸出包絡(luò)與輸人調(diào)制信號(hào)頻率相同、相位相反；當(dāng)f1》f0時(shí)，諧振腔的輸出包絡(luò)與輸入調(diào)制信號(hào)頻率相同、相位相同；當(dāng)f1=f0時(shí)，諧振腔的輸出為幅度很小的絕對(duì)值信號(hào)。由上分析可知，對(duì)諧振腔輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)諧振腔的輸出信號(hào)進(jìn)行幅度鑒別，由于諧振腔諧振時(shí)，輸出信號(hào)為幅度很小的絕對(duì)值信號(hào)?？山茷?；諧振腔不發(fā)生諧振時(shí)，輸出信號(hào)的幅度很大，所以先對(duì)諧振腔的輸出進(jìn)行幅度鑒別，再根據(jù)鑒幅結(jié)果進(jìn)行相位檢測(cè)。

4、 頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

4．1 頻率跟蹤硬件設(shè)計(jì)

幅度鑒別可通過(guò)檢波器、直流放大器及比較器實(shí)現(xiàn)；相位鑒別則通過(guò)乘法器、低通濾波器、直流放大器以及比較器實(shí)現(xiàn)。圖3給出頻率跟蹤系統(tǒng)框圖。圖中兩個(gè)比較器的輸出信號(hào)用于控制單片機(jī)的DACl2模塊，將這兩個(gè)輸出信號(hào)讀入單片機(jī)，使其輸出準(zhǔn)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(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的智能化。

在硬件設(shè)計(jì)中，兩個(gè)比較器的參考電壓非常重要。系統(tǒng)中．當(dāng)諧振腔諧振時(shí)反射的微波信號(hào)功率約為一9 dBm，反射信號(hào)經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入檢波器的功率約為一9．5 dBm，此時(shí)檢波器的輸出電壓信號(hào)約為150 mV，該信號(hào)太小，需對(duì)其放大，再進(jìn)入比較器1。該硬件設(shè)計(jì)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(duì)鑒幅部分仿真，當(dāng)峰值檢波電路的輸入電壓小于1．2 V時(shí)，仿真取l V，鑒幅部分的輸出電壓約為200 mV，輸入單片機(jī)為0：當(dāng)峰值檢波電路的輸入電壓大于1．2 V時(shí)，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(dāng)諧振腔的輸出信號(hào)與VCO的輸出信號(hào)同相時(shí)，乘法器的輸出為正直流電壓和VCO輸出信號(hào)的二次諧波；當(dāng)諧振腔的輸出信號(hào)與VCO的輸出信號(hào)反相時(shí)，乘法器的輸出為負(fù)直流電壓和VCO輸出信號(hào)的二次諧波，經(jīng)低通濾波后，只剩下正或負(fù)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(jì)

采用MSP430系列16位超低功耗MSP430F157系列單片機(jī)。該系列器件是德州儀器公司的超低功耗Flash型16精簡(jiǎn)指令位高集成度單片機(jī)。其主要特點(diǎn)：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(gè)中斷源，并可任意嵌套。③執(zhí)行速度快。一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)要12個(gè)時(shí)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(jī)的DACl2模塊。MSP430F157單片機(jī)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(yàn)，以及可直接用存儲(chǔ)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(jì)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(shí)現(xiàn)鑒幅和鑒相；軟件控制實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的輸出電壓。通過(guò)比較器1將鑒幅結(jié)果轉(zhuǎn)換為O和1信號(hào)．并由P1．3讀入單片機(jī)；通過(guò)比較器2將鑒相結(jié)果轉(zhuǎn)換為0和1信號(hào)，并由P1．4讀入單片機(jī)。這兩個(gè)信號(hào)共同控制DACl2_0以改變VCO的控制電壓，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。DACl2_0的工作過(guò)程是：當(dāng)P1.3讀入值為0時(shí)，諧振腔諧振，此時(shí)鎖定單片機(jī)的輸出電壓；當(dāng)P1．3讀入值為1時(shí)，諧振腔失諧，此時(shí)需判斷P1．4的值。當(dāng)P1．4=0時(shí)，增大單片機(jī)的輸出電壓，反之。減小單片機(jī)的輸出電壓。

該過(guò)程軟件設(shè)計(jì)代碼為：

該軟件設(shè)計(jì)方法可提高頻率調(diào)整速度，減少掃頻時(shí)間，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)的智能化。

5、 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)單腔微擾測(cè)濕原理，設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(shí)時(shí)保持一致，這對(duì)提高整個(gè)測(cè)濕系統(tǒng)測(cè)量精度，保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和智能化有著重要價(jià)值和意義。

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