对Argo海洋观测浮标的故障机理分析

李强

摘  要：文章以海洋观测浮标作为研究对象，简要阐述Argo剖面浮标的总体结构和工作原理，针对浮标运行中常见的电池能量骤减、搁浅、传感器故障与马达倒转等故障成因及其解决方案进行详细分析，并基于LabVIEW开发环境进行传感器监测系统的设计，依托串口通信实现浮标故障的及时监测与报警，以期为极地等极端海洋环境下浮标系统的高效可靠运作提供参考，延长浮标的运行周期与服役寿命。

关键词：极地海洋;Argo浮标;压力传感器

中图分类号：P715.2        文献标志码：A         文章编号：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 浮标的总体结构与工作原理

1.1 总体结构

海洋观测浮标是为海洋科学与海上工程学提供温度、风浪、涌浪、风速、浪高、潮汐、温湿度、大气压力、波流流向等数据资料的海洋监测系统，主要分为有缆式、无缆式水下观测两种类型[1]。其中普通有缆式潜标在执行海洋观测任务时需在系缆沿线安放多个观测仪器，缺乏良好的灵活性、整体监测成本较高;而无缆式浮标可自主完成数据采集与记录，利用无线通讯技术提供多种传输方式，支持无限布设、电缆数量较少，具备良好的适用价值。以Argo浮标为例，该浮标主要由液压缸、真空泵、液压泵、电路板与电池组等元件组成，配合端盖、底盖、法兰、皮囊、壳体、夹子、密封圈、支撑架、减速电机等零部件组成浮标总体结构。浮标主要利用柱塞泵控制液压缸执行伸长或缩短操作，当推动液压缸伸长时，液压缸将带动浮标的内壳、外壳分离，增大浮标体积与浮力，使浮标上升;当液压缸缩短时，在内部真空负压与外部皮囊的拉力作用下将使浮标内外壳重合，致使浮标体积和浮力缩小。

1.2 工作原理

在浮标气泵的工作原理设计上，通常浮标在上升至海面后，将从顶部抽出气体、排至壳外，因此需选用单向阀、三通阀安装在气路的特定位置处，用于控制壳体内部与外部的通断。在油泵工作原理设计上，以微型直流电动机作为动力源，利用微型减速器调低电机转速、输出较大转矩，驱动滚珠丝杠带动活塞平移动，使活塞可推动高达1600N的力。

在浮标控制流程的设计上，首先开机，使浮标伸长外壳上浮，通过Argos卫星通讯;随后收缩外壳使浮标下潜，在预设深度处停留7-10d时间，再次收缩外壳下潜至2000m;伸长外壳至最大体积使浮标上浮，并执行剖面测量、存储数据，继续伸长外壳直至其上浮至海面;基于Argos卫星实行约6h的通信，在此过程中传输剖面测量环节获得的温、盐、深等数据;最后再收缩外壳使浮标下潜，重复上述操作完成下一个剖面测量，直至电池耗尽。

2 Argo浮标的故障机理及传感器监测系统设计

2.1 故障类型与成因

2.1.1 电池组能量损耗

电池组能量急剧减小、电压骤然下降是Argo浮标的常见故障类型，故障成因体现为电池组内部有一节或多节电池频繁断路，或电池内部阻抗急剧升高，导致电池组能量被大量损耗，浮标停止运行。

2.1.2 搁浅

浮标搁浅故障主要分为两种类型：其一是有泥沙进入浮标的皮囊外罩内，导致浮标重力增大、浮力下降，无法顺利上浮至海面;其二是浮标在岸上搁浅，多因近岸渔民捕捞行为导致浮标搁浅，失去工作能力。

2.1.3 传感器故障

通常浮标设计缺陷的发生概率较低，导致浮标出現故障的主要原因为压力传感器故障。通过观察某浮标最大压力值的时间序列分布特征可以发现，由该浮标第20个剖面起最大采样深度先后出现反常低值和反常高值，观察其第35个剖面可发现该浮标实际处于海面上，由此可判断故障原因为压力传感器出现异常。

2.1.4 马达倒转

马达倒转故障主要发生在浮标深度≥1600m的条件下，由于海水压强过大，导致浮标在下潜的过程中活塞回缩、马达开始倒转，马达内部形成反电压，对主板核心元件产生破坏作用，致使浮标受损、失去工作能力。

2.2 故障解决方案

2.2.1 能量源替换

在浮标下潜过程中，倘若碱性电池组中某一电池发生断路或内部阻抗骤升等故障，将加剧整体电池组的能量消耗，致使其工作寿命大幅缩短，失去正常工作能力。针对该故障问题进行处理，可采用以下两种解决方案：其一是将漂流深度由1500dbar调节至1000dbar，将剖面观测深度由2000dbar调节至1500dbar，避免电池组在高压强工况下产生突发故障;其二是将能量源替换为锂电池，引入分路二级管减少电池组能量损耗[2]。

2.2.2 调节浮标放置位置

为解决因泥沙侵入造成的浮标搁浅问题，可减少海洋浮标底部防护罩的孔洞数量，缓解泥沙入侵问题。针对因渔民捕捞作业造成的搁浅故障，应注意调节浮标投放的位置，选择远离大陆架的大洋深处进行浮标的投放。

2.2.3 更换传感器

针对因传感器性能差引发的浮标故障问题，可选用由美国SeaBird公司生产的高性能CTD传感器或国产的全海深CTD传感器，凭借开放式圆环电极电导率、薄片式温度传感器、高频高压压力传感器等新型结构，提高传感器的精度、响应速度与可靠性，降低传感器故障发生概率。

2.2.4 安装浮标主板

针对因海水压力增大导致浮标马达在外力作用下倒转的问题，可选用APF-8C型主板进行原主板的替换，利用Schottky二极管防止在马达倒转时产生反电压，解决此类故障问题。

2.3 系统改进设计

2.3.1 改进方案

通常浮标主要依靠液压系统控制完成上浮、下潜动作，利用柱塞泵将压力油注入皮囊内，使皮囊体积与浮标浮力增大，完成浮标上升动作，并且通过抽出压力油控制浮标下潜。考虑到液压系统在运行过程中需完成两次能量转换，倘若操作不当或液压装置未实现合理配置，易造成油温过热、系统失压等问题，难以有效控制浮标的上浮或下潜深度，因此需针对液压传动系统进行改进设计。在系统改进方案设计上，选取柱塞泵出口部位将节流阀与溢流阀进行并联，保障在出口位置形成恒压油源，油压保持恒定值;并联设计的节流阀和溢流阀能够产生两个并联左右的液阻，此时液压泵的流量输出保持不变，由液阻决定从节流阀流至液缸中的流量大小;通过调节节流阀的液阻，即可改变液压缸的流量及运行速度[3]。

2.3.2 应用效果

将装有改进后液压系统的浮标应用于海洋剖面循环探测中，观察其液压油路图可以发现，在减小浮标体积使其下潜后，操纵换向阀断电，使柱塞泵停止动作，在皮囊内压力与海水压强的共同作用下向浮标内腔注入液压油，操纵另一换向阀断电，使浮标内腔处于真空状态，在真空负压、海水压强与皮囊机械力的共同作用下使浮标下潜;待浮标下潜至预设深度后，在CTD传感器的控制下使换向阀通电、浮标内腔停止进油，此时浮标将在海底1000m左右深度处停滞，待一段时间后换向阀再次断电，液压油继续流入内腔中，使浮标继续下潜;待浮标下潜至海底2000m左右深度后，利用CTD传感器向换向阀发出信号，控制换向阀通电、内腔停止进油，此时浮标体积不再发生变化，即实现定深漂流。该方案主要具有以下两项应用优势：其一是通过将节流阀与溢流阀并联，使柱塞泵出口处的压力保持恒定值，避免因压力过大造成油温超标的问题，有效延长浮标的工作寿命;其二是确保皮囊稳定受油，精确测算皮囊注满油的耗时，实现对浮标下潛深度的有效预测。

2.4 基于LabVIEW的传感器监测系统

2.4.1 状态监测与故障诊断

在将液压系统改进设计的基础上，应完善浮标的状态检测与故障诊断功能设计，保障在故障发生前及时查明故障征兆、完成故障诊断，并依据检测结果作出决策。在此可采用解析模型方法建立数学模型，再现研究对象被诊断环节的状态，建立残差数列、识别故障信息，配合统计检验法完成建模，实现对故障的识别与分析，在此基础上利用过程参数估计法进行不同故障发生的统计特性检测及分类，运用数学方法实现对故障的实时诊断。

2.4.2 系统设计方案

采用LabVIEW软件建立传感器监测系统，实现以下三种功能：其一是串口通信功能，在下位机与上位机间建立通信关系;其二是数据显示功能，用于显示各类传感器的数值与图形，在超出限值后启动报警功能;其三是数据存储功能，将生成的测试结果以Excel文件的形式保存，便于后续进行数据查询与统计处理。

2.4.3 利用LabVIEW配置串口

在VISA配置串口控件的设计上，通过VISA资源名称控件指定插入的设备，完成设备的初始化，使其接收上位机LabVIEW发送的指令;在VISA写入控件的设计上，主要将写入缓冲区数据写入指定设备或接口中;在VISA读取控件的设计上，主要从设备或接口处获取到特定字节，并将数据返回;在VISA清空I/O缓冲区控件设计上，将指定的待刷新缓冲区按位合并、屏蔽，逻辑OR用于合并值，接收和传输缓冲区均用一个屏蔽值;在VISA关闭控件的设计上，主要用于将指定的设备事件句柄或事件对象进行关闭，完成一次数据采集过程[4]。

3 结束语

当前全球气候变暖、海平面上升使得极地海洋环境呈现出动态变化趋势，对于潜标观测系统、海洋监测浮标技术的研发创新提出了具体要求。在此还需结合浮标运行中常见的故障问题，采取针对性维修与处理方案，配合LabVIEW软件进行传感器监测系统的设计，提供实时监控与故障报警功能，更好地实现浮标故障的自动化诊断，提升其服役周期与观测效果，实现对北极海洋的全面观测。

参考文献：

[1]刘娜，邓小东，朱大勇，等.“十二五”北极海域物理海洋和海洋气象考察[J].中国科技成果，2018（13）：20-21.

[2]张少伟，杨文才，辛永智，等.浮标基海洋观测系统研究进展[J].科学通报，2019（Z2）：28-29.

[3]陈永华，刘庆奎，姜静波，等.海洋观测浮标体水中平衡性分析[J].海洋技术学报，2019（03）：45-50.

[4]吴丙伟，张颖颖，刘岩，等.基于大浮标的海洋放射性原位监测系统研究[J].海洋技术学报，2019（03）：51-58.