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(lèi)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。

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(lèi)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?？紤]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(mǎn)足高功率微波衰減器散熱的需要。

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-SCPU，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(zhuān)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(mǎn)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。

結(jié)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。