大功率电子管水冷系统的设计改进

2022-12-21曹江田任大庆刘飞虎王立强董帅

电子制作 2022年23期

曹江田，任大庆，刘飞虎，王立强，董帅

（93897部队，陕西西安，710077）

0 概述

大功率电子管发展较早，理论较完备，是雷达中广泛应用的电子器件。大功率电子管作为雷达发射机中的关键器件，正常工作时发热量较大，对工作环境温度有较高的要求，为保证大功率电子管工作稳定，雷达设备中有特殊的水冷系统装置对大功率电子管、聚焦线圈以及环形器进行冷却。但在实际工作中，冷却水在循环管道中由于各种原因产生杂质，发生因杂质过多导致收集极、管体、聚焦线圈、环流器流量不足甚至管道堵塞的情况，造成电子管温度过高无法及时降温，给大功率电子管工作带来重大隐患，从而引发雷达无法正常开机工作。研制和改进水冷检测装置，对循环冷却水进行温度、杂质悬浮颗粒浑浊度情况进行监测，并将监测结果适时传送到监控单元上，可以有效告知操作人员进行相应检查和维护操作。

1 设计意义

大功率电子管作为是雷达发射机中的关键器件，发热量相对较大，如果不能够给其提供有效和及时散热，就会影响整个雷达系统的正常工作。所以实时监测散热装置的工作状态在预想预判方面具有至关重要的作用。

大功率电子管由于本身价格昂贵，器材周转协调手续较为繁琐，新管子需要灯丝预热老练等原因，都将势必增加雷达装设备故障的等器材时间和维修时间。全面监控冷却水的质量指标，有效降低雷达的等器材故障、等器材无用度，有效保护好大功率电子管的外围工作状态环境，具有十分重要的意义。

对大功率电子管管体、聚焦线圈以及环流器的水循环状态进行实时检测，及时发现水质变化，提醒操作人员采取相应的处理措施，可有效预防因水循环问题造成的设备停机和低效故障。本系统不对设备本身进行大的改造改装，系统设计通过独立的外检测单元将检测结果通过电缆送至监控台，配合以显示器加声光报警予以提示，对设备本身工作不造成任何影响，对提高设备工作可靠性能发挥积极有效的作用。

本检测单元所采用的技术成熟，具有模块简洁、连接可靠以及实用朴实的特点；使用操作十分简便，人员不用培训即可上手。本现场检测单元不影响任何现有管路的工作状态，增加了系统可靠性；显示及报警单元，提供的信号简洁明确，为水箱水质变化提供了精确的指示，提高了冷却单元的稳定性。

研发该水冷检测设备投入少、见效明显，能够有效检测和减少因雷达大功率电子管水冷单元问题造成的雷达停机故障。目前大功率电子管单价昂贵，使用标准时间为数千小时，但水质不能达到规定标准时，影响较大。水冷系统极易损坏的器材为流量传感器，其堵塞或低效，将直接影响设备安全工作。采用本辅助检测单元，实时关注水质变化趋势，采取相应有效措施，提高了大功率电子管的使用寿命，可有效减少因水冷问题导致大功率电子管损坏带来的停机故障和不必要的经济损失，从而有效节约设备运行经费。

2 研究内容

根据长期对雷达发射机大功率电子管水冷工作的维修经验发现，目前水冷装置在运转过程中，因管道管壁和滤网材质影响，时间长管道会产生大量的污锈，大量的污锈物随管道循环势必会堵塞水循环装置，起不到给大功率电子管等高温器件高效散热的目的，从而影响设备的正常工作。水循环装置的水流量指示器，只有当水质出现严重问题，造成发射机停机或者管道堵塞时才能及时发出报警，影响整个雷达系统工作，未起到相应的预警提示作用。

为确保雷达发射机正常工作，采用在线实时监测技术，并辅助声光报警，可有效预防和解决上述问题，大大降低和减少雷达设备因水冷却问题带来的故障和停机发生，能够确保整个雷达系统运行的稳定可靠。

通过分析雷达装备（水循环冷却方式）发射机系统运行保障案例，雷达装备水冷循环装置因冷却水、管道及滤网材质等客观原因极易发生霉烂锈蚀，导致水冷管道堵塞、漏水和涡轮传感器故障，直接影响雷达装备正常运转。另外其状态恶化是一个漫长过程，只有其状态严重恶化时，管道和涡轮流量传感器才会堵塞告警，直至系统瘫痪导致雷达停机，此类故障难以提前预警。为避免此类问题发生，我们在雷达原有基础上增加在线状态监测和辅助声光报警技术，持续监测水冷系统工作状态，指导技术人员开展针对性预防维修（更换冷却水、涡轮传感器和过滤器，以及清洗水箱），极大提高雷达系统整体可靠性和综合维修效益。由于本项目具有简便地可移植性，只要是采用水循环冷却系统的雷达装备，理论上都可以采用本系统实现水冷系统的在线状态检测和故障告警，对于提升雷达装备整体可靠性和综合保障效益具有非常实用的推广价值。

3 技术方案

雷达水冷循环辅助检测仪研究的主要目的是开发雷达水冷系统在线监测与故障预警系统，大幅提升雷达水冷系统工作可靠性。该系统主要由现场采集单元、传感器模块、杂质过滤装置、水量告警装置、分析及实时显示预警单元及电缆组成。其系统结构与功能框架如图1 所示。

图1 雷达水冷循环辅助检测仪系统图

雷达水冷循环辅助检测仪可以分为3 个功能模块：数据采集模块、传感器模块和分析及实时显示预警模块，各模块功能如下：

■3.1 数据采集模块

数据采集模块是整个系统的主要组成部分，主要负责整个系统的数据采集和数据上传。该模块能够对每通路的温度、流量和浑浊度进行采集，并采用数字滤波技术，确保数据的可靠性；通过工业总线把数据上传至数据分析及显示预警模块。

数据采集模块由采集主控板与采集子板组成，采集主控板负责将采集子板的各类信号传递给上位机，同时也将上位机的配置命令传递到子板，来控制各类设备的工作。两块板卡均采用基于ARΜ 的高性能嵌入式处理器来进行设计，采集子板由模拟量采集电路（AIN）、数字量采集电路（DIN）、数字量输出电路（DOUT）构成，采集主控板不负责对工业现场的信号进行采集，这就减少了主控制器的计算工作量，提高了CPU 的工作速度，使得整个采集系统硬件的稳定性得到极大地提高。本系统设计的数据采集模块具有数据处理速度快、数据吞吐量大、外设接口丰富等优点。

数据板卡之间通过RS485 总线的ΜODBUS 协议进行通信，ΜODBUS 通信协议是常用的工业产品中主要的通信协议，且其协议的数据帧格式简单易懂，便于使用，ΜODBUS 的通信方式分别为ΜODBUS-ASCII、ΜODBUSRTU、ΜODBUS-TCP，同时它采用主从方式的通信模式，即当一个设备作为主机发送一个信息时，另一个作为从机的设备会有信息返回。ΜODBUS 协议定义了简单协议数据单元（PDU）和特定总线或网络上应用数据单元（ADU）。在本数据采集模块中，采用ΜODBUS-RTU 通信方式的主从模式，ΜODBUS 主/从机的查询/响应信息数据格式按照协议数据帧的规定来进行传送。

由于外界干扰或某些不可预知的因素，比如电路干扰或者外界噪声，模拟量在受到干扰后，经A/D 转换后的结果偏离了真实值，可能会出现一些随机的误差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。滤波电路是由运放和R、C 组成的有源滤波器。而数字滤波则是采用软件算法实现滤波的。为了减少干扰，在采集了信号之后，要在最后转化为数据之前，进行数字滤波。该项目中采用中值平均滤波，就是在采集的多个数据中去掉一个最大值和一个最小值，然后对剩下的数据求平均值。所以这个算法不需要对数据排序,关键是计算最大值，最小值，求和，然后计算平均值。

图2 数据采集模块系统框图

■3.2 传感器模块

传感器模块主要由浑浊度传感器、流量传感器和温度传感器组成。在整个系统起着关键作用，经过系统的分析和可靠性考虑，选用的传感器如下。

3.2.1 浑浊度传感器

浊度测量仪采用90°散射光原理，一束特定光谱的平行光通过溶液时，一部分被吸收和散射，一部分透过溶液。与入射光成90°方向的散射光的强度符合雷莱公式：

其中：Io为入射光强度，Is为散射光强度，N为单位溶液微粒数，V为微粒体积，λ为入射光波长，K为系数。在入射光恒定的条件下，在一定浊度范围内，散射光强度和溶液的浑浊度成正比。上式可整Is/Io=KN。

根据这一公式，我们可以通过测定水样中微粒的散射光强度来测量水样的浑浊度。其系统框图如图3 所示。

图3 浑浊度传感器组成框图

浑浊度传感器采用双光束光路，有二个高度对称的光学、电学通道，产生相同的感应，测差不变，在除法电路中得以抵消，使仪器具有长期稳定性和抗干扰能力；采用线性化电路，使测量结果成线性显示；采用温度补偿，模拟除法功能等电路，消除噪音等专项技术，保证了仪器的高度灵敏和优良的重现性。

光电传感器由光源、透镜、光电元件等组成，当光线通过被测液样时，与入射光成90°方向的散射光作用于光电元件，产生了随浊度变化的电信号，该信号与基准信号一起送入信号处理器。信号处理器以集成电路为核心，构成性能稳定的电子线路，对信号进行放大、滤波、运算、补偿等处理，使其在整个测量范围内与被测液样的浊度成线性关系。

3.2.2 流量传感器

流量传感器采用非接触式的超声波流量计，超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量的。其工作原理为超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和计算仪表进行显示和计算。

3.2.3 温度传感器

温度传感器采用PT100，由于PT100 测温范围比较宽；并且因为它的线性度非常好，也就是温度每升高一度，其电阻升高的值基本一致，为了提高测量的精度，采用四线制的PT100 进行温度测量，当测量电阻数值很小时，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，从而计算比较精确的温度。

3.2.4 水量告警装置

对冷却液水箱的注水口进行改造，加装水量报警装置，并把报警信号引入状态监测系统中，可及时提醒操作人员注意冷却水水量情况，避免因管道漏水或缺水导致冷却系统失效。

■3.3 杂质过滤装置

在冷却水箱的出水口处加装Y 型杂志过滤器用来过滤冷却水中的杂质，能够有效避免因杂质过多使水路堵塞，雷达系统可靠性大幅提升，Y 型滤器为货架产品，更换滤芯方便快捷。其实物如图4 所示。

图4 Y 型杂质过滤器

■3.4 数据分析及显示预警模块

数据分析系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由通信电路和检测控制装置组成。软件的主要作用是保存采集原始数据，对数据进行分析和评估，并把评估结果实时显示，进行语音预警提示。

数据分析及显示预警模块主要由计算机、显示屏、RS485 通讯模块及AC/DC 模块组成。其系统框图如图5 所示。

图5 数据分析及实时显示预警模块

显示屏能够实时监测每路的温度、流量和浑浊度，如果检测值超出事先确定的预警阈值，就会进行语音报警，提示操作人员进行相应处理。

■4.1 可靠性

实施合理的继承性设计，尽量采用成熟的技术，简化设计。设备电路设计简单、可靠。主要的简化在于：选用可靠的功能模块。严格控制元器件：选用优质产品或经工程考核的元器件，严格元器件质量检验，尤其对影响可靠性较大的元器件实施重点控制，严格进行筛选，并在硬件设计上采取预防措施，降额使用。对关键件、重要件选用国产元器件，根据产品对元器件质量和可靠性的要求，尽可能地选用符合标准的器件。检测设备中所需的各种缆线的布局，满足电磁兼容设计要求，以保证设备工作的可靠性。

■4.2 安全性

在安全性方面，采取的措施如下：对所采用的器件进行严格筛选，主回路均采用工业级器件；在软件上采用多重容错技术，主动避开强电启动等干扰对系统工作的影响，提高系统的抗干扰能力；在电控系统硬件上，采用统一总线结构，功能按照板级划分，做到板级维护，不但整齐美观，而且维护方便。

■4.3 环境适应性

根据模块热耗量和内部热阻情况，采用自然散热方式，保证需要冷却的各个部位得到有效散热；模块供电电源均选用能在温度、湿度范围内正常工作的设备；模块选用防潮性能好的具有屏蔽效能的材质，并具有足够的刚度和强度；模块内部采用冲击装置连接，具有足够的吸收储存能力的位移空间，保证不出现刚性碰撞；模块内部安装用紧固件紧固，以提高抗冲击和抗振动的能力。