基于STM32的海洋氡同位素原位测量进样控制装置

于松灵，商祥年，韩建虎，程 凯

(中国海洋大学物理与光电工程学院，山东青岛 266100)

0 引言

海洋为人类提供了丰富的海洋资源与发展空间[1]。氡同位素是天然铀系衰变子体之一，半衰期为3.8 d，具有保守性，在自然界中以水溶性气体存在[2]。氡气勘查地球化学技术的应用始于1904年，主要针对地下水测氡以探究地质变化与地震研究，W. S. Broceker于1965年首次提出利用222Rn/226Ra不平衡来示踪海-气界面气体交换过程，随后取得了广泛应用[3]。氡由于有较为便利的测量仪器可以实现连续测量，近年来利用氡同位素示踪海底地下水排放的研究也得到了越来越广泛地关注[4]。从W. S. Broceker首次提出海洋测氡至今，氡同位素采样大多使用潜水泵或深海原位采样装置[5]收集指定深度海水在实验室内测量，没有一套系统的海洋氡同位素原位测量装置。

海洋的原位测量因其原位采集、测量和测量时间周期短等特点，避免了样品从采样地到实验室途中大量时间和运动导致样品变性和无法长期监测的缺陷，是将来海洋探测与开发的发展方向。但DURRIDGE RAD-7主要应用于实验室环境的氡气测量，对气体样品、数据通信、工作环境要求高，无法耐受原位海水的高压和腐蚀，较难应用于海洋原位测量领域[6]；liqui-cel 3M膜进样脱气装置无法耐受原位海水的高压和颗粒杂质，且需要控制膜内液体样品的压力和流速以获得较高的脱气效率，这些问题成为了海洋氡同位素原位测量必须要克服的困难。

海洋氡同位素原位测量进样控制装置可监测耐压舱管路中多个海水压力变化处和气体管路的实时压力值，将高压海水减压至约101 kPa(标准大气压)并进行过滤、缓冲和脱气处理，后自动定量送至所搭载的RAD7测氡仪进行测量任务，可将测量过的废气混合到海水中并增压排回原位，实现原位海水和气体的自动进样控制，解决了RAD7测氡仪和精密测量仪器进行海洋原位测量的多个问题。

1 整体设计

海洋氡同位素原位测量进样控制装置集用电器供电和管理于一体，兼容不同深度与浊度的海水，可广泛应用于各种水体环境中，能够满足数据在线观测和后台存储的设计需求。进样控制装置的整体设计是基于RAD7测氡仪设计的，其整体设计如图1所示。

图1 海洋同位素原位测量进样控制装置整体设计框图

海洋氡同位素原位测量进样控制装置的海水自动进样循环控制包括压力信息采集监测单元、海水压力控制单元、自动进样控制单元、脱气单元、气体管路检漏单元和通信与控制单元6个部分。压力信息采集监测单元主要由扩散硅压力传感器和STM32F103RCT6微控制器的印制电路板及对应测量电路组成，海水压力控制单元由机械减压阀、缓冲瓶和增压隔膜泵组成，自动进样控制单元由步进电机驱动的蠕动泵和直流气泵组成，脱气单元采用liqui-cel 3M脱气膜，液体检漏单元由电容式水位传感器与电磁阀组成。

海水经蠕动泵牵引进入海洋氡同位素原位测量进样控制装置管路并初步过滤，经过水压测量和减压处理后，进入待测液缓冲瓶内，蠕动泵定量化将待测液送至liqui-cel 3M脱气膜完成脱气，气体被自动定量送至RAD7测氡仪，测量后的废气重新通过liqui-cel 3M脱气膜溶入海水废液，废液缓冲瓶存积一定体积后被高压隔膜泵加压排回原位海水。

海洋氡同位素原位测量进样控制装置由本地计算机全程控制，本地计算机与船基控制台通过USB连接，船基控制台内部设有信号和电源转化器件，可通过定制水密缆对水下的海洋氡同位素原位测量进样控制装置耐压舱供电和通信。

2 控制部分设计

微控制器采用STM32F103RCT6芯片，它基于需求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3内核，采用ARM V7架构，具有位带操作、定时器、可嵌套中断、低成本、低功耗、接口丰富等优势[7]。

在海洋氡同位素原位测量进样控制装置中，STM32微控制器主要负责对扩散硅压力传感器、电容式水位检测传感器和温湿度传感器的数据进行采集与处理；通过串口-网络-双绞线差分信号的转换，与本地计算机实时通讯，进行显示与存储；获取本地计算机的指令，控制蠕动泵和增压隔膜泵的压力、速度和气泵的开启。STM32微控制器主要功能与部分引脚示意图如图2所示。

图2 STM32微控制器主要功能与部分引脚示意图

STM32微控制器的下位机软件设计是在Keil uVision5集成开发环境下完成的。下位机软件整体架构基于设计需求，针对不同的功能模块进行函数封装，提高了软件的重用性和简洁性。

2.1 压力信息采集检测

压力信息采集检测单元主要由4个扩散硅压力传感器[8]和主控板上对应电路组成，分别为：海水入口压力传感器、减压阀出口压力传感器、气体管路压力传感器和增压隔膜泵出口压力传感器。

本压力传感器采用量程为0～2 MPa的扩散硅压力传感器，测量精度为0.1%FS，输出方式为4～20 mA电流环，工作稳定且耐压耐腐蚀[8]。电路硬件部分采用精度为0.1%的高精度电阻和钽电容为主的电流电压转换电路与STM32微控制器的多路ADC配合，实现模拟量到数字量的转换。

STM32微控制器内部的ADC寄存器为12位，传感器的压力计算公式如式(1)所示：

P={374.6·[Dx·(3.3/212)]}-126.7

(1)

式中：P为传感器实际测得的压力数值，kPa；Dx为STM32内部ADC寄存器测得数值的十进制形式。

2.2 海水压力控制

本装置的核心功能为控制海水的压力和流动变化，海水压力控制单元主要由机械减压阀[9]、缓冲瓶、蠕动泵和增压隔膜泵组成。

机械减压阀采用弹簧活塞式结构[9]，校准后可无需外力实现自平衡，输出压差0～0.8 MPa可调节；增压隔膜泵采用直流伺服电机驱动的复合隔膜膜片(第一层为超韧性TEFLON耐酸薄膜，第二层为EPDM弹性橡胶，第三层为强化尼龙纤维，第四层为EPDM弹性橡胶)，耐腐蚀且增压能力强，工作稳定。

海水经过滤进入本装置由机械减压阀调节至101±10 kPa，在蠕动泵的牵引下进入待测液缓冲瓶中，蠕动泵将待测液定量送至liqui-cel 3M脱气膜完成脱气处理，气体自动定量送至RAD7测氡仪并完成测量后，溶解入海水废液被隔膜泵牵引进入废液缓冲瓶，后由隔膜泵增压排至海洋中，此期间的海水流速可由STM32微控制器调节泵速控制，减压阀与增压隔膜泵的工作参数如表1所示。

表1 减压阀与增压隔膜泵工作参数

2.3 温度湿度监测及液体检漏

为监测耐压舱内仪器运行环境的温度与湿度，保证其工作在规定环境区间内，舱内设置了AM2302单总线温湿度传感器，可将采集到的温度和湿度发送至STM32微控制器[10]。其温度分辨率0.1 ℃，精度优于0.5 ℃，量程-40～80 ℃；湿度分辨率0.1%RH，精度优于1%RH。该传感器采集舱内环境温度与湿度，并受STM32单片机的控制定时发送采集的温度与湿度数据。

液体检漏单元由电容式水位传感器、继电器与电磁阀构成，由水位传感器检测到气体管路漏水后输出高电平信号至STM32微控制器，微控制器通过对应电路使电磁阀闭合，从而使气体样品管路关闭。检测到漏水时将通过STM32微控制器向本地计算机发送漏水警告。

3 软件设计

海洋氡同位素原位测量进样控制装置软件依据总体设计目标、需求与功能及所搭载的测量仪器使用Microsoft Visual Studio 2019设计与开发。在正常运行状态下，船基控制台通过水密缆为海洋氡同位素原位测量进样控制耐压舱提供所需电能并进行实时通信，开机上电后，即可设置本地计算机软件与耐压舱内STM32微控制器建立通信，根据实验需要读取4个压力传感器和温度湿度传感器数据，并控制气泵、蠕动泵和隔膜泵运行状态。上位机与下位机软件总体运行流程如图3所示。

图3 软件总体运行流程图

4 近海实验结果

海洋氡同位素原位测量进样控制装置装配在耐压舱体中，本地计算机通过USB数据线连接船基控制台，逆变器向船基控制台提供220 V交流电，船基控制台通过定制水密缆向海洋氡同位素原位测量进样控制装置供电并通信。近海实验表明，海洋氡同位素原位测量进样控制装置长时间运行下工作稳定，搭载的RAD7测氡仪工作正常，达到了预期目标。部分运行数据整理后如表2所示。

表2 海洋氡同位素原位测量进样控制装置与搭载仪器数据

5 结束语

海洋氡同位素原位测量进样控制装置针对RAD7测氡仪、liqui-cel 3M脱气膜和精密测量仪器易被高压海水损坏、海洋原位测量环境恶劣和原位测量实时通信与控制等问题，提供了一种海洋原位气体测量技术的通用方案。本装置可以实现高压海水的控制、样品定量的自动进样和搭载精密仪器的测量等任务，保证了测量仪器的安全与正常工作环境，在海洋原位测量中有广阔的应用前景。后期还可以针对STM32微控制器的主控板进行深入开发，设计不同的功能模块，满足不同领域的通信、控制和数据传输的需求。