Primus加速器冷卻循環(huán)水流量檢測原理分析及故障排除

李東，朱洪峰，尚進(jìn)，楊斌

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 放射治療科，遼寧 沈陽 110015

Primus加速器冷卻循環(huán)水流量檢測原理分析及故障排除

李東，朱洪峰，尚進(jìn)，楊斌

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 放射治療科，遼寧 沈陽 110015

本文詳細(xì)分析了西門子Primus加速器內(nèi)冷卻循環(huán)水流量檢測電路的工作原理以及故障檢修方法。

加速器；水流傳感器；脈沖計(jì)數(shù)；醫(yī)療設(shè)備維修

1 故障現(xiàn)象

西門子Primus加速器在每天上午開機(jī)后，正常工作半小時(shí)左右，開始頻繁出現(xiàn)“water flow”（水流量）聯(lián)鎖故障，導(dǎo)致治療工作無法進(jìn)行。

2 工作原理

在加速器上安裝內(nèi)循環(huán)水冷卻恒溫系統(tǒng)，其主要目的是保護(hù)加速器工作中發(fā)熱的器件，確保加速器工作在一個(gè)合適的溫度以保證束流的穩(wěn)定性。內(nèi)循環(huán)水恒溫系統(tǒng)主要包括：水泵、水箱、熱交換器、水溫控制器和流量監(jiān)測等部件。它分為三個(gè)支路，分別冷卻高頻負(fù)載、靶、加速管等重要部件。在每個(gè)支路循環(huán)水泵的出水端都裝配了水流流速探測器，用于測量出水流量。當(dāng)水流流過轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速隨著流量成線性變化。該探測器為發(fā)電型磁感應(yīng)式傳感器，它是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量能量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感量變化電壓的一種裝置。信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)凸齒，傳感線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性交變電動(dòng)勢，即電動(dòng)勢出現(xiàn)一次最大值和一次最小值，相應(yīng)地輸出一個(gè)交變電壓信號。如圖1所示，其轉(zhuǎn)子有6個(gè)凸齒構(gòu)成，水輪每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6個(gè)交變電壓脈沖信號，所以交變信號頻率等于被測轉(zhuǎn)速頻率與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。當(dāng)水流量變化時(shí)，轉(zhuǎn)子凸齒轉(zhuǎn)動(dòng)的速度將發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速越高，傳感線圈中感應(yīng)出的交變電壓信號的頻率也就越高。三個(gè)循環(huán)支路中不同的水流量產(chǎn)生不同的頻率信號，正常情況下的頻率為：高頻負(fù)載約為50Hz，靶約為20Hz，加速管約為120Hz。傳感線圈中感應(yīng)出的交變電壓信號經(jīng)過整形和運(yùn)算放大器放大，轉(zhuǎn)換為同頻率的矩形數(shù)字脈沖信號。

圖 1 水流流速探測器結(jié)構(gòu)示意圖

由于脈沖頻率信號能實(shí)時(shí)地反映轉(zhuǎn)速的變化，因此利用這些脈沖串所攜帶的時(shí)間信息就可以獲取數(shù)字化的流速數(shù)據(jù)。該電路采用的是基于脈沖信號的數(shù)字測速方法中的T方法，即計(jì)算兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，亦即脈沖信號的周期。T方法使用傳感器輸出脈沖的前后沿來啟動(dòng)和結(jié)束計(jì)數(shù)器對一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)，然后利用這個(gè)計(jì)數(shù)值來推算轉(zhuǎn)速。如圖2所示，基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)出計(jì)數(shù)脈沖，傳感器輸出脈沖的前沿的作用是清零，用以結(jié)束一個(gè)計(jì)數(shù)器的本次計(jì)數(shù)并啟動(dòng)下次計(jì)數(shù)。設(shè)本次計(jì)數(shù)值為m。在基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率f準(zhǔn)確穩(wěn)定的前提下，m實(shí)際上是傳感器輸出脈沖周期T的度量，即T=m/f。水輪轉(zhuǎn)過6個(gè)凸齒為1周，那么就可以用下式來計(jì)算其轉(zhuǎn)速n=60f/（6m）(rpm)。轉(zhuǎn)速直接對應(yīng)水流量。本電路中作為計(jì)數(shù)脈沖的基準(zhǔn)時(shí)鐘為U31，1MHz石英晶體有源振蕩器經(jīng)U32(LS592)8分頻后得到的125kHz計(jì)數(shù)脈沖。

圖 2 計(jì)數(shù)方法示意圖

脈沖監(jiān)測和判斷功能主要由計(jì)數(shù)器和比較器來實(shí)現(xiàn)。以靶支路為例說明如下：125kHz基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖輸入到計(jì)數(shù)器U9（LS590）的計(jì)數(shù)端（管腳11），所得脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果再輸入到比較器U11的P端，比較器設(shè)定的脈沖計(jì)數(shù)上限閾值為8384個(gè)脈沖。水流傳感器產(chǎn)生的20Hz脈沖信號作為啟動(dòng)和清零結(jié)束計(jì)數(shù)信號。每當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到6250個(gè)脈沖時(shí)，由水流傳感器產(chǎn)生的脈沖將對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，即在水流傳感器產(chǎn)生脈沖的一個(gè)周期內(nèi)只能有6250個(gè)計(jì)數(shù)脈沖能夠輸出到比較器。當(dāng)水流流量正常時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果小于比較器設(shè)定的閾值，監(jiān)測電路判斷水流流速正常。當(dāng)管路堵塞或水流太小等故障發(fā)生時(shí)，水輪轉(zhuǎn)速變慢，導(dǎo)致水流傳感器輸出的脈沖頻率變低，即周期變長，那么一個(gè)周期內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)將增加。當(dāng)脈沖頻率降低到約15Hz時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)將超過比較器設(shè)定的閾值，從而發(fā)生聯(lián)鎖故障。三路監(jiān)測電路通過線與方式連接，只要其中一路發(fā)生聯(lián)鎖故障，即可出現(xiàn)“Over Flow”錯(cuò)誤，從而停止出束。

3 故障分析與檢修

根據(jù)直觀的聯(lián)鎖故障提示為水流量不足，內(nèi)循環(huán)水的壓力一般在55~65PSI之間，將水流壓力調(diào)節(jié)開關(guān)設(shè)置到接近最大值65 PSI，此時(shí)可以聽到水流的聲音由小變大，但故障沒有排除。打開機(jī)殼，觀察內(nèi)循環(huán)三個(gè)支路的報(bào)警指示燈，發(fā)現(xiàn)有時(shí)1個(gè)燈亮，有時(shí)2個(gè)燈亮，有時(shí)3個(gè)燈亮。其中“Target”報(bào)警指示燈亮的頻率較高些，由此判斷故障可能出現(xiàn)在水流流速探測器，但更換水流流速探測器后，故障仍然沒有排除。經(jīng)過仔細(xì)觀察，根據(jù)水流聲音和水輪轉(zhuǎn)動(dòng)的大致情況判斷，水流應(yīng)該時(shí)正常的。因此判斷水流監(jiān)測電路本身發(fā)生故障，導(dǎo)致在正常水流的情況下，出現(xiàn)了錯(cuò)誤的判斷結(jié)果，從而引起聯(lián)鎖故障。由于有時(shí)三個(gè)指示燈均報(bào)警，因此可以推斷故障可能發(fā)生在三個(gè)支路的共用電路。首先對5V電源和繼電器K1進(jìn)行了監(jiān)測和檢查，均無異常。用萬用表測量三個(gè)支路經(jīng)過RS觸發(fā)器LS279的三個(gè)觸發(fā)門的S端，結(jié)果一直是高電平，當(dāng)發(fā)生聯(lián)鎖故障時(shí)，輸出端出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，發(fā)生聯(lián)鎖。更換該觸發(fā)鎖存器，仍然未排除故障。采用逆推法，使用示波器監(jiān)測比較器U17的輸出端（管腳1），發(fā)現(xiàn)有規(guī)律的負(fù)脈沖出現(xiàn)。說明比較器接收到的計(jì)數(shù)器輸出值周期性大于設(shè)定的比較閾值。對前面的計(jì)數(shù)器輸出端進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的Q5端周期性出現(xiàn)正脈沖，而根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Q5端正常情況下不應(yīng)該出現(xiàn)正脈沖。直接的推測是：當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到6250個(gè)脈沖時(shí)沒有被水流傳感器產(chǎn)生的脈沖清零，致使脈沖計(jì)數(shù)大于比較器設(shè)定的閾值。用示波器測量計(jì)數(shù)器U15的清零端（管腳10），波形為20Hz的負(fù)脈沖（正常）。繼續(xù)測量晶體振蕩器分頻器U33的2腳的125kHz脈沖波形，發(fā)現(xiàn)機(jī)器工作正常時(shí)，脈沖波形頻率正常；而當(dāng)出現(xiàn)聯(lián)鎖故障時(shí)，脈沖波形不穩(wěn)定，出現(xiàn)雜波。計(jì)數(shù)器將這些雜波也誤認(rèn)為是計(jì)數(shù)脈沖，從而導(dǎo)致在一個(gè)清零脈沖周期內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)超過閾值，發(fā)生聯(lián)鎖故障。最后對脈沖的源頭1MHz晶體振蕩器進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)振蕩脈沖波形不穩(wěn)定，有雜波。很有可能是該晶體振蕩器開機(jī)加電工作一定時(shí)間后，由于溫度的變化造成了性能不穩(wěn)定。更換該1MHz晶體振蕩器，并重新檢測晶體振蕩器輸出端，脈沖波形一直很穩(wěn)定，機(jī)器故障修復(fù)。

4 故障小結(jié)

該故障從表面看，是由于水流報(bào)錯(cuò)而發(fā)生聯(lián)鎖故障，因此很容易從水流監(jiān)測電路入手進(jìn)行檢測。雖然有源晶體振蕩器也是監(jiān)測電路的一部分，但很難直接確定是它提供了錯(cuò)誤的基數(shù)脈沖而導(dǎo)致的故障。因此，在檢修時(shí)應(yīng)該逐步檢測和排查，由淺入深，發(fā)現(xiàn)故障的規(guī)律，同時(shí)仔細(xì)研究電路的原理，最終找到故障點(diǎn)，排除故障。

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Working Principle and Troubleshooting of Internal Cooling Water Circulation Detection for Siemens Linac

LI Dong, ZHU Hong-feng, SHANG Jin, YANG Bin
Department of Radiotherapy, Shenyang Military General Hospital,Shenyang Liaoning 110015, China

TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.040

1674-1633(2010)12-0096-02

2010-04-25

作者郵箱：douglasli@21cn.com