海岛盐雾含量自动测量系统设计*

张 颖， 周 洋， 曹 舒， 陈 慧， 叶凌云

(1.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350007；2.浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

新兴计量设备包含大量的电子元器件，对环境的要求和耐受程度差异较大。福建省岛屿众多，海岛的大气环境对海岛区域设施设备、尤其是电工电子设备的影响非常严重。在高湿热的海洋大气环境下，极易产生一种含有盐成分的微细液滴分散于大气之中构成了弥撒系统—盐雾[1,2]。盐雾是在环境中使仪器、设备产生腐蚀的重要因素[3]。目前，国内仅在环境影响试验箱中对电子式计量设备的运行特性及失效机理进行了研究，通过测量盐雾试验箱中盐雾沉降的液位高度确定盐雾沉降率[4]。该试验存在一定的局限性，并不能完整地复现计量设备在真实盐雾环境中的运行特性及失效机理。传统的盐雾含量测量方法需要人工现场操作，费时费力，所用化学试剂也会对环境造成一定污染[5]。目前，针对海岛高盐雾的典型环境，并没有成形的能够实现盐雾自动测量的装置。

为了实现海岛盐雾含量的自动测量以及数据的在线监测，本文设计了一种海岛盐雾含量自动测量系统，在现有盐雾含量测量方法基础上[5]，采用氯离子传感器进行自动测量，建立氯离子含量与盐雾浓度的模型计算出盐雾的浓度，并通过基于ARM的嵌入式计算机自动控制整个测量装置运行，获取传感器数据，完成了沿海环境空气盐雾含量自动采集和测量。系统通过以太网和服务器使用户可以便捷、直观地监测盐雾数据并对设备进行相应操作。

1 系统总体架构

系统是一个集盐雾数据采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的测量系统，主要包括盐雾自动测量装置、数据库服务器、监控室控制计算机3个部分。盐雾自动测量装置安装于海岛环境测量现场，通过以太网和服务器连接，将盐雾数据储存在服务器数据库中，客户端监控软件通过以太网可以对测量装置进行操作，同时调取和存储服务器中的数据。监控软件提供数据显示、历史数据查询、装置运行状态检测等功能。

2 盐雾含量自动测量方法

国标法采集和测量分析的过程[5]均基于人工操作，很难通过简单的装置和方法实现自动化。本文采用2组多孔玻板串联，在现有的多孔玻板吸收管上增加了一个进水口和出水口，使吸收液更容易注入和导出。吸收盐雾的吸收液流入设计的测量腔，通过氯离子浓度传感器测量吸收液中的氯离子浓度[6]。自动测量步骤为：

1)吸收液注入：去离子水产生装置产生去离子水，蠕动泵将去离子水分别定量注入多孔玻板吸收管串联组。

2)盐雾样品采集：气泵抽气采集盐雾样本；气体流量计测量样本体积；温湿度气压传感器采集温度、湿度和气压数据。

3)传感器检测：将多孔玻板吸收管串联组中的吸收液导入氯离子浓度测量腔，氯离子传感器检测吸收液中的氯离子浓度。

4)盐雾含量计算：嵌入式计算机采集各传感器数据并计算盐雾含量，上传至服务器。

5)装置与传感器自动清洗：去离子水冲洗装置和传感器。

盐雾含量计算公式为

(1)

式中Sc为盐雾含量，mg/m3；[Cl-]为样品溶液氯离子浓度，mg/L；V为样品溶液总体积，mL；Q为气泵抽气流速，L/min；t为采样时间，min。

3 盐雾自动测量装置

盐雾自动测量装置由盐雾自动采集吸收、氯离子浓度测量以及数据采集和控制系统等部分组成，如图1所示，能够自动、连续、准确地实现对试验基地现场环境盐雾含量的测量。

图1 盐雾自动测量装置框图

3.1 盐雾自动采集吸收设计

如图2所示，吸收液由去离子水产生装置产生并储存于储水桶中。需要注入吸收液时，由双通道蠕动泵将储水桶中的去离子水分别注入多孔玻板吸收管串联组中的2个吸收管。多孔玻板吸收管串联组设计如图3所示。装置中选用的双通道蠕动泵可以以固定流速输出吸收液，可以通过串行通信接口控制启停、方向和速度，使用寿命长，功耗低。吸收液注入完成后，即可启动气泵，采集吸收盐雾。所选气泵为微型抽打气泵，寿命长，干扰低，配无刷电机，可以昼夜连续运转；免维护，不污染传输，允许介质富含水汽，且允许抽取腐蚀性气体，满足装置需求。

图2 自动测量装置示意

图3 多孔玻板吸收管串联组

3.2 氯离子浓度测量

设计了氯离子浓度测量腔用于安装氯离子浓度传感器，如图4所示。测量腔具有2个注水孔，1个出水孔，并在腔体上端留有1个出气小孔实现腔体内外的气压平衡。多孔玻板吸收管串联组中的吸收液依靠重力流入氯离子浓度测量腔中，并将氯离子传感器的敏感电极浸没。读取氯离子传感器数据，结合气体流量计等传感器数据，可计算出现场环境中的盐雾含量。

图4 氯离子浓度测量腔

选用的氯离子浓度传感器采用高精度氯离子电极，通过串行接口通信，完成氯离子数据采集、校准及自动温度补偿等功能。量程范围为(1.7～35500)×10-6。所选气体流量计为3mm管径的低速气流的流量计，通过串行通信接口传输数据，全量程稳定性高、精度高，重复性好，最大流量为5L/min。

3.3 数据采集和控制系统设计

数据采集和控制系统基于嵌入式系统设计[7]，主要功能包括数据采样、数据处理、数据存储、数据传输、系统控制等部分。整体架构如图5所示。

图5 数据采集和控制系统架构

系统选用的嵌入式计算机基于400MHz主频RISC架构工业级ARM9处理器，支持2个工业以太网、8个串行通信接口。该计算机采用高性能、低功耗、小体积的ARM9处理器，内嵌128MB高速SDRAM和256MB Flash存储器，并采用Linux3.6嵌入式操作系统，可以高效、开放地完成应用程序开发。串行通信接口分别和各传感器以及继电器控制模块通信，实现传感器数据采集和继电器开关控制。选用工业级继电器控制模块实现对电磁阀、泵等控制。模块中的16路继电器输出触电容量为250VAC10A/30VDC10A。通信接口为RS—485，每个继电器均具有闪开闪断功能。嵌入式计算机通过RS—485串行总线分别与继电器控制模块、氯离子传感器、温湿度气压传感器、气体流量计、液位开关等通信。

4 监控软件设计

监控软件为PC端应用软件，主要用于系统控制操作和数据采集分析。软件通过网口实现与测量装置的通信，能够远程采集盐雾测量数据，对测量结果进行存储，并实时监控测量装置的状态[8]。用户可以通过人机界面操作查询历史数据、向下位机发送控制指令，实现对测量装置的远距离监控功能。软件的主要功能为：

1)通信：通过以太网接收测量装置的测量数据，并向测量装置发送控制指令。

2)数据采集存储与显示：对测量数据进行处理，将测量结果实时显示于主界面，并存储至服务器中。

3)监控与预警：后台程序根据测量装置返回数据，分析测量装置工作状态与测量部件开关状态。在界面上以文字图形等形式显示系统运行状态，当测量装置运行故障时，人机界面显示预警，并提供按钮操作关闭或重启测量装置。

4)数据查询：用户在人机界面输入查询条件，软件访问服务器，返回历史数据，并提供文件导出功能。

监控软件程序结构分为前端程序和后台程序，前端完成主页面、数据查询、监控预警三个页面布局，后台程序完成与测量装置的通信和与数据库的数据交互功能。

5 系统测试与实际运行

将系统与国标法装置置于同一环境中，同时采集吸收盐雾，进行多次测量。如表1所示，两者测量结果基本保持一致，存在一定误差。误差可能来源于传感器的标定误差。

表1 2种装置测量结果对比

将系统安装于福建省莆田市湄洲岛电能计量设备典型环境联合试验基地，并投入调试运行，性能达到了预期效果。开启监控计算机和测量装置进入正常运行状态，监控软件通过良好的人机交互形式显示装置的运行状态、测量结果等信息。显示界面和数据库数据如图6所示。

图6 监控软件界面

6 结束语

设计了海岛盐雾含量自动测量系统，实现了环境现场无人值守情况下的盐雾含量自动测量。系统在国标盐雾含量测量方法的基础上，基于ARM嵌入式技术，利用氯离子浓度传感器和以太网，实现了环境现场的盐雾含量测量，简化了测量过程，大幅提高了测量效率，适用于试验基地的海岛环境。通过实地调试运行，证明了系统可以很好地应用于电能计量设备的环境监测中，提高了盐雾含量测量的便捷性，大幅缩减了开支，同时具有良好的稳定性。

[1] 巫铭礼.自然界中的盐雾[J].环境技术,1993(4):3-8.

[2] 徐国葆.我国沿海大气中盐雾含量与分布[J].环境技术,1994(3):1-7.

[3] 陆家乐，孙立军，邱福来.大气盐雾与电子产品盐雾试验[J].电子产品可靠性与环境试验,2009(4):23-26.

[4] 于 雷.盐雾沉降率高精度测量技术研究[D].长春：长春理工大学,2014.

[5] 中国电器科学研究院有限公司,中国船舶重工集团公司第七〇四研究所.GB/T10593.2—2012,电工电子产品环境参数测量方法第2部分：盐雾[S].

[6] 张 雁.氯离子选择性电极法测定水中氯化物[J].环境保护，1994(1):30-32.

[7] 章国宝,万 林,黄永明,等.基于B/S的电梯安全监控装置检测系统[J].传感器与微系统,2017,36(2):121-123.

[8] 张国军,郑丽媛.张 俊.基于物联网的瓦斯监控系统[J].传感器与微系统,2013,32(1):125-127．