海島鹽霧含量自動測量系統(tǒng)設(shè)計*

張 穎， 周 洋， 曹 舒， 陳 慧， 葉凌云

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350007；2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

新興計量設(shè)備包含大量的電子元器件，對環(huán)境的要求和耐受程度差異較大。福建省島嶼眾多，海島的大氣環(huán)境對海島區(qū)域設(shè)施設(shè)備、尤其是電工電子設(shè)備的影響非常嚴重。在高濕熱的海洋大氣環(huán)境下，極易產(chǎn)生一種含有鹽成分的微細液滴分散于大氣之中構(gòu)成了彌撒系統(tǒng)—鹽霧[1,2]。鹽霧是在環(huán)境中使儀器、設(shè)備產(chǎn)生腐蝕的重要因素[3]。目前，國內(nèi)僅在環(huán)境影響試驗箱中對電子式計量設(shè)備的運行特性及失效機理進行了研究，通過測量鹽霧試驗箱中鹽霧沉降的液位高度確定鹽霧沉降率[4]。該試驗存在一定的局限性，并不能完整地復(fù)現(xiàn)計量設(shè)備在真實鹽霧環(huán)境中的運行特性及失效機理。傳統(tǒng)的鹽霧含量測量方法需要人工現(xiàn)場操作，費時費力，所用化學(xué)試劑也會對環(huán)境造成一定污染[5]。目前，針對海島高鹽霧的典型環(huán)境，并沒有成形的能夠?qū)崿F(xiàn)鹽霧自動測量的裝置。

為了實現(xiàn)海島鹽霧含量的自動測量以及數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，本文設(shè)計了一種海島鹽霧含量自動測量系統(tǒng)，在現(xiàn)有鹽霧含量測量方法基礎(chǔ)上[5]，采用氯離子傳感器進行自動測量，建立氯離子含量與鹽霧濃度的模型計算出鹽霧的濃度，并通過基于ARM的嵌入式計算機自動控制整個測量裝置運行，獲取傳感器數(shù)據(jù)，完成了沿海環(huán)境空氣鹽霧含量自動采集和測量。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和服務(wù)器使用戶可以便捷、直觀地監(jiān)測鹽霧數(shù)據(jù)并對設(shè)備進行相應(yīng)操作。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)是一個集鹽霧數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的測量系統(tǒng)，主要包括鹽霧自動測量裝置、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控室控制計算機3個部分。鹽霧自動測量裝置安裝于海島環(huán)境測量現(xiàn)場，通過以太網(wǎng)和服務(wù)器連接，將鹽霧數(shù)據(jù)儲存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，客戶端監(jiān)控軟件通過以太網(wǎng)可以對測量裝置進行操作，同時調(diào)取和存儲服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件提供數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、裝置運行狀態(tài)檢測等功能。

2 鹽霧含量自動測量方法

國標法采集和測量分析的過程[5]均基于人工操作，很難通過簡單的裝置和方法實現(xiàn)自動化。本文采用2組多孔玻板串聯(lián)，在現(xiàn)有的多孔玻板吸收管上增加了一個進水口和出水口，使吸收液更容易注入和導(dǎo)出。吸收鹽霧的吸收液流入設(shè)計的測量腔，通過氯離子濃度傳感器測量吸收液中的氯離子濃度[6]。自動測量步驟為：

1)吸收液注入：去離子水產(chǎn)生裝置產(chǎn)生去離子水，蠕動泵將去離子水分別定量注入多孔玻板吸收管串聯(lián)組。

2)鹽霧樣品采集：氣泵抽氣采集鹽霧樣本；氣體流量計測量樣本體積；溫濕度氣壓傳感器采集溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)。

3)傳感器檢測：將多孔玻板吸收管串聯(lián)組中的吸收液導(dǎo)入氯離子濃度測量腔，氯離子傳感器檢測吸收液中的氯離子濃度。

4)鹽霧含量計算：嵌入式計算機采集各傳感器數(shù)據(jù)并計算鹽霧含量，上傳至服務(wù)器。

5)裝置與傳感器自動清洗：去離子水沖洗裝置和傳感器。

鹽霧含量計算公式為

(1)

式中Sc為鹽霧含量，mg/m3；[Cl-]為樣品溶液氯離子濃度，mg/L；V為樣品溶液總體積，mL；Q為氣泵抽氣流速，L/min；t為采樣時間，min。

3 鹽霧自動測量裝置

鹽霧自動測量裝置由鹽霧自動采集吸收、氯離子濃度測量以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示，能夠自動、連續(xù)、準確地實現(xiàn)對試驗基地現(xiàn)場環(huán)境鹽霧含量的測量。

圖1 鹽霧自動測量裝置框圖

3.1 鹽霧自動采集吸收設(shè)計

如圖2所示，吸收液由去離子水產(chǎn)生裝置產(chǎn)生并儲存于儲水桶中。需要注入吸收液時，由雙通道蠕動泵將儲水桶中的去離子水分別注入多孔玻板吸收管串聯(lián)組中的2個吸收管。多孔玻板吸收管串聯(lián)組設(shè)計如圖3所示。裝置中選用的雙通道蠕動泵可以以固定流速輸出吸收液，可以通過串行通信接口控制啟停、方向和速度，使用壽命長，功耗低。吸收液注入完成后，即可啟動氣泵，采集吸收鹽霧。所選氣泵為微型抽打氣泵，壽命長，干擾低，配無刷電機，可以晝夜連續(xù)運轉(zhuǎn)；免維護，不污染傳輸，允許介質(zhì)富含水汽，且允許抽取腐蝕性氣體，滿足裝置需求。

圖2 自動測量裝置示意

圖3 多孔玻板吸收管串聯(lián)組

3.2 氯離子濃度測量

設(shè)計了氯離子濃度測量腔用于安裝氯離子濃度傳感器，如圖4所示。測量腔具有2個注水孔，1個出水孔，并在腔體上端留有1個出氣小孔實現(xiàn)腔體內(nèi)外的氣壓平衡。多孔玻板吸收管串聯(lián)組中的吸收液依靠重力流入氯離子濃度測量腔中，并將氯離子傳感器的敏感電極浸沒。讀取氯離子傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合氣體流量計等傳感器數(shù)據(jù)，可計算出現(xiàn)場環(huán)境中的鹽霧含量。

圖4 氯離子濃度測量腔

選用的氯離子濃度傳感器采用高精度氯離子電極，通過串行接口通信，完成氯離子數(shù)據(jù)采集、校準及自動溫度補償?shù)裙δ?。量程范圍?1.7～35500)×10-6。所選氣體流量計為3mm管徑的低速氣流的流量計，通過串行通信接口傳輸數(shù)據(jù)，全量程穩(wěn)定性高、精度高，重復(fù)性好，最大流量為5L/min。

3.3 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[7]，主要功能包括數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制等部分。整體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)選用的嵌入式計算機基于400MHz主頻RISC架構(gòu)工業(yè)級ARM9處理器，支持2個工業(yè)以太網(wǎng)、8個串行通信接口。該計算機采用高性能、低功耗、小體積的ARM9處理器，內(nèi)嵌128MB高速SDRAM和256MB Flash存儲器，并采用Linux3.6嵌入式操作系統(tǒng)，可以高效、開放地完成應(yīng)用程序開發(fā)。串行通信接口分別和各傳感器以及繼電器控制模塊通信，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和繼電器開關(guān)控制。選用工業(yè)級繼電器控制模塊實現(xiàn)對電磁閥、泵等控制。模塊中的16路繼電器輸出觸電容量為250VAC10A/30VDC10A。通信接口為RS—485，每個繼電器均具有閃開閃斷功能。嵌入式計算機通過RS—485串行總線分別與繼電器控制模塊、氯離子傳感器、溫濕度氣壓傳感器、氣體流量計、液位開關(guān)等通信。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件為PC端應(yīng)用軟件，主要用于系統(tǒng)控制操作和數(shù)據(jù)采集分析。軟件通過網(wǎng)口實現(xiàn)與測量裝置的通信，能夠遠程采集鹽霧測量數(shù)據(jù)，對測量結(jié)果進行存儲，并實時監(jiān)控測量裝置的狀態(tài)[8]。用戶可以通過人機界面操作查詢歷史數(shù)據(jù)、向下位機發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對測量裝置的遠距離監(jiān)控功能。軟件的主要功能為：

1)通信：通過以太網(wǎng)接收測量裝置的測量數(shù)據(jù)，并向測量裝置發(fā)送控制指令。

2)數(shù)據(jù)采集存儲與顯示：對測量數(shù)據(jù)進行處理，將測量結(jié)果實時顯示于主界面，并存儲至服務(wù)器中。

3)監(jiān)控與預(yù)警：后臺程序根據(jù)測量裝置返回數(shù)據(jù)，分析測量裝置工作狀態(tài)與測量部件開關(guān)狀態(tài)。在界面上以文字圖形等形式顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，當(dāng)測量裝置運行故障時，人機界面顯示預(yù)警，并提供按鈕操作關(guān)閉或重啟測量裝置。

4)數(shù)據(jù)查詢：用戶在人機界面輸入查詢條件，軟件訪問服務(wù)器，返回歷史數(shù)據(jù)，并提供文件導(dǎo)出功能。

監(jiān)控軟件程序結(jié)構(gòu)分為前端程序和后臺程序，前端完成主頁面、數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)控預(yù)警三個頁面布局，后臺程序完成與測量裝置的通信和與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互功能。

5 系統(tǒng)測試與實際運行

將系統(tǒng)與國標法裝置置于同一環(huán)境中，同時采集吸收鹽霧，進行多次測量。如表1所示，兩者測量結(jié)果基本保持一致，存在一定誤差。誤差可能來源于傳感器的標定誤差。

表1 2種裝置測量結(jié)果對比

將系統(tǒng)安裝于福建省莆田市湄洲島電能計量設(shè)備典型環(huán)境聯(lián)合試驗基地，并投入調(diào)試運行，性能達到了預(yù)期效果。開啟監(jiān)控計算機和測量裝置進入正常運行狀態(tài)，監(jiān)控軟件通過良好的人機交互形式顯示裝置的運行狀態(tài)、測量結(jié)果等信息。顯示界面和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 監(jiān)控軟件界面

6 結(jié)束語

設(shè)計了海島鹽霧含量自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境現(xiàn)場無人值守情況下的鹽霧含量自動測量。系統(tǒng)在國標鹽霧含量測量方法的基礎(chǔ)上，基于ARM嵌入式技術(shù)，利用氯離子濃度傳感器和以太網(wǎng)，實現(xiàn)了環(huán)境現(xiàn)場的鹽霧含量測量，簡化了測量過程，大幅提高了測量效率，適用于試驗基地的海島環(huán)境。通過實地調(diào)試運行，證明了系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于電能計量設(shè)備的環(huán)境監(jiān)測中，提高了鹽霧含量測量的便捷性，大幅縮減了開支，同時具有良好的穩(wěn)定性。

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