汽輪機(jī)蒸汽濕度測量系統(tǒng)的頻率跟蹤設(shè)計
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在工業(yè)生產(chǎn)過程中，火電廠大功率凝汽式汽輪機(jī)低壓缸的末幾級和水冷堆核電汽輪機(jī)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(jī)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(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確測量蒸汽濕度，對汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(diǎn)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(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(jìn)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(zhǔn)備；另一路為由環(huán)形器進(jìn)入諧振腔的信號，諧振腔的反射信號再經(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(dāng)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。
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