海島鹽霧含量自動測量系統設計*

張 穎， 周 洋， 曹 舒， 陳 慧， 葉凌云

(1.國網福建省電力有限公司，福建 福州 350007；2.浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

新興計量設備包含大量的電子元器件，對環境的要求和耐受程度差異較大。福建省島嶼眾多，海島的大氣環境對海島區域設施設備、尤其是電工電子設備的影響非常嚴重。在高濕熱的海洋大氣環境下，極易產生一種含有鹽成分的微細液滴分散于大氣之中構成了彌撒系統—鹽霧[1,2]。鹽霧是在環境中使儀器、設備產生腐蝕的重要因素[3]。目前，國內僅在環境影響試驗箱中對電子式計量設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，并不能完整地復現計量設備在真實鹽霧環境中的運行特性及失效機理。傳統的鹽霧含量測量方法需要人工現場操作，費時費力，所用化學試劑也會對環境造成一定污染[5]。目前，針對海島高鹽霧的典型環境，并沒有成形的能夠實現鹽霧自動測量的裝置。

為了實現海島鹽霧含量的自動測量以及數據的在線監測，本文設計了一種海島鹽霧含量自動測量系統，在現有鹽霧含量測量方法基礎上[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，獲取傳感器數據，完成了沿海環境空氣鹽霧含量自動采集和測量。系統通過以太網和服務器使用戶可以便捷、直觀地監測鹽霧數據并對設備進行相應操作。

1 系統總體架構

系統是一個集鹽霧數據采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的測量系統，主要包括鹽霧自動測量裝置、數據庫服務器、監控室控制計算機3個部分。鹽霧自動測量裝置安裝于海島環境測量現場，通過以太網和服務器連接，將鹽霧數據儲存在服務器數據庫中，客戶端監控軟件通過以太網可以對測量裝置進行操作，同時調取和存儲服務器中的數據。監控軟件提供數據顯示、歷史數據查詢、裝置運行狀態檢測等功能。

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自動化。本文采用2組多孔玻板串聯，在現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出。吸收鹽霧的吸收液流入設計的測量腔，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：去離子水產生裝置產生去離子水，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、濕度和氣壓數據。

3)傳感器檢測：將多孔玻板吸收管串聯組中的吸收液導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據并計算鹽霧含量，上傳至服務器。

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據采集和控制系統等部分組成，如圖1所示，能夠自動、連續、準確地實現對試驗基地現場環境鹽霧含量的測量。

圖1 鹽霧自動測量裝置框圖

3.1 鹽霧自動采集吸收設計

如圖2所示，吸收液由去離子水產生裝置產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組中的2個吸收管。多孔玻板吸收管串聯組設計如圖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，可以晝夜連續運轉；免維護，不污染傳輸，允許介質富含水汽，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組

3.2 氯離子濃度測量

設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個出氣小孔實現腔體內外的氣壓平衡。多孔玻板吸收管串聯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據，結合氣體流量計等傳感器數據，可計算出現場環境中的鹽霧含量。

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，完成氯離子數據采集、校準及自動溫度補償等功能。量程范圍為(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據，全量程穩定性高、精度高，重復性好，最大流量為5L/min。

3.3 數據采集和控制系統設計

數據采集和控制系統基于嵌入式系統設計[7]，主要功能包括數據采樣、數據處理、數據存儲、數據傳輸、系統控制等部分。整體架構如圖5所示。

圖5 數據采集和控制系統架構

系統選用的嵌入式計算機基于400MHz主頻RISC架構工業級ARM9處理器，支持2個工業以太網、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，內嵌128MB高速SDRAM和256MB Flash存儲器，并采用Linux3.6嵌入式操作系統，可以高效、開放地完成應用程序開發。串行通信接口分別和各傳感器以及繼電器控制模塊通信，實現傳感器數據采集和繼電器開關控制。選用工業級繼電器控制模塊實現對電磁閥、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、液位開關等通信。

4 監控軟件設計

監控軟件為PC端應用軟件，主要用于系統控制操作和數據采集分析。軟件通過網口實現與測量裝置的通信，能夠遠程采集鹽霧測量數據，對測量結果進行存儲，并實時監控測量裝置的狀態[8]。用戶可以通過人機界面操作查詢歷史數據、向下位機發送控制指令，實現對測量裝置的遠距離監控功能。軟件的主要功能為：

1)通信：通過以太網接收測量裝置的測量數據，并向測量裝置發送控制指令。

2)數據采集存儲與顯示：對測量數據進行處理，將測量結果實時顯示于主界面，并存儲至服務器中。

3)監控與預警：后臺程序根據測量裝置返回數據，分析測量裝置工作狀態與測量部件開關狀態。在界面上以文字圖形等形式顯示系統運行狀態，當測量裝置運行故障時，人機界面顯示預警，并提供按鈕操作關閉或重啟測量裝置。

4)數據查詢：用戶在人機界面輸入查詢條件，軟件訪問服務器，返回歷史數據，并提供文件導出功能。

監控軟件程序結構分為前端程序和后臺程序，前端完成主頁面、數據查詢、監控預警三個頁面布局，后臺程序完成與測量裝置的通信和與數據庫的數據交互功能。

5 系統測試與實際運行

將系統與國標法裝置置于同一環境中，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種裝置測量結果對比

將系統安裝于福建省莆田市湄洲島電能計量設備典型環境聯合試驗基地，并投入調試運行，性能達到了預期效果。開啟監控計算機和測量裝置進入正常運行狀態，監控軟件通過良好的人機交互形式顯示裝置的運行狀態、測量結果等信息。顯示界面和數據庫數據如圖6所示。

圖6 監控軟件界面

6 結束語

設計了海島鹽霧含量自動測量系統，實現了環境現場無人值守情況下的鹽霧含量自動測量。系統在國標鹽霧含量測量方法的基礎上，基于ARM嵌入式技術，利用氯離子濃度傳感器和以太網，實現了環境現場的鹽霧含量測量，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境。通過實地調試運行，證明了系統可以很好地應用于電能計量設備的環境監測中，提高了鹽霧含量測量的便捷性，大幅縮減了開支，同時具有良好的穩定性。

[1] 巫銘禮.自然界中的鹽霧[J].環境技術,1993(4):3-8.

[2] 徐國葆.我國沿海大氣中鹽霧含量與分布[J].環境技術,1994(3):1-7.

[3] 陸家樂，孫立軍，邱福來.大氣鹽霧與電子產品鹽霧試驗[J].電子產品可靠性與環境試驗,2009(4):23-26.

[4] 于 雷.鹽霧沉降率高精度測量技術研究[D].長春：長春理工大學,2014.

[5] 中國電器科學研究院有限公司,中國船舶重工集團公司第七〇四研究所.GB/T10593.2—2012,電工電子產品環境參數測量方法第2部分：鹽霧[S].

[6] 張 雁.氯離子選擇性電極法測定水中氯化物[J].環境保護，1994(1):30-32.

[7] 章國寶,萬 林,黃永明,等.基于B/S的電梯安全監控裝置檢測系統[J].傳感器與微系統,2017,36(2):121-123.

[8] 張國軍,鄭麗媛.張 俊.基于物聯網的瓦斯監控系統[J].傳感器與微系統,2013,32(1):125-127．