基于單腔微擾濕度測量的自動頻率跟蹤系統的設計

1、引言

在工業生產過程中，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，對汽輪機的安全經濟運行具有重要意義。微波測量技術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，該方法的最大優點是快速、連續和無接觸，因此特別適用于工業自動控制系統。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介電常數的測量，它是一種可提供非破壞性頻率隨腔內介質的介電常數變化而發生偏移的測量技術。該測量方法的反應速度快。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控系統。為此，在基于單腔微擾濕度測量系統的基礎上，設計了自動頻率跟蹤系統（簡稱頻率跟蹤系統）。

2、單腔微擾測濕系統

利用單腔微擾測濕系統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電介質的介電常數的變化而變化，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介電常數的關系為：

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

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，再根據介電常數與蒸汽濕度的關系，求得蒸汽濕度。圖1示出單腔微擾測濕系統框圖。

基于單腔微擾濕度測量的自動頻率跟蹤系統的設計

系統工作時，諧振腔置于濕蒸汽環境中，可使濕蒸汽充滿諧振腔體。壓控振蕩器（VC0）產生的信號經過隔離器和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．產生中頻信號，為信號處理做準備；另一路為由環形器進入諧振腔的信號，諧振腔的反射信號再經環形器進入頻率跟蹤系統．最終由頻率跟蹤系統反饋給VCO的控制端。調節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的測量精度具有重要意義，即頻率跟蹤系統是整個測量控制系統的重要部分。

3、頻率跟蹤原理

在測量系統中，VCO的輸出信號為調頻信號。當VCO的輸出頻率f1輸入到諧振腔時，根據f1與諧振腔諧振頻率的關系，諧振腔對調制信號fm的響應有3種情況，如圖2所示。

圖2中，當f1《f0時，諧振腔的輸出包絡與輸人調制信號頻率相同、相位相反；當f1》f0時，諧振腔的輸出包絡與輸入調制信號頻率相同、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的關系。因此確定頻率跟蹤系統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。可近似為0；諧振腔不發生諧振時，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，再根據鑒幅結果進行相位檢測。

4、頻率跟蹤的實現

4．1 頻率跟蹤硬件設計

幅度鑒別可通過檢波器、直流放大器及比較器實現；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。圖3給出頻率跟蹤系統框圖。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，使其輸出準確調節VCO，從而保證VCO的輸出與諧振腔的諧振頻率保持一致。單片機可以實現頻率跟蹤的智能化。

在硬件設計中，兩個比較器的參考電壓非常重要。系統中．當諧振腔諧振時反射的微波信號功率約為一9 dBm，反射信號經環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。該硬件設計中，直流放大器的倍數設定為10．因此比較器l的參考電壓設置為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的參考電壓可設為0 V。圖5為乘法器輸出仿真。

4．2 頻率跟蹤的軟件設計

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，是業界最低。②矢量中斷。支持10多個中斷源，并可任意嵌套。③執行速度快。一個時鐘周期可執行一條指令，傳統的MCS51單片機要12個時鐘周期才可執行一條指令。④高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊。這里頻率跟蹤系統主要采用MSP430F157單片機的DACl2模塊。MSP430F157單片機的DACl2_0通道有內部參考源發生器、DACl2核、數據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數據寄存器。前者用于設置DACl2_0輸出。設計中，DACl2選擇為12位分辨率，且滿量程輸出等于參考電壓，DACl2_0數模轉換的關系式為：

硬件實現鑒幅和鑒相；軟件控制實現單片機的輸出電壓。通過比較器1將鑒幅結果轉換為O和1信號．并由P1．3讀入單片機；通過比較器2將鑒相結果轉換為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。

該過程軟件設計代碼為：