大功率電子管水冷系統(tǒng)的設計改進

曹江田，任大慶，劉飛虎，王立強，董帥

（93897部隊，陜西西安，710077）

0 概述

大功率電子管發(fā)展較早，理論較完備，是雷達中廣泛應用的電子器件。大功率電子管作為雷達發(fā)射機中的關鍵器件，正常工作時發(fā)熱量較大，對工作環(huán)境溫度有較高的要求，為保證大功率電子管工作穩(wěn)定，雷達設備中有特殊的水冷系統(tǒng)裝置對大功率電子管、聚焦線圈以及環(huán)形器進行冷卻。但在實際工作中，冷卻水在循環(huán)管道中由于各種原因產生雜質，發(fā)生因雜質過多導致收集極、管體、聚焦線圈、環(huán)流器流量不足甚至管道堵塞的情況，造成電子管溫度過高無法及時降溫，給大功率電子管工作帶來重大隱患，從而引發(fā)雷達無法正常開機工作。研制和改進水冷檢測裝置，對循環(huán)冷卻水進行溫度、雜質懸浮顆粒渾濁度情況進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結果適時傳送到監(jiān)控單元上，可以有效告知操作人員進行相應檢查和維護操作。

1 設計意義

大功率電子管作為是雷達發(fā)射機中的關鍵器件，發(fā)熱量相對較大，如果不能夠給其提供有效和及時散熱，就會影響整個雷達系統(tǒng)的正常工作。所以實時監(jiān)測散熱裝置的工作狀態(tài)在預想預判方面具有至關重要的作用。

大功率電子管由于本身價格昂貴，器材周轉協(xié)調手續(xù)較為繁瑣，新管子需要燈絲預熱老練等原因，都將勢必增加雷達裝設備故障的等器材時間和維修時間。全面監(jiān)控冷卻水的質量指標，有效降低雷達的等器材故障、等器材無用度，有效保護好大功率電子管的外圍工作狀態(tài)環(huán)境，具有十分重要的意義。

對大功率電子管管體、聚焦線圈以及環(huán)流器的水循環(huán)狀態(tài)進行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)水質變化，提醒操作人員采取相應的處理措施，可有效預防因水循環(huán)問題造成的設備停機和低效故障。本系統(tǒng)不對設備本身進行大的改造改裝，系統(tǒng)設計通過獨立的外檢測單元將檢測結果通過電纜送至監(jiān)控臺，配合以顯示器加聲光報警予以提示，對設備本身工作不造成任何影響，對提高設備工作可靠性能發(fā)揮積極有效的作用。

本檢測單元所采用的技術成熟，具有模塊簡潔、連接可靠以及實用樸實的特點；使用操作十分簡便，人員不用培訓即可上手。本現(xiàn)場檢測單元不影響任何現(xiàn)有管路的工作狀態(tài)，增加了系統(tǒng)可靠性；顯示及報警單元，提供的信號簡潔明確，為水箱水質變化提供了精確的指示，提高了冷卻單元的穩(wěn)定性。

研發(fā)該水冷檢測設備投入少、見效明顯，能夠有效檢測和減少因雷達大功率電子管水冷單元問題造成的雷達停機故障。目前大功率電子管單價昂貴，使用標準時間為數千小時，但水質不能達到規(guī)定標準時，影響較大。水冷系統(tǒng)極易損壞的器材為流量傳感器，其堵塞或低效，將直接影響設備安全工作。采用本輔助檢測單元，實時關注水質變化趨勢，采取相應有效措施，提高了大功率電子管的使用壽命，可有效減少因水冷問題導致大功率電子管損壞帶來的停機故障和不必要的經濟損失，從而有效節(jié)約設備運行經費。

2 研究內容

根據長期對雷達發(fā)射機大功率電子管水冷工作的維修經驗發(fā)現(xiàn)，目前水冷裝置在運轉過程中，因管道管壁和濾網材質影響，時間長管道會產生大量的污銹，大量的污銹物隨管道循環(huán)勢必會堵塞水循環(huán)裝置，起不到給大功率電子管等高溫器件高效散熱的目的，從而影響設備的正常工作。水循環(huán)裝置的水流量指示器，只有當水質出現(xiàn)嚴重問題，造成發(fā)射機停機或者管道堵塞時才能及時發(fā)出報警，影響整個雷達系統(tǒng)工作，未起到相應的預警提示作用。

為確保雷達發(fā)射機正常工作，采用在線實時監(jiān)測技術，并輔助聲光報警，可有效預防和解決上述問題，大大降低和減少雷達設備因水冷卻問題帶來的故障和停機發(fā)生，能夠確保整個雷達系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠。

通過分析雷達裝備（水循環(huán)冷卻方式）發(fā)射機系統(tǒng)運行保障案例，雷達裝備水冷循環(huán)裝置因冷卻水、管道及濾網材質等客觀原因極易發(fā)生霉爛銹蝕，導致水冷管道堵塞、漏水和渦輪傳感器故障，直接影響雷達裝備正常運轉。另外其狀態(tài)惡化是一個漫長過程，只有其狀態(tài)嚴重惡化時，管道和渦輪流量傳感器才會堵塞告警，直至系統(tǒng)癱瘓導致雷達停機，此類故障難以提前預警。為避免此類問題發(fā)生，我們在雷達原有基礎上增加在線狀態(tài)監(jiān)測和輔助聲光報警技術，持續(xù)監(jiān)測水冷系統(tǒng)工作狀態(tài)，指導技術人員開展針對性預防維修（更換冷卻水、渦輪傳感器和過濾器，以及清洗水箱），極大提高雷達系統(tǒng)整體可靠性和綜合維修效益。由于本項目具有簡便地可移植性，只要是采用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的雷達裝備，理論上都可以采用本系統(tǒng)實現(xiàn)水冷系統(tǒng)的在線狀態(tài)檢測和故障告警，對于提升雷達裝備整體可靠性和綜合保障效益具有非常實用的推廣價值。

3 技術方案

雷達水冷循環(huán)輔助檢測儀研究的主要目的是開發(fā)雷達水冷系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)，大幅提升雷達水冷系統(tǒng)工作可靠性。該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場采集單元、傳感器模塊、雜質過濾裝置、水量告警裝置、分析及實時顯示預警單元及電纜組成。其系統(tǒng)結構與功能框架如圖1 所示。

圖1 雷達水冷循環(huán)輔助檢測儀系統(tǒng)圖

雷達水冷循環(huán)輔助檢測儀可以分為3 個功能模塊：數據采集模塊、傳感器模塊和分析及實時顯示預警模塊，各模塊功能如下：

■3.1 數據采集模塊

數據采集模塊是整個系統(tǒng)的主要組成部分，主要負責整個系統(tǒng)的數據采集和數據上傳。該模塊能夠對每通路的溫度、流量和渾濁度進行采集，并采用數字濾波技術，確保數據的可靠性；通過工業(yè)總線把數據上傳至數據分析及顯示預警模塊。

數據采集模塊由采集主控板與采集子板組成，采集主控板負責將采集子板的各類信號傳遞給上位機，同時也將上位機的配置命令傳遞到子板，來控制各類設備的工作。兩塊板卡均采用基于ARΜ 的高性能嵌入式處理器來進行設計，采集子板由模擬量采集電路（AIN）、數字量采集電路（DIN）、數字量輸出電路（DOUT）構成，采集主控板不負責對工業(yè)現(xiàn)場的信號進行采集，這就減少了主控制器的計算工作量，提高了CPU 的工作速度，使得整個采集系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性得到極大地提高。本系統(tǒng)設計的數據采集模塊具有數據處理速度快、數據吞吐量大、外設接口豐富等優(yōu)點。

數據板卡之間通過RS485 總線的ΜODBUS 協(xié)議進行通信，ΜODBUS 通信協(xié)議是常用的工業(yè)產品中主要的通信協(xié)議，且其協(xié)議的數據幀格式簡單易懂，便于使用，ΜODBUS 的通信方式分別為ΜODBUS-ASCII、ΜODBUSRTU、ΜODBUS-TCP，同時它采用主從方式的通信模式，即當一個設備作為主機發(fā)送一個信息時，另一個作為從機的設備會有信息返回。ΜODBUS 協(xié)議定義了簡單協(xié)議數據單元（PDU）和特定總線或網絡上應用數據單元（ADU）。在本數據采集模塊中，采用ΜODBUS-RTU 通信方式的主從模式，ΜODBUS 主/從機的查詢/響應信息數據格式按照協(xié)議數據幀的規(guī)定來進行傳送。

由于外界干擾或某些不可預知的因素，比如電路干擾或者外界噪聲，模擬量在受到干擾后，經A/D 轉換后的結果偏離了真實值，可能會出現(xiàn)一些隨機的誤差，如果只采樣一次，無法確定結果是否可信。濾波電路是由運放和R、C 組成的有源濾波器。而數字濾波則是采用軟件算法實現(xiàn)濾波的。為了減少干擾，在采集了信號之后，要在最后轉化為數據之前，進行數字濾波。該項目中采用中值平均濾波，就是在采集的多個數據中去掉一個最大值和一個最小值，然后對剩下的數據求平均值。所以這個算法不需要對數據排序,關鍵是計算最大值，最小值，求和，然后計算平均值。

圖2 數據采集模塊系統(tǒng)框圖

■3.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要由渾濁度傳感器、流量傳感器和溫度傳感器組成。在整個系統(tǒng)起著關鍵作用，經過系統(tǒng)的分析和可靠性考慮，選用的傳感器如下。

3.2.1 渾濁度傳感器

濁度測量儀采用90°散射光原理，一束特定光譜的平行光通過溶液時，一部分被吸收和散射，一部分透過溶液。與入射光成90°方向的散射光的強度符合雷萊公式：

其中：Io為入射光強度，Is為散射光強度，N為單位溶液微粒數，V為微粒體積，λ為入射光波長，K為系數。在入射光恒定的條件下，在一定濁度范圍內，散射光強度和溶液的渾濁度成正比。上式可整Is/Io=KN。

根據這一公式，我們可以通過測定水樣中微粒的散射光強度來測量水樣的渾濁度。其系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 渾濁度傳感器組成框圖

渾濁度傳感器采用雙光束光路，有二個高度對稱的光學、電學通道，產生相同的感應，測差不變，在除法電路中得以抵消，使儀器具有長期穩(wěn)定性和抗干擾能力；采用線性化電路，使測量結果成線性顯示；采用溫度補償，模擬除法功能等電路，消除噪音等專項技術，保證了儀器的高度靈敏和優(yōu)良的重現(xiàn)性。

光電傳感器由光源、透鏡、光電元件等組成，當光線通過被測液樣時，與入射光成90°方向的散射光作用于光電元件，產生了隨濁度變化的電信號，該信號與基準信號一起送入信號處理器。信號處理器以集成電路為核心，構成性能穩(wěn)定的電子線路，對信號進行放大、濾波、運算、補償等處理，使其在整個測量范圍內與被測液樣的濁度成線性關系。

3.2.2 流量傳感器

流量傳感器采用非接觸式的超聲波流量計，超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性實現(xiàn)流量測量的。其工作原理為超聲波發(fā)射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。

3.2.3 溫度傳感器

溫度傳感器采用PT100，由于PT100 測溫范圍比較寬；并且因為它的線性度非常好，也就是溫度每升高一度，其電阻升高的值基本一致，為了提高測量的精度，采用四線制的PT100 進行溫度測量，當測量電阻數值很小時，四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，從而計算比較精確的溫度。

3.2.4 水量告警裝置

對冷卻液水箱的注水口進行改造，加裝水量報警裝置，并把報警信號引入狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，可及時提醒操作人員注意冷卻水水量情況，避免因管道漏水或缺水導致冷卻系統(tǒng)失效。

■3.3 雜質過濾裝置

在冷卻水箱的出水口處加裝Y 型雜志過濾器用來過濾冷卻水中的雜質，能夠有效避免因雜質過多使水路堵塞，雷達系統(tǒng)可靠性大幅提升，Y 型濾器為貨架產品，更換濾芯方便快捷。其實物如圖4 所示。

圖4 Y 型雜質過濾器

■3.4 數據分析及顯示預警模塊

數據分析系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由通信電路和檢測控制裝置組成。軟件的主要作用是保存采集原始數據，對數據進行分析和評估，并把評估結果實時顯示，進行語音預警提示。

數據分析及顯示預警模塊主要由計算機、顯示屏、RS485 通訊模塊及AC/DC 模塊組成。其系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 數據分析及實時顯示預警模塊

顯示屏能夠實時監(jiān)測每路的溫度、流量和渾濁度，如果檢測值超出事先確定的預警閾值，就會進行語音報警，提示操作人員進行相應處理。

■4.1 可靠性

實施合理的繼承性設計，盡量采用成熟的技術，簡化設計。設備電路設計簡單、可靠。主要的簡化在于：選用可靠的功能模塊。嚴格控制元器件：選用優(yōu)質產品或經工程考核的元器件，嚴格元器件質量檢驗，尤其對影響可靠性較大的元器件實施重點控制，嚴格進行篩選，并在硬件設計上采取預防措施，降額使用。對關鍵件、重要件選用國產元器件，根據產品對元器件質量和可靠性的要求，盡可能地選用符合標準的器件。檢測設備中所需的各種纜線的布局，滿足電磁兼容設計要求，以保證設備工作的可靠性。

■4.2 安全性

在安全性方面，采取的措施如下：對所采用的器件進行嚴格篩選，主回路均采用工業(yè)級器件；在軟件上采用多重容錯技術，主動避開強電啟動等干擾對系統(tǒng)工作的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；在電控系統(tǒng)硬件上，采用統(tǒng)一總線結構，功能按照板級劃分，做到板級維護，不但整齊美觀，而且維護方便。

■4.3 環(huán)境適應性

根據模塊熱耗量和內部熱阻情況，采用自然散熱方式，保證需要冷卻的各個部位得到有效散熱；模塊供電電源均選用能在溫度、濕度范圍內正常工作的設備；模塊選用防潮性能好的具有屏蔽效能的材質，并具有足夠的剛度和強度；模塊內部采用沖擊裝置連接，具有足夠的吸收儲存能力的位移空間，保證不出現(xiàn)剛性碰撞；模塊內部安裝用緊固件緊固，以提高抗沖擊和抗振動的能力。

■4.4 難點分析

水質渾濁度檢測設備是必不可少的部分，必須在具有渾濁度檢測基本功能的前提下，實現(xiàn)檢測信號的調理、采集數據的分析和處理，并能根據分析結果給出標準輸出格式數據，提示水冷系統(tǒng)維護時間。

由于液體渾濁度受氣泡和溫度影響，給渾濁度檢測帶來不便，需要通過對流量、溫度和渾濁度的數據分析，建立數據之間的影響關系，建立預警評估策略，使水冷系統(tǒng)發(fā)揮更大效率。

5 結語

從實際使用情況來看，此設計改進具有投資成本少、效果顯著、應用前景廣泛、操作簡單等優(yōu)點。其可靠性、安全性、環(huán)境適應性較好，具有可觀的經濟效益。