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(jì)量設(shè)備包含大量的電子元器件，對(duì)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(duì)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(yán)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(xì)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(yàn)箱中對(duì)電子式計(jì)量設(shè)備的運(yùn)行特性及失效機(jī)理進(jìn)行了研究，通過測(cè)量鹽霧試驗(yàn)箱中鹽霧沉降的液位高度確定鹽霧沉降率[4]。該試驗(yàn)存在一定的局限性，并不能完整地復(fù)現(xiàn)計(jì)量設(shè)備在真實(shí)鹽霧環(huán)境中的運(yùn)行特性及失效機(jī)理。傳統(tǒng)的鹽霧含量測(cè)量方法需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所用化學(xué)試劑也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染[5]。目前，針對(duì)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(dòng)測(cè)量的裝置。

為了實(shí)現(xiàn)海島鹽霧含量的自動(dòng)測(cè)量以及數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種海島鹽霧含量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在現(xiàn)有鹽霧含量測(cè)量方法基礎(chǔ)上[5]，采用氯離子傳感器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，建立氯離子含量與鹽霧濃度的模型計(jì)算出鹽霧的濃度，并通過基于ARM的嵌入式計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)測(cè)量裝置運(yùn)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(dòng)采集和測(cè)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(cè)鹽霧數(shù)據(jù)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)是一個(gè)集鹽霧數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和管理于一體的無人值守的測(cè)量系統(tǒng)，主要包括鹽霧自動(dòng)測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控室控制計(jì)算機(jī)3個(gè)部分。鹽霧自動(dòng)測(cè)量裝置安裝于海島環(huán)境測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過以太網(wǎng)和服務(wù)器連接，將鹽霧數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行操作，同時(shí)調(diào)取和存儲(chǔ)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(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)等功能。

2 鹽霧含量自動(dòng)測(cè)量方法

國標(biāo)法采集和測(cè)量分析的過程[5]均基于人工操作，很難通過簡(jiǎn)單的裝置和方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)進(jìn)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(jì)的測(cè)量腔，通過氯離子濃度傳感器測(cè)量吸收液中的氯離子濃度[6]。自動(dòng)測(cè)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(dòng)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(jì)測(cè)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(cè)：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(cè)量腔，氯離子傳感器檢測(cè)吸收液中的氯離子濃度。

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

5)裝置與傳感器自動(dòng)清洗：去離子水沖洗裝置和傳感器。

鹽霧含量計(jì)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(shí)間，min。

3 鹽霧自動(dòng)測(cè)量裝置

鹽霧自動(dòng)測(cè)量裝置由鹽霧自動(dòng)采集吸收、氯離子濃度測(cè)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(dòng)、連續(xù)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境鹽霧含量的測(cè)量。

圖1 鹽霧自動(dòng)測(cè)量裝置框圖

3.1 鹽霧自動(dòng)采集吸收設(shè)計(jì)

如圖2所示，吸收液由去離子水產(chǎn)生裝置產(chǎn)生并儲(chǔ)存于儲(chǔ)水桶中。需要注入吸收液時(shí)，由雙通道蠕動(dòng)泵將儲(chǔ)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(gè)吸收管。多孔玻板吸收管串聯(lián)組設(shè)計(jì)如圖3所示。裝置中選用的雙通道蠕動(dòng)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(zhǎng)，功耗低。吸收液注入完成后，即可啟動(dòng)氣泵，采集吸收鹽霧。所選氣泵為微型抽打氣泵，壽命長(zhǎng)，干擾低，配無刷電機(jī)，可以晝夜連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；免維護(hù)，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(dòng)測(cè)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(cè)量

設(shè)計(jì)了氯離子濃度測(cè)量腔用于安裝氯離子濃度傳感器，如圖4所示。測(cè)量腔具有2個(gè)注水孔，1個(gè)出水孔，并在腔體上端留有1個(gè)出氣小孔實(shí)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(cè)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(jì)等傳感器數(shù)據(jù)，可計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的鹽霧含量。

圖4 氯離子濃度測(cè)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(zhǔn)及自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。量程范圍?1.7～35500)×10-6。所選氣體流量計(jì)為3mm管徑的低速氣流的流量計(jì)，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(jì)

數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(chǔ)、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(jì)算機(jī)基于400MHz主頻RISC架構(gòu)工業(yè)級(jí)ARM9處理器，支持2個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)、8個(gè)串行通信接口。該計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(shí)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(jí)繼電器控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)繼電器均具有閃開閃斷功能。嵌入式計(jì)算機(jī)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(jì)、液位開關(guān)等通信。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)與測(cè)量裝置的通信，能夠遠(yuǎn)程采集鹽霧測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量裝置的狀態(tài)[8]。用戶可以通過人機(jī)界面操作查詢歷史數(shù)據(jù)、向下位機(jī)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量裝置的遠(yuǎn)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(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)，并向測(cè)量裝置發(fā)送控制指令。

2)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與顯示：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示于主界面，并存儲(chǔ)至服務(wù)器中。

3)監(jiān)控與預(yù)警：后臺(tái)程序根據(jù)測(cè)量裝置返回?cái)?shù)據(jù)，分析測(cè)量裝置工作狀態(tài)與測(cè)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(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)測(cè)量裝置運(yùn)行故障時(shí)，人機(jī)界面顯示預(yù)警，并提供按鈕操作關(guān)閉或重啟測(cè)量裝置。

4)數(shù)據(jù)查詢：用戶在人機(jī)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(tái)程序，前端完成主頁面、數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)控預(yù)警三個(gè)頁面布局，后臺(tái)程序完成與測(cè)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(cè)試與實(shí)際運(yùn)行

將系統(tǒng)與國標(biāo)法裝置置于同一環(huán)境中，同時(shí)采集吸收鹽霧，進(jìn)行多次測(cè)量。如表1所示，兩者測(cè)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(biāo)定誤差。

表1 2種裝置測(cè)量結(jié)果對(duì)比

將系統(tǒng)安裝于福建省莆田市湄洲島電能計(jì)量設(shè)備典型環(huán)境聯(lián)合試驗(yàn)基地，并投入調(diào)試運(yùn)行，性能達(dá)到了預(yù)期效果。開啟監(jiān)控計(jì)算機(jī)和測(cè)量裝置進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控軟件通過良好的人機(jī)交互形式顯示裝置的運(yùn)行狀態(tài)、測(cè)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(jì)了海島鹽霧含量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)無人值守情況下的鹽霧含量自動(dòng)測(cè)量。系統(tǒng)在國標(biāo)鹽霧含量測(cè)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(shí)現(xiàn)了環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的鹽霧含量測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量過程，大幅提高了測(cè)量效率，適用于試驗(yàn)基地的海島環(huán)境。通過實(shí)地調(diào)試運(yùn)行，證明了系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于電能計(jì)量設(shè)備的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，提高了鹽霧含量測(cè)量的便捷性，大幅縮減了開支，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。

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