對Argo海洋觀測浮標的故障機理分析

李強

摘? 要：文章以海洋觀測浮標作為研究對象，簡要闡述Argo剖面浮標的總體結構和工作原理，針對浮標運行中常見的電池能量驟減、擱淺、傳感器故障與馬達倒轉等故障成因及其解決方案進行詳細分析，并基于LabVIEW開發環境進行傳感器監測系統的設計，依托串口通信實現浮標故障的及時監測與報警，以期為極地等極端海洋環境下浮標系統的高效可靠運作提供參考，延長浮標的運行周期與服役壽命。

關鍵詞：極地海洋;Argo浮標;壓力傳感器

中圖分類號：P715.2? ? ? ? 文獻標志碼：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 浮標的總體結構與工作原理

1.1 總體結構

海洋觀測浮標是為海洋科學與海上工程學提供溫度、風浪、涌浪、風速、浪高、潮汐、溫濕度、大氣壓力、波流流向等數據資料的海洋監測系統，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在執行海洋觀測任務時需在系纜沿線安放多個觀測儀器，缺乏良好的靈活性、整體監測成本較高;而無纜式浮標可自主完成數據采集與記錄，利用無線通訊技術提供多種傳輸方式，支持無限布設、電纜數量較少，具備良好的適用價值。以Argo浮標為例，該浮標主要由液壓缸、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、減速電機等零部件組成浮標總體結構。浮標主要利用柱塞泵控制液壓缸執行伸長或縮短操作，當推動液壓缸伸長時，液壓缸將帶動浮標的內殼、外殼分離，增大浮標體積與浮力，使浮標上升;當液壓缸縮短時，在內部真空負壓與外部皮囊的拉力作用下將使浮標內外殼重合，致使浮標體積和浮力縮小。

1.2 工作原理

在浮標氣泵的工作原理設計上，通常浮標在上升至海面后，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，用于控制殼體內部與外部的通斷。在油泵工作原理設計上，以微型直流電動機作為動力源，利用微型減速器調低電機轉速、輸出較大轉矩，驅動滾珠絲杠帶動活塞平移動，使活塞可推動高達1600N的力。

在浮標控制流程的設計上，首先開機，使浮標伸長外殼上浮，通過Argos衛星通訊;隨后收縮外殼使浮標下潛，在預設深度處停留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上浮，并執行剖面測量、存儲數據，繼續伸長外殼直至其上浮至海面;基于Argos衛星實行約6h的通信，在此過程中傳輸剖面測量環節獲得的溫、鹽、深等數據;最后再收縮外殼使浮標下潛，重復上述操作完成下一個剖面測量，直至電池耗盡。

2 Argo浮標的故障機理及傳感器監測系統設計

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浮標的常見故障類型，故障成因體現為電池組內部有一節或多節電池頻繁斷路，或電池內部阻抗急劇升高，導致電池組能量被大量損耗，浮標停止運行。

2.1.2 擱淺

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

2.1.3 傳感器故障

通常浮標設計缺陷的發生概率較低，導致浮標出現故障的主要原因為壓力傳感器故障。通過觀察某浮標最大壓力值的時間序列分布特征可以發現，由該浮標第20個剖面起最大采樣深度先后出現反常低值和反常高值，觀察其第35個剖面可發現該浮標實際處于海面上，由此可判斷故障原因為壓力傳感器出現異常。

2.1.4 馬達倒轉

馬達倒轉故障主要發生在浮標深度≥1600m的條件下，由于海水壓強過大，導致浮標在下潛的過程中活塞回縮、馬達開始倒轉，馬達內部形成反電壓，對主板核心元件產生破壞作用，致使浮標受損、失去工作能力。

2.2 故障解決方案

2.2.1 能量源替換

在浮標下潛過程中，倘若堿性電池組中某一電池發生斷路或內部阻抗驟升等故障，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調節至1000dbar，將剖面觀測深度由2000dbar調節至1500dbar，避免電池組在高壓強工況下產生突發故障;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 調節浮標放置位置

為解決因泥沙侵入造成的浮標擱淺問題，可減少海洋浮標底部防護罩的孔洞數量，緩解泥沙入侵問題。針對因漁民捕撈作業造成的擱淺故障，應注意調節浮標投放的位置，選擇遠離大陸架的大洋深處進行浮標的投放。

2.2.3 更換傳感器

針對因傳感器性能差引發的浮標故障問題，可選用由美國SeaBird公司生產的高性能CTD傳感器或國產的全海深CTD傳感器，憑借開放式圓環電極電導率、薄片式溫度傳感器、高頻高壓壓力傳感器等新型結構，提高傳感器的精度、響應速度與可靠性，降低傳感器故障發生概率。

2.2.4 安裝浮標主板

針對因海水壓力增大導致浮標馬達在外力作用下倒轉的問題，可選用APF-8C型主板進行原主板的替換，利用Schottky二極管防止在馬達倒轉時產生反電壓，解決此類故障問題。

2.3 系統改進設計

2.3.1 改進方案

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

2.3.2 應用效果

將裝有改進后液壓系統的浮標應用于海洋剖面循環探測中，觀察其液壓油路圖可以發現，在減小浮標體積使其下潛后，操縱換向閥斷電，使柱塞泵停止動作，在皮囊內壓力與海水壓強的共同作用下向浮標內腔注入液壓油，操縱另一換向閥斷電，使浮標內腔處于真空狀態，在真空負壓、海水壓強與皮囊機械力的共同作用下使浮標下潛;待浮標下潛至預設深度后，在CTD傳感器的控制下使換向閥通電、浮標內腔停止進油，此時浮標將在海底1000m左右深度處停滯，待一段時間后換向閥再次斷電，液壓油繼續流入內腔中，使浮標繼續下潛;待浮標下潛至海底2000m左右深度后，利用CTD傳感器向換向閥發出信號，控制換向閥通電、內腔停止進油，此時浮標體積不再發生變化，即實現定深漂流。該方案主要具有以下兩項應用優勢：其一是通過將節流閥與溢流閥并聯，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的問題，有效延長浮標的工作壽命;其二是確保皮囊穩定受油，精確測算皮囊注滿油的耗時，實現對浮標下潛深度的有效預測。

2.4 基于LabVIEW的傳感器監測系統

2.4.1 狀態監測與故障診斷

在將液壓系統改進設計的基礎上，應完善浮標的狀態檢測與故障診斷功能設計，保障在故障發生前及時查明故障征兆、完成故障診斷，并依據檢測結果作出決策。在此可采用解析模型方法建立數學模型，再現研究對象被診斷環節的狀態，建立殘差數列、識別故障信息，配合統計檢驗法完成建模，實現對故障的識別與分析，在此基礎上利用過程參數估計法進行不同故障發生的統計特性檢測及分類，運用數學方法實現對故障的實時診斷。

2.4.2 系統設計方案

采用LabVIEW軟件建立傳感器監測系統，實現以下三種功能：其一是串口通信功能，在下位機與上位機間建立通信關系;其二是數據顯示功能，用于顯示各類傳感器的數值與圖形，在超出限值后啟動報警功能;其三是數據存儲功能，將生成的測試結果以Excel文件的形式保存，便于后續進行數據查詢與統計處理。

2.4.3 利用LabVIEW配置串口

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

3 結束語

當前全球氣候變暖、海平面上升使得極地海洋環境呈現出動態變化趨勢，對于潛標觀測系統、海洋監測浮標技術的研發創新提出了具體要求。在此還需結合浮標運行中常見的故障問題，采取針對性維修與處理方案，配合LabVIEW軟件進行傳感器監測系統的設計，提供實時監控與故障報警功能，更好地實現浮標故障的自動化診斷，提升其服役周期與觀測效果，實現對北極海洋的全面觀測。

參考文獻：

[1]劉娜，鄧小東，朱大勇，等.“十二五”北極海域物理海洋和海洋氣象考察[J].中國科技成果，2018（13）：20-21.

[2]張少偉，楊文才，辛永智，等.浮標基海洋觀測系統研究進展[J].科學通報，2019（Z2）：28-29.

[3]陳永華，劉慶奎，姜靜波，等.海洋觀測浮標體水中平衡性分析[J].海洋技術學報，2019（03）：45-50.

[4]吳丙偉，張穎穎，劉巖，等.基于大浮標的海洋放射性原位監測系統研究[J].海洋技術學報，2019（03）：51-58.