張克銳，林金表，蔡振雄

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

國際海洋貨運(yùn)事業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也給海洋帶來嚴(yán)重的污染．對(duì)此，國際海事組織IMO以及各國政府對(duì)艙底水的排放做出了相應(yīng)的規(guī)定，分別簽訂《1973年國際防止船舶污染公約》 (簡稱MARPOL73)和《關(guān)于1973年國際防止船舶污染公約的1978年議定書》(簡稱MARPOL78)，相關(guān)規(guī)定要求400 t以上的船舶必須裝有油水分離裝置以及經(jīng)油水分離以后排放入海的混合物的含油量不超過1.5×10－5．水中油分檢測(cè)儀是船舶排污設(shè)備的重要組成部分，用于艙底水含油濃度的檢測(cè)．

目前用于檢測(cè)水中含油濃度的方法主要有紅外分光光度法[1]、紫外分光光度法[2]、熒光法[3]、紅外散射法等．紅外以及紫外分光度法需要通過溶劑萃取得到含油濃度，準(zhǔn)確度相對(duì)較高，但適合實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)而不適宜于船舶使用．熒光法是利用紫外光源激發(fā)水中油分子，從而產(chǎn)生熒光，缺點(diǎn)是受外部干擾較大．以上這些方法都不太適宜于船舶．含油濃度的檢測(cè)在船舶上多采用紅外散射法以及紅外散射、紅外透射相結(jié)合的方法．

本文采用紅外散射與紅外透射相結(jié)合的方法研制適宜于船舶使用的傳感器，獨(dú)特的雙通道設(shè)計(jì)可在出現(xiàn)溫漂和零漂時(shí)保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并根據(jù)IEEE1451.2的標(biāo)準(zhǔn)將其設(shè)計(jì)成智能油分濃度檢測(cè)儀．

1 硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

船用油分濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器 (分為發(fā)射和接收部分組成)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、符合IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的電子表格TEDS和與外部網(wǎng)絡(luò)相連的標(biāo)準(zhǔn)TII接口組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System diagram

系統(tǒng)采用兩條入射光通道和兩個(gè)受光傳感器，并利用電子開關(guān)來選擇受光傳感器的信號(hào)．當(dāng)入射光1工作時(shí)，受光傳感器1接收透射光線，受光傳感器2接收散射光線;當(dāng)入射光2工作時(shí)，則剛好相反．發(fā)生零漂或者溫漂等外部環(huán)境影響時(shí)，兩條入射光通道的設(shè)計(jì)可以保證檢測(cè)準(zhǔn)確．

1.2 傳感器的選擇

當(dāng)艙底水經(jīng)過油水分離器后，乳化過的水中的油粒子直徑遠(yuǎn)小于光的波長，所以可以利用瑞利散射以及比爾定律來檢測(cè)水中含油濃度．當(dāng)發(fā)射光束入射采樣水時(shí)，油分子吸收紅外光能量從而使光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，散射出一個(gè)波長較長的光;當(dāng)入射光波長遠(yuǎn)離散射粒子的吸收帶時(shí)，可以不考慮光的吸收;當(dāng)粒子極小，可以不考慮光的反射，此時(shí)光的能量與水中油分子濃度成正比[4－5]．當(dāng)散射光強(qiáng)I散增大時(shí)，透射光強(qiáng)I透相應(yīng)減弱，反之亦然．由此可以得出混濁水中的油分濃度:P=CI透/I散．其中:I散為散射光強(qiáng)度;I透為透射光強(qiáng)度;C為常量，其值由電路設(shè)計(jì)確定．

紅外二極管EL－1KL3的輸出波長在900～1000 nm之間，而油分子在這個(gè)波長范圍吸收的峰值為0.2 nm，遠(yuǎn)離散射粒子的吸收帶，符合混濁水中的油分濃度的測(cè)量公式，所以選取EL－1KL3的紅外二級(jí)管作為入射光線，ST－1K3A光敏三極管作為受光傳感器．

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路也分為發(fā)射光部分與受光部分．發(fā)射光部分采用振蕩的方式將紅外發(fā)射信號(hào)調(diào)制成交流信號(hào)，如圖3所示．電路由反相器CD4069和電容、電阻等器件構(gòu)成．電路的振蕩頻率f由電容C1和電阻R2的值決定，即f=1/(2.2RC)，其中R為R2的阻值，C為C1的電容值．電阻R1起保護(hù)作用，所以R1的值要遠(yuǎn)大于R2的值．這種方式不僅可以減小電路對(duì)信號(hào)的干擾，而且可以降低受光電路的前置放大電路的性能要求．一般來說，同直流放大器相比，交流放大器的穩(wěn)定性高，零點(diǎn)漂移小，受電源電壓的波動(dòng)、溫度、老化的影響小．

受光部分的電路主要是指電子開關(guān)后面的部分電路，其中包括放大電路和濾波電路，放大電路采用儀表放大電路，該電路對(duì)微小信號(hào)非常敏感，并且有很強(qiáng)的共模抑制能力．因?yàn)樯⑸涔庀鄬?duì)于透射光電流強(qiáng)度來說還是比較微小的，所以，在放大散射光信號(hào)時(shí)，要比透射光信號(hào)多一級(jí)放大，或者放大倍數(shù)要比透射光時(shí)高．

在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換之前必須將調(diào)制放大后的信號(hào)通過濾波器．濾波器將選中頻率內(nèi)的信號(hào)放大，而將其他頻率內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行衰減，提高信道的信噪比．經(jīng)過濾波后的方波信號(hào)整流成直流信號(hào)．在放大電路中間和整流信號(hào)后也需要添加一些濾波電路．本文采用linear公司的十階低通濾波器LTC1569處理來自電源或者外部的干擾，提高讀取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性．

圖2 發(fā)射電路圖Fig.2 Emission circuit

A/D轉(zhuǎn)換電路采用AD公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADuc812．ADuc812內(nèi)有一個(gè)8051兼容的微處理器，8K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器flash/EE，640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器flash/EE，256字節(jié)的RAM，多達(dá)32根可編程的輸入/輸出線，一個(gè)SPI串行輸入/輸出口，兩個(gè)DAC和一個(gè)8通道12位的ADC．640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于TEDS的存儲(chǔ)，SPI口和輸入/輸出的組合構(gòu)成了TII的接口，內(nèi)置8051的嵌入作為核心處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]．

2 軟件方案

2.1 軟件系統(tǒng)流程

該檢測(cè)儀的整個(gè)軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示．油分濃度檢測(cè)儀的雙入射光通道的設(shè)計(jì)檢測(cè)通過8051微處理器來完成．檢測(cè)開始時(shí)，進(jìn)入初始化程序，利用自檢電路檢測(cè)除傳感器外的工作電路是否正常．首先開啟入射光1通道，利用電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換分別獲取透射和散射的光量，從而得到水中油的濃度P1;其次把入射光1通道關(guān)閉，入射光2通道打開得到P2;最后由微處理器計(jì)算平均值得出油分濃度P．如果P大于等于水中油分濃度的設(shè)定值，則進(jìn)行報(bào)警，否則打開開關(guān)閥，并記錄數(shù)據(jù)．

2.2 IEEE1451.2接口標(biāo)準(zhǔn)

IEEE1451智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)由國際電子電氣工程師協(xié)會(huì)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局共同推出，以解決各公司不同傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)而帶來的困難[7]．IEEE1451智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，使得傳感器設(shè)計(jì)獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線，為傳感器接口問題提供了解決方案．IEEE1451將智能傳感器分為網(wǎng)絡(luò)適配模塊(NCAP)和智能變送器模塊 (STIM)．NCAP模塊主要運(yùn)用與以太網(wǎng)相連接，所以在改模塊中需要嵌入一定的通信協(xié)議．STIM模塊的成功之處在于變送器電子數(shù)據(jù)表格 (TEDS)．TEDS不僅為傳感器提供自我標(biāo)識(shí)能力，而且較好地解決傳感器自動(dòng)校正難題．在TEDS中設(shè)計(jì)有Calibration TEDS，可隨時(shí)供傳感器對(duì)每個(gè)通道原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正運(yùn)算．而且，可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)指定傳感器讀寫TEDS數(shù)據(jù)，了解前一次校正時(shí)間等等．這些功能對(duì)于傳感器的維護(hù)及診斷具有突出的價(jià)值[8]．

IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)接口的加入，不僅可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，而且更加方便船員的管理和海事部門的監(jiān)管．船員在控制室內(nèi)就可以完成艙底水的排放，海事部門可以通過系統(tǒng)自動(dòng)記錄的排放信息監(jiān)管船員的操作，避免船員在不通過油分濃度計(jì)的檢測(cè)時(shí)，亂排污水的現(xiàn)象．

船用智能油分濃度檢測(cè)儀采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的思路，可以方便地與船舶其他檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，如監(jiān)控船舶柴油機(jī)性能的傳感器可以一體化的加入數(shù)據(jù)表格 (TEDS)，并通過網(wǎng)絡(luò)適配模塊NCAP與上位機(jī)或者外網(wǎng)進(jìn)行連接，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的集中管理與應(yīng)用．

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System flow chart

3 結(jié)束語

采用雙入射通道相互切換的方法研制了一種新型船用油分濃度檢測(cè)儀，提高了油分濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性．IEEE1451智能接口的嵌入，不僅有自我識(shí)別和自我矯正的能力，而且保存了每次檢測(cè)的數(shù)據(jù)，為海事部門對(duì)船舶的排放監(jiān)管提供便利．該檢測(cè)儀加強(qiáng)了對(duì)船舶艙底水的排放檢測(cè)與管理，有利于海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)．

[1]吳天一．紅外分光光度法改進(jìn)后測(cè)定廢水中總油類 [J]．環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2011，31(12):67-68．

[2]龐艷華，丁永生，公維民．紫外分光光度法測(cè)定水中油含量 [J]．大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28(4):68-71．

[3]張傳勝．新型水中油在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]．光機(jī)電信息，2010，27(8):57-60．

[4]陸寶根．光電器件與油份濃度監(jiān)測(cè)技術(shù) [J]．航海技術(shù)，1996(2):39-42．

[5]李錦瑜，曾道剛．瑞利散射公式討論 [J]．大學(xué)化學(xué)，1992，2(7):58-60．

[6]童利標(biāo)，徐科軍，梅濤．智能傳感器接口模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22(S2):182-184．

[7]IEEE．Standard1451.2－1997，A Smart Transducer Interface or Sensors and Actuators－Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats[S]．1997．

[8]陳向群，郭以述．IEEE1451智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)研究 [J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(S3):9-11．