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建陽(yáng)新一代多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD/SA)速調(diào)管故障分析

1.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心 2.南平市建陽(yáng)氣象雷達(dá)站 李 棟1任 雍1楊林增2

建陽(yáng)新一代多普勒天氣雷達(dá)速調(diào)管故障是全國(guó)CINRAD/SA雷達(dá)速調(diào)管自然老化的第一例。該文簡(jiǎn)要分析了與速調(diào)管老化故障相關(guān)的信號(hào)流程，并對(duì)速調(diào)管測(cè)試處理、更換過(guò)程進(jìn)行了具體說(shuō)明，對(duì)其他臺(tái)站速調(diào)管老化故障的維修工作具有一定的參考意義。

新一代天氣雷達(dá) 速調(diào)管 故障

0 引言

建陽(yáng)新一代多普勒天氣雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱建陽(yáng)雷達(dá)）是全國(guó)氣象系統(tǒng)第二部CINRAD/SA雷達(dá)，同時(shí)也是國(guó)產(chǎn)小批量生產(chǎn)的第一部CINRAD/SA雷達(dá)。建陽(yáng)雷達(dá)1999年安裝調(diào)試，2001年3月通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收，對(duì)福建省臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降水等防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)發(fā)揮了重大作用，尤其是福建北部系統(tǒng)降水監(jiān)測(cè)起到了先頭兵的作用。建陽(yáng)雷達(dá)2008年12月1日出現(xiàn)速調(diào)管故障，其高壓運(yùn)行時(shí)間累計(jì)達(dá)到5萬(wàn)h之多，是全國(guó)CINRAD/SA型雷達(dá)速調(diào)管出現(xiàn)自然老化的第一例，現(xiàn)對(duì)整個(gè)故障現(xiàn)象、分析測(cè)試及處理過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析總結(jié)，以供大家參考。

1 故障現(xiàn)象

2008年12月1日，建陽(yáng)雷達(dá)出現(xiàn)故障報(bào)警：燈絲電源電壓/電流故障，發(fā)射機(jī)無(wú)法工作，故障復(fù)位后燈絲電流（27.4A）維持正常2～3s后，燈絲電壓、電流出現(xiàn)報(bào)警，重新啟動(dòng)也無(wú)法正常運(yùn)行。

2 故障分析處理

從發(fā)射機(jī)信號(hào)流程入手。如圖1所示，速調(diào)管V1燈絲電流和電壓是通過(guò)燈絲電源PS1經(jīng)變壓器耦合產(chǎn)生的。燈絲電源PS1輸出的燈絲電壓（35VAC，8A），經(jīng)燈絲中間變壓器T4（240VAC，1A），加至高壓脈沖變壓器T1次級(jí)雙繞組的兩個(gè)低壓端，經(jīng)脈沖變壓器次級(jí)繞組，接至燈絲電壓器T3，T3次級(jí)接至速調(diào)管燈絲，為速調(diào)管提供燈絲電壓及電流（6VAC，27A）。PS1向監(jiān)控電路輸出5路信號(hào)，其中一路信號(hào)IMETERSMP為燈絲電流輸出采樣信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)標(biāo)校電位器調(diào)整后輸入到燈絲電流表M1顯示，M1同時(shí)向故障顯示板A1輸出FILIHI-信號(hào)，用于燈絲電流故障指示。

根據(jù)上述分析，故障原因可能包括燈絲電源故障、測(cè)量接口板報(bào)警電路故障、油箱組件故障或速調(diào)管故障，須逐一分析排除。

圖1 燈絲采樣信號(hào)流程框圖

2.1 燈絲電源和報(bào)警電路檢查測(cè)試

首先檢查保險(xiǎn)絲組件N3燈絲的保險(xiǎn)管，用萬(wàn)用表測(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障。將燈絲電源拔出，檢查燈絲電源內(nèi)部保險(xiǎn)絲沒(méi)有損壞，燈絲組件交流380V供電正常，電源板也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何打火現(xiàn)象。將燈絲電源裝好，開(kāi)發(fā)射機(jī)低壓，出現(xiàn)燈絲電源電壓、電流報(bào)警。

去掉測(cè)量接口板與燈絲電流報(bào)警相關(guān)的光耦芯片，燈絲電流能維持在27.4A大約 1min，出現(xiàn)燈絲電壓報(bào)警；繼續(xù)去掉燈絲組件的過(guò)/欠壓芯片N4、N5，亦即去掉所有燈絲電流、電流報(bào)警，用示波器對(duì)燈絲電壓測(cè)試點(diǎn)油箱接口E2、E3進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得燈絲電壓波形基本正常，但峰－峰值只有50V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于峰－峰值240V；發(fā)射機(jī)控制面板燈絲電壓指示為1.4V，遠(yuǎn)低于正常的5.5V。

從油箱接口E2、E3處斷開(kāi)燈絲電源輸出，用示波器開(kāi)路測(cè)試燈絲電壓，燈絲電壓峰－峰值很快上升到600V以上，燈絲電流指示為0A。

用600W電烙鐵作為假負(fù)載，接在燈絲輸出E3、E2，燈絲電流（27.4A）正常，燈絲電壓峰－峰值達(dá)到80V左右，調(diào)節(jié)燈絲電流，燈絲電壓也隨著調(diào)節(jié)變化，燈絲控制正常；用150W電烙鐵做假負(fù)載，燈絲電流指示和示波器測(cè)得的電壓峰－峰值都正常，電流調(diào)節(jié)正常。

更換備份燈絲電源，故障現(xiàn)象和測(cè)試結(jié)果不變。

2.2 更換油箱組件

更換新的油箱組件，故障現(xiàn)象依舊，說(shuō)明油箱接口也是正常的。相關(guān)測(cè)試、檢查說(shuō)明油箱接口E2、E3以前，均工作正常，燈絲電源正常，故障原因在負(fù)載。

2.3 速調(diào)管工作原理

速調(diào)管是一種線性電子注器件：電子從陰極到收集極成直線運(yùn)動(dòng)；外加電場(chǎng)、外加磁場(chǎng)、及電子注三者平行。

CINRAD/SA發(fā)射機(jī)采用六腔速調(diào)管，在其陰極與收集極間的直線上排列著六個(gè)諧振腔，最靠近陰極的為第一腔，最靠近收集極的為第六腔，其諧振頻率分別機(jī)械可調(diào)。

呈現(xiàn)在高壓脈沖變壓器3A7T1次級(jí)的60～65kV束電壓脈沖，加在速調(diào)管收集極與陰極之間，收集極接地電位，陰極接負(fù)脈沖高壓，如圖2所示。束脈沖在收集極和陰極間建立起強(qiáng)電埸，這使得由陰極發(fā)射出來(lái)的電子由陰極向收集極作加速運(yùn)動(dòng)，獲得逐漸增強(qiáng)的動(dòng)能，形成束流。圖2中，虛線表示束流的流向，束流流向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖2 速調(diào)管與束流

2.4 更換速調(diào)管

最后更換速調(diào)管，用示波器開(kāi)路對(duì)E2、E3進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得燈絲電壓波形正常，峰－峰值達(dá)到260V，發(fā)射機(jī)控制面板燈絲電壓指示為7.0V，燈絲電流27.4A正常。將燈絲電壓調(diào)整到5.5V，調(diào)整燈絲電壓波形峰－峰值達(dá)到240V。燈絲電壓波形如圖3所示。

圖3 燈絲電壓波形圖

2.5 更換速調(diào)管步驟

更換速調(diào)管前，先將油箱后面連接傳感器的電線拆除，拆除油箱與調(diào)制器的高壓連接電纜等，拆除速調(diào)管上部風(fēng)道連接口，拆除波導(dǎo)口連接處彎波導(dǎo)，連接油箱導(dǎo)軌，將油箱推出，松開(kāi)緊固螺絲。用葫蘆將速調(diào)管緩慢吊起來(lái)，直至完全離開(kāi)聚焦線圈，然后放置在專用推車上拿開(kāi)。將新的速調(diào)管放置在推車上，用葫蘆將速調(diào)管緩慢掉起來(lái)，慢慢放入到油箱中，用螺絲加固好，然后推入油箱到最初位置，連接相關(guān)電纜，連接波導(dǎo)口彎波導(dǎo)，連接速調(diào)管上部風(fēng)道口。

2.6 速調(diào)管調(diào)試步驟方法

首先將速調(diào)管6個(gè)腔體全部歸零（旋至最左端），根據(jù)速調(diào)管出廠測(cè)試參數(shù)，按照技術(shù)參數(shù)分別將6個(gè)腔體調(diào)整好；在速調(diào)管輸入端連接小功率計(jì)，測(cè)試速調(diào)管輸入功率，調(diào)整可變衰減器，使速調(diào)管的輸入功率為2W（速調(diào)管銘牌標(biāo)準(zhǔn)注入功率）。開(kāi)發(fā)射機(jī)高壓，從發(fā)射機(jī)耦合端口連接示波器（衰減10dB），測(cè)試發(fā)射脈沖包絡(luò)，將速調(diào)管6個(gè)腔體進(jìn)行微調(diào)，使發(fā)射機(jī)包絡(luò)到最佳。調(diào)整脈沖包絡(luò)為1.57μs，用小功率計(jì)測(cè)試發(fā)射機(jī)峰值功率，調(diào)整人工線電壓使發(fā)射機(jī)峰值功率大于650kW，人工線電壓約為4300～4600V。

3 結(jié)束語(yǔ)

CINRAD/SA速調(diào)管使用壽命比較長(zhǎng)，價(jià)格也非常昂貴，一般情況下不容易損壞，在故障判斷上應(yīng)根據(jù)信號(hào)流程，先從其他部件入手。首先檢查燈絲電源和報(bào)警監(jiān)控電路，其次檢查油箱組件，逐一分析測(cè)試排除，最后定位為速調(diào)管故障。

[1] 中國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)CINRAD WSR-98D 用戶手冊(cè)（上、中、下）.北京: 敏視達(dá)雷達(dá)有限公司, 2004.

[2] Operations and Maintenance Instructions Transmitter System. NWS EHB 6-511，Revision No. 2.