基于液體式高功率微波衰減器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文中介紹了一種由螺旋板式換熱器、電加熱水箱、水泵以及基于ARM7LPC2148嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的用于液體式高功率微波衰減器的溫度控制系統(tǒng)。并分析了散熱方式和利用傳熱學(xué)的一些基本原理，對(duì)換熱器、水箱和水泵進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)和計(jì)算。該設(shè)計(jì)方案為液體式高功率微波衰減器中衰減液的控溫方式提出了一種新的設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞：大功率微波衰減器；螺旋板式換熱器；LPC2148；PWM脈寬調(diào)制；溫度控制；

    高功率微波衰減器的最基本原理就是將微波功率通過(guò)衰減吸波材料轉(zhuǎn)化為熱量，因此熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和散熱冷卻系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)就尤為重要，直接關(guān)系整個(gè)衰減器系統(tǒng)的正常工作。液體衰減材料的衰減特性有一定的溫度特性，即衰減量會(huì)隨著液體衰減材料溫度變化而改變，但是同時(shí)又要保證不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而使其沸騰。因此溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎衰減器研制的成敗。
    本文將基礎(chǔ)傳熱學(xué)、換熱器設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)充分的融為一體，實(shí)現(xiàn)了控制溫度的目的。

1 溫控體系結(jié)構(gòu)
    圖1所示為溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，溫控系統(tǒng)主要由傳感器、電加熱水箱、螺旋板式換熱器和嵌入式控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的末端連接換熱器，使衰減液耗散其吸收高功率后而產(chǎn)生的熱量，從而保證了衰減液的溫度不會(huì)持續(xù)增高。

2 換熱器的選型與計(jì)算
2．1 換熱器種類的選擇
    通過(guò)多年實(shí)踐證明，螺旋板式換熱器是一種高效換熱設(shè)備。它由兩張鋼板卷制而成，形成了兩個(gè)均勻的螺旋通道，兩種傳熱截止可進(jìn)行全逆流流動(dòng)，適用小溫差傳熱，在殼體上的接管是切向結(jié)構(gòu)，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均勻的，流體在設(shè)備內(nèi)流動(dòng)沒(méi)有大的換向，總的阻力小，所以可以通過(guò)增加流速的方式增加換熱量。由于微波衰減液的工作溫度只有60℃，而作為冷卻水的自來(lái)水最低也只有20℃，溫差很小。所以結(jié)合高功率微波衰減器的實(shí)際情況，采用這種換熱方式是高效適宜的。
    衰減液和自來(lái)水分別作為熱流體和冷流體在螺旋板式換熱器中進(jìn)行充分換熱。換熱器內(nèi)部?jī)煞N介質(zhì)溫度的變化如圖2所示。

    換熱器的面積需要根據(jù)下面的換熱方程進(jìn)行計(jì)算：
   
    式中：Φ——熱交換；
          k——換熱面上的平均傳熱系數(shù)；
          A——傳熱面積；
          △t——兩流體之間的平均溫差；
    由式(1)可知，若要算出換熱面積，就必須先知道熱交換器的換熱量φ，平均溫差△t以及平均傳熱系數(shù)k的值。[!--empirenews.page--]
2．2 平均溫差的計(jì)算
    對(duì)于順流式或逆流式換熱器，其平均溫差均可由式(2)計(jì)算
   
    平均溫差的計(jì)算就要根據(jù)衰減量以及工作的頻點(diǎn)進(jìn)行選擇，這就需要在計(jì)算換熱器面積的時(shí)候需要考慮到最極端的工作情況。在此將冷流體(自來(lái)水)的溫度設(shè)為25～35℃將熱流體的溫度設(shè)為40～60℃。此時(shí)的平均溫差為15．4℃。
2．3 換熱系數(shù)的選擇
    根據(jù)換熱方程：
   
    式(3)中的系數(shù)1／kA為熱阻，其與多種因素有聯(lián)系，包括傳熱面的結(jié)構(gòu)型式和大小、流體的種類及流動(dòng)狀況等。由于螺旋板式換熱器的換熱面的平壁和管壁較薄，所以有下面公式：
   
    式中：a0、a1——分別為管外側(cè)和管內(nèi)側(cè)流體的傳熱系數(shù)；
          r0、r1——分別為管外側(cè)和管內(nèi)側(cè)流體的污垢熱阻；
          rw——以平均傳熱面積為基準(zhǔn)的壁面熱阻；
    螺旋板式換熱器的材料選擇不銹鋼，且冷流體和熱流體分別選擇自來(lái)水和衰減液，此兩種介質(zhì)的傳熱效率都很高，所以r0、r1、rw可以忽略不計(jì)，此時(shí)有：
   
    由(5)可知，k值比a0、a1都小，而且k值接近于a0和a1中較小者。但是換熱器中的冷流體和熱流體的傳熱系數(shù)隨著環(huán)境的條件在不斷變化，如雜質(zhì)、流速、溫度、污垢等，所以在實(shí)際的計(jì)算中可以根據(jù)廠家或資料上提供經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)中采用的是水與電解液進(jìn)行對(duì)流換熱，則根據(jù)資料中提供的數(shù)據(jù)，可以換熱系數(shù)為1270w／m2K。
2．4 換熱面積的計(jì)算
    根據(jù)上述已經(jīng)確定的換熱方程中的傳熱系數(shù)、平均溫差兩個(gè)參數(shù)，再根據(jù)微波衰減器所工作的最大功率即可計(jì)算出換熱器的換熱面積其實(shí)不足1m2。考慮到加工的工藝的難易程度、成本以及環(huán)境多樣化的影響，所以將其擴(kuò)大到3m2。這個(gè)面積的換熱器最多可以使微波衰減器承受平均功率為50kW的衰減作用。

    圖3所示為螺旋板式換熱器實(shí)物。這個(gè)螺旋板式換熱器的體積很小，只有50x50x50cm3，但是換熱量很大，安裝方便，能夠滿足高功率微波衰減器散熱的需要。
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3 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)采集兩個(gè)溫度信號(hào)以及流量信號(hào)，采用PWM (脈寬調(diào)制)的方式調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)衰減液流入衰減器以及螺旋板式換熱器的流量，這樣便控制了加熱及散熱的時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到了控制溫度的目的。同時(shí)，也將實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度及流量數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并存儲(chǔ)至鐵電存儲(chǔ)器中，這樣可以通過(guò)RS-232串口傳送給計(jì)算機(jī)，以便針對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)再進(jìn)行更深的分析和處理。并且，控制系統(tǒng)也對(duì)電加熱水箱的加熱功能進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)可以預(yù)熱，達(dá)到了開(kāi)機(jī)即可運(yùn)行得要求，其電路框圖如圖4所示。

3．1 處理器單元
    控制系統(tǒng)的中央處理器單元主要用來(lái)收集和處理從兩個(gè)溫度傳感器和流量傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并且將其顯示在液晶屏上和存儲(chǔ)至鐵電存儲(chǔ)器中。同時(shí)，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，控制水泵的轉(zhuǎn)速和電加熱的時(shí)間。并且還具備RS-232串口通信的功能。
    為了實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)中采用了PHILIPS公司的LPC2000系列的32位ARM處理器LPC2148作為嵌入式控制系統(tǒng)的處理器芯片。這款芯片支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU，標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口，并帶有512KB的高速FLASH存儲(chǔ)器。超小LQFP64封裝，雙UART和SPI接口，不僅可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的RS-232通信，同時(shí)也支持了與液晶屏和鐵電存儲(chǔ)器的SPI通信。擁有45個(gè)高速GPIO，其中包括2個(gè)10位ADC，7個(gè)PWM功能引腳。十分適用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。
3．2 傳感器單元
    溫度信號(hào)是由鎧裝溫度傳感器測(cè)量，經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，但LPC2148這款芯片的A／D功能所處理的信號(hào)為0～2．5V的電壓信號(hào)，所以需要讓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻，即將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合處理器A／D要求的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)隔離、濾波、再隔離的過(guò)程輸入給處理器進(jìn)行處理。此處的隔離是采用4路集成的放大器芯片LMV324搭建的射隨器，而濾波則是用電阻電容最簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，因?yàn)榇颂幹恍枰獮V除一些低頻的雜波信號(hào)而已，所以設(shè)計(jì)的頻率值為35Hz。
    流量信號(hào)是由流量傳感器測(cè)量后發(fā)出的一個(gè)方波信號(hào)，需要測(cè)量方波信號(hào)的頻率得到當(dāng)前的流量數(shù)值。為了使信號(hào)的幅度穩(wěn)定以便處理器可以更好的識(shí)別高低電平，所以對(duì)其進(jìn)行了整波的處理，此處選擇了雙路集成的比較器芯片LMV393。為了使比較器電壓反轉(zhuǎn)更穩(wěn)定，遲滯電壓為0．7V，基準(zhǔn)電壓2．5V的反相比較器。其電路原理如圖5所示。

3．3 驅(qū)動(dòng)單元
    驅(qū)動(dòng)電路的功能是通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流水泵，這樣才能使處理器發(fā)出的PWM信號(hào)控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制流量的目的。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元上也集成了利用固態(tài)繼電器控制電加熱的功能。電加熱水箱的加熱方式是采用功率為1kW的電阻絲加熱，其工作電流比較大，所以才用了固態(tài)繼電器作為控制其開(kāi)啟或關(guān)閉的器件。
    直流水泵的工作電流比較大，所以驅(qū)動(dòng)芯片選擇了Infineon公司的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960S，最高的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到43A，且其溝道電阻為16mΩ，靜態(tài)電流7μA。這款芯片不僅滿足水泵啟動(dòng)時(shí)高達(dá)20～30A的啟動(dòng)電流，很低的溝道電阻也有效降低了頻繁控制MOSFET管通斷造成通斷損耗發(fā)熱的問(wèn)題。但是仍然在需要電路板上做一些散熱的處理，如在驅(qū)動(dòng)芯片的下方鋪銅、打孔，起到散熱的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文針對(duì)液體式高功率微波衰減器對(duì)衰減液溫度的嚴(yán)格要求，不僅分析了換熱的方式以及換熱器的選型與結(jié)構(gòu)計(jì)算，并且給出了嵌入式溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了衰減液溫度的精密控制。