CN104062572A - 一种磁控管在线故障检测系统及故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁控管在线故障检测系统及故障检测方法，包括磁控管工作电路、与磁控管工作电路相连的采集装置、以及与采集装置相连的显示装置；采集装置包括集成于一块电路板上且独立工作的用来采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块以及用来进行模数转换和数据处理的单片机；显示装置用来接收采集到的物理量，通过判断物理量的阈值范围来分析磁控管的故障原因并显示故障信息。本发明能同时检测多个物理量，对磁控管使用时出现的故障能做出精确检测，提高了故障检测的可靠性和完备性，并能够直观形象的显示故障信息，改善了工作人员的工作环境。

Description

一种磁控管在线故障检测系统及故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种磁控管工作状态检测系统，更具体的说，尤其是一种磁控管在线故障检测系统及故障检测方法。

背景技术

磁控管已在许多领域得到了广泛应用，由小功率并联组成大功率磁控管的隧道式加热使用方法非常普遍，磁控管在这种高温高压环境下持续长时间运行时，很容易由于环境因素或者设备老化而出现故障，如果不能及时准确地诊断故障原因从而采取冒然措施必会对生产安全和生产效率造成很大影响。

在磁控管工作过程中，有一些对监测磁控管工作状态很有价值的物理量往往因为不方便测量或者需要专业设备和人员而不被使用者所青睐，这些物理量有市电电流，阳极负高压、灯丝电流等，这些电流大小都在安培数量级，电压在KV数量级，对这些物理量进行测量不仅对采集装置的技术难度要求较高，而且实验过程中有很大危险性。目前，对磁控管进行在线故障检测还没有很好的解决方案，仅有的一种检测方法是通过观察阳极电流变化进而得到输出功率的变化来判断设备运行状态。中国专利文献中，公开号CN1243219、名称是一种微波炉异常状态检测设备及检测微波炉异常状态的方法(参见该申请说明书具体实施方式部分)，公开了一种在微波炉运行时监测异常状态发生的设备，它通过测量变压器和磁控管两端的电压即阳极负高压的平均值与参考电压做比较来判断磁控管是否正常运行，该设备能够在磁控管出现故障时断开继电器，从而停止磁控管运行。其存在的不足是该技术方案仅通过检测阳极电压并不能精确判断设备运行故障，例如在磁控管发生磁钢断裂和阴极无发射能力故障时，阳极电压的数值与正常状态时基本相等，此时磁控管处于空运行状态，但该装置不能检测出这种故障。该检测系统不仅不能应对复杂故障问题，而且显示方式不够直接、人性化。因此，设计一种能够在工业领域并且可适应大规模磁控管使用的故障检测系统非常必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁控管在线故障检测系统，以解决现有技术中检测物理量单一，不能应对工业领域复杂故障的问题。

本发明的技术方案为：

一种磁控管在线故障检测系统，包括磁控管工作电路、与磁控管工作电路相连的采集装置、以及与采集装置相连的显示装置；

所述的采集装置包括集成于一块电路板上且独立工作的用来采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块以及用来进行模数转换和数据处理的单片机；

所述的显示装置用来接收采集到的物理量，通过判断物理量的阈值范围来分析磁控管的故障原因并显示故障信息。

和现有技术相比，本发明涉及一种磁控管在线故障检测系统，主要解决在工业生产领域中磁控管运行出现故障时，工作人员难以进行在线排查并采取有效措施的现象。该系统能同时检测多个物理量，并实时传输到显示装置中，显示装置会对物理量进行分析判断最终输出故障原因。该系统不要求工作人员在现场监守，显示装置可以通过485总线或网线安装到现场外。如果磁控管运行发生异常，故障信息会在显示装置上显示出来，同时通过报警方式通知现场工作人员采取应对措施，从而避免了因为误操作导致的生产效率降低和成本浪费。

所述的磁控管工作电路包括磁控管、给磁控管供电的稳压变压器和灯丝变压器以及连接在稳压变压器次级线圈与磁控管阳极之间的电容，电容的一端与稳压变压器的次级线圈相连，另一端与高压二极管的阳极及磁控管的阳极相连，高压二极管的阴极接地，稳压变压器和灯丝变压器的初级线圈接入市电电路。给磁控管供电的有两个变压器，分别是稳压变压器和灯丝变压器，其中，稳压变压器是升压变压器，通常采用半波倍压整流结构将电压升至千伏级，用来给磁控管阳极供电，灯丝变压器是低压变压器，用来给灯丝加热发射电子，电路中的电容主要起滤波和整流的作用；磁控管工作状态与许多物理量有关，其中，阳极电流、灯丝电流、市电电流、阳极负高压等这些物理量都与设备运行状态有密切关系，可进行直接或间接检测。

所述的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块的输入端分别与磁控管工作电路中的阳极电流、灯丝电流、市电电流、以及阳极负高压采集点相连。其中，阳极电流通常都比较低，可直接测量；而市电电流、灯丝电流、阳极负高压等幅值通常比较大，不在直接测量范围内，必须通过相应转换和特殊处理后，才可进行采集。

所述的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块的输出端均与单片机的输入端相连。采集模块涉及到市电电流、阳极电流、灯丝电流和阳极负高压等四个物理量的采集，采集装置中的单片机只识别数字信号，而这些物理量均为模拟信号，采集模块将采集到的并经模数转换处理后的信号输送给单片机。其中，市电电流和灯丝电流这两个物理量数值较大，需要经过降流、滤波和采样等一系列处理将其转换成0～3.3V的电压信号。阳极负高压在磁控管(功率以1KW为准)正常工作时会保持在-4KV左右，采集负高压时要通过高精度电阻分压将其变换到合适的量程然后再通过反向器将信号转换成单片机可直接采集的电压信号。阳极电流数值在几百毫安左右，只要通过采样电阻将其转换为合适数值的电压信号即可。

所述的单片机的输出端通过485总线或网线与显示装置相连。单片机和显示装置通过485总线或网线连接，最终数据在客户端显示和存储，这样大大提高了装置安装的灵活性，从而将工作人员从现场解放开来，同时也避免了工作人员受到微波泄漏造成的意外伤害；当显示装置发出报警信息时，现场工作人员可根据装置提供的故障信息去现场进行故障在线排除，如确定故障严重再进行断电处理。

本发明还提供一种磁控管在线故障检测的方法，包括：

1)采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流四个物理量的值；

2)分析磁控管发生故障的原因及其故障表现；

阳极电流I_b是磁控管工作时最能体现其工作状态和特性的物理量，很多检测方法也都通过采集阳极电流I_b来检测设备的运行状态。但是仅仅通过阳极电流I_b并不能实现故障原因的精确定位，所以本发明以阳极电流I_b为主要参数，其它参数为辅助参数，通过综合分析最终达到精确检测的目的。磁控管可能出现的故障主要有以下几种：

灯丝断裂：灯丝是磁控管设备的心脏，它负责向阳极输送电子，是设备发射微波能量的源泉，如果灯丝断裂将不再发射电子，阳极电流I_b直接为零；灯丝不能形成回路，灯丝电流I_a也不会存在；在这种情况下市电电流I_c会发生较大变化，阳极负高压U_de保持在一定有效值范围内。

灯丝老化：这是磁控管正常使用过程中必会经过的现象；灯丝老化后灯丝发射电子的能力减弱，最直观的影响是阳极电流I_b的减小。灯丝老化后由于材质发生变化，灯丝电流I_a也会发生相应的减小。而此时市电电流I_c基本保持不变，阳极负高压U_de正常。

灯丝发射能力降低：当灯丝暴露在空气中时会导致灯丝表面的氧化，从而导致阴极发射能力的降低，如果出现这种情况，轻微情况下会导致磁控管启动电压高而难以启动，严重情况下导致磁控管工作不稳定或者不工作。在灯丝出现发射能力减弱时，阳极电流I_b和市电电流I_c会逐渐减小，当发射能力为零时，这两个物理量也会减小到一个很低的数值，而灯丝电流I_a和阳极负高压U_de则不会发生变化，与正常状态时相等。

磁钢断裂：磁钢的主要作用是在阴极电子运动区域产生恒定的磁场。它的作用是控制电子流的方向发生变化。如果磁钢断裂直接影响是导致磁场的不稳定，这将导致电子运行方向的不规则，从而形成畸形电子云，不易形成高频振荡。在物理量上的变化反映是，灯丝电流I_a和阳极负高压U_de数值正常，而市电电流I_c和阳极电流I_b都将小于额定值，这个值随断裂厉害程度而有所不同。

真空管真空度降低：磁控管内的真空管是二极管的一种，只有在很高真空的情况下，阴极发射的电子才能顺利到达阳极，真空度的好坏直接决定磁控管的稳定性。当真空度降低时，电子的发射能力逐渐丧失，并且正离子的存在还会引起栅极电流以及阳极电流I_b的增大，而与此同时灯丝电流I_a不受影响，市电电流I_c和阳极负高压U_de均大大小于额定值。

3)通过判断四个物理量的阈值范围来判定磁控管的故障表现并显示故障信息。

通过判断四个物理量的阈值范围来判定磁控管的故障表现方法具体包括：

如果检测到阳极电流大于第一基准阳极电流，继续读取阳极负高压的绝对值，如果阳极负高压绝对值在1/2第一基准阳极负高压范围内，则判定磁控管漏气；如果阳极负高压绝对值不在1/2第一基准阳极负高压范围内，则判定是电源出现供电故障；其中，第一基准阳极电流的设定依据是：磁控管正常工作时的阳极电流值；第一基准阳极负高压的设定依据是：磁控管正常工作时的阳极负高压值。

如果检测到阳极电流值小于第二基准阳极电流，同样继续读取阳极负高压绝对值，如果阳极负高压绝对值大于第二基准阳极负高压，则需进一步读取灯丝电流值，如果读取到的灯丝电流值等于0，则判定是灯丝断裂；如果读取到的灯丝电流值不为0，则判定是出现灯丝无发射能力故障；其中，第二基准阳极电流的设定依据是：第一基准阳极电流值-ΔI，ΔI取值为40～250mA；第二基准阳极负高压的设定依据是：1/2第一基准阳极负高压值的最小值。

如果检测到阳极电流值在第二基准阳极电流范围内，则继续读取阳极负高压绝对值，如果阳极负高压绝对值不在第一基准阳极负高压范围内，则判定是电源故障；否则继续读取灯丝电流值，如果灯丝电流不在基准灯丝电流范围内，则判定灯丝老化；如果灯丝电流在基准灯丝电流范围内，则需进一步读取市电电流值的大小，如果市电电流在基准市电电流范围内，则判定灯丝断裂；如市电电流不在基准市电电流范围内，则判定磁钢老化；其中，基准灯丝电流的设定依据是：磁控管正常工作时的灯丝电流值；基准市电电流的设定依据是：磁控管正常工作时的市电电流值。

故障信息显示方法具体包括：

显示装置将不同故障信息设定为不同信号输出到显示屏上，并保存微控制器实时处理的物理量数据，显示屏通过图像和文字形式将信息直观地显示出来，方便工作人员随时监控设备运行情况，保存的数据用于线下故障具体分析。

本发明的有益效果为：

本发明涉及一种磁控管在线故障检测系统，该系统能够很好地改善磁控管在使用过程中缺乏实时监测的现状，可规范使用标准，与单一物理量检测手段相比，该系统具有以下优点：

1)该系统能同时检测多个物理量，对磁控管使用时出现的故障能做出精确检测，提高了故障检测的可靠性和完备性。

2)该系统采用过程阈值分析机制，保证了采集的实时性和正确性。

3)该系统采用485总线和网线连接方便组网，适用于磁控管大规模使用的工业领域。

4)该系统能够实时检测磁控管故障并进行报警通知，并能够更直观形象的显示故障信息，改善了工作人员的工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例而已，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明磁控管工作原理图；

图3为本发明采集装置原理图；

图4为本发明故障检测方法流程框图。

具体实施方案

下面给出本发明的优选实例，对本发明做进一步说明，并不是对本发明的限定。

如附图1-4所示，本发明涉及一种磁控管在线故障检测系统，包括磁控管工作电路、与磁控管工作电路相连的采集装置、以及与采集装置相连的显示装置；所述的采集装置包括集成于一块电路板上且独立工作的用来采集灯丝电流I_a、市电电流I_c、阳极负高压U_de、阳极电流I_b的灯丝电流I_a采集模块、市电电流I_c采集模块、阳极负高压U_de采集模块、阳极电流I_b采集模块以及用来进行模数转换和数据处理的单片机；所述的显示装置用来接收采集到的物理量，通过判断物理量的阈值范围来分析磁控管的故障原因并显示故障信息。磁控管工作电路是采集装置的直接采集对象，采集装置是一个微型电路板，它将市电电流I_c采集模块、阳极电流I_b采集模块、灯丝电流I_a采集模块和阳极负高压U_de采集模块集中在一起，同时电路板上还有单片机，采集装置与显示装置通过485总线或网线进行连接。显示装置通常是一台计算机，它用来运行过程阈值分析并显示故障信息。本发明通过检测磁控管运行时设备或环境产生的市电电流I_c、阳极电流I_b、灯丝电流I_a和阳极负高压U_de这四个物理量来精确判断磁控管出现故障的原因，主要解决在工业生产领域中磁控管运行出现故障时，工作人员难以进行在线排查并采取有效措施的现象。该系统能同时检测多个物理量，并实时传输到显示装置中，显示装置会对物理量进行分析判断最终输出故障原因。显示装置可以通过485总线或网线安装到现场外，不要求工作人员在现场监守。如果磁控管运行发生异常，故障信息会在显示装置上显示出来，同时通过报警方式通知现场工作人员采取应对措施，从而避免了因为误操作导致的生产效率降低和成本浪费。

所述的磁控管工作电路包括磁控管、给磁控管供电的稳压变压器和灯丝变压器以及连接在稳压变压器次级线圈与磁控管阳极之间的电容，电容的一端与稳压变压器的次级线圈相连，另一端与高压二极管的阳极及磁控管的阳极相连，高压二极管的阴极接地，稳压变压器和灯丝变压器的初级线圈接入市电电路。给磁控管供电的有两个变压器，分别是稳压变压器和灯丝变压器，其中，稳压变压器是升压变压器，通常采用半波倍压整流结构将电压升至千伏级，用来给磁控管阳极供电，灯丝变压器是低压变压器，用来给灯丝加热发射电子，电路中的电容主要起滤波和整流的作用；磁控管工作状态与许多物理量有关，其中，阳极电流I_b、灯丝电流I_a、市电电流I_c、和阳极负高压U_de等这些物理量都与设备运行状态有密切关系，可进行直接或间接检测。

所述的灯丝电流I_a采集模块、市电电流I_c采集模块、阳极负高压U_de采集模块、阳极电流I_b采集模块的输入端分别与磁控管工作电路中的阳极电流I_b、灯丝电流I_a、市电电流I_c、以及阳极负高压U_de采集点相连。其中，阳极电流I_b通常都比较低，可直接测量；而市电电流I_c、灯丝电流I_a、阳极负高压U_de等幅值通常比较大，不在直接测量范围内，必须通过相应转换和特殊处理后，才可进行采集。

所述的灯丝电流I_a采集模块、市电电流I_c采集模块、阳极负高压U_de采集模块、阳极电流I_b采集模块的输出端均与单片机的输入端相连。采集模块涉及到市电电流I_c、阳极电流I_b、灯丝电流I_a和阳极负高压U_de等四个物理量的采集，采集装置中的单片机只识别数字信号，而这些物理量均为模拟信号，采集模块将采集到的并经模数转换处理后的信号输送给单片机。其中，市电电流I_c和灯丝电流I_a这两个物理量数值较大，需要经过降流、滤波和采样等一系列处理将其转换成0～3.3V的电压信号。阳极负高压U_de在磁控管(功率以1KW为准)正常工作时会保持在-4KV左右，采集负高压时要通过高精度电阻分压将其变换到合适的量程然后再通过反向器将信号转换成单片机可直接采集的电压信号。阳极电流I_b数值在几百毫安左右，只要通过采样电阻将其转换为合适数值的电压信号即可。

所述的单片机的输出端通过485总线或网线与显示装置相连。单片机和显示装置通过485总线或网线连接，最终数据在客户端显示和存储，这样大大提高了装置安装的灵活性，从而将工作人员从现场解放开来，同时也避免了工作人员受到微波泄漏造成的意外伤害；当显示装置发出报警信息时，现场工作人员可根据装置提供的故障信息去现场进行故障在线排除，如确定故障严重再进行断电处理。

本发明还提供一种磁控管在线故障检测的方法，包括：

1)采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流四个物理量的值；将功率为1KW的磁控管作为采集对象，采集装置将采集到的物理量通过485总线或网线方式传输到显示装置中，在内存中进行存储；

2)分析磁控管发生故障的原因及其故障表现；

3)通过判断四个物理量的阈值范围来判定磁控管的故障表现并显示故障信息；显示装置的微控制器每秒仅读取阳极电流值I_b的大小，将读取到的阳极电流值I_b进行阈值比较，如果为异常状态，则再读取并判断一次，如果阳极电流I_b仍是异常状态，则进行过程阈值分析，根据阳极电流值I_b的变化状态确定下一个需要读取和判断的物理量；

当检测到阳极电流大于340mA时，继续读取阳极负高压的绝对值|V_b|，如果阳极负高压绝对值|V_b|在2.0～2.2KV范围内，则判定磁控管漏气；如果阳极负高压绝对值|V_b|不在2.0～2.2KV范围内，则判定是电源出现供电故障；

当检测到阳极电流值I_b小于50mA时，同样继续读取阳极负高压绝对值|V_b|，如果阳极负高压绝对值|V_b|大于2.0KV，则需进一步读取灯丝电流值I_a，如果读取到的灯丝电流值I_a等于0，则判定是灯丝断裂；如果读取到的灯丝电流值I_a不为0，则判定是出现灯丝无发射能力故障；

当检测到阳极电流值I_b满足50mA≤I_b<300mA时，则继续读取阳极负高压绝对值|V_b|，如果阳极负高压绝对值|V_b|不在4.0～4.4KV范围内，则判定是电源故障；否则继续读取灯丝电流值I_a，如果灯丝电流I_a不在8.5～9.5A范围内，则判定灯丝老化；如果灯丝电流I_a在8.5～9.5A范围内，则需进一步读取市电电流值I_c的大小，如果市电电流I_c在6.5～7.5A范围内，则判定灯丝断裂；如市电电流I_c不在6.5～7.5A范围内，则判定磁钢老化。

显示装置将不同故障信息设定为不同信号输出到显示屏上，并保存微控制器实时处理的物理量数据，显示屏通过图像和文字形式将信息直观地显示出来，方便工作人员随时监控设备运行情况，保存的数据用于线下故障具体分析。

Claims (8)

1.一种磁控管在线故障检测系统，其特征在于：包括磁控管工作电路、与磁控管工作电路相连的采集装置、以及与采集装置相连的显示装置；

所述的采集装置包括集成于一块电路板上且独立工作的用来采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块以及用来进行模数转换和数据处理的单片机；

所述的显示装置用来接收采集到的物理量，通过判断物理量的阈值范围来分析磁控管的故障原因并显示故障信息。

2.如权利要求1所述的磁控管在线故障检测系统，其特征在于：所述的磁控管工作电路包括磁控管、给磁控管供电的稳压变压器和灯丝变压器以及连接在稳压变压器次级线圈与磁控管阳极之间的电容，电容的一端与稳压变压器的次级线圈相连，另一端与高压二极管的阳极及磁控管的阳极相连，高压二极管的阴极接地，稳压变压器和灯丝变压器的初级线圈接入市电电路。

3.如权利要求1所述的磁控管在线故障检测系统，其特征在于：所述的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块的输入端分别与磁控管工作电路中的阳极电流、灯丝电流、市电电流、以及阳极负高压采集点相连。

4.如权利要求3所述的磁控管在线故障检测系统，其特征在于：所述的灯丝电流采集模块、市电电流采集模块、阳极负高压采集模块、阳极电流采集模块的输出端均与单片机的输入端相连。

5.如权利要求4所述的磁控管在线故障检测系统，其特征在于：所述的单片机的输出端通过485总线或网线与显示装置相连。

6.使用如权利要求1-5所述的磁控管在线故障检测系统进行故障检测的方法，其特征在于：包括

1)采集灯丝电流、市电电流、阳极负高压、阳极电流四个物理量的值；

2)分析磁控管发生故障的原因及其故障表现；

3)通过判断四个物理量的阈值范围来判定磁控管的故障表现并显示故障信息。

7.如权利要求6所述的故障检测方法，其特征在于：

通过判断四个物理量的阈值范围来判定磁控管的故障表现方法具体包括：

如果检测到阳极电流大于第一基准阳极电流，继续读取阳极负高压的绝对值，如果阳极负高压绝对值在1/2第一基准阳极负高压范围内，则判定磁控管漏气；如果阳极负高压绝对值不在1/2第一基准阳极负高压范围内，则判定是电源出现供电故障；

如果检测到阳极电流值小于第二基准阳极电流，同样继续读取阳极负高压绝对值，如果 阳极负高压绝对值大于第二基准阳极负高压，则需进一步读取灯丝电流值，如果读取到的灯丝电流值等于0，则判定是灯丝断裂；如果读取到的灯丝电流值不为0，则判定是出现灯丝无发射能力故障；

如果检测到阳极电流值在第二基准阳极电流范围内，则继续读取阳极负高压绝对值，如果阳极负高压绝对值不在第一基准阳极负高压范围内，则判定是电源故障；否则继续读取灯丝电流值，如果灯丝电流不在基准灯丝电流范围内，则判定灯丝老化；如果灯丝电流在基准灯丝电流范围内，则需进一步读取市电电流值的大小，如果市电电流在基准市电电流范围内，则判定灯丝断裂；如市电电流不在基准市电电流范围内，则判定磁钢老化。

8.如权利要求6所述的故障检测方法，其特征在于：所述的故障信息显示方法具体包括：

显示装置将不同故障信息设定为不同信号输出到显示屏上，并保存微控制器实时处理的物理量数据，显示屏通过图像和文字形式将信息直观地显示出来，方便工作人员随时监控设备运行情况，保存的数据用于线下故障具体分析。