汽輪機蒸汽濕度測量系統(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(yán)重威脅汽輪機的安全運行。因此，準(zhǔn)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(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(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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