新一代天气雷达钛泵电源调试和故障定位方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国气象局气象探测中心 作者:柴秀梅

  速调管是新一代天气雷达(CINRAD)发射机系统的关键器件,为确保稳定可靠运行,在速调管附属电路中设计了钛泵电源装置。本文介绍了钛泵电源的工作原理、作用及特点,并给出了CINRAD/SA 和SB 型号天气雷达钛泵电源信号流程、技术参数测量等分析思路,列举了CINRAD/SA 和SB 型号天气雷达钛泵电源常见故障和典型故障的处理过程,总结提出了雷达钛泵电源控保电路调试、故障定位及处理方法,为雷达保障技术人员高效快捷处理雷达钛泵电源故障提供参考。

  对全国组网雷达系统故障分布情况进行统计分析表明,雷达发射机故障占居榜首,引起发射机系统不能正常工作的原因是多方面的。统计中发现,钛泵电源故障造成发射机不能正常工作的比例在逐年增加。速调管是雷达系统中最重要的器件,也是一种电真空器件,要求速调管管体内必须达到一定的真空度才能保证速调管稳定可靠工作,钛泵就是承担这项重要任务的装置,钛泵电源直接向钛泵提供工作电压,确保钛泵电源正常工作是保证钛泵和速调管正常工作的基础,从而提高发射机系统可靠性和稳定性,因此总结钛泵电源调试和故障定位及维修方法十分重要。

1、钛泵电源的工作原理、信号流程与电路特点

  1.1、钛泵电源的组成及工作原理

  速调管是一种电真空器件,为保证速调管稳定可靠工作,要求速调管管体内必须达到一定的真空度。钛泵就是用来完成这项任务的装置。钛泵由一个阳极和两块钛金属板组成,阳极和钛板之间的间距约1~2 mm。两者之间施加+4 kV 直流高压,形成很强的电场。管内残留气体中的正离子,在该电场力的作用下,以高速轰击钛板,使钛金属发生大量溅散而复盖阳极,使阳极吸附气体,从而保证了管内的真空度。雷达钛泵阳极电源由钛泵电源电路提供,钛泵电源的正常与否直接影响雷达发射机的正常工作。

  1.2、钛泵电源的作用和电路特点

  速调管是雷达系统关键器件,为确保稳定、可靠,必须保证速调管内部的真空度,因此速调管附属电路设计了钛泵装置,雷达发射机工作时钛泵电源同时无故障正常工作。

  钛泵电源向速调管的钛泵提供工作电压。为了保证速调管的高真空度,管内设有一个冷阴极的钛泵。速调管阳极电流几乎正比于管内气体的浓度,阳极电流指示值表示速调管管内的真空度,该指示值能对发射机故障定位提供有力帮助,并对速调管的工作进行控制和保护。速调管钛泵电源具有高电压小电流的特点,运行稳定,保护可靠,采用典型倍压式电路。钛泵电源电压为3~4 kV(可调),电流为1 mA。钛泵电源电压低限值要求为2.5 kV±0.1 kV。钛泵电流的保护值为20 μA。

  1.3、钛泵电源的信号流程

  交流输入电压220 V 经开关XS1、保险丝和电阻R1 加到电源变压器初级,通过变压器次级升压为800 V 左右交流电压,经四倍压整流后输出3 kV直流电压,通过高压插座送往速调管钛泵。倍压整流电路由电容器(C1~C8)和整流二极管(V1~V4)组成。同时在钛泵电源输出电路通过分流、分压,获取钛泵电源电流、电压取样信号送往发射机监控电路3A1A2,进行故障报警和控制保护。

钛泵电源信号流程图

图1 钛泵电源信号流程图

2、钛泵电源故障分析定位方法

  根据钛泵电源工作原理和特点,通常从钛泵电源电路、钛泵电源采样电路、钛泵电源控制保护电路等3 个方面分析定位故障点。

  钛泵电源电路故障定位采用直接法,通过发射机面板仪表(高压表、电流表)测量钛泵电源输出电压、电流是否达到正常值(正常值3 kV 左右,电流小于5 μA),若不满足正常值,再使用万用表检查四倍压整流电路的电容是否短路,保险丝是否熔断、保险丝座接触是否良好、电路连接电缆有无断开、半导体器件是否正常等,查出相关故障器件予以排除。

  如果通过检查电压、电流值均正常,则应考虑测量采样电路中各采样电阻值(R2、3A1A2 的R57 等)和电压(R2 端电压为2.5V)是否满足标称值,根据测量结果确定是否采样电路故障。如果检查结果异常,则通过测量采样电阻值定位故障器件予以排除。

  如果确定不是采样电路故障,进一步检查钛泵电源控制保护电路的电流过流、过压控制保护集成电路(主要在3A1A2 中的比较器N10、N11 等)各器件,并排除故障。

  如果通过发射机面板检测到钛泵电压正常,但监控系统报钛泵电源故障,此故障应定位监控电路故障,检查监控电路故障的关键是测量比较器的阈值电压、电源电压以及比较器的输入、输出电压,根据测量电压正常与否确定故障部位予以排除。

3、钛泵电源故障应急处理方法与使用要求

  3.1、钛泵电源故障应急处理方法

  当报警系统提示钛泵电源故障,如果通过上述方法确定钛泵电源运行正常,则可断定造成报钛泵电源故障的原因是监控电路故障导致发射机无法正常运行,当一时无法查出监控电路故障点,即使检查出来故障器件,但又无备件更换,如果碰上有强天气过程,要求雷达必须开机运行,此时可采取应急处理方法,首先断开监控电路,方法是拔掉相对应的集成模块(钛泵电源低压保护控制保护集成电路为图1中3A1A2 的比较器N11,钛泵电流过流控制保护集成电路为3A1A2 的比较器N10),此时发射机处于应急工作状态。雷达仍然能维持运行,待强对流天气过程结束后停机修复监控系统故障。注意采取雷达应急工作状态的前提必须准确判断故障点是监控电路。

  3.2、发射机正常工作对钛泵电源要求

  单独存放的速调管长期不使用要定期开钛泵电源:每月开钛泵电源一次;每季开钛泵电源并给速调管加灯丝电流至工作状态进行除气一次,且保持1 h以上,以延长速调管使用寿命。发射机开低压后首先检查钛泵电流指示值,若电流过大,表示速调管内真空度低,可增加低压预热时间,提高真空度直到电流小于5 μA,方可加发射机高压。

4、钛泵电源控制保护作用与调试方法

  4.1、控制保护电路的作用

  在钛泵电源印制板电原理图中,R2 与R3 并联组成输出电压取样电阻,R4 是输出电流取样电阻。上述两种取样信号分别送入测量接口板3A1A2,以供测量和监控电路之用。在控制面板3A1A2 上,钛泵电流表指示钛泵电源的输出电流,电压/电流表可选择指示钛泵电压。在测量接口板3A1A2 上,设有钛泵电源3PS8 输出电压欠压保护电路及输出电流过流保护电路。当钛泵电源输出电压低于门限值时,保护电路向控制保护板3A3A1 发出钛泵欠压报警信号;当钛泵电源输出电流高于门限值时,保护电路向控制保护板3A3A1 发出钛泵过流报警信号。在控制电路3A1A2 中设计了电位器RP14 用于设置欠压保护门限,电位器RP10 用于设置过流保护门限。出厂时钛泵欠压和过流保护门限分别设置为2.5 kV 和20 μA。

  4.2、钛泵电源负载调试方法

  将发射机钛泵电源输入的交流220 V 通过转接电缆、调压器连接钛泵电源XS1/1、2 端,连接负载。负载阻抗为300 MΩ。

  合上机柜灯供电空气开关Q3 和辅助供电空气开关Q2,将调压器调至220 V,用高压探头接上万用表测量钛泵电源输出电压,应为3 kV 左右。用万用表测量电阻R2 两端的电压应为2.5 V 左右。如果钛泵电压高于3 kV,关掉机柜灯供电空气开关Q3 和辅助供电空气开关Q2,改变调压器的输出电压,重复步骤(2),直到钛泵电压为3 kV 左右。降低调压器输出,使钛泵电源输出电压为2.5kV,此时,再调节发射机控制面板A1 上测量接口板3A1A2 上电位器RP14,使面板上钛泵电压故障指示灯亮,这表明钛泵电源电压低限值已经设置好,且为2.5 kV 正常值。

  关掉空气开关Q2、Q3,改变负载的阻抗为150MΩ,再合上Q2、Q3 和高压供电空气开关Q1,合上发射机控制面板高压开关,此时高压供电调压器在零的位置。将钛泵电源调压器调至220 V,调节发射机控制面板A1 上测量接口板3A1A2 上电位器RP10,使钛泵电流故障指示灯亮。此时,钛泵电压故障指示灯也亮说明各调试电路正常。

  当钛泵电源调试到最佳工作状态后,断开空气开关Q1、Q2、Q3,将连接电缆、调压器断开,撤掉负载电阻,将钛泵电源分机安装并固定到机柜上,接好钛泵电源至速调管的连接电缆。

  4.3、钛泵电压和钛泵电流保护的联机调试方法

  用示波器测量发射机接口板3A1A2 的R47 与ZP19 之间的电压应为15 V,R57 与ZP19 之间电压应为2.5V,N11:6 与ZP19 之间电压应为13 V,调节RP14, 使得N11:5 与ZP19 电压为2.1 V; 调节RP10,使得N10:9 与ZP19 电压为4 V。

5、钛泵电源常见故障和典型故障处理方法

  5.1、常见故障处理方法

  通过在实际工作中对钛泵电源故障处理总结得出一些方法,见表1。

表1 钛泵电源常见故障处理方法

钛泵电源常见故障处理方法

  5.2、典型故障个例

  故障现象:钛泵电源报警,发射机无法加高压,导致雷达停机。

  故障分析流程:依据钛泵电源信号流程,按照钛泵电源故障分析定位方法进行。

  故障定位与处理方法:为准确定位故障部位,首先测量钛泵电压保护电路关键点参数,用示波器测量发射机测量接口板3A1A2 的R47 与ZP19 之间的电压为15 V(正常),测量N11:5 与ZP19 电压为2.1 V(正常),进一步测量R57 与ZP19 之间电压小于1 V(应为2.5 V 左右),N11:6 与ZP19 之间电压7V 左右(应为13 V 左右),从钛泵电源信号信号流程可知钛泵电压保护电路正常,钛泵电源报警是由于采样电路或者钛泵电源电路本身故障导致钛泵采样电压低所致。

  首先测量钛泵电源采样电阻R2 两端电压小于1 V(应为2.5 V 左右),进一步证实故障是钛泵采样电压低所致;为进一步定位故障是电压采样网络电阻变化导致,还是钛泵电源本身输出电压低导致,用高压表测量(高压感应探头)输出到速调管的电压小于1 kV,确定钛泵电源的四倍压整流输出电压低导致钛泵采样电压低;断开监控电路采样负载,钛泵电源输出仍小于1 kV,定位故障部位为钛泵电源电路本身故障;最后检查四倍压整流器件(电容、倍压整流管)正常,用万用表测量升压变压器输入交流220V 正常,但输出小于600 V(正常800 V 左右),确定故障点为升压变压器故障,更换升压变压器后,雷达恢复正常运行状态。

6、结论

  通过对雷达发射机钛泵电源常见和典型故障定位分析,得出:雷达钛泵电源故障定位分析和维修方法和思路,主要从钛泵电源电路、钛泵电源采样电路、钛泵电源控制保护电路3 方面定位雷达故障。雷达系统各分机电源(灯丝电源、磁场电源、直流电源等)虽然电路设计不同,但其故障定位方法基本上和钛泵电源故障定位方法相同,通常都是根据电源电路信号流程,通过关键点波形、参数(电压、电流、电阻等)测量来定位故障点,雷达技术保障人员只要熟悉雷达相关电源、电源监控信号流程以及关键点参数指标值,就能够在雷达出现故障后短时间定位故障点,从而采取有效措施排除雷达故障,减小修复时间,提高雷达平均无故障运行时间(MTBF)和雷达可用性指标要求。

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