基于液体式高功率微波衰减器温控系统的设计与实现

摘要：文中介绍了一种由螺旋板式换热器、电加热水箱、水泵以及基于ARM7LPC2148嵌入式系统构成的用于液体式高功率微波衰减器的温度控制系统。并分析了散热方式和利用传热学的一些基本原理，对换热器、水箱和水泵进行了选型设计和计算。该设计方案为液体式高功率微波衰减器中衰减液的控温方式提出了一种新的设计思路。
关键词：大功率微波衰减器；螺旋板式换热器；LPC2148；PWM脉宽调制；温度控制；

    高功率微波衰减器的最基本原理就是将微波功率通过衰减吸波材料转化为热量，因此热传导结构和散热冷却系统的研究设计就尤为重要，直接关系整个衰减器系统的正常工作。液体衰减材料的衰减特性有一定的温度特性，即衰减量会随着液体衰减材料温度变化而改变，但是同时又要保证不会因为温度过高而使其沸腾。因此温控系统的设计关乎衰减器研制的成败。
    本文将基础传热学、换热器设计、嵌入式系统充分的融为一体，实现了控制温度的目的。

1 温控体系结构
    图1所示为温控系统结构图，温控系统主要由传感器、电加热水箱、螺旋板式换热器和嵌入式控制系统组成。系统的末端连接换热器，使衰减液耗散其吸收高功率后而产生的热量，从而保证了衰减液的温度不会持续增高。

2 换热器的选型与计算
2．1 换热器种类的选择
    通过多年实践证明，螺旋板式换热器是一种高效换热设备。它由两张钢板卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热截止可进行全逆流流动，适用小温差传热，在壳体上的接管是切向结构，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均匀的，流体在设备内流动没有大的换向，总的阻力小，所以可以通过增加流速的方式增加换热量。由于微波衰减液的工作温度只有60℃，而作为冷却水的自来水最低也只有20℃，温差很小。所以结合高功率微波衰减器的实际情况，采用这种换热方式是高效适宜的。
    衰减液和自来水分别作为热流体和冷流体在螺旋板式换热器中进行充分换热。换热器内部两种介质温度的变化如图2所示。

    换热器的面积需要根据下面的换热方程进行计算：
   
    式中：Φ——热交换；
          k——换热面上的平均传热系数；
          A——传热面积；
          △t——两流体之间的平均温差；
    由式(1)可知，若要算出换热面积，就必须先知道热交换器的换热量φ，平均温差△t以及平均传热系数k的值。
2．2 平均温差的计算
    对于顺流式或逆流式换热器，其平均温差均可由式(2)计算
   
    平均温差的计算就要根据衰减量以及工作的频点进行选择，这就需要在计算换热器面积的时候需要考虑到最极端的工作情况。在此将冷流体(自来水)的温度设为25～35℃将热流体的温度设为40～60℃。此时的平均温差为15．4℃。
2．3 换热系数的选择
    根据换热方程：
   
    式(3)中的系数1／kA为热阻，其与多种因素有联系，包括传热面的结构型式和大小、流体的种类及流动状况等。由于螺旋板式换热器的换热面的平壁和管壁较薄，所以有下面公式：
   
    式中：a0、a1——分别为管外侧和管内侧流体的传热系数；
          r0、r1——分别为管外侧和管内侧流体的污垢热阻；
          rw——以平均传热面积为基准的壁面热阻；
    螺旋板式换热器的材料选择不锈钢，且冷流体和热流体分别选择自来水和衰减液，此两种介质的传热效率都很高，所以r0、r1、rw可以忽略不计，此时有：
   
    由(5)可知，k值比a0、a1都小，而且k值接近于a0和a1中较小者。但是换热器中的冷流体和热流体的传热系数随着环境的条件在不断变化，如杂质、流速、温度、污垢等，所以在实际的计算中可以根据厂家或资料上提供经验值进行选择。本设计中采用的是水与电解液进行对流换热，则根据资料中提供的数据，可以换热系数为1270w／m2K。
2．4 换热面积的计算
    根据上述已经确定的换热方程中的传热系数、平均温差两个参数，再根据微波衰减器所工作的最大功率即可计算出换热器的换热面积其实不足1m2。考虑到加工的工艺的难易程度、成本以及环境多样化的影响，所以将其扩大到3m2。这个面积的换热器最多可以使微波衰减器承受平均功率为50kW的衰减作用。

    图3所示为螺旋板式换热器实物。这个螺旋板式换热器的体积很小，只有50x50x50cm3，但是换热量很大，安装方便，能够满足高功率微波衰减器散热的需要。

3 温控系统的硬件设计
    控制系统采集两个温度信号以及流量信号，采用PWM (脉宽调制)的方式调节水泵的转速，从而达到调节衰减液流入衰减器以及螺旋板式换热器的流量，这样便控制了加热及散热的时间，进而达到了控制温度的目的。同时，也将实时测量的温度及流量数据显示在液晶屏上，并存储至铁电存储器中，这样可以通过RS-232串口传送给计算机，以便针对测量的数据再进行更深的分析和处理。并且，控制系统也对电加热水箱的加热功能进行控制，使整个系统可以预热，达到了开机即可运行得要求，其电路框图如图4所示。

3．1 处理器单元
    控制系统的中央处理器单元主要用来收集和处理从两个温度传感器和流量传感器传来的数据，并且将其显示在液晶屏上和存储至铁电存储器中。同时，根据测得的数据实时发出控制信号，控制水泵的转速和电加热的时间。并且还具备RS-232串口通信的功能。
    为了实现上述功能，设计中采用了PHILIPS公司的LPC2000系列的32位ARM处理器LPC2148作为嵌入式控制系统的处理器芯片。这款芯片支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S CPU，标准JTAG调试接口，并带有512KB的高速FLASH存储器。超小LQFP64封装，双UART和SPI接口，不仅可以实现与上位机的RS-232通信，同时也支持了与液晶屏和铁电存储器的SPI通信。拥有45个高速GPIO，其中包括2个10位ADC，7个PWM功能引脚。十分适用于本系统的设计需求。
3．2 传感器单元
    温度信号是由铠装温度传感器测量，经过变送器转换成4～20mA的电流信号，但LPC2148这款芯片的A／D功能所处理的信号为0～2．5V的电压信号，所以需要让电流信号经过一个电阻，即将温度信号转换成符合处理器A／D要求的信号，再经过隔离、滤波、再隔离的过程输入给处理器进行处理。此处的隔离是采用4路集成的放大器芯片LMV324搭建的射随器，而滤波则是用电阻电容最简单的一阶低通滤波器，因为此处只需要滤除一些低频的杂波信号而已，所以设计的频率值为35Hz。
    流量信号是由流量传感器测量后发出的一个方波信号，需要测量方波信号的频率得到当前的流量数值。为了使信号的幅度稳定以便处理器可以更好的识别高低电平，所以对其进行了整波的处理，此处选择了双路集成的比较器芯片LMV393。为了使比较器电压反转更稳定，迟滞电压为0．7V，基准电压2．5V的反相比较器。其电路原理如图5所示。

3．3 驱动单元
    驱动电路的功能是通过驱动芯片驱动直流水泵，这样才能使处理器发出的PWM信号控制水泵的转速，达到控制流量的目的。同时，驱动单元上也集成了利用固态继电器控制电加热的功能。电加热水箱的加热方式是采用功率为1kW的电阻丝加热，其工作电流比较大，所以才用了固态继电器作为控制其开启或关闭的器件。
    直流水泵的工作电流比较大，所以驱动芯片选择了Infineon公司的专用电机驱动芯片BTS7960S，最高的驱动电流可以达到43A，且其沟道电阻为16mΩ，静态电流7μA。这款芯片不仅满足水泵启动时高达20～30A的启动电流，很低的沟道电阻也有效降低了频繁控制MOSFET管通断造成通断损耗发热的问题。但是仍然在需要电路板上做一些散热的处理，如在驱动芯片的下方铺铜、打孔，起到散热的作用。

4 结束语
    本文针对液体式高功率微波衰减器对衰减液温度的严格要求，不仅分析了换热的方式以及换热器的选型与结构计算，并且给出了嵌入式温控系统的硬件设计方案，实现了衰减液温度的精密控制。