汽轮机蒸汽湿度测量系统的频率跟踪设计
在工业生产过程中，火电厂大功率凝汽式汽轮机低压缸的末几级和水冷堆核电汽轮机的全部级都是在湿蒸汽区工作的。蒸汽湿度不仅会降低汽轮机的效率，还会引起叶片水蚀，使叶片表面变得粗糙，出现凹坑，严重威胁汽轮机的安全运行。因此，准确测量蒸汽湿度，对汽轮机的安全经济运行具有重要意义。微波测量技术是湿度测量中的一种重要方法。它利用湿度对微波传感器的影响测量湿度，该方法的最大优点是快速、连续和无接触，因此特别适用于工业自动控制系统。常用的微波湿度测量方法有空间波法、传输线法、衰减法、相位法、微扰法等。其中，微扰法早已用于介质介电常数的测量，它是一种可提供非破坏性频率随腔内介质的介电常数变化而发生偏移的测量技术。该测量方法的反应速度快。由于它利用谐振腔的谐振特性，并通过谐振频率的偏移测量湿度的，因此需要高精度的频率监控系统。为此，在基于单腔微扰湿度测量系统的基础上，设计了自动频率跟踪系统(简称频率跟踪系统)。
2 单腔微扰测湿系统
利用单腔微扰测湿系统测量蒸汽湿度的基本思想是基于谐振腔的微扰，即微波谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数的变化而变化，在一定的温度和压力下，蒸汽湿度不同，其介电常数也不同。因此，湿蒸汽流过谐振腔时，通过测量谐振腔中谐振频率的偏移就可测量蒸汽湿度。谐振频率的偏移量和介质介电常数的关系为：
式中：fo为谐振腔在标准情况下的谐振频率；△f为谐振腔内通入湿蒸汽后相对于f0产生的频率偏移；εr为介质介电常数。
由式(1)可知，只要测得谐振腔谐振频率的偏移量．就可得知湿蒸汽的介电常数，再根据介电常数与蒸汽湿度的关系，求得蒸汽湿度。图1示出单腔微扰测湿系统框图。
系统工作时，谐振腔置于湿蒸汽环境中，可使湿蒸汽充满谐振腔体。压控振荡器(VC0)产生的信号经过隔离器和3 dB定向耦合器分为两路信号：一路为进入混频器信号，与本振信号混频．产生中频信号，为信号处理做准备；另一路为由环形器进入谐振腔的信号，谐振腔的反射信号再经环形器进入频率跟踪系统．最终由频率跟踪系统反馈给VCO的控制端。调节VCO的输出信号频率，使其始终与谐振腔的谐振频率相等。由于进入混频器与本振信号混频的是VCO的输出信号，因此保证VCO的输出与谐振腔的谐振频率相等对整个测湿系统的测量精度具有重要意义，即频率跟踪系统是整个测量控制系统的重要部分。
3 频率跟踪原理
在测量系统中，VCO的输出信号为调频信号。当VCO的输出频率f1输入到谐振腔时，根据f1与谐振腔谐振频率的关系，谐振腔对调制信号fm的响应有3种情况，如图2所示。
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