臭氧發(fā)生設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究

宋超，劉鐘陽(yáng)，周博

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

近年來(lái)，臭氧憑借其超強(qiáng)的氧化性和“綠色”無(wú)污染等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域[1－2]。由于臭氧發(fā)生設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境比較惡劣，設(shè)備出現(xiàn)故障后維修困難一直是一個(gè)困擾用戶和生產(chǎn)廠商的問(wèn)題。目前國(guó)外大型臭氧技術(shù)較為成熟，具有在線檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷、報(bào)警保護(hù)、遠(yuǎn)程控制等功能[3]，但檢測(cè)方法較為復(fù)雜，成本較高。國(guó)內(nèi)對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)控技術(shù)則相對(duì)落后。采用的監(jiān)測(cè)方法大多不適用于中小型臭氧發(fā)生器，可行性較低。隨著臭氧技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)中有效的在線監(jiān)測(cè)手段成為臭氧技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展急需解決的問(wèn)題。

利用臭氧發(fā)生器正常工作與發(fā)生故障時(shí)功率變化較大這一特點(diǎn)，運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究了臭氧發(fā)生器數(shù)字化監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷兩部分組成，采用提取電流信號(hào)表征功率特征值，輔助溫度參數(shù)的變化，利用單片機(jī)進(jìn)行故障診斷，從而得到臭氧發(fā)生器的運(yùn)行判斷結(jié)果。

1 故障模式及特征分析

臭氧發(fā)生設(shè)備主要由冷卻系統(tǒng)和臭氧發(fā)生系統(tǒng)組成。放電管放電使電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，在生成臭氧的同時(shí)釋放大量熱[4]，同時(shí)伴有一定的噪聲。當(dāng)元件發(fā)生故障時(shí)，大多伴隨著溫度、功率和噪聲等參數(shù)的變化。所以用于故障診斷可以采集的變化參數(shù)比較多，這就需要選擇其中的一種或幾種參數(shù)變化明顯可以準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生且便于提取參數(shù)進(jìn)行采樣。

冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由風(fēng)扇和整個(gè)設(shè)備空間組成。風(fēng)扇主要作用是降低設(shè)備整體溫度，擴(kuò)散產(chǎn)生臭氧。當(dāng)風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)設(shè)備內(nèi)溫度過(guò)高，噪聲減小、臭氧產(chǎn)量減少等現(xiàn)象。風(fēng)扇主要的故障為風(fēng)扇線路故障和風(fēng)扇扇葉故障，當(dāng)線路發(fā)生故障，線路電流為零，設(shè)備內(nèi)部溫度升高;當(dāng)風(fēng)扇堵塞或扇葉損壞，線路電流正常，設(shè)備內(nèi)部溫度升高。

臭氧發(fā)生系統(tǒng)由高壓變頻電源和放電反應(yīng)器組成。放電反應(yīng)器作為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，發(fā)生故障的原因一般為放電管擊穿，高壓側(cè)短路。當(dāng)放電反應(yīng)器發(fā)生擊穿故障，會(huì)出現(xiàn)功率突然升高后降低，放電管溫度下降，臭氧濃度變?yōu)榱愕痊F(xiàn)象。

高頻變頻電源又包括變頻電源和高頻變壓器[5]。高壓變頻電源作為臭氧設(shè)備的核心器件，主要用來(lái)改變市電的頻率和電壓，利用電能產(chǎn)生臭氧。變頻電源是臭氧發(fā)生部分的關(guān)鍵單元，主要由整流單元，濾波單元，穩(wěn)壓?jiǎn)卧哳l逆變單元及緩沖電路單元組成，無(wú)論其中哪個(gè)單位元出現(xiàn)故障，都需要整體更換變頻電源，所以故障診斷時(shí)，只需保證可以準(zhǔn)確地確定變頻電源發(fā)生故障即可。當(dāng)變頻電源發(fā)生故障，輸出端頻率明顯下降，放電反應(yīng)器停止工作，各點(diǎn)功率下降明顯，高頻變壓器和放電反應(yīng)器溫度降低，臭氧濃度降低等現(xiàn)象;高頻變壓器將變頻電源輸出端的高頻電流升壓，輸出高頻高壓電流。其故障類(lèi)型絕大多數(shù)為一次側(cè)或二次側(cè)線包燒毀，出現(xiàn)放電反應(yīng)器停止放電、溫度降低，故障側(cè)線包溫度升高、臭氧濃度下降、功率下降等現(xiàn)象。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，元件發(fā)生故障時(shí)，可供參考判斷的參數(shù)變化較多，但是這些參數(shù)的測(cè)量并不能較為準(zhǔn)確地判斷故障的位置及故障元件，此時(shí)測(cè)量參數(shù)的選擇和測(cè)量點(diǎn)的確定對(duì)整體的故障診斷尤為重要。通過(guò)分析溫度、噪聲等數(shù)據(jù)采集都較為復(fù)雜，參數(shù)變化緩慢，實(shí)時(shí)性較差，難以保證及時(shí)、準(zhǔn)確地采集故障參數(shù)。此時(shí)，功率值的檢測(cè)意義重大，元件發(fā)生故障時(shí)，所消耗的功率會(huì)大大降低，運(yùn)用功率監(jiān)測(cè)的方法可以迅速反應(yīng)故障，可以達(dá)到及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況的目的。該系統(tǒng)就是通過(guò)對(duì)功率的監(jiān)測(cè)，判斷故障的發(fā)生。

2 故障特征提取

2.1 功率采集

功率測(cè)量途徑一般采用功率表法、定義法和電壓/電荷利薩如圖形法[6]。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象是臭氧發(fā)生設(shè)備，使用場(chǎng)地一般為水廠、養(yǎng)殖場(chǎng)果園等遠(yuǎn)離設(shè)備銷(xiāo)售的地點(diǎn)，開(kāi)機(jī)后操作人員撤離，根據(jù)程序自動(dòng)運(yùn)行，以防止高濃度的臭氧對(duì)操作人員身體的損害。由于臭氧發(fā)生設(shè)備的使用具有特殊性，以上測(cè)量方法都不能滿足在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種新的監(jiān)測(cè)功率的方法，以電流值的變化表征功率的變化情況，從而可以在無(wú)人條件下快速、準(zhǔn)確地判斷故障的發(fā)生。

變頻電源入口處采集的電流和功率繪制的曲線如圖1所示，臭氧發(fā)生設(shè)備正常工作的功率在100 W 左右，實(shí)驗(yàn)取85～115 W區(qū)間進(jìn)行測(cè)量。從圖上可以發(fā)現(xiàn)曲線基本成一條直線，電流隨著功率的增加而增加。本設(shè)計(jì)使用互感器精度為0.2%。由圖可知，電流每變化0.01 A，功率變化1.76 W。因此可以確定在臭氧發(fā)生器中，通過(guò)電流值的變化檢測(cè)功率的變化，并且滿足互感器測(cè)量精度要求。

圖1 功率與電流對(duì)應(yīng)曲線

2.2 總體方案及故障特征提取

臭氧發(fā)生器監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖 2所示，系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷組成。整個(gè)系統(tǒng)的原理:采集多處電流和溫度參數(shù)經(jīng)調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，同時(shí)構(gòu)造數(shù)據(jù)樣本，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存、實(shí)時(shí)顯示以及系統(tǒng)報(bào)警等;對(duì)構(gòu)造的樣本進(jìn)行處理，提取信號(hào)的特征值，并利用單片機(jī)進(jìn)行診斷，得到臭氧發(fā)生器的運(yùn)行狀態(tài)和故障結(jié)果。

圖2 總體設(shè)計(jì)圖

圖3 故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖3所示，選取圖中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、4進(jìn)行電流信號(hào)的提取，監(jiān)測(cè)設(shè)備功率值變化，同時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、5配合溫度的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3負(fù)責(zé)檢測(cè)主回路各元件運(yùn)行情況，其中，主回路主要包括電源電路、變壓器和放電管。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4監(jiān)測(cè)風(fēng)扇的運(yùn)行情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、4分別監(jiān)測(cè)不到功率值或功率值劇烈變化時(shí)，可以迅速判斷故障位置。

3 故障處理

根據(jù)第一節(jié)對(duì)故障情況的分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，總結(jié)故障信息如下:

故障信息A:監(jiān)測(cè)點(diǎn)1電流降低;

故障信息B:監(jiān)測(cè)點(diǎn)2溫度升高;

故障信息C:監(jiān)測(cè)點(diǎn)3電流升高后降低;

故障信息D:監(jiān)測(cè)點(diǎn)4電流降低;

故障信息E:監(jiān)測(cè)點(diǎn)5溫度降低;

故障信息F:監(jiān)測(cè)點(diǎn)5溫度上升。

表1 故障監(jiān)測(cè)對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

利用臭氧發(fā)生器發(fā)生故障功率變化顯著這一特點(diǎn)，對(duì)臭氧發(fā)生設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)做了研究，設(shè)計(jì)了一款通過(guò)監(jiān)測(cè)功率，輔助檢測(cè)溫度變化，對(duì)臭氧發(fā)生器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置，并給出故障信息對(duì)照表。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了通過(guò)電流檢測(cè)表征功率值的方法，有效地解決了臭氧設(shè)備功率診斷的技術(shù)難題。裝置通過(guò)對(duì)設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，可以在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)快速通過(guò)故障對(duì)照表迅速地確定故障點(diǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)無(wú)人狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

[1]楊家蕾，董全.臭氧殺菌技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技，2009，30(5):353 －355.359.

[2]劉海龍，王東升，王瑞軍.飲用水臭氧應(yīng)用安全性研究[J].給水排水，2010，47(9):138 －142.

[3]張磊.中國(guó)大型臭氧設(shè)備制造與應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀及分析[J].給水排水動(dòng)態(tài)，2010，47(2):25 －27.

[4]劉鐘陽(yáng).放電等離子體合成臭氧及應(yīng)用中一些問(wèn)題的研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2002.

[5]李翼.臭氧發(fā)生器高頻高壓逆變電源的研究與設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué)，2007.

[6]劉鐘陽(yáng)，吳彥，王寧會(huì).DBD等離子反應(yīng)器放電功率測(cè)量的研究[C].//中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第三屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上).中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)、沈陽(yáng)市科協(xié).沈陽(yáng):2001，22(3):78 －79.83.