基于液体式高功率微波衰减器温控系统的设计与实现

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。

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。