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氩离子激光器电源典型故障分析

2018-01-24 8页 doc 23KB 33阅读

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氩离子激光器电源典型故障分析氩离子激光器电源典型故障分析 氩离子激光器电源典型故障分析 科技信息高校理科研究 萄离子激兴器电源典型故喧分析 福建师范大学物理与光电信息科技学院王廷银 [摘要]本文简要介绍了氩离子激光器的工作原理.分析激光器电源常见故障,并设计了一种简单,工作稳定,维修成本低的水流 量检测电路. [关键词]氩离子激光器故障水流量检测 1,引言 激光具有单色性好,方向性强,亮度高的优点口1.在生物组织中具有 光效应,热效应,压力效应和电磁效应.所以激光器能被广泛应用与医 学领域中,为医学研究,疾病诊断,治疗作出了巨大的贡献.气...
氩离子激光器电源典型故障分析
氩离子激光器电源典型故障分析 氩离子激光器电源典型故障分析 科技信息高校理科研究 萄离子激兴器电源典型故喧分析 福建师范大学物理与光电信息科技学院王廷银 [摘要]本文简要介绍了氩离子激光器的工作原理.分析激光器电源常见故障,并了一种简单,工作稳定,维修成本低的水流 量检测电路. [关键词]氩离子激光器故障水流量检测 1,引言 激光具有单色性好,方向性强,亮度高的优点口1.在生物组织中具有 光效应,热效应,压力效应和电磁效应.所以激光器能被广泛应用与医 学领域中,为医学研究,疾病诊断,治疗作出了巨大的贡献.气体激光器 是医学中用得做广泛的激光器.如二氧化碳激光器(co:激光器),氩离 子激光器,氮分子激光器等. 氩离子(Ar+)激光器是其中一种惰性气体的离子激光器,就目前而 言,是可见光输出功率最高的一种连续工作的激光器.它的功率从几瓦 到一百多瓦,主要集中在波长514.5nm(绿光)和488nm(~光)的多条振荡 谱线口. 氩离子(Ar+)激光器供电电源在整个系统中起到非常重要作用,但 经常会出现问题,特别是水流量检测电路损坏引起的电源故障,导致氩 离子(A什)激光器不能正常运行,本文对该故障进行分析并提出一种解 决方法. 2,氩离子激光器的工作原理 该系统由单片机系统板,控制及显示板,光电耦合器,驱动电路等 组成,各板通过电缆插在系统板上并通过系统板来传递信号,如图1. r——————]r_———————] l驱动板l_-I光电隔离I 图1系统不意图 氩离子激光器由电源,放电管,磁场和谐振腔等组成.在电源弧光 放电激励下,激光管中的电子和氩原子发生非弹性碰撞,使氩原子电离 成氩离子,此时氩离子再次与电子发生非弹性碰撞获得激发,成为激发 态离子,实现了"粒子数反转",处于激发态的氩离子向低能级跃迁时辐 射出激光.通过谐振腔内部反馈作用,使光束在腔内形成稳定的振荡放 大,形成一定的能量频谱分布.其中最关键是放电毛细管.由于氩离子 激光器的工作电流密度高达数百安培/平方厘米,放电毛细管温度在 1000?以上.因此需要采用耐高温,导热性能良好的材料以及配备良好 的水循环冷却系统,如图2所示. 图2水循环冷却系统 3,激光器电源常见故障 国内院校大多采用的是美国光谱物理公司生产的氩离子激光器, 常用的型号有stabilite2017,主控机是model2550,是比较贵重的仪器, 具有输出功率大,工作稳定等特点.经过本人对激光器长期跟踪维护 检修,氩离子激光器是光,电一体化结构,只要其中的某一环节出了问 题都会影响到其它方面,故障现象错综复杂.现从两方面对氩离子激光 器进行研讨. 3.1没有激光输出 这是激光器在使用中最容易出现的问题,应由简到烦的思路去检 修.首先应该检查高压供电电路,该机的直流高压达二十几千伏.在断 电的情况下检查高压电路是否有断路;对负责调整输出电压的可控硅 及其触发电路进行测量,检查;在通电情况下用内阻大,量程高的电压 测量高压电路输出的电压值.如果没有高压或电压偏低,需进一步检 查高压板电路.其次检查激光器是否能正常放电,如激光器放电正常, 但无激光输出,可能是激光管腔片或输出窗有问题;激光管不正常放 电,可能是激光管中阳极或阴极损坏,或管中的工作气体有杂质原因; 也可能是阳极老化,或阳极引线封结处玻璃有问题. 3.2保护电路启动故障 激光器一般有四种保护电路,一旦出现问题,保护电路开启,激光 器停止一切工作.这四种保护电路有效地保护了激光器和工作人员的 安全,当检修有保护电路启动的激光器时,一定要先检查清楚保护电路 启动的原因,万万不可随意地把保护电路屏蔽掉强制让激光器工作. 过流保护电路,是防止激光管因电路原因引起辉光放电电流过大 而使电极损坏或激光管破裂. 水流量保护电路,氩离子激光器工作时会产生大量的热量,必然要 通过水循环制冷系统对激光管降温,当水流不够时,切断电源,停止工 作.这个保护电路非常重要,要经常检查它的工作状态. 安全保护电路,是保证操作者的安全,由机壳上门开关组成,因为 机内有两万多伏的高压电源. 电源锁开关的保护,这是为了防止非操作和维修人员对机器通电. 4,典型故障分析 这台氩离子激光器故障现象是,接通电源表现正常,主控机面板上 无任何警告灯指示,说明保护电路未检测到异常.旋动钥匙开关开机, 只听到"劈啪"一声,主电源继电器吸合后又马上断开,无法启动,并随 后出现水流警告灯亮.鉴于水流检测电路及水流传感器前段时间更换 过,敌将故障重点放在主控板上,经过一番仔细检测,并未发现电源,逻 辑控制电路出现异常,维修一时陷入困境. 最后决定回到水流检测电路进行剖析,该激光器水流传感器利用 的是涡轮方式,涡轮直接与水接触.水流动带动灵活转动的涡轮旋转, 涡轮上有四个均匀分布的叶片,每个叶片上均固化一个永久的强力磁 片.旋转的磁片将使霍尔开关产生一个与流量成正比的频率信号.控制 电路采用的是频率/电压芯片LM2907N一8,电路如图3所示: 图3水流量检测电路 该芯片包含了比较器,充电泵,高增益运算放大器,能将频率信号 转换为直流电压信号.该芯片l脚为输入端;2脚接充电泵的定时电容 c.;3脚接充电泵的输出电阻R,和积分电容c;4,8脚接地;5脚接负 载;6脚接电源;7脚接参考电压.其工作原理是,当输入端上有合适的 过零电压或差分输入电压时,定时电容在电压差vrr/2的两电压值之间 被线性地充电或放电,在输入频率信号的半周期中,定时电容上的电荷 量cVJ2,泵入电容中平均电流或流出电容中的平均电流为: ?Qfl'=Ic--'f~.ClV? 输出电路把这一电流准确地送到输出电阻R.(下转第9l页) 一 89— 科技信息高校理科研究 4.变频调速能耗水平分析 变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电压 和频率,除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外,电力电子器 件的损耗基本上与输出功率成正比,根据变频器说明书说明,变频器设 计损耗为每输出735kW功率变频器损耗3kW,但实际变频器在运行中 损耗只有输入功率的1.5%左右,因此实际运行变频器的损耗可按输入 功率的2%计算,效率按98%计算. 高压变频器在运行中电力电子器件的损耗能量又以热能的形式散 发出来,而作为大型的电气设备,内部有大量控制板卡,回路,对空气质 量以及温度要求比较高,在实际中一般建造变频器室并安装空调 设备,按一般空调每转移2.5kW的热量需要lkW的功率,则高压变频 器的综合效率q为: 11e=1—0.02—0.02/2.5=0.97(4-1) 高压变频器综合效率为97%,其损耗的功率与空调设备的功率损 耗为输入功率的3%. 5.汽动泵调速能耗水平分析 汽动泵实际上是一台汽轮机,利用调速系统来控制汽动泵的转速, 从而实现水泵的调速,只是功率比较小,采用主汽轮机的抽汽作为汽 源,排汽排入主汽轮机凝汽器,未安装回热系统,其热力系统示意图如 ,在汽动泵运行过程中的能耗分析可按 图2,热力过程焓降如图3所示 一 般汽轮机进行分析 主 图2汽动泵系统示意图图3汽动泵热力过程曲线 汽动泵利用主汽轮机的抽汽作为汽源,从主汽轮机抽出过程,高速 流动蒸汽改变流动方向,转过9O.的方向进入汽动泵的主蒸汽管,不可 避免造成损失,焓值下降,相应压力,温度也下降,这部分损失为抽汽损 失;抽出的蒸汽经过主蒸汽管进入汽动泵主汽门前,存在流动阻力损 失,称为管道损失;进入主汽门,调速汽门,管道,蒸汽室,产生一定压 降,形成进汽机构的节流损失;排汽从最后一级动叶排出后,经过排汽 管送入主汽轮机凝汽器中,需要克服蒸汽流动阻力与涡流,形成排汽管 损失;蒸汽在汽轮机中能量转换过程中,还存在各种级损失,如叶栅损 失,级内损失,并且机组规模越小,这种损失越大;另外还有前后端轴封 漏汽损失与克服轴承摩擦及带动调速器,主油泵所带来的机械损失,这 可以通过汽轮机及其装置的效率体现出来. 设从主汽轮机抽出前的蒸汽焓为h,总蒸汽量为D.,汽动泵主汽门 前的蒸汽焓为Ilo,级前蒸汽焓为ll0',主汽轮机排汽焓为h,汽动泵排汽 焓为h,汽动泵相对内效率,机械效率为,由于轴封漏汽重新返回 热力系统且量比较小,该部分损失可忽略不计,抽汽损失与管道损失和 ?H为h-h.,进汽机构的节流损失?H'为h.一Il0',排汽管损失? 为h一h,则汽动泵输出轴功率N为: N=Do(hh)1"qff3600(5一Ij 汽动泵整机效率为: 11:(ho-hI)?(h—hP)(5-2) 由于汽动泵所消耗的能源是蒸汽,无电源供给系统与电动机,其效 率与电动机所消耗的电能可比性比较差,为了使蒸汽与电能有可比性, 将汽动泵所消耗的蒸汽折算通过主汽轮机发电供至高压母线所产生的 电能后,再计算汽动泵整机折算效率,设主汽轮机低压缸内效率为 ,机械效率为,发电机效率为,厂用电变压器效率为,则通过 主机系统产生的电能再供供水泵的折算功率N为: N=Do(h-hP)棚棚hz/3600(5-3) 汽动泵整机折算效率11qz为: z=Do(}l)/((h—hp)棚缸墟)(5-4) 由于汽动泵需要汽源与冷凝器,并不是每个企业都有,因此,进行 供水系统汽动泵调速控制改造时,首先要确定本企业是否具备汽源与 冷凝器的条件. 6.调速控制方式的选择 在确定节流控制的供水系统节流控制具有节能潜力可利用后,再 确定不同调速方式下的供水系统总耗能量:根据泵相似原理确定在需 要的流量Q下最低需要供水压力H,根据泵相似原理计算水泵的转速 比i,根据泵的特性曲线查出该转速,全压下的泵效率以及电动机效 率及机械效率,计算出水泵装置效率根据上面分析不同调速设备的 效率或折算效率计算出不同调速控制方式下的供水系统能耗: 调速液力偶合器调速控制方式下的供水系统总能耗E为: E10.278H?(Q./11.)/I0.284H.?(Q./i-q)kW(6—1) 变频器调速控制方式下的供水系统总能耗E为: E,--0.278H?(Q.,.)/-qO.287H.?(Q./11.)kW(6—2) 变频器调速控制方式下的供水系统总能耗E为: E=O.278H?(Q.,,)/O.278H?(Q,/.)×((h—hP)11-q qI_z)/((hhP')q)kW(6-3) 在计算出三种不同调速控制方式下的供水系统能耗,取最小能耗 的调速方式即为最节能的调速控制方式.当然,选取哪种方式作为调速 控制改造,则要进行投资成本与回收期分析才能确定. 7.结束语 供水系统采用调速控制方式是否到达节能的效果,关键要看两个 因素:一是节流控制时,水泵定速运行,供水压力高出最低需要的压力 有多少,即节能空间有多大,另外是采用调速运行情况下对水泵效率影 响有多大以及调速装置本身的能耗水平有多高,希望本文能提供供水 系统调速改造理论依据. 参考文献 [1]叶衡.泵与风机.水利电力出版社,1992 [2]剪天聪.汽轮机原理.水利电力出版社,1986 [3]调速型液力偶合器使用说明书.大连液力机械有限公司,1997.12 [4]张燕宾.变频调速应用实践.机械工业出版社,2001 (上接第89页)中,这样滤波后电流被滤波电容积分后的得到输出将流量设为5L/rain,再把信号线接到LM2907N一8芯片的3脚. 电压: Vo=V?如nCiRlK 其中V.的电压与7脚电压作比较,使5脚输出为高电平或低电 平. 用万用表测得5脚的输出状态,在其开机瞬间会发生跳变,状态不 稳定.查电路未发现异常,再用示波器仔细检测涡流传感器输出信号, 发现在每一个周期中有一波形幅值比较大,其他三个波形呈现不 的衰减,且处于不稳定状态. 5,解决 首先想利用改动电路参数增大LM2907N一8的输出电压,适当这增 大C.R.,然后试机,可以使用,但用了一段时间后又出现同样的问题.再 用示波器观察,发现涡轮传感器输出的信号进一步减弱了.由于涡轮上 有四个均匀分布叶片,每个叶片固化着强力磁片.因为水质,外界磁场 原因导致磁片发生不同程度退磁.这种型号的涡轮传感器价格昂贵,国 内没有供应,寿命短原因,决定对电路进行改进.经过诸多因素的考虑, 最好决定采用SMC的流量开关来替换原来的涡轮传感器.型号选用 IFW510一N04—10,如图4. 流量检测和控制, 它采用的是铜质量外壳,可承受较高压力系统的 它运用的是膜片式,工作原理简单,直观,可靠,工作稳定,元件无磨损, 工作寿命长等特点.把SMC的流量开关接到激光管的出水管当中,并 图4SMC流量开关 经过几个月的运行试用,电路稳定,再无出现类似的故障现象.该 水流量检测电路结构简单,工作稳定,维修成本.经测试,其技术参数符 合要求. 参考文献 [1]邹英华,孙陶享.激光物理学[M].北京:北京大学出版社,1991. 12jTajimaT,DawsonJM.Laserelectronaccelerator[J]PhysRevLetts, 1979,43:267-270. [3]张兴堂,孙乘风.美国光谱物理公司265型氩离子激光器电源改 造[I]现代仪器,2004,1:50 [4]NationalSemiconductor.LM2907N一8数据手q~[EB].2003,卜4. 一 91,
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