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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。