广播发射机循环冷却水硬度的自动监控

张青松

广播发射机水循环冷却系统中冷却水的质量直接影响着大功率发射器件的工作稳定性，处理不当甚至会造成停播事故。本文详细阐述了冷却水软化的原理及工艺流程，以及如何通过对循环冷却水硬度的自动监控来实现对原有发射机水循环系统中的冷却水导电值和离子交换部分的自动监控。

广播发射机循环冷却水硬度的自动监控

中短波发射机所使用的大功率电子管等器件在进行功率放大的过程中由于能量转换其本身也会产生较大的热量，因此在工作过程中我们必须对此类器件进行冷却处理。目前常用的功率放大器件的冷却方式主要有风冷和水冷两种形式。

所谓风冷就是用单一的高压低速吹风机向易产生热量的功率器件输送冷风，从而达到降低器件工作环境温度的目的。然而由于风冷交换的热量相对有限，很难调节大功率器件产生的大量热量。针对产生较大热量的器件，我们就必须使用水冷方式了。水冷是利用水遇热汽化蒸发并带走热量的物理特性对大功率器件进行散热的冷却方法。

目前使用的中短波发射机几乎都有着一套相对完善的水循环冷却系统，在发射机工作过程中，大功率发射器件产生的高热量使循环冷却水长期处于高温加热状态，造成水中PH值升高和杂质过度饱和，随着PH值的升高，冷却水能溶解矿物质成分的能力大幅降低，进而使以碳酸钙为主的矿物质成分沉淀出来形成水垢。严重时不仅会损坏发射设备甚至会造成停播事故。因此若想保证水循环冷却系统连续、稳定地运行并能达到预期的冷却效果，就必须对冷却水进行软化处理。

有效降低水循环冷却过程中产生水垢的方法主要有两种：一是用蒸馏水代替天然水作为发射机水循环系统的冷却水；二是在水冷系统工作过程中对循环冷却水进行除杂软化。用杂质较少的蒸馏水代替天然水的目的是通过提高冷却水纯净度的方法来减少水垢的形成，但是蒸馏水进入发射机的冷却系统后就会被系统原件污染和电解。例如在铜管水路系统中，氧气和二氧化碳进入循环水中后将增强铜的溶解，它所附生的沉淀物质，如氧化铜，会附着在电子管的热阳极结构上，其结果将最终形成水垢。为了抵制沉淀氧化物的形成，可以定期更换蒸馏水。然而水冷系统每次换水都会带入附加的杂质，从而增加水垢的形成。因此对现有系统中的循环水进行软化是个更加有效的做法。

下面我们简单介绍一下硬水与软水的概念，硬水是指没有经过处理的含有大量钙、镁等矿物杂质的水。水质的硬度一般用以下这些指数来显示：矿物质含量为多少“毫克/升水”或多少“谷/加仑”，1谷/加仑=17.1毫克/升水。软水是指将水中的硬度，主要指水中钙、镁离子，去除或降低到一定程序的水。水在软化过程中，仅硬度降低，总含量保持不变。冷却系统使用软水将减少或避免水垢的生成，同时避免由于产生水垢而造成的能源浪费、用水器材效率降低等问题。表一中给出了软、硬水的硬度范围。

将硬水中的硬度离子去除或降低到一定程度使其转化为软水的过程称为水的软化。水的软化处理方法有多种，这里对几种常用的处理方法进行简单介绍。

化学软化法：利用某些化学药品可以与水中的钙、镁等矿物离子形成不溶的沉淀物的特性，我们可以将硬水中的钙、镁离子析出，从而得到理想软水。

磁性软化法：其原理是让水通过一个特殊的磁场，从而改变钙、镁离子的结构，形成惰性的晶体结构，使其不再结垢。

交换软化法：交换软化装置采用离子交换原理。在这个过程中，水会流经一个树脂层，一般是由磺化的聚苯乙烯颗粒组成。这些颗粒中蘸满了钠离子。离子交换过程发生在硬水流经树脂层的同时：硬水中的矿物离子（钙、镁等）附着在树脂层上，同时交换出树脂层上的钠离子。

交换软化法具有以下突出优点：不用电源，杜绝了电气系统故障、停电故障；连续软化，在一定流量、压力下，系统可连续进行水软化工作；逆流再生，采用逆流工艺可对树脂软化功能实现再生，真正实现了环保低能耗；维护方便，结构简单，故障率极低。

正因为交换软化的上述特点，发射机冷却水循环系统多采用交换软化法对冷却水进行除杂软化。如图一所示，发射机冷却水的软化是通过在循环水路中增加离子交换器来实现的。

离子交换器由树脂罐和水力控制阀两部分组成，如图二，它不需用电，只靠循环水的压力即可自动运行。目前常用的离子交换剂是离子交换树脂，它上面有许多孔隙。离子交换树脂由两部分组成，一部分是不能移动的高分子基团，它们构成了树脂的骨架；另一部分是可移动的离子（如Na+离子），它们构成了树脂的活性基团，可移动离子能够在骨架中自由进出。冷却水在一定的压力、流量下，通过控制阀进入装有离子交换树脂的树脂罐，树脂中所含的Na+与水中的阳离子（Ca2+，Mg2等）进行交换，使离子交换器出水中的Ca2+，Mg2+离子含量达到既定的要求，从而实现对冷却水的软化。

循环冷却水硬度监控系统简介

随着交换过程的不断进行，树脂中Na+全部被置出来后就失去了离子交换功能，冷却水的结垢几率也将大大增加。此时必须使用NaCl溶液对树脂罐进行反洗，使溶液中的Na+将树脂吸附的Ca2+、Mg2+置换下来并随废液排出罐外，树脂重新吸附钠离子后就恢复了软化交换能力，该过程称作离子交换剂的再生。为了确保发射机水循环冷却系统中的冷却水的纯度，我们必须及时对离子交换剂进行再生处理。由于Na+为一价阳离子，Ca2+、Mg2+为二价阳离子，离子交换法实际上是用两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来实现对冷却水的软化的。也就是说在离子交换过程中，水中的离子总含量将不断上升，其结果必然导致冷却水电导率的升高，因此离子交换剂是否需要再生可以通过冷却水的电导率来判断。

电导率是物质传送电流的能力，是电阻率的倒数。在液体中常以电阻的倒数——电导率来衡量其导电能力的大小。水的电导率简称水导，是衡量水质的一个很重要的指标。它能反映出水中存在的电解质的程度。

在发射机实际工作过程中，操作人员很难及时掌握循环冷却系统中的水导数据。由于原有的水循环冷却系统中只配备了一组离子交换器，即使操作人员通过发射机自带的仪表观察出水导值异常，在对离子交换树脂进行再生处理的过程中水循环冷却系统将暂时丧失离子交换软化功能。离子交换功能的长时间丧失将使冷却水的硬度急剧上升，严重时甚至会造成停机事故。针对实际工作中的这一问题，我们研发了循环冷却水硬度自动监控系统。

如图三，循环冷却水硬度自动监控系统由水导传感器、单片机、主备离子交换器和用户端程序等四部分构成。为了实现对离子交换树脂进行再生时水循环冷却系统仍然可以进行离子交换，我们并联安装了两套离子交换器（如图一）。同时为了及时、准确的掌握循环冷凝水的电导率，我们在发射机水箱内安装了一只工业级水导传感器，其主要工作原理是应用惠斯通电桥测量电阻的原理来测量冷却水的电导率的。

惠斯通电桥（也称单臂电桥）电路如图四所示，四个电阻R1、R2、Rb、RX组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”，在对角AD之间接入电源，而在另一对角BC之间接入检流计，构成所谓“桥路”。所谓“桥”本身的意思就是指这条对角线BC而言。它的作用就是把“桥”的两端点联系起来，从而将这两点的电位直接进行比较。B、C两点的电位相等时称作电桥平衡，反之称作电桥不平衡。检流计是为了检查电桥是否平衡而设的，平衡时检流计无电流通过。

这个关系式是由“电桥平衡”推出的结论。反之，也可以由这个关系式推证出“电桥平衡”来。因此（4）式称为电桥平衡条件。如果在四个电阻中的三个电阻值是已知的，即可利用（4）式求出另一个电阻的阻值。这就是水导传感器的主要工作原理。

水导传感器将冷却水中的水导采样信号传递给单片机，单片机将该采样信号与用户设定的安全水导值进行分析比较。如图五所示，当采样值高于安全水导值时，单片机通过控制系统中的两个交换器进水控制阀来实现对两个离子交换器的切换，实现了在更换丧失离子交换功能的树脂罐的同时有另一只离子交换器可以对循环水进行正常的软化工作，从而实现了对循环冷却水进行真正意义上的不间断软化。

单片机与客户端计算机之间进行着双向的数据传输，用户可根据实际情况在客户端程序中设置安全水导值，客户端程序将该值传递给单片机作为判断实际水导值是否在安全范围内的依据；当采样水导值超出安全水导值时，单片机在操作控制阀进行离子交换器切换的同时将按传输协议传递报警信号给客户端计算机，客户端程序通过显示屏、音箱等外部设备向用户报警，提示用户对离子交换器进行再生操作。

系统引入再生工艺的可行性

交换剂再生的第一步是先用水自下而上的对交换树脂进行反洗。反洗的目的有两个，一是通过反洗，使运行中压紧的树脂层松动，有利于树脂颗粒与再生液充分接触。二是使树脂表面积累的悬浮物及破碎树脂随反洗水排出，从而使交换器的水流阻力不会越来越大；第二步是将再生用盐液在一定浓度、流量下，流经失效的树脂层，使盐水中的Na+离子替换出附着于树脂的Ca2+、Mg2+离子，从而恢复交换树脂原有的交换能力；第三步是以正常流速正向清洗离子交换器，以清除树脂层中残留的再生废液。系统通过上述三步实现了对离子交换树脂的再生。

根据离子交换剂再生的原理，在条件允许的情况下，完全可以将离子交换剂再生的工艺流程融入到本系统中。如图六所示，交换剂再生部分主要由多路控制阀、树脂罐、盐箱组成。多路控制阀是指在同一阀体中设计有多个通路的阀门。本系统中，单片机可根据预先设定的程序向多路控制阀发出具体指令，多路控制阀自动完成相应阀门的开关，从而实现对离子交换剂的反洗、再生、正洗等工艺过程。

综述

循环冷却水硬度自动监控系统具有自动化程度高、供水工况稳定、运行费用经济、使用简便易行等特点。通过水导传感器、单片机、主备离子交换器等硬件设备完全实现了对冷却水硬度的时时监控，替代了人工抄表操作，采样数据更加准确，真正实现了对发射机水循环冷却系统的不间断软化。