廣播發(fā)射機循環(huán)冷卻水硬度的自動監(jiān)控

張青松

廣播發(fā)射機水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中冷卻水的質量直接影響著大功率發(fā)射器件的工作穩(wěn)定性，處理不當甚至會造成停播事故。本文詳細闡述了冷卻水軟化的原理及工藝流程，以及如何通過對循環(huán)冷卻水硬度的自動監(jiān)控來實現(xiàn)對原有發(fā)射機水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水導電值和離子交換部分的自動監(jiān)控。

廣播發(fā)射機循環(huán)冷卻水硬度的自動監(jiān)控

中短波發(fā)射機所使用的大功率電子管等器件在進行功率放大的過程中由于能量轉換其本身也會產生較大的熱量，因此在工作過程中我們必須對此類器件進行冷卻處理。目前常用的功率放大器件的冷卻方式主要有風冷和水冷兩種形式。

所謂風冷就是用單一的高壓低速吹風機向易產生熱量的功率器件輸送冷風，從而達到降低器件工作環(huán)境溫度的目的。然而由于風冷交換的熱量相對有限，很難調節(jié)大功率器件產生的大量熱量。針對產生較大熱量的器件，我們就必須使用水冷方式了。水冷是利用水遇熱汽化蒸發(fā)并帶走熱量的物理特性對大功率器件進行散熱的冷卻方法。

目前使用的中短波發(fā)射機幾乎都有著一套相對完善的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在發(fā)射機工作過程中，大功率發(fā)射器件產生的高熱量使循環(huán)冷卻水長期處于高溫加熱狀態(tài)，造成水中PH值升高和雜質過度飽和，隨著PH值的升高，冷卻水能溶解礦物質成分的能力大幅降低，進而使以碳酸鈣為主的礦物質成分沉淀出來形成水垢。嚴重時不僅會損壞發(fā)射設備甚至會造成停播事故。因此若想保證水循環(huán)冷卻系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定地運行并能達到預期的冷卻效果，就必須對冷卻水進行軟化處理。

有效降低水循環(huán)冷卻過程中產生水垢的方法主要有兩種：一是用蒸餾水代替天然水作為發(fā)射機水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水；二是在水冷系統(tǒng)工作過程中對循環(huán)冷卻水進行除雜軟化。用雜質較少的蒸餾水代替天然水的目的是通過提高冷卻水純凈度的方法來減少水垢的形成，但是蒸餾水進入發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)后就會被系統(tǒng)原件污染和電解。例如在銅管水路系統(tǒng)中，氧氣和二氧化碳進入循環(huán)水中后將增強銅的溶解，它所附生的沉淀物質，如氧化銅，會附著在電子管的熱陽極結構上，其結果將最終形成水垢。為了抵制沉淀氧化物的形成，可以定期更換蒸餾水。然而水冷系統(tǒng)每次換水都會帶入附加的雜質，從而增加水垢的形成。因此對現(xiàn)有系統(tǒng)中的循環(huán)水進行軟化是個更加有效的做法。

下面我們簡單介紹一下硬水與軟水的概念，硬水是指沒有經過處理的含有大量鈣、鎂等礦物雜質的水。水質的硬度一般用以下這些指數(shù)來顯示：礦物質含量為多少“毫克/升水”或多少“谷/加侖”，1谷/加侖=17.1毫克/升水。軟水是指將水中的硬度，主要指水中鈣、鎂離子，去除或降低到一定程序的水。水在軟化過程中，僅硬度降低，總含量保持不變。冷卻系統(tǒng)使用軟水將減少或避免水垢的生成，同時避免由于產生水垢而造成的能源浪費、用水器材效率降低等問題。表一中給出了軟、硬水的硬度范圍。

將硬水中的硬度離子去除或降低到一定程度使其轉化為軟水的過程稱為水的軟化。水的軟化處理方法有多種，這里對幾種常用的處理方法進行簡單介紹。

化學軟化法：利用某些化學藥品可以與水中的鈣、鎂等礦物離子形成不溶的沉淀物的特性，我們可以將硬水中的鈣、鎂離子析出，從而得到理想軟水。

磁性軟化法：其原理是讓水通過一個特殊的磁場，從而改變鈣、鎂離子的結構，形成惰性的晶體結構，使其不再結垢。

交換軟化法：交換軟化裝置采用離子交換原理。在這個過程中，水會流經一個樹脂層，一般是由磺化的聚苯乙烯顆粒組成。這些顆粒中蘸滿了鈉離子。離子交換過程發(fā)生在硬水流經樹脂層的同時：硬水中的礦物離子（鈣、鎂等）附著在樹脂層上，同時交換出樹脂層上的鈉離子。

交換軟化法具有以下突出優(yōu)點：不用電源，杜絕了電氣系統(tǒng)故障、停電故障；連續(xù)軟化，在一定流量、壓力下，系統(tǒng)可連續(xù)進行水軟化工作；逆流再生，采用逆流工藝可對樹脂軟化功能實現(xiàn)再生，真正實現(xiàn)了環(huán)保低能耗；維護方便，結構簡單，故障率極低。

正因為交換軟化的上述特點，發(fā)射機冷卻水循環(huán)系統(tǒng)多采用交換軟化法對冷卻水進行除雜軟化。如圖一所示，發(fā)射機冷卻水的軟化是通過在循環(huán)水路中增加離子交換器來實現(xiàn)的。

離子交換器由樹脂罐和水力控制閥兩部分組成，如圖二，它不需用電，只靠循環(huán)水的壓力即可自動運行。目前常用的離子交換劑是離子交換樹脂，它上面有許多孔隙。離子交換樹脂由兩部分組成，一部分是不能移動的高分子基團，它們構成了樹脂的骨架；另一部分是可移動的離子（如Na+離子），它們構成了樹脂的活性基團，可移動離子能夠在骨架中自由進出。冷卻水在一定的壓力、流量下，通過控制閥進入裝有離子交換樹脂的樹脂罐，樹脂中所含的Na+與水中的陽離子（Ca2+，Mg2等）進行交換，使離子交換器出水中的Ca2+，Mg2+離子含量達到既定的要求，從而實現(xiàn)對冷卻水的軟化。

循環(huán)冷卻水硬度監(jiān)控系統(tǒng)簡介

隨著交換過程的不斷進行，樹脂中Na+全部被置出來后就失去了離子交換功能，冷卻水的結垢幾率也將大大增加。此時必須使用NaCl溶液對樹脂罐進行反洗，使溶液中的Na+將樹脂吸附的Ca2+、Mg2+置換下來并隨廢液排出罐外，樹脂重新吸附鈉離子后就恢復了軟化交換能力，該過程稱作離子交換劑的再生。為了確保發(fā)射機水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水的純度，我們必須及時對離子交換劑進行再生處理。由于Na+為一價陽離子，Ca2+、Mg2+為二價陽離子，離子交換法實際上是用兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來實現(xiàn)對冷卻水的軟化的。也就是說在離子交換過程中，水中的離子總含量將不斷上升，其結果必然導致冷卻水電導率的升高，因此離子交換劑是否需要再生可以通過冷卻水的電導率來判斷。

電導率是物質傳送電流的能力，是電阻率的倒數(shù)。在液體中常以電阻的倒數(shù)——電導率來衡量其導電能力的大小。水的電導率簡稱水導，是衡量水質的一個很重要的指標。它能反映出水中存在的電解質的程度。

在發(fā)射機實際工作過程中，操作人員很難及時掌握循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的水導數(shù)據(jù)。由于原有的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中只配備了一組離子交換器，即使操作人員通過發(fā)射機自帶的儀表觀察出水導值異常，在對離子交換樹脂進行再生處理的過程中水循環(huán)冷卻系統(tǒng)將暫時喪失離子交換軟化功能。離子交換功能的長時間喪失將使冷卻水的硬度急劇上升，嚴重時甚至會造成停機事故。針對實際工作中的這一問題，我們研發(fā)了循環(huán)冷卻水硬度自動監(jiān)控系統(tǒng)。

如圖三，循環(huán)冷卻水硬度自動監(jiān)控系統(tǒng)由水導傳感器、單片機、主備離子交換器和用戶端程序等四部分構成。為了實現(xiàn)對離子交換樹脂進行再生時水循環(huán)冷卻系統(tǒng)仍然可以進行離子交換，我們并聯(lián)安裝了兩套離子交換器（如圖一）。同時為了及時、準確的掌握循環(huán)冷凝水的電導率，我們在發(fā)射機水箱內安裝了一只工業(yè)級水導傳感器，其主要工作原理是應用惠斯通電橋測量電阻的原理來測量冷卻水的電導率的。

惠斯通電橋（也稱單臂電橋）電路如圖四所示，四個電阻R1、R2、Rb、RX組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”，在對角AD之間接入電源，而在另一對角BC之間接入檢流計，構成所謂“橋路”。所謂“橋”本身的意思就是指這條對角線BC而言。它的作用就是把“橋”的兩端點聯(lián)系起來，從而將這兩點的電位直接進行比較。B、C兩點的電位相等時稱作電橋平衡，反之稱作電橋不平衡。檢流計是為了檢查電橋是否平衡而設的，平衡時檢流計無電流通過。

這個關系式是由“電橋平衡”推出的結論。反之，也可以由這個關系式推證出“電橋平衡”來。因此（4）式稱為電橋平衡條件。如果在四個電阻中的三個電阻值是已知的，即可利用（4）式求出另一個電阻的阻值。這就是水導傳感器的主要工作原理。

水導傳感器將冷卻水中的水導采樣信號傳遞給單片機，單片機將該采樣信號與用戶設定的安全水導值進行分析比較。如圖五所示，當采樣值高于安全水導值時，單片機通過控制系統(tǒng)中的兩個交換器進水控制閥來實現(xiàn)對兩個離子交換器的切換，實現(xiàn)了在更換喪失離子交換功能的樹脂罐的同時有另一只離子交換器可以對循環(huán)水進行正常的軟化工作，從而實現(xiàn)了對循環(huán)冷卻水進行真正意義上的不間斷軟化。

單片機與客戶端計算機之間進行著雙向的數(shù)據(jù)傳輸，用戶可根據(jù)實際情況在客戶端程序中設置安全水導值，客戶端程序將該值傳遞給單片機作為判斷實際水導值是否在安全范圍內的依據(jù)；當采樣水導值超出安全水導值時，單片機在操作控制閥進行離子交換器切換的同時將按傳輸協(xié)議傳遞報警信號給客戶端計算機，客戶端程序通過顯示屏、音箱等外部設備向用戶報警，提示用戶對離子交換器進行再生操作。

系統(tǒng)引入再生工藝的可行性

交換劑再生的第一步是先用水自下而上的對交換樹脂進行反洗。反洗的目的有兩個，一是通過反洗，使運行中壓緊的樹脂層松動，有利于樹脂顆粒與再生液充分接觸。二是使樹脂表面積累的懸浮物及破碎樹脂隨反洗水排出，從而使交換器的水流阻力不會越來越大；第二步是將再生用鹽液在一定濃度、流量下，流經失效的樹脂層，使鹽水中的Na+離子替換出附著于樹脂的Ca2+、Mg2+離子，從而恢復交換樹脂原有的交換能力；第三步是以正常流速正向清洗離子交換器，以清除樹脂層中殘留的再生廢液。系統(tǒng)通過上述三步實現(xiàn)了對離子交換樹脂的再生。

根據(jù)離子交換劑再生的原理，在條件允許的情況下，完全可以將離子交換劑再生的工藝流程融入到本系統(tǒng)中。如圖六所示，交換劑再生部分主要由多路控制閥、樹脂罐、鹽箱組成。多路控制閥是指在同一閥體中設計有多個通路的閥門。本系統(tǒng)中，單片機可根據(jù)預先設定的程序向多路控制閥發(fā)出具體指令，多路控制閥自動完成相應閥門的開關，從而實現(xiàn)對離子交換劑的反洗、再生、正洗等工藝過程。

綜述

循環(huán)冷卻水硬度自動監(jiān)控系統(tǒng)具有自動化程度高、供水工況穩(wěn)定、運行費用經濟、使用簡便易行等特點。通過水導傳感器、單片機、主備離子交換器等硬件設備完全實現(xiàn)了對冷卻水硬度的時時監(jiān)控，替代了人工抄表操作，采樣數(shù)據(jù)更加準確，真正實現(xiàn)了對發(fā)射機水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的不間斷軟化。