一种船舶消防系统用泡沫灭火剂性能检测装置的设计

朱伟明　朱婕

摘要：在分析国内外技术现状的基础上，设计了便携式多参数泡沫灭火剂性能检测仪，利用该装置具有的温度、pH值、溶解氧和电导率等传感器实现了泡沫灭火剂性能的检测，并实现了检测信号的实时显示和无线传输。

关键词：泡沫灭火剂;PH值;电导率;溶解氧

1、前言

泡沫灭火剂是一种用于扑救非水溶性、水溶性可燃液体和一般固体火灾的消防药剂。目前，国内外泡沫灭火剂生产工艺及配方有所不同，产品质量参差不齐，为此，提供一种有效的泡沫灭火剂性能检测设备就显得非常必要。目前常规的泡沫灭火剂检测装置只是将单件测试仪器自由组合在一起，检测结果受环境温度因素等影响，且操作繁琐，故需对现有检测技术和检测手段做更进一步优化和改进。本文所述泡沫灭火剂性能检测装置主要是参考现行泡沫灭火剂标准而开发的泡沫灭火剂现场检测设备，提供设计先进，配置合理紧凑，功能齐全，操作简单，携带方便，结果精确的检测工具来监测所储存灭火剂质量状况，有效控制和保证灭火剂产品质量，较好地确保船舶人员生命和船舶安全。

2、装置组成

泡沫灭火剂性能检测装置主要由显示屏、开关机键、REC/进入键、锁定/退出键、MODE/上翻/校零键、功能键/量程键/下翻键、输出键/计时键、设置键/存储键、支架、电池盒、电池盒螺丝、支架固定螺丝、pH/ORP电极（BNC）接口、探头等组成。

3、工作原理

3.1 PH/ORP测量原理：

PH值是溶液酸碱度的量化单位，是泡沫灭火剂监测的重要指标之一，电位测量法主要是应用电化学原理，将特定材料制成的电极与待测溶液产生电化学反应，电极端产生电动势，电动势大小与被测溶液中的H+离子浓度成一定关系，通过测量电极端电动势大小就可间接测量出溶液PH值。

由于溶液PH值与测量电极与参比电极之间的电势差存在线性关系，与溶液温度存在非线性关系。因此在使用复合电极精确测量溶液PH值时，通过温度传感器测量溶液的温度值并设置温度自动补偿功能，保证了PH复合电极与参比电极之间的线性关系稳定性。PH电极的Nerest方程：E=E0-2.3RT/F·pH也可知测量电位E与pH的线性关系。

3.2 电导率与TDS测量原理

电导G的大小是衡量溶液导电能力的重要参数，电导越大，导电能力越强，电导率等于电导与电极常数的乘积，故测量溶液的电导率的方法就是测量其电导，然后再乘以电极常数就会得到电阻率。

TDS表示水中溶解性总固体含量，其值越大表示其固体含量越多，液体里包含的杂质成分越多，导电率越大。根据经验公式TDS等于电导率乘以0.5至0.7之间的数学关系，因此通过电导率以间接反映出TDS值，从而判断泡沫灭火剂是否含有其他杂质溶解物及其数量的多少。

4、便携式多参数水质检测仪的设计

4.1. 信号采集系统硬件设计

4.1.1主控 MCU

作为便携式多参数水质检测仪的核心部件，主控 MCU 的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。目前单片机主要以 8 位、16 位和 32 位为主。本设计综合考虑功能需求、功耗、开发成本、性价比等诸多因素，选定 AVR 系列的 ATmega16 作为信号采集系统的主控 MCU。该单片机具有高性能、高速度、低功耗的特点可以使溶解氧测量精度达到 0.1mg/L，电导率测量精度达到 0.01ms/cm，参数采集频率满足每秒钟一次。

4.1.2信号采集接口电路

① 温度信号采集接口电路

该信号采集系统采用DS18B20 数字温度传感器，其输出为标准的数字信号，可直接输入 ATmega16 进行处理。 DS18B20 数字温度传感器是一款单总线可编程智能温度传感器，仅需要一条 I/O 线即可实现与微处理器的双向通讯，测温范围为-55℃-+125℃，测温分辨率 0.0625℃，测量结果以 9～12 位数字量方式串行传送。为了使 DS18B20 能准确地完成温度变换，选择 VDD外接 5V 电源的供电方式。

② pH值、溶解氧、电导率信号采集接口电路

现有的 pH值、溶解氧和电导率传感器电路均采用了三位半双积分式 A/D 转换器 ICL7126。在 pH 值信号采集接口电路中，pH 计的两位译码信号的输出引脚分别与ATmega16 的 PA 口和 PC 口连接，ATmega16通过 PD6 对温度信号进行采集。

溶解氧的输出信号有三位，比 pH 多了一位，因此将其三位的输出信号引脚分别与 ATmega16 的 PA、PC、PB 口连接。ATmega16 通过 PA、PB、PC 口采集溶解氧输出的七段译码信号，通过软件判断，将信号转换为溶解氧的数据。

电导率的信号采集接口电路与溶解氧基本一致，与溶解氧采集不同的是，电导率采集板将 ATmega16 的 PD2 接地，而溶解氧采集板将 ATmega16 的 PD5 接地。

4.1.3串行通信电路

为了将电导率、溶解氧的数据通过串行口送到主控 MCU，需要用多点串行通信实现数据的中继传递，具体连接方式为：电导率采集板 MCU 的数据发送（TXD）与溶解氧采集板 MCU的数据接收（RXD）连接，溶解氧采集板 MCU 的 TXD 与主控 MCU的 RXD 连接。为保证串行口数据传输准确性，各 MCU 必须共地，使低电平相同。主控 MCU 对温度、pH、电导率、溶解氧的数据进行统一处理，进行显示或者传输。

4.1.4  电源电路

本设计信号采集系统和数据传输系统采用同一个电源电路供电。数据传输系统采用了无线射频收发芯片，所以需要低噪声、高电源纹波抑制比（PSRR）的电源输出。

电源电路设计还需要考虑电源滤波等。电源输出用大电容并联一个小电容的方式构成滤波电路，大容量的电容可以滤除纹波，改善瞬态响应，0.1uF 的小电容可以将高频杂波引入地，防止电源引线引入的高频噪声对单片机及其他电路构成干扰。

4.2信号采集系统软件设计

为程序编写和下载便捷，信号采集程序采用一个主程序，根据采集参数的不同分为电导率模式，溶解氧模式和 pH 模式，设置不同工作模式的入口。信号采集终端的单片机 PD2 和 PD5 均不接地，溶解氧采集板的单片机 PD5 接地;电导率采集板的单片机 PD2 接地。单片机根据 PD2 和 PD5是否接地判断采集板的工作模式，从而进入不同的子程序。在 pH 模式的子程序中，还包含对所有数据的处理，包括将数据进行有线和无线传输以及送到 LCD 显示。

4.3数据传输系统设计

数据传输系统无线传输和显示的两种工作模式。在进行便携式应用时，数据传输系统采用有线工作模式，将其与信号采集系统的单片机直接连接，就构成便携式的多参数水质检测系统;当加上 RF 无线模块时，则可以构成基于无线传输的多参数水质监测系统，可用于无线水质监测网络。

5、结束语

在分析国内外技术现状的基础上，对便携式多参数泡灭火剂性能检测仪的信号采集与传输技术进行研究。本检测装置采用二次集成的方案，综合利用温度、pH、溶解氧和电导率等传感器实现船舶消防系统用泡沫滅火剂多性能参数的信号采集，采用单片机对采集信号进行处理，通过液晶显示屏对检测信号进行实时显示，还根据应用需要实现信号有线或无线传输。

作者简介：朱伟明（1972—），男，高级工程师。研究方向：机电设备及系统监造、管理和质量控制。