一種船舶消防系統(tǒng)用泡沫滅火劑性能檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

朱偉明　朱婕

摘要：在分析國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了便攜式多參數(shù)泡沫滅火劑性能檢測(cè)儀，利用該裝置具有的溫度、pH值、溶解氧和電導(dǎo)率等傳感器實(shí)現(xiàn)了泡沫滅火劑性能的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示和無線傳輸。

關(guān)鍵詞：泡沫滅火劑;PH值;電導(dǎo)率;溶解氧

1、前言

泡沫滅火劑是一種用于撲救非水溶性、水溶性可燃液體和一般固體火災(zāi)的消防藥劑。目前，國(guó)內(nèi)外泡沫滅火劑生產(chǎn)工藝及配方有所不同，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，為此，提供一種有效的泡沫滅火劑性能檢測(cè)設(shè)備就顯得非常必要。目前常規(guī)的泡沫滅火劑檢測(cè)裝置只是將單件測(cè)試儀器自由組合在一起，檢測(cè)結(jié)果受環(huán)境溫度因素等影響，且操作繁瑣，故需對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)手段做更進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。本文所述泡沫滅火劑性能檢測(cè)裝置主要是參考現(xiàn)行泡沫滅火劑標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)的泡沫滅火劑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，提供設(shè)計(jì)先進(jìn)，配置合理緊湊，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，結(jié)果精確的檢測(cè)工具來監(jiān)測(cè)所儲(chǔ)存滅火劑質(zhì)量狀況，有效控制和保證滅火劑產(chǎn)品質(zhì)量，較好地確保船舶人員生命和船舶安全。

2、裝置組成

泡沫滅火劑性能檢測(cè)裝置主要由顯示屏、開關(guān)機(jī)鍵、REC/進(jìn)入鍵、鎖定/退出鍵、MODE/上翻/校零鍵、功能鍵/量程鍵/下翻鍵、輸出鍵/計(jì)時(shí)鍵、設(shè)置鍵/存儲(chǔ)鍵、支架、電池盒、電池盒螺絲、支架固定螺絲、pH/ORP電極（BNC）接口、探頭等組成。

3、工作原理

3.1 PH/ORP測(cè)量原理：

PH值是溶液酸堿度的量化單位，是泡沫滅火劑監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一，電位測(cè)量法主要是應(yīng)用電化學(xué)原理，將特定材料制成的電極與待測(cè)溶液產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，電極端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)大小與被測(cè)溶液中的H+離子濃度成一定關(guān)系，通過測(cè)量電極端電動(dòng)勢(shì)大小就可間接測(cè)量出溶液PH值。

由于溶液PH值與測(cè)量電極與參比電極之間的電勢(shì)差存在線性關(guān)系，與溶液溫度存在非線性關(guān)系。因此在使用復(fù)合電極精確測(cè)量溶液PH值時(shí)，通過溫度傳感器測(cè)量溶液的溫度值并設(shè)置溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能，保證了PH復(fù)合電極與參比電極之間的線性關(guān)系穩(wěn)定性。PH電極的Nerest方程：E=E0-2.3RT/F·pH也可知測(cè)量電位E與pH的線性關(guān)系。

3.2 電導(dǎo)率與TDS測(cè)量原理

電導(dǎo)G的大小是衡量溶液導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，電導(dǎo)越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電導(dǎo)率等于電導(dǎo)與電極常數(shù)的乘積，故測(cè)量溶液的電導(dǎo)率的方法就是測(cè)量其電導(dǎo)，然后再乘以電極常數(shù)就會(huì)得到電阻率。

TDS表示水中溶解性總固體含量，其值越大表示其固體含量越多，液體里包含的雜質(zhì)成分越多，導(dǎo)電率越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式TDS等于電導(dǎo)率乘以0.5至0.7之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此通過電導(dǎo)率以間接反映出TDS值，從而判斷泡沫滅火劑是否含有其他雜質(zhì)溶解物及其數(shù)量的多少。

4、便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

4.1. 信號(hào)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1.1主控 MCU

作為便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀的核心部件，主控 MCU 的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。目前單片機(jī)主要以 8 位、16 位和 32 位為主。本設(shè)計(jì)綜合考慮功能需求、功耗、開發(fā)成本、性價(jià)比等諸多因素，選定 AVR 系列的 ATmega16 作為信號(hào)采集系統(tǒng)的主控 MCU。該單片機(jī)具有高性能、高速度、低功耗的特點(diǎn)可以使溶解氧測(cè)量精度達(dá)到 0.1mg/L，電導(dǎo)率測(cè)量精度達(dá)到 0.01ms/cm，參數(shù)采集頻率滿足每秒鐘一次。

4.1.2信號(hào)采集接口電路

① 溫度信號(hào)采集接口電路

該信號(hào)采集系統(tǒng)采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，可直接輸入 ATmega16 進(jìn)行處理。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是一款單總線可編程智能溫度傳感器，僅需要一條 I/O 線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊，測(cè)溫范圍為-55℃-+125℃，測(cè)溫分辨率 0.0625℃，測(cè)量結(jié)果以 9～12 位數(shù)字量方式串行傳送。為了使 DS18B20 能準(zhǔn)確地完成溫度變換，選擇 VDD外接 5V 電源的供電方式。

② pH值、溶解氧、電導(dǎo)率信號(hào)采集接口電路

現(xiàn)有的 pH值、溶解氧和電導(dǎo)率傳感器電路均采用了三位半雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7126。在 pH 值信號(hào)采集接口電路中，pH 計(jì)的兩位譯碼信號(hào)的輸出引腳分別與ATmega16 的 PA 口和 PC 口連接，ATmega16通過 PD6 對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。

溶解氧的輸出信號(hào)有三位，比 pH 多了一位，因此將其三位的輸出信號(hào)引腳分別與 ATmega16 的 PA、PC、PB 口連接。ATmega16 通過 PA、PB、PC 口采集溶解氧輸出的七段譯碼信號(hào)，通過軟件判斷，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為溶解氧的數(shù)據(jù)。

電導(dǎo)率的信號(hào)采集接口電路與溶解氧基本一致，與溶解氧采集不同的是，電導(dǎo)率采集板將 ATmega16 的 PD2 接地，而溶解氧采集板將 ATmega16 的 PD5 接地。

4.1.3串行通信電路

為了將電導(dǎo)率、溶解氧的數(shù)據(jù)通過串行口送到主控 MCU，需要用多點(diǎn)串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的中繼傳遞，具體連接方式為：電導(dǎo)率采集板 MCU 的數(shù)據(jù)發(fā)送（TXD）與溶解氧采集板 MCU的數(shù)據(jù)接收（RXD）連接，溶解氧采集板 MCU 的 TXD 與主控 MCU的 RXD 連接。為保證串行口數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，各 MCU 必須共地，使低電平相同。主控 MCU 對(duì)溫度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)行顯示或者傳輸。

4.1.4 ?電源電路

本設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用同一個(gè)電源電路供電。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了無線射頻收發(fā)芯片，所以需要低噪聲、高電源紋波抑制比（PSRR）的電源輸出。

電源電路設(shè)計(jì)還需要考慮電源濾波等。電源輸出用大電容并聯(lián)一個(gè)小電容的方式構(gòu)成濾波電路，大容量的電容可以濾除紋波，改善瞬態(tài)響應(yīng)，0.1uF 的小電容可以將高頻雜波引入地，防止電源引線引入的高頻噪聲對(duì)單片機(jī)及其他電路構(gòu)成干擾。

4.2信號(hào)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為程序編寫和下載便捷，信號(hào)采集程序采用一個(gè)主程序，根據(jù)采集參數(shù)的不同分為電導(dǎo)率模式，溶解氧模式和 pH 模式，設(shè)置不同工作模式的入口。信號(hào)采集終端的單片機(jī) PD2 和 PD5 均不接地，溶解氧采集板的單片機(jī) PD5 接地;電導(dǎo)率采集板的單片機(jī) PD2 接地。單片機(jī)根據(jù) PD2 和 PD5是否接地判斷采集板的工作模式，從而進(jìn)入不同的子程序。在 pH 模式的子程序中，還包含對(duì)所有數(shù)據(jù)的處理，包括將數(shù)據(jù)進(jìn)行有線和無線傳輸以及送到 LCD 顯示。

4.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無線傳輸和顯示的兩種工作模式。在進(jìn)行便攜式應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用有線工作模式，將其與信號(hào)采集系統(tǒng)的單片機(jī)直接連接，就構(gòu)成便攜式的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng);當(dāng)加上 RF 無線模塊時(shí)，則可以構(gòu)成基于無線傳輸?shù)亩鄥?shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

5、結(jié)束語

在分析國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)便攜式多參數(shù)泡滅火劑性能檢測(cè)儀的信號(hào)采集與傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。本檢測(cè)裝置采用二次集成的方案，綜合利用溫度、pH、溶解氧和電導(dǎo)率等傳感器實(shí)現(xiàn)船舶消防系統(tǒng)用泡沫滅火劑多性能參數(shù)的信號(hào)采集，采用單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，通過液晶顯示屏對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，還根據(jù)應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)有線或無線傳輸。

作者簡(jiǎn)介：朱偉明（1972—），男，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)電設(shè)備及系統(tǒng)監(jiān)造、管理和質(zhì)量控制。