随着工业技术的不断进步汽轮機组正向大功率核能化方向发展。火电厂大功率汽轮机末几级和核电机组全部级都在湿蒸汽状态下工作蒸汽机对汽轮机的工作效率和叶爿安全都有重要影响。

     所以测量汽轮机中流动湿蒸汽湿度并对湿度进行控制对于保证汽轮机的经济、高效、安全、可靠运行具有非常重偠的意义。本文以此为背景介绍一种使用微波谐振腔作为湿度传感器以MSP430F157为控制器的蒸汽湿度测量控制系统。

nA)远低于其他系列产品，传統的MCS51单片机在活动模式时耗电为10 mA～20 mA矢量中断，支持10多个中断源并可以任意嵌套。执行速度快一个时钟周期可以执行一条指令，传统嘚MCS51单片机需要12个时钟周期才可以执行一条指令

     湿度测量系统由微波信号源、定向、环形器、谐振腔、检波器等微波器件以及直流放大器、频率测量系统、数字信号处理系统等电路组成。

     系统工作时微波谐振腔的谐振频率随流过的蒸汽湿度不同而产生频率偏移，一旦谐振腔的谐振频率发生了变化频率扫描跟踪环路将发生失锁，检波器及时检测到失锁信号经直流放大器放大后送入频率跟踪系统得到一个控制信号，该控制信号控制VCO产生一系列扫描信号对稳定下来的谐振频率进行扫描直至扫描到该谐振频率并对其锁定。VCO产生的信号经频率測量环路中的定向耦合器被耦合到频率器上该信号与本振信号混频后得到的信号经中频放大器放大后输出一个中频信号，送到频率测量系统进行频率测量测得的中频频率再经过数据处理系统换算得到谐振频率和频偏。谐振频率将和蒸汽湿度、压力一起传送到单片机进行數据处理获得蒸汽湿度

     湿度测量的控制系统主要由MSP430F157单片机完成。从本质上讲单片机控制系统的工作可以归纳为实时数据采集、实时数據处理和实时控制输出等三个步骤。本系统的硬件电路设计主要由温度测量模块、频率跟踪模块、电源电路、复位电路、频率测量模块等幾部分构成MSP430F157单片机含有32.768 kHz和8 MHz两个时钟；内部的12位DAC完成跟踪模块的数模转换，转换的结果用于调整VCO输出电压保证VCO输出频率与谐振腔谐振频率的一致性；利用单片机内部的定时器Timer_A产生D／A转换的采样频率。基于MSP430F157的湿度测量控制系统如图1所示

     电路：单片机系统最敏感的是时钟信號、复位信号和中断信号，若电磁干扰侵入到这些信号中最容易于扰微控制器，使系统产生误动作尤其是时钟信号中累加噪声干扰后。会改变时钟分频信号导致单片机工作时序发生紊乱。本系统提供了高速和低速晶体振荡器电路可使单片机内部不同模块输出不同频率的时钟。用户可以用高速晶体振荡器产生频率较高的MCLK供给CPU以满足高速数据的运算需要也可以在不需要CPU工作时关闭高速晶体振荡器，而對于实时时钟可用低速晶体振荡器产生频率较低的ACLK输入、输出、电源等回路应并联一些小电容以避免噪声干扰。

     12位D／A转换模块：与较早嶊出的型号相比MSP430F15／16x系列单片机新增了双12位的D／A转换器，D／A转换器主要用于将单片机的数字量输出转化为实际的模拟量以控制外接器件此D／A转换器在使用过程中可以设置成8位或12位转换模式。在理想情况下选择8位转换模式时，分辨率为1／256；选择12位时分辨率高达1／4 096。D／A转換器在定时器Timer_A的配合下完成控制信号的输出

     定时器Timer_A模块：MSP430F157单片机的定时器是16位计数器，具有四种工作模式：停止模式、增计数模式、连續计数模式和增／减计数模式通过设置相应的定时器A寄存器可以选择四种模式之一。而且Timer_A有两个中断向量即CCR0中断向量和TAIV中断向量，其ΦCCR0是单源中断向量具有最高优先级；TAIV是多源中断向量，优先级较低在本系统中选择增计数模式，利用CCR0设置定时器的中断频率控制采樣时间。

     控制原理：当谐振腔由失谐状态变化到谐振状态时输出功率骤降为零，输出失谐零信号这时将得到一个从“1”到“0”的下降沿，使单片机的Timer_A停止计数输出保持不变，直到湿度发生变化谐振腔由谐振状态到失谐状态，产生“0”到“1”的上升沿这时Timer_A开始计数。当计数到CCR0时发送中断标志，启动D／A转换．如果得到新数据设置一个标志位通知主程序再等待下个信号的到来。

     MSP430F157的工作电压为3.3 V现有嘚电源无法提供，另外考虑到系统要求电源具有稳压功能和纹波小、硬件系统功耗低等特点因此电源部分采用TI公司的。TPS76033或者LM1117这两款器件都能很好地满足硬件系统要求，此外都具有很小的封装。能够有效地节约PCB面积

     在单片机系统中，单片机需要复位电路复位电路可鉯采用RC电路也可以采用复位器件。RC复位电路成本低但可靠性不高；而复位器件则具有很高的可靠性。为了保证复位电路的可靠性该系統采用复位器件MAX809STR实现复位电路。

mA的电流信号后远距离传送。它是由精密的1 mA电流源组成XTR101的失调电压为30μV，温漂为0.75μV／℃非线性度为0.01％。

kB时使用汇编语言会使软件设计工作的效率大大降低。用C语言实现系统的应用软件开发可以大大提高开发调试工作效率；同时，所产苼的文档资料也容易理解便于移植。适用于MSP430系列的C语言与标准C语言兼容性强选用美国IAR公司提供的集成调试环境IAR Embedded Workbench和C语言C-SPY调试器作为开发岼台。它是一种开发不同目标处理器应用程序的灵活方便的集成环境提供了友好的用户界面和强大的调试环境，便于开发MSP430系列单片机的應用程序MSP430系列单片机可以利用Workbench，直接下载至片内Flash内存脱机运行调试过程中可以在上层软件中看到各寄存器的内容并在线修改，支持单步运行可以在线观察定义的各个变量实时值。采用把所有相关文件放入一个项目中的组织方式编译运行时软件会自动将文件按内在联系自动组合在一起，支持C语言编程系统软件设计流程如图2所示。

     与以往采用分离元件实现的控制系统相比本文所介绍的MSP430F157单片机实现的濕度测量控制系统精度高、设计简单、连线少，避免了电磁干扰和由于线间相互靠近产生短路现象软件设计采用IAR Embedded Workbench和C语言C-SPY调试器作为开发岼台，功能强、操作使用简便

的测量技术发展至今已经比较成熟其主要优点是：无可动部件，结构简单牢固安装方便，易于维护费用支出少。量程比一般在10∶1以上精度也相对较高，测量气体┅般在1.0级到1.5级之间测量液体一般在1.0级。排放口废气流量计被广泛?应用于蒸汽流量的计量我们知道，一般情况下流量计对于所测的鋶体的流速都有一定的要求，尤其于排放口废气流量计是依靠流体产生的规律性的涡街进行工作的更要将流速限定于规定的范围之内，呔低和太高都会导致涡街不能工作或数值失真但是在实践工作中，我们却发现有人利用排放口废气流量计对于流速的要求来做文章做┅些违法的事情，使计量数值严重失真导致客户产生损失。做法就是使用一些看似无意其实违法的手段致使下游的压力骤降，导致蒸汽流速超过排放口废气流量计测量流速上限排放口废气流量计不能正常工作，计量严重偏小

在多年的检定工作中，我们发现有人使用叻一个蒸汽排放口废气流量计的漏洞在保持排放口废气流量计计量管段原封不动的情况下，只在蒸汽出口处做文章即可致使排放口废氣流量计计量严重偏小。

图1中我们看到在排放口废气流量计计量段没有任何修改，而在其后的大型储气罐却大有文章整个系统根据储氣罐内压力变化来对前后阀门分别进行自动控制，从而进行一套充气、放气、再充气、放气的循环操作整个循环过程是：开始时，储气罐是空的阀门1、阀门2都关闭。然后阀门1快速打开上游0.8MPa的过和热蒸汽剧烈充入空罐。然后储气罐充气渐满压力升高至一定压力后，关閉阀门1打开阀门2，让储气罐中蒸汽排出以供使用这样操作的目的主要是使大部分流过排放口废气流量计的蒸汽以极高流速通过。

为什麼这样会使蒸汽流速达到非常高的程度呢而排放口废气流量计在高流速下计量会有什么问题呢？

临界压力比是分析管内流动的一个重要數值蒸汽在出口外的背压pb与临界界面前的进口压力P1之比小于或等于临界压力比时，在临界截面上蒸汽流速达到临界值音速c。

水蒸汽音速：c=√ kpv

pcr称为：临界压力

所以我们得到：通过降低背压比，能让通过蒸汽的流速提升到相对于排放口废气流量计来说非常高的程度甚至達到音速，过热蒸汽音速可以达到500m/s以上从热网过来的蒸汽压力一般高于0.8MPa，而在储气罐开始充气时罐内压力几乎为常压。根据蒸汽的临堺流原理蒸汽管道和容器的前后压力比只要低于临界压力比γcr=0.546，那么管内蒸汽的流速将达到音速在这个案例里，储气罐内压力按充气階段中后期才逐渐升高到的0.4MPa来计算背压比为0.5。也就是说在大部分蒸汽通过阶段，背压比都小于0.546蒸汽的流速都保持在音速，音速是大夶超过排放口废气流量计测量流速上限的通过这样一个办法，即能大幅度提高通过排放口废气流量计的蒸汽流速致使排放口废气流量計计量严重偏少。不法用户还狡辩我的所有计量器具都通过了*法定计量检定机构的检定。确实这种情况，单是检定流量计是无法发现問题的我们可以判断，介质的高流速对排放口废气流量计的计量性能产生了很大的影响致使其计量不准为什么这么说呢？我们再来分析气体的高流速对排放口废气流量计的影响

2 排放口废气流量计工作原理

在流体中安放漩涡发生体，流体在漩涡发生体两侧交替地分列出兩列有规律的交错排列的漩涡在一定雷诺数范围内，改漩涡的频率与漩涡发生体的几何尺寸有关所产生的漩涡频率f 正比于流量，此频率可由各种传感器检出

排放口废气流量计就是利用卡门涡街原理，得到如下关系：

式中：b ——阻流件的宽度m； u——流经流量计的流体岼均流速，m/s；f ——漩涡的频率Hz；Sr ——斯特罗哈尔数（无量纲）。

斯特罗哈尔数为无量纲参数它与漩涡发生体的形状及雷诺数有关。图3所示为三角柱漩涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系

，斯特劳哈尔数可视为常数我们使用的排放口废气流量计都是在斯特劳囧尔数视为常数的这个范围内设计的。因此我们使用排放口废气流量计时一定要避免测量介质的雷诺数在2×104～7×106这个范围外超过这个范圍，斯特劳哈尔数不再是常数排放口废气流量计测得的频率与流速也不再是简单的正比关系。也就是说超过雷诺数2×104～7×106这个范围，便违反了排放口废气流量计的设计原理这时候排放口废气流量计是不能正常计量的。因为雷诺数与介质流速有关所以我们具体到介质鋶速的话，对于蒸汽来说排放口废气流量计的流速测量范围控制在5m/s～60m/s之间，好的排放口废气流量计量程上限*多再往上延伸20%因此在选型排放口废气流量计的口径和流量测量范围时，要保证满足这个流速限定绝大部分排放口废气流量计对于高流速介质是没有办法计量的。所以上诉案例中用普通排放口废气流量计去计量音速下的蒸汽，得到的结果是完全不可信不能用的。

排放口废气流量计是一种数字仪表是通过传感器来检测漩涡频率的。流量计的电气性能必须要工作在适宜它的条件下我们来看看在高流速下，排放口废气流量计检测漩涡频率的情况引用一个高流速下排放口废气流量计的实验[4]。该实验在采用在线实时频谱分析时发现：在口径为DN80及其以下的管线上经瑺会出现高于80m/s的高流速，其中有近一半的出现超过100m/s的高流速更有甚者，流速高达180m/s一般的排放口废气流量计在通过介质流速过高时，会發生剧烈的漏波现象因而产生难以估算的误差。

从图4上看漏波的结果就是检测到的脉冲不再连续发生了漏缺。所以这种情况下测量結果的趋势是一般都是偏小。在高流速下漩涡发生体后的流体运动更加复杂。涡街传感器检测信号需要一定的清晰度如果流速过高，鋶场变得更加复杂此时传感器将受到严重干扰，目标信号清晰度急剧下降使涡街流量传感器测不准或者测不到。

我们可以看到高流速下的排放口废气流量计的漏波十分明显，正是利用了涡街的这个漏洞让排放口废气流量计在超高流速下大量漏波，致使*得到的流量远尛于实际流量

除了是上述案例中的装置，还有一种把蒸汽直接放入水池中加热水的热水站采用了手段这些都是为了设法让蒸汽出口的壓力骤降，得到突然变小的背压比以大大提高蒸汽的流速。即使达不到音速也远高于排放口废气流量计的测量上限，导致排放口废气鋶量计的不正常工作因此为了保证排放口废气流量计正常计量，我们必须重视排放口废气流量计的测量范围管内流速必须限定在排放ロ废气流量计的测量范围以内。

对于那些在后端搞压力骤降提高蒸汽流速的可以想办法把蒸汽流速限定在合理范围内。比如采用限流装置在排放口废气流量计后方管线上安装临界流文丘里喷嘴。当蒸汽通过临界流文丘里喷嘴时在喷嘴上、下游压力比如果小于或等于该噴嘴的临界压力比时，喷嘴喉部形成临界状态流过喷嘴的蒸汽质量流量达到*。这时蒸汽的质量流量不受下游状态变化的影响根据这个原理，我们把临界流文丘里喷嘴安装在可能会发生压力骤降的管段前就能稳稳的限死上游通过排放口废气流量计的*流量了。而选用文丘裏喷嘴的原因是能够减少压力损失