基于HDP-07的水密艙滲漏監(jiān)測報警網(wǎng)絡(luò)

楊海波，雷開卓，范春榮，方益喜，屈健康，吳春東

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西北機器有限公司 陜西 西安 710119）

在深海開發(fā)、深海資源勘探以及領(lǐng)海保護等方面都要用到水下裝備。由于水下裝備工作環(huán)境的特殊性，使得這些裝備在使用過程中都需要一套完整的設(shè)備對其密封環(huán)境進行實時監(jiān)測，對可能發(fā)生的滲漏情況進行報警，以便系統(tǒng)及時做出反應(yīng)，避免不必要的損失[1]。

但目前市場上卻沒有一種針對水下裝備內(nèi)部密封環(huán)境監(jiān)測及滲漏報警系統(tǒng)。而常見的滲漏檢測系統(tǒng)都是針對金屬容器或下水管道，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，功耗較大，不適用于對水下裝備水密艙滲漏實時監(jiān)測報警。例如文獻[2]設(shè)計了一種基于ARM處理器的地下輸水管道滲漏儀，解決了對滲漏的檢測問題，但成本較高且沒有報警功能；文獻[3]則利用自來水管滲漏處與管壁的摩擦聲音信號的頻譜特性檢測漏點是否存在，但這種檢測方法在各種海洋噪聲背景下的水下裝備滲漏檢測中可行性較低，成本也較高；金屬容器的檢測則采用測壓方法[4]，其靈敏度不高，只適用于對成品密封性的檢驗，不能實時監(jiān)測工作環(huán)境情況。而且水下裝備大部分采用電池供電，對功耗要求十分嚴格，以上系統(tǒng)的功耗均較大，所以這里提出一種基于HDP-07的低功耗水密艙滲漏狀況網(wǎng)絡(luò)化多點監(jiān)測報警系統(tǒng)。

1 凝露傳感器與滲漏檢測方案

1.1 凝露傳感器原理

氣體在一定溫度下所能容納的水蒸氣含量是有限的，一旦超過額定值，多余的水蒸氣就會從氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，形成凝露。要檢測空氣中的水蒸氣含量是否達到凝露的程度，可采用凝露傳感器[5]。

凝露傳感器的結(jié)構(gòu)是在陶瓷基片上制作出梳狀電極，然后涂覆一層由樹脂和導(dǎo)電粒子形成的電阻膜。其工作原理是在低濕度時，感濕膜吸附的水分較少，親水性樹脂處于收縮狀態(tài)，導(dǎo)電微粉濃度相對較高，導(dǎo)電微粉之間的距離較小，因而阻值較低；隨著環(huán)境濕度的增加，感濕膜吸收的水分增多，導(dǎo)電微粉之間的距離增大，阻值相應(yīng)增加。在高濕區(qū)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象時，親水性樹脂吸濕量大大增加，感濕膜急劇膨脹，導(dǎo)電微粉濃度迅速降低，導(dǎo)電微粉構(gòu)成的導(dǎo)電鏈越過“臨界狀態(tài)”，此時導(dǎo)電微粉之間的連接極弱，阻值急劇增大，從而在凝露點附近產(chǎn)生元件電阻的開關(guān)型變化。導(dǎo)電微粉構(gòu)成的導(dǎo)電鏈越過“臨界狀態(tài)”時的另一個顯著的特點是其吸濕作用是在其內(nèi)部完成，這使得其性能不受灰塵和其他氣體影響，因而工作穩(wěn)定性好，可靠性高[6]。

凝露傳感器與一般的濕度傳感器不同，它在濕度較低時靈敏度很低，僅在高濕度條件下反應(yīng)靈敏，因此最適合應(yīng)用于高濕度及凝露場合的自動控制和報警電路。其工作狀況與周圍溫度有關(guān)，且體積小、感濕膜很薄，故響應(yīng)速度很快，常濕下僅為 1～2 s。

由于凝露傳感器非線性嚴重，一般不用作濕度的測量。在檢測和防止攝像機、錄像機、CD、VCD等視頻電子設(shè)備結(jié)露，轎車風(fēng)擋和陳列窗玻璃結(jié)霧，復(fù)印機和建筑材料結(jié)露，高壓配電柜結(jié)露、漏水，以及防止賓館浴室、居民廚房結(jié)露結(jié)霧方面，凝露傳感器顯示出其可觀的應(yīng)用價值。

1.2 凝露傳感器的選擇及相關(guān)參數(shù)

系統(tǒng)采用凝露傳感器作為檢測滲漏的元器件，現(xiàn)對兩種較常用的凝露傳感器[7]進行比較，如表1所示。

表1 常用凝露傳感器比較表Tab.1 Comparison of common condensation sensor

從上述比較中可以看出，HDP－07較 SY－DS－1響應(yīng)時間較短，工作電壓范圍寬泛，并且在連續(xù)工作中可快速恢復(fù)，便于動態(tài)監(jiān)測周圍環(huán)境。HDP－07在高濕度環(huán)境下能夠很快做出響應(yīng)，阻值能極快（＜20 s）地恢復(fù)至 10 kΩ以下（50%RH環(huán)境條件下），而 SY－DS－01響應(yīng)很慢，阻值恢復(fù)也很慢（＞10 min），不適用于實時監(jiān)測。從其濕度響應(yīng)特性曲線[8]（圖1）可以看出：HDP－07的阻值在相對濕度特性曲線在80%RH以下時表現(xiàn)平坦，而超過80%RH時陡然上升，有較為明顯的拐點，電阻成指數(shù)規(guī)律變化，接近開關(guān)特性，符合滲漏監(jiān)測所需要求，因此選用HDP－07作為滲漏判決的檢測傳感器。

圖1 HDP－07凝露傳感器濕度響應(yīng)特性曲線Fig.1 Humidity characteristic curves of HDP－07 condensation sensor

1.3 滲漏檢測方案

系統(tǒng)在發(fā)生滲漏時，一般情況下是小范圍局部滲水，并且都是在連接處的縫隙處發(fā)生滲水，此時整個艙室內(nèi)的濕度并不一定會有太大變化，普通的濕度檢測方案一般不易檢測。如果將凝露傳感器放到水密艙結(jié)合部位的縫隙處，正常情況下傳感器不會有多大的變化，但當縫隙處發(fā)生滲水時，傳感器表面被浸濕，電阻就會急劇增高。若將檢測到的滲漏信號接入比較器中，會導(dǎo)致比較器的正負輸入端電平的相對高低發(fā)生變化，產(chǎn)生電平跳變。將輸出電平通過與非門后輸出送到上位機，就可作為滲漏報警的觸發(fā)信號。經(jīng)過上位機對檢測網(wǎng)絡(luò)的判決，即可對不同艙段、不同部位的滲漏情況進行準確定位，并發(fā)出報警信號和控制信號（如系統(tǒng)斷電、水密艙上浮等）。利用凝露傳感器對高濕度敏感而呈現(xiàn)開關(guān)特性的這一顯著特點，結(jié)合水下裝備密封艙的特殊結(jié)構(gòu)和環(huán)境，提出了基于凝露傳感器HDP－07的滲漏監(jiān)測及報警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，原理方案如圖2所示。

圖2 滲漏監(jiān)測及報警系統(tǒng)方案Fig.2 Leakage monitoring and alarm system

2 滲漏檢測報警電路設(shè)計

2.1 滲漏檢測報警電路

利用運放或比較器，將其搭接成遲滯比較器的形式，是很好的滲漏檢測電路[9]。由于運放和比較器均可以構(gòu)成遲滯比較器，但是為了盡量降低成本和功耗，系統(tǒng)可采用四運放或四比較器，考慮到水下作業(yè)的特殊性，采用低功耗的比較器比用運放有供電電壓小、靜態(tài)功耗很小、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，又由于推挽輸出比較器TLV3494有快的響應(yīng)時間（6 s），適合于應(yīng)用在電池供電的系統(tǒng)中，所以在本系統(tǒng)設(shè)計時用TLV3494作為比較器進行滲漏判決電路的設(shè)計。

滲漏檢測單元電路如圖3所示。圖3中P1為凝露傳感器HDP－07，與比較器TLV3494構(gòu)成遲滯比較器，平時凝露傳感器電阻很小，比較器輸出高電平，當有凝露發(fā)生時，即超過設(shè)定門限時，比較器輸出低電平。由于凝露傳感器兩端不能具有太高的電壓，因此可將其與較大的電阻串聯(lián)分壓后接入比較器的負向輸入端，同時將比較器接成遲滯比較器的形式，防止外界的不穩(wěn)定因素帶來干擾而導(dǎo)致誤報。

圖3 滲漏檢測報警電路Fig.3 Leakage detection and alarm circuit

電路分析計算如下。設(shè)基準電壓為VR，且

設(shè)凝露傳感器的阻值Rx，在正常情況下，凝露傳感器的阻值很小，可近似認為0，此時U－≈0；

令 U+=0，則

即正常情況下U+＞U－，輸出為高電平；當發(fā)生滲漏情況時，凝露傳感器的阻值急劇增大：

此時導(dǎo)致U+＞U－，比較器輸出為低電平。經(jīng)與非門后變?yōu)楦唠娖?，從而產(chǎn)生報警信號。

由于采用的比較器工作時的靜態(tài)電流僅為0.8 μA，故需要選用的電阻數(shù)量級均為MΩ。為了有效抑制外來干擾所引起的虛警現(xiàn)象，比較器設(shè)計為遲滯比較器，即當U+＞VR+δ+ΔVH時，比較器才會從低電平變?yōu)楦唠娖?，同理當U+＜VR+δ+ΔVH時，比較器才會從高電平變?yōu)榈碗娖?。其中，δ為比較器分辨率，遲滯電壓ΔVH為：

2.2 門限設(shè)定和多點網(wǎng)絡(luò)判決準則

由于各地溫度、濕度條件不同，滲漏的判決門限也不同。以一個通道的一個監(jiān)測點為例，門限設(shè)定可以通過改變基準電壓VR來改變判決門限，VR由電阻R6、R7和R5分壓產(chǎn)生，實際中可以通過調(diào)整R7、R5的阻值對滲漏門限進行設(shè)定。

滲漏門限計算過程如下：選取報警濕度值，由此報警值找出對應(yīng)凝露傳感器的阻值，設(shè)為Rx。則正常情況下，比較器輸出為高電平UOH，當采集樣點達到報警值，令U+=U－，解得：

由此可以根據(jù)凝露傳感器特性曲線，由不同的環(huán)境設(shè)定不同的門限，使?jié)M足

這樣只需要調(diào)節(jié)R6、R7和R5的阻值，就可以根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的濕度門限。

針對水下裝備可能出現(xiàn)不同艙段有多點滲漏的情況，必須采用多點網(wǎng)絡(luò)檢測的方案。將同一艙段的檢測比較器輸出的高低電平通過多路與門進行與非處理，當有任一路發(fā)生滲漏時，該路產(chǎn)生低電平信號，使多路與非門的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過傳輸后向上位機發(fā)出本艙段滲漏報警信號。

經(jīng)過與非門處理后可以明顯減少傳送數(shù)據(jù)線的條數(shù)，同時又不會縮小滲漏檢測區(qū)域。本滲漏監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有8個通道，在每個通道中運用8輸入與非門CD54HC30F，可以使得系統(tǒng)的每個通道對8個點的滲漏情況進行監(jiān)測，這樣就實現(xiàn)了對水下裝備的64點密閉環(huán)境的實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。同時該與非門自身僅有40 μA的功耗，不會給整個系統(tǒng)帶來太大的功耗負擔(dān)，從而保證了系統(tǒng)的低功耗要求。由于水下裝備工作環(huán)境的特殊性，需要根據(jù)不同的監(jiān)測地點工作環(huán)境的不同設(shè)定不同的門限，防止出現(xiàn)虛警，這樣就在水下裝備的內(nèi)部形成一個嚴密的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，有效地對滲漏進行報警，保證水下裝備的安全，避免滲漏帶來的損失。

通過檢測后，將所得信息送入上位機進行處理，上位機的滲漏判決報警處理流程如圖4所示。

3 標定與實測結(jié)果

3.1 門限標定與測試結(jié)果

將所設(shè)計的檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)放在恒溫可調(diào)的加濕環(huán)境中（高低溫濕熱儀器箱型號：GDS－225），固定溫度后，從 30%～95%RH連續(xù)地調(diào)節(jié)濕度，記錄各個通道報警時的濕度值，并與設(shè)定的標稱門限進行比較，標定數(shù)據(jù)如表2所示，其標稱門限為93%RH。

圖4 多點網(wǎng)絡(luò)滲漏判決流程圖Fig.4 Flow chart of multi-point network leakage decision

由表2中實驗數(shù)據(jù)可知，在設(shè)定的工作范圍內(nèi)，判決門限最大誤差僅為ΔL=2.5%RH，能夠很好地對滲漏進行報警，而且各通道一致性較好。

3.2 整機功耗測試結(jié)果

將滲漏監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)放置在不同溫度濕度環(huán)境 （0～60℃，30%～95%RH）下進行滲漏報警門限標定時，同時用數(shù)字萬用表測量其供電電壓Vcc和靜態(tài)電流Iq數(shù)值，計算出整個檢測網(wǎng)絡(luò)的最大靜態(tài)功耗約為10.1 mW。由測量結(jié)果可知，該滲漏檢測網(wǎng)絡(luò)的功耗極低，非常適合于對水下裝備內(nèi)部密閉環(huán)境的長時間監(jiān)測。

表2 標定實測結(jié)果Tab.2 Calibration test results%RH

4 結(jié) 論

本文利用凝露傳感器HDP-07對高濕度敏感且表現(xiàn)出開關(guān)特性，設(shè)計了一種可靠的針對水下裝備的多點滲漏報警系統(tǒng)。針對水下裝備可能出現(xiàn)的不同艙段多點滲漏情況，采用了多點網(wǎng)絡(luò)檢測方案。該網(wǎng)絡(luò)具有8個通道64點。根據(jù)環(huán)境狀況的不同，可對各點設(shè)定不同的檢測門限，對水下裝備的不同部位進行實時監(jiān)測，經(jīng)多點判決后作出實時反應(yīng)。實測結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，適用于對水下作業(yè)裝備的內(nèi)部密閉環(huán)境監(jiān)測，能很好地預(yù)防滲漏情況的發(fā)生。

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