曹江田，任大慶，劉飛虎，王立強(qiáng)，董帥

（93897部隊(duì)，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(dá)中廣泛應(yīng)用的電子器件。大功率電子管作為雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的關(guān)鍵器件，正常工作時(shí)發(fā)熱量較大，對(duì)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(dá)設(shè)備中有特殊的水冷系統(tǒng)裝置對(duì)大功率電子管、聚焦線圈以及環(huán)形器進(jìn)行冷卻。但在實(shí)際工作中，冷卻水在循環(huán)管道中由于各種原因產(chǎn)生雜質(zhì)，發(fā)生因雜質(zhì)過多導(dǎo)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(shí)降溫，給大功率電子管工作帶來重大隱患，從而引發(fā)雷達(dá)無法正常開機(jī)工作。研制和改進(jìn)水冷檢測裝置，對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行溫度、雜質(zhì)懸浮顆粒渾濁度情況進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果適時(shí)傳送到監(jiān)控單元上，可以有效告知操作人員進(jìn)行相應(yīng)檢查和維護(hù)操作。

1 設(shè)計(jì)意義

大功率電子管作為是雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的關(guān)鍵器件，發(fā)熱量相對(duì)較大，如果不能夠給其提供有效和及時(shí)散熱，就會(huì)影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。所以實(shí)時(shí)監(jiān)測散熱裝置的工作狀態(tài)在預(yù)想預(yù)判方面具有至關(guān)重要的作用。

大功率電子管由于本身價(jià)格昂貴，器材周轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)手續(xù)較為繁瑣，新管子需要燈絲預(yù)熱老練等原因，都將勢必增加雷達(dá)裝設(shè)備故障的等器材時(shí)間和維修時(shí)間。全面監(jiān)控冷卻水的質(zhì)量指標(biāo)，有效降低雷達(dá)的等器材故障、等器材無用度，有效保護(hù)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(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變化，提醒操作人員采取相應(yīng)的處理措施，可有效預(yù)防因水循環(huán)問題造成的設(shè)備停機(jī)和低效故障。本系統(tǒng)不對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行大的改造改裝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過獨(dú)立的外檢測單元將檢測結(jié)果通過電纜送至監(jiān)控臺(tái)，配合以顯示器加聲光報(bào)警予以提示，對(duì)設(shè)備本身工作不造成任何影響，對(duì)提高設(shè)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(shù)成熟，具有模塊簡潔、連接可靠以及實(shí)用樸實(shí)的特點(diǎn)；使用操作十分簡便，人員不用培訓(xùn)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(bào)警單元，提供的信號(hào)簡潔明確，為水箱水質(zhì)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(shè)備投入少、見效明顯，能夠有效檢測和減少因雷達(dá)大功率電子管水冷單元問題造成的雷達(dá)停機(jī)故障。目前大功率電子管單價(jià)昂貴，使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為數(shù)千小時(shí)，但水質(zhì)不能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(shè)備安全工作。采用本輔助檢測單元，實(shí)時(shí)關(guān)注水質(zhì)變化趨勢，采取相應(yīng)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(dǎo)致大功率電子管損壞帶來的停機(jī)故障和不必要的經(jīng)濟(jì)損失，從而有效節(jié)約設(shè)備運(yùn)行經(jīng)費(fèi)。

2 研究內(nèi)容

根據(jù)長期對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)大功率電子管水冷工作的維修經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前水冷裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因管道管壁和濾網(wǎng)材質(zhì)影響，時(shí)間長管道會(huì)產(chǎn)生大量的污銹，大量的污銹物隨管道循環(huán)勢必會(huì)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(shè)備的正常工作。水循環(huán)裝置的水流量指示器，只有當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，造成發(fā)射機(jī)停機(jī)或者管道堵塞時(shí)才能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)工作，未起到相應(yīng)的預(yù)警提示作用。

為確保雷達(dá)發(fā)射機(jī)正常工作，采用在線實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，并輔助聲光報(bào)警，可有效預(yù)防和解決上述問題，大大降低和減少雷達(dá)設(shè)備因水冷卻問題帶來的故障和停機(jī)發(fā)生，能夠確保整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

通過分析雷達(dá)裝備（水循環(huán)冷卻方式）發(fā)射機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行保障案例，雷達(dá)裝備水冷循環(huán)裝置因冷卻水、管道及濾網(wǎng)材質(zhì)等客觀原因極易發(fā)生霉?fàn)€銹蝕，導(dǎo)致水冷管道堵塞、漏水和渦輪傳感器故障，直接影響雷達(dá)裝備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外其狀態(tài)惡化是一個(gè)漫長過程，只有其狀態(tài)嚴(yán)重惡化時(shí)，管道和渦輪流量傳感器才會(huì)堵塞告警，直至系統(tǒng)癱瘓導(dǎo)致雷達(dá)停機(jī)，此類故障難以提前預(yù)警。為避免此類問題發(fā)生，我們在雷達(dá)原有基礎(chǔ)上增加在線狀態(tài)監(jiān)測和輔助聲光報(bào)警技術(shù)，持續(xù)監(jiān)測水冷系統(tǒng)工作狀態(tài)，指導(dǎo)技術(shù)人員開展針對(duì)性預(yù)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(dá)系統(tǒng)整體可靠性和綜合維修效益。由于本項(xiàng)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(dá)裝備，理論上都可以采用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的在線狀態(tài)檢測和故障告警，對(duì)于提升雷達(dá)裝備整體可靠性和綜合保障效益具有非常實(shí)用的推廣價(jià)值。

3 技術(shù)方案

雷達(dá)水冷循環(huán)輔助檢測儀研究的主要目的是開發(fā)雷達(dá)水冷系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)，大幅提升雷達(dá)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(zhì)過濾裝置、水量告警裝置、分析及實(shí)時(shí)顯示預(yù)警單元及電纜組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能框架如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)水冷循環(huán)輔助檢測儀系統(tǒng)圖

雷達(dá)水冷循環(huán)輔助檢測儀可以分為3 個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器模塊和分析及實(shí)時(shí)顯示預(yù)警模塊，各模塊功能如下：

■3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要組成部分，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳。該模塊能夠?qū)γ客返臏囟?、流量和渾濁度進(jìn)行采集，并采用數(shù)字濾波技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的可靠性；通過工業(yè)總線把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)分析及顯示預(yù)警模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊由采集主控板與采集子板組成，采集主控板負(fù)責(zé)將采集子板的各類信號(hào)傳遞給上位機(jī)，同時(shí)也將上位機(jī)的配置命令傳遞到子板，來控制各類設(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，采集子板由模擬量采集電路（AIN）、數(shù)字量采集電路（DIN）、數(shù)字量輸出電路（DOUT）構(gòu)成，采集主控板不負(fù)責(zé)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行采集，這就減少了主控制器的計(jì)算工作量，提高了CPU 的工作速度，使得整個(gè)采集系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性得到極大地提高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊具有數(shù)據(jù)處理速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、外設(shè)接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)板卡之間通過RS485 總線的ΜODBUS 協(xié)議進(jìn)行通信，ΜODBUS 通信協(xié)議是常用的工業(yè)產(chǎn)品中主要的通信協(xié)議，且其協(xié)議的數(shù)據(jù)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(shí)它采用主從方式的通信模式，即當(dāng)一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)發(fā)送一個(gè)信息時(shí)，另一個(gè)作為從機(jī)的設(shè)備會(huì)有信息返回。ΜODBUS 協(xié)議定義了簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）和特定總線或網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）。在本數(shù)據(jù)采集模塊中，采用ΜODBUS-RTU 通信方式的主從模式，ΜODBUS 主/從機(jī)的查詢/響應(yīng)信息數(shù)據(jù)格式按照協(xié)議數(shù)據(jù)幀的規(guī)定來進(jìn)行傳送。

由于外界干擾或某些不可預(yù)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(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果偏離了真實(shí)值，可能會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差，如果只采樣一次，無法確定結(jié)果是否可信。濾波電路是由運(yùn)放和R、C 組成的有源濾波器。而數(shù)字濾波則是采用軟件算法實(shí)現(xiàn)濾波的。為了減少干擾，在采集了信號(hào)之后，要在最后轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)之前，進(jìn)行數(shù)字濾波。該項(xiàng)目中采用中值平均濾波，就是在采集的多個(gè)數(shù)據(jù)中去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值。所以這個(gè)算法不需要對(duì)數(shù)據(jù)排序,關(guān)鍵是計(jì)算最大值，最小值，求和，然后計(jì)算平均值。

圖2 數(shù)據(jù)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(gè)系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，經(jīng)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(shí)，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(qiáng)度符合雷萊公式：

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

根據(jù)這一公式，我們可以通過測定水樣中微粒的散射光強(qiáng)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(gè)高度對(duì)稱的光學(xué)、電學(xué)通道，產(chǎn)生相同的感應(yīng)，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(jié)果成線性顯示；采用溫度補(bǔ)償，模擬除法功能等電路，消除噪音等專項(xiàng)技術(shù)，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(dāng)光線通過被測液樣時(shí)，與入射光成90°方向的散射光作用于光電元件，產(chǎn)生了隨濁度變化的電信號(hào)，該信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)一起送入信號(hào)處理器。信號(hào)處理器以集成電路為核心，構(gòu)成性能穩(wěn)定的電子線路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚?，使其在整個(gè)測量范圍內(nèi)與被測液樣的濁度成線性關(guān)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(jì)，超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性實(shí)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(zhuǎn)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(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和計(jì)算儀表進(jìn)行顯示和計(jì)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?yàn)樗木€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(jìn)行溫度測量，當(dāng)測量電阻數(shù)值很小時(shí)，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(jì)算比較精確的溫度。

3.2.4 水量告警裝置

對(duì)冷卻液水箱的注水口進(jìn)行改造，加裝水量報(bào)警裝置，并把報(bào)警信號(hào)引入狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，可及時(shí)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(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失效。

■3.3 雜質(zhì)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(zhì)，能夠有效避免因雜質(zhì)過多使水路堵塞，雷達(dá)系統(tǒng)可靠性大幅提升，Y 型濾器為貨架產(chǎn)品，更換濾芯方便快捷。其實(shí)物如圖4 所示。

圖4 Y 型雜質(zhì)過濾器

■3.4 數(shù)據(jù)分析及顯示預(yù)警模塊

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，并把評(píng)估結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行語音預(yù)警提示。

數(shù)據(jù)分析及顯示預(yù)警模塊主要由計(jì)算機(jī)、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(shù)據(jù)分析及實(shí)時(shí)顯示預(yù)警模塊

顯示屏能夠?qū)崟r(shí)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(yù)警閾值，就會(huì)進(jìn)行語音報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。

■4.1 可靠性

實(shí)施合理的繼承性設(shè)計(jì)，盡量采用成熟的技術(shù)，簡化設(shè)計(jì)。設(shè)備電路設(shè)計(jì)簡單、可靠。主要的簡化在于：選用可靠的功能模塊。嚴(yán)格控制元器件：選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品或經(jīng)工程考核的元器件，嚴(yán)格元器件質(zhì)量檢驗(yàn)，尤其對(duì)影響可靠性較大的元器件實(shí)施重點(diǎn)控制，嚴(yán)格進(jìn)行篩選，并在硬件設(shè)計(jì)上采取預(yù)防措施，降額使用。對(duì)關(guān)鍵件、重要件選用國產(chǎn)元器件，根據(jù)產(chǎn)品對(duì)元器件質(zhì)量和可靠性的要求，盡可能地選用符合標(biāo)準(zhǔn)的器件。檢測設(shè)備中所需的各種纜線的布局，滿足電磁兼容設(shè)計(jì)要求，以保證設(shè)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(duì)所采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，主回路均采用工業(yè)級(jí)器件；在軟件上采用多重容錯(cuò)技術(shù)，主動(dòng)避開強(qiáng)電啟動(dòng)等干擾對(duì)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(jié)構(gòu)，功能按照板級(jí)劃分，做到板級(jí)維護(hù)，不但整齊美觀，而且維護(hù)方便。

■4.3 環(huán)境適應(yīng)性

根據(jù)模塊熱耗量和內(nèi)部熱阻情況，采用自然散熱方式，保證需要冷卻的各個(gè)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(nèi)正常工作的設(shè)備；模塊選用防潮性能好的具有屏蔽效能的材質(zhì)，并具有足夠的剛度和強(qiáng)度；模塊內(nèi)部采用沖擊裝置連接，具有足夠的吸收儲(chǔ)存能力的位移空間，保證不出現(xiàn)剛性碰撞；模塊內(nèi)部安裝用緊固件緊固，以提高抗沖擊和抗振動(dòng)的能力。

■4.4 難點(diǎn)分析

水質(zhì)渾濁度檢測設(shè)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(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)的調(diào)理、采集數(shù)據(jù)的分析和處理，并能根據(jù)分析結(jié)果給出標(biāo)準(zhǔn)輸出格式數(shù)據(jù)，提示水冷系統(tǒng)維護(hù)時(shí)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(duì)流量、溫度和渾濁度的數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)據(jù)之間的影響關(guān)系，建立預(yù)警評(píng)估策略，使水冷系統(tǒng)發(fā)揮更大效率。

5 結(jié)語

從實(shí)際使用情況來看，此設(shè)計(jì)改進(jìn)具有投資成本少、效果顯著、應(yīng)用前景廣泛、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。其可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性較好，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。