一种新型船用油分浓度检测仪

张克锐，林金表，蔡振雄

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

国际海洋货运事业蓬勃发展的同时，也给海洋带来严重的污染．对此，国际海事组织IMO以及各国政府对舱底水的排放做出了相应的规定，分别签订《1973年国际防止船舶污染公约》 (简称MARPOL73)和《关于1973年国际防止船舶污染公约的1978年议定书》(简称MARPOL78)，相关规定要求400 t以上的船舶必须装有油水分离装置以及经油水分离以后排放入海的混合物的含油量不超过1.5×10－5．水中油分检测仪是船舶排污设备的重要组成部分，用于舱底水含油浓度的检测．

目前用于检测水中含油浓度的方法主要有红外分光光度法[1]、紫外分光光度法[2]、荧光法[3]、红外散射法等．红外以及紫外分光度法需要通过溶剂萃取得到含油浓度，准确度相对较高，但适合实验室检测而不适宜于船舶使用．荧光法是利用紫外光源激发水中油分子，从而产生荧光，缺点是受外部干扰较大．以上这些方法都不太适宜于船舶．含油浓度的检测在船舶上多采用红外散射法以及红外散射、红外透射相结合的方法．

本文采用红外散射与红外透射相结合的方法研制适宜于船舶使用的传感器，独特的双通道设计可在出现温漂和零漂时保证检测结果的准确性，并根据IEEE1451.2的标准将其设计成智能油分浓度检测仪．

1 硬件构成

1.1 系统构架

船用油分浓度检测系统主要由传感器 (分为发射和接收部分组成)、信号调理电路、A/D转换电路、单片机控制电路、符合IEEE1451.2标准的电子表格TEDS和与外部网络相连的标准TII接口组成，系统构成如图1所示．

图1 系统组成框图Fig.1 System diagram

系统采用两条入射光通道和两个受光传感器，并利用电子开关来选择受光传感器的信号．当入射光1工作时，受光传感器1接收透射光线，受光传感器2接收散射光线;当入射光2工作时，则刚好相反．发生零漂或者温漂等外部环境影响时，两条入射光通道的设计可以保证检测准确．

1.2 传感器的选择

当舱底水经过油水分离器后，乳化过的水中的油粒子直径远小于光的波长，所以可以利用瑞利散射以及比尔定律来检测水中含油浓度．当发射光束入射采样水时，油分子吸收红外光能量从而使光子运动方向发生改变，散射出一个波长较长的光;当入射光波长远离散射粒子的吸收带时，可以不考虑光的吸收;当粒子极小，可以不考虑光的反射，此时光的能量与水中油分子浓度成正比[4－5]．当散射光强I散增大时，透射光强I透相应减弱，反之亦然．由此可以得出混浊水中的油分浓度:P=CI透/I散．其中:I散为散射光强度;I透为透射光强度;C为常量，其值由电路设计确定．

红外二极管EL－1KL3的输出波长在900～1000 nm之间，而油分子在这个波长范围吸收的峰值为0.2 nm，远离散射粒子的吸收带，符合混浊水中的油分浓度的测量公式，所以选取EL－1KL3的红外二级管作为入射光线，ST－1K3A光敏三极管作为受光传感器．

1.3 信号调理电路

信号调理电路也分为发射光部分与受光部分．发射光部分采用振荡的方式将红外发射信号调制成交流信号，如图3所示．电路由反相器CD4069和电容、电阻等器件构成．电路的振荡频率f由电容C1和电阻R2的值决定，即f=1/(2.2RC)，其中R为R2的阻值，C为C1的电容值．电阻R1起保护作用，所以R1的值要远大于R2的值．这种方式不仅可以减小电路对信号的干扰，而且可以降低受光电路的前置放大电路的性能要求．一般来说，同直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，受电源电压的波动、温度、老化的影响小．

受光部分的电路主要是指电子开关后面的部分电路，其中包括放大电路和滤波电路，放大电路采用仪表放大电路，该电路对微小信号非常敏感，并且有很强的共模抑制能力．因为散射光相对于透射光电流强度来说还是比较微小的，所以，在放大散射光信号时，要比透射光信号多一级放大，或者放大倍数要比透射光时高．

在进入A/D转换之前必须将调制放大后的信号通过滤波器．滤波器将选中频率内的信号放大，而将其他频率内的信号进行衰减，提高信道的信噪比．经过滤波后的方波信号整流成直流信号．在放大电路中间和整流信号后也需要添加一些滤波电路．本文采用linear公司的十阶低通滤波器LTC1569处理来自电源或者外部的干扰，提高读取的数据准确性．

图2 发射电路图Fig.2 Emission circuit

A/D转换电路采用AD公司的微转换芯片ADuc812．ADuc812内有一个8051兼容的微处理器，8K字节的程序存储器flash/EE，640字节的数据存储器flash/EE，256字节的RAM，多达32根可编程的输入/输出线，一个SPI串行输入/输出口，两个DAC和一个8通道12位的ADC．640字节的数据存储器用于TEDS的存储，SPI口和输入/输出的组合构成了TII的接口，内置8051的嵌入作为核心处理数据结构[6]．

2 软件方案

2.1 软件系统流程

该检测仪的整个软件系统流程图如图3所示．油分浓度检测仪的双入射光通道的设计检测通过8051微处理器来完成．检测开始时，进入初始化程序，利用自检电路检测除传感器外的工作电路是否正常．首先开启入射光1通道，利用电子开关的转换分别获取透射和散射的光量，从而得到水中油的浓度P1;其次把入射光1通道关闭，入射光2通道打开得到P2;最后由微处理器计算平均值得出油分浓度P．如果P大于等于水中油分浓度的设定值，则进行报警，否则打开开关阀，并记录数据．

2.2 IEEE1451.2接口标准

IEEE1451智能传感器接口标准由国际电子电气工程师协会和美国国家标准技术局共同推出，以解决各公司不同传感器的接口标准而带来的困难[7]．IEEE1451智能传感器接口标准，使得传感器设计独立于现场总线，为传感器接口问题提供了解决方案．IEEE1451将智能传感器分为网络适配模块(NCAP)和智能变送器模块 (STIM)．NCAP模块主要运用与以太网相连接，所以在改模块中需要嵌入一定的通信协议．STIM模块的成功之处在于变送器电子数据表格 (TEDS)．TEDS不仅为传感器提供自我标识能力，而且较好地解决传感器自动校正难题．在TEDS中设计有Calibration TEDS，可随时供传感器对每个通道原始数据进行校正运算．而且，可以通过网络对指定传感器读写TEDS数据，了解前一次校正时间等等．这些功能对于传感器的维护及诊断具有突出的价值[8]．

IEEE1451.2标准接口的加入，不仅可以保证测量的准确性，而且更加方便船员的管理和海事部门的监管．船员在控制室内就可以完成舱底水的排放，海事部门可以通过系统自动记录的排放信息监管船员的操作，避免船员在不通过油分浓度计的检测时，乱排污水的现象．

船用智能油分浓度检测仪采用IEEE标准的思路，可以方便地与船舶其他检测系统相结合，如监控船舶柴油机性能的传感器可以一体化的加入数据表格 (TEDS)，并通过网络适配模块NCAP与上位机或者外网进行连接，便于实现对船舶的集中管理与应用．

图3 系统流程图Fig.3 System flow chart

3 结束语

采用双入射通道相互切换的方法研制了一种新型船用油分浓度检测仪，提高了油分浓度检测的准确性．IEEE1451智能接口的嵌入，不仅有自我识别和自我矫正的能力，而且保存了每次检测的数据，为海事部门对船舶的排放监管提供便利．该检测仪加强了对船舶舱底水的排放检测与管理，有利于海洋生态环境的保护．

[1]吴天一．红外分光光度法改进后测定废水中总油类 [J]．环境保护与循环经济，2011，31(12):67-68．

[2]庞艳华，丁永生，公维民．紫外分光光度法测定水中油含量 [J]．大连海事大学学报，2002，28(4):68-71．

[3]张传胜．新型水中油在线检测系统的设计 [J]．光机电信息，2010，27(8):57-60．

[4]陆宝根．光电器件与油份浓度监测技术 [J]．航海技术，1996(2):39-42．

[5]李锦瑜，曾道刚．瑞利散射公式讨论 [J]．大学化学，1992，2(7):58-60．

[6]童利标，徐科军，梅涛．智能传感器接口模块的设计与实现 [J]．仪器仪表学报，2001，22(S2):182-184．

[7]IEEE．Standard1451.2－1997，A Smart Transducer Interface or Sensors and Actuators－Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats[S]．1997．

[8]陈向群，郭以述．IEEE1451智能传感器接口标准研究 [J]．仪器仪表学报，2002，23(S3):9-11．