對Argo海洋觀測浮標(biāo)的故障機(jī)理分析

李強(qiáng)

摘? 要：文章以海洋觀測浮標(biāo)作為研究對象，簡要闡述Argo剖面浮標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，針對浮標(biāo)運(yùn)行中常見的電池能量驟減、擱淺、傳感器故障與馬達(dá)倒轉(zhuǎn)等故障成因及其解決方案進(jìn)行詳細(xì)分析，并基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，依托串口通信實現(xiàn)浮標(biāo)故障的及時監(jiān)測與報警，以期為極地等極端海洋環(huán)境下浮標(biāo)系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)作提供參考，延長浮標(biāo)的運(yùn)行周期與服役壽命。

關(guān)鍵詞：極地海洋;Argo浮標(biāo);壓力傳感器

中圖分類號：P715.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0049-02

Abstract： This paper takes ocean buoy as the research object， making a brief profile of buoy the general structure and working principle of the Argo. Aiming at common battery energy loss in the operation of the buoy， ran aground， sensor and motor reverse fault causes and solutions， a detailed analysis is made. Andaccording to the LabVIEW development environment for the design of sensor monitoring system and based on a serial port communication， this study tries to realize real time fault monitoring and alarm for the buoy， in order to provide the reference for polar extreme ocean buoy system under the environment of high efficiency and reliable operation and lengthen the operation cycle of the buoy and the service life.

Keywords： polar ocean; Argo float; pressure sensor

1 浮標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

海洋觀測浮標(biāo)是為海洋科學(xué)與海上工程學(xué)提供溫度、風(fēng)浪、涌浪、風(fēng)速、浪高、潮汐、溫濕度、大氣壓力、波流流向等數(shù)據(jù)資料的海洋監(jiān)測系統(tǒng)，主要分為有纜式、無纜式水下觀測兩種類型[1]。其中普通有纜式潛標(biāo)在執(zhí)行海洋觀測任務(wù)時需在系纜沿線安放多個觀測儀器，缺乏良好的靈活性、整體監(jiān)測成本較高;而無纜式浮標(biāo)可自主完成數(shù)據(jù)采集與記錄，利用無線通訊技術(shù)提供多種傳輸方式，支持無限布設(shè)、電纜數(shù)量較少，具備良好的適用價值。以Argo浮標(biāo)為例，該浮標(biāo)主要由液壓缸、真空泵、液壓泵、電路板與電池組等元件組成，配合端蓋、底蓋、法蘭、皮囊、殼體、夾子、密封圈、支撐架、減速電機(jī)等零部件組成浮標(biāo)總體結(jié)構(gòu)。浮標(biāo)主要利用柱塞泵控制液壓缸執(zhí)行伸長或縮短操作，當(dāng)推動液壓缸伸長時，液壓缸將帶動浮標(biāo)的內(nèi)殼、外殼分離，增大浮標(biāo)體積與浮力，使浮標(biāo)上升;當(dāng)液壓缸縮短時，在內(nèi)部真空負(fù)壓與外部皮囊的拉力作用下將使浮標(biāo)內(nèi)外殼重合，致使浮標(biāo)體積和浮力縮小。

1.2 工作原理

在浮標(biāo)氣泵的工作原理設(shè)計上，通常浮標(biāo)在上升至海面后，將從頂部抽出氣體、排至殼外，因此需選用單向閥、三通閥安裝在氣路的特定位置處，用于控制殼體內(nèi)部與外部的通斷。在油泵工作原理設(shè)計上，以微型直流電動機(jī)作為動力源，利用微型減速器調(diào)低電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出較大轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動滾珠絲杠帶動活塞平移動，使活塞可推動高達(dá)1600N的力。

在浮標(biāo)控制流程的設(shè)計上，首先開機(jī)，使浮標(biāo)伸長外殼上浮，通過Argos衛(wèi)星通訊;隨后收縮外殼使浮標(biāo)下潛，在預(yù)設(shè)深度處停留7-10d時間，再次收縮外殼下潛至2000m;伸長外殼至最大體積使浮標(biāo)上浮，并執(zhí)行剖面測量、存儲數(shù)據(jù)，繼續(xù)伸長外殼直至其上浮至海面;基于Argos衛(wèi)星實行約6h的通信，在此過程中傳輸剖面測量環(huán)節(jié)獲得的溫、鹽、深等數(shù)據(jù);最后再收縮外殼使浮標(biāo)下潛，重復(fù)上述操作完成下一個剖面測量，直至電池耗盡。

2 Argo浮標(biāo)的故障機(jī)理及傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 故障類型與成因

2.1.1 電池組能量損耗

電池組能量急劇減小、電壓驟然下降是Argo浮標(biāo)的常見故障類型，故障成因體現(xiàn)為電池組內(nèi)部有一節(jié)或多節(jié)電池頻繁斷路，或電池內(nèi)部阻抗急劇升高，導(dǎo)致電池組能量被大量損耗，浮標(biāo)停止運(yùn)行。

2.1.2 擱淺

浮標(biāo)擱淺故障主要分為兩種類型：其一是有泥沙進(jìn)入浮標(biāo)的皮囊外罩內(nèi)，導(dǎo)致浮標(biāo)重力增大、浮力下降，無法順利上浮至海面;其二是浮標(biāo)在岸上擱淺，多因近岸漁民捕撈行為導(dǎo)致浮標(biāo)擱淺，失去工作能力。

2.1.3 傳感器故障

通常浮標(biāo)設(shè)計缺陷的發(fā)生概率較低，導(dǎo)致浮標(biāo)出現(xiàn)故障的主要原因為壓力傳感器故障。通過觀察某浮標(biāo)最大壓力值的時間序列分布特征可以發(fā)現(xiàn)，由該浮標(biāo)第20個剖面起最大采樣深度先后出現(xiàn)反常低值和反常高值，觀察其第35個剖面可發(fā)現(xiàn)該浮標(biāo)實際處于海面上，由此可判斷故障原因為壓力傳感器出現(xiàn)異常。

2.1.4 馬達(dá)倒轉(zhuǎn)

馬達(dá)倒轉(zhuǎn)故障主要發(fā)生在浮標(biāo)深度≥1600m的條件下，由于海水壓強(qiáng)過大，導(dǎo)致浮標(biāo)在下潛的過程中活塞回縮、馬達(dá)開始倒轉(zhuǎn)，馬達(dá)內(nèi)部形成反電壓，對主板核心元件產(chǎn)生破壞作用，致使浮標(biāo)受損、失去工作能力。

2.2 故障解決方案

2.2.1 能量源替換

在浮標(biāo)下潛過程中，倘若堿性電池組中某一電池發(fā)生斷路或內(nèi)部阻抗驟升等故障，將加劇整體電池組的能量消耗，致使其工作壽命大幅縮短，失去正常工作能力。針對該故障問題進(jìn)行處理，可采用以下兩種解決方案：其一是將漂流深度由1500dbar調(diào)節(jié)至1000dbar，將剖面觀測深度由2000dbar調(diào)節(jié)至1500dbar，避免電池組在高壓強(qiáng)工況下產(chǎn)生突發(fā)故障;其二是將能量源替換為鋰電池，引入分路二級管減少電池組能量損耗[2]。

2.2.2 調(diào)節(jié)浮標(biāo)放置位置

為解決因泥沙侵入造成的浮標(biāo)擱淺問題，可減少海洋浮標(biāo)底部防護(hù)罩的孔洞數(shù)量，緩解泥沙入侵問題。針對因漁民捕撈作業(yè)造成的擱淺故障，應(yīng)注意調(diào)節(jié)浮標(biāo)投放的位置，選擇遠(yuǎn)離大陸架的大洋深處進(jìn)行浮標(biāo)的投放。

2.2.3 更換傳感器

針對因傳感器性能差引發(fā)的浮標(biāo)故障問題，可選用由美國SeaBird公司生產(chǎn)的高性能CTD傳感器或國產(chǎn)的全海深CTD傳感器，憑借開放式圓環(huán)電極電導(dǎo)率、薄片式溫度傳感器、高頻高壓壓力傳感器等新型結(jié)構(gòu)，提高傳感器的精度、響應(yīng)速度與可靠性，降低傳感器故障發(fā)生概率。

2.2.4 安裝浮標(biāo)主板

針對因海水壓力增大導(dǎo)致浮標(biāo)馬達(dá)在外力作用下倒轉(zhuǎn)的問題，可選用APF-8C型主板進(jìn)行原主板的替換，利用Schottky二極管防止在馬達(dá)倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生反電壓，解決此類故障問題。

2.3 系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

2.3.1 改進(jìn)方案

通常浮標(biāo)主要依靠液壓系統(tǒng)控制完成上浮、下潛動作，利用柱塞泵將壓力油注入皮囊內(nèi)，使皮囊體積與浮標(biāo)浮力增大，完成浮標(biāo)上升動作，并且通過抽出壓力油控制浮標(biāo)下潛?？紤]到液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需完成兩次能量轉(zhuǎn)換，倘若操作不當(dāng)或液壓裝置未實現(xiàn)合理配置，易造成油溫過熱、系統(tǒng)失壓等問題，難以有效控制浮標(biāo)的上浮或下潛深度，因此需針對液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。在系統(tǒng)改進(jìn)方案設(shè)計上，選取柱塞泵出口部位將節(jié)流閥與溢流閥進(jìn)行并聯(lián)，保障在出口位置形成恒壓油源，油壓保持恒定值;并聯(lián)設(shè)計的節(jié)流閥和溢流閥能夠產(chǎn)生兩個并聯(lián)左右的液阻，此時液壓泵的流量輸出保持不變，由液阻決定從節(jié)流閥流至液缸中的流量大小;通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的液阻，即可改變液壓缸的流量及運(yùn)行速度[3]。

2.3.2 應(yīng)用效果

將裝有改進(jìn)后液壓系統(tǒng)的浮標(biāo)應(yīng)用于海洋剖面循環(huán)探測中，觀察其液壓油路圖可以發(fā)現(xiàn)，在減小浮標(biāo)體積使其下潛后，操縱換向閥斷電，使柱塞泵停止動作，在皮囊內(nèi)壓力與海水壓強(qiáng)的共同作用下向浮標(biāo)內(nèi)腔注入液壓油，操縱另一換向閥斷電，使浮標(biāo)內(nèi)腔處于真空狀態(tài)，在真空負(fù)壓、海水壓強(qiáng)與皮囊機(jī)械力的共同作用下使浮標(biāo)下潛;待浮標(biāo)下潛至預(yù)設(shè)深度后，在CTD傳感器的控制下使換向閥通電、浮標(biāo)內(nèi)腔停止進(jìn)油，此時浮標(biāo)將在海底1000m左右深度處停滯，待一段時間后換向閥再次斷電，液壓油繼續(xù)流入內(nèi)腔中，使浮標(biāo)繼續(xù)下潛;待浮標(biāo)下潛至海底2000m左右深度后，利用CTD傳感器向換向閥發(fā)出信號，控制換向閥通電、內(nèi)腔停止進(jìn)油，此時浮標(biāo)體積不再發(fā)生變化，即實現(xiàn)定深漂流。該方案主要具有以下兩項應(yīng)用優(yōu)勢：其一是通過將節(jié)流閥與溢流閥并聯(lián)，使柱塞泵出口處的壓力保持恒定值，避免因壓力過大造成油溫超標(biāo)的問題，有效延長浮標(biāo)的工作壽命;其二是確保皮囊穩(wěn)定受油，精確測算皮囊注滿油的耗時，實現(xiàn)對浮標(biāo)下潛深度的有效預(yù)測。

2.4 基于LabVIEW的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

2.4.1 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

在將液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)完善浮標(biāo)的狀態(tài)檢測與故障診斷功能設(shè)計，保障在故障發(fā)生前及時查明故障征兆、完成故障診斷，并依據(jù)檢測結(jié)果作出決策。在此可采用解析模型方法建立數(shù)學(xué)模型，再現(xiàn)研究對象被診斷環(huán)節(jié)的狀態(tài)，建立殘差數(shù)列、識別故障信息，配合統(tǒng)計檢驗法完成建模，實現(xiàn)對故障的識別與分析，在此基礎(chǔ)上利用過程參數(shù)估計法進(jìn)行不同故障發(fā)生的統(tǒng)計特性檢測及分類，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)對故障的實時診斷。

2.4.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

采用LabVIEW軟件建立傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)以下三種功能：其一是串口通信功能，在下位機(jī)與上位機(jī)間建立通信關(guān)系;其二是數(shù)據(jù)顯示功能，用于顯示各類傳感器的數(shù)值與圖形，在超出限值后啟動報警功能;其三是數(shù)據(jù)存儲功能，將生成的測試結(jié)果以Excel文件的形式保存，便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計處理。

2.4.3 利用LabVIEW配置串口

在VISA配置串口控件的設(shè)計上，通過VISA資源名稱控件指定插入的設(shè)備，完成設(shè)備的初始化，使其接收上位機(jī)LabVIEW發(fā)送的指令;在VISA寫入控件的設(shè)計上，主要將寫入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫入指定設(shè)備或接口中;在VISA讀取控件的設(shè)計上，主要從設(shè)備或接口處獲取到特定字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回;在VISA清空I/O緩沖區(qū)控件設(shè)計上，將指定的待刷新緩沖區(qū)按位合并、屏蔽，邏輯OR用于合并值，接收和傳輸緩沖區(qū)均用一個屏蔽值;在VISA關(guān)閉控件的設(shè)計上，主要用于將指定的設(shè)備事件句柄或事件對象進(jìn)行關(guān)閉，完成一次數(shù)據(jù)采集過程[4]。

3 結(jié)束語

當(dāng)前全球氣候變暖、海平面上升使得極地海洋環(huán)境呈現(xiàn)出動態(tài)變化趨勢，對于潛標(biāo)觀測系統(tǒng)、海洋監(jiān)測浮標(biāo)技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新提出了具體要求。在此還需結(jié)合浮標(biāo)運(yùn)行中常見的故障問題，采取針對性維修與處理方案，配合LabVIEW軟件進(jìn)行傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，提供實時監(jiān)控與故障報警功能，更好地實現(xiàn)浮標(biāo)故障的自動化診斷，提升其服役周期與觀測效果，實現(xiàn)對北極海洋的全面觀測。

參考文獻(xiàn)：

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