基于STM32的海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置

于松靈，商祥年，韓建虎，程 凱

(中國海洋大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山東青島 266100)

0 引言

海洋為人類提供了豐富的海洋資源與發(fā)展空間[1]。氡同位素是天然鈾系衰變子體之一，半衰期為3.8 d，具有保守性，在自然界中以水溶性氣體存在[2]。氡氣勘查地球化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用始于1904年，主要針對地下水測氡以探究地質(zhì)變化與地震研究，W. S. Broceker于1965年首次提出利用222Rn/226Ra不平衡來示蹤海-氣界面氣體交換過程，隨后取得了廣泛應(yīng)用[3]。氡由于有較為便利的測量儀器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，近年來利用氡同位素示蹤海底地下水排放的研究也得到了越來越廣泛地關(guān)注[4]。從W. S. Broceker首次提出海洋測氡至今，氡同位素采樣大多使用潛水泵或深海原位采樣裝置[5]收集指定深度海水在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量，沒有一套系統(tǒng)的海洋氡同位素原位測量裝置。

海洋的原位測量因其原位采集、測量和測量時(shí)間周期短等特點(diǎn)，避免了樣品從采樣地到實(shí)驗(yàn)室途中大量時(shí)間和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致樣品變性和無法長期監(jiān)測的缺陷，是將來海洋探測與開發(fā)的發(fā)展方向。但DURRIDGE RAD-7主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的氡氣測量，對氣體樣品、數(shù)據(jù)通信、工作環(huán)境要求高，無法耐受原位海水的高壓和腐蝕，較難應(yīng)用于海洋原位測量領(lǐng)域[6]；liqui-cel 3M膜進(jìn)樣脫氣裝置無法耐受原位海水的高壓和顆粒雜質(zhì)，且需要控制膜內(nèi)液體樣品的壓力和流速以獲得較高的脫氣效率，這些問題成為了海洋氡同位素原位測量必須要克服的困難。

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置可監(jiān)測耐壓艙管路中多個(gè)海水壓力變化處和氣體管路的實(shí)時(shí)壓力值，將高壓海水減壓至約101 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)并進(jìn)行過濾、緩沖和脫氣處理，后自動(dòng)定量送至所搭載的RAD7測氡儀進(jìn)行測量任務(wù)，可將測量過的廢氣混合到海水中并增壓排回原位，實(shí)現(xiàn)原位海水和氣體的自動(dòng)進(jìn)樣控制，解決了RAD7測氡儀和精密測量儀器進(jìn)行海洋原位測量的多個(gè)問題。

1 整體設(shè)計(jì)

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置集用電器供電和管理于一體，兼容不同深度與濁度的海水，可廣泛應(yīng)用于各種水體環(huán)境中，能夠滿足數(shù)據(jù)在線觀測和后臺存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)需求。進(jìn)樣控制裝置的整體設(shè)計(jì)是基于RAD7測氡儀設(shè)計(jì)的，其整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 海洋同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置整體設(shè)計(jì)框圖

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置的海水自動(dòng)進(jìn)樣循環(huán)控制包括壓力信息采集監(jiān)測單元、海水壓力控制單元、自動(dòng)進(jìn)樣控制單元、脫氣單元、氣體管路檢漏單元和通信與控制單元6個(gè)部分。壓力信息采集監(jiān)測單元主要由擴(kuò)散硅壓力傳感器和STM32F103RCT6微控制器的印制電路板及對應(yīng)測量電路組成，海水壓力控制單元由機(jī)械減壓閥、緩沖瓶和增壓隔膜泵組成，自動(dòng)進(jìn)樣控制單元由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)泵和直流氣泵組成，脫氣單元采用liqui-cel 3M脫氣膜，液體檢漏單元由電容式水位傳感器與電磁閥組成。

海水經(jīng)蠕動(dòng)泵牽引進(jìn)入海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置管路并初步過濾，經(jīng)過水壓測量和減壓處理后，進(jìn)入待測液緩沖瓶內(nèi)，蠕動(dòng)泵定量化將待測液送至liqui-cel 3M脫氣膜完成脫氣，氣體被自動(dòng)定量送至RAD7測氡儀，測量后的廢氣重新通過liqui-cel 3M脫氣膜溶入海水廢液，廢液緩沖瓶存積一定體積后被高壓隔膜泵加壓排回原位海水。

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置由本地計(jì)算機(jī)全程控制，本地計(jì)算機(jī)與船基控制臺通過USB連接，船基控制臺內(nèi)部設(shè)有信號和電源轉(zhuǎn)化器件，可通過定制水密纜對水下的海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置耐壓艙供電和通信。

2 控制部分設(shè)計(jì)

微控制器采用STM32F103RCT6芯片，它基于需求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，采用ARM V7架構(gòu)，具有位帶操作、定時(shí)器、可嵌套中斷、低成本、低功耗、接口豐富等優(yōu)勢[7]。

在海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置中，STM32微控制器主要負(fù)責(zé)對擴(kuò)散硅壓力傳感器、電容式水位檢測傳感器和溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理；通過串口-網(wǎng)絡(luò)-雙絞線差分信號的轉(zhuǎn)換，與本地計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)；獲取本地計(jì)算機(jī)的指令，控制蠕動(dòng)泵和增壓隔膜泵的壓力、速度和氣泵的開啟。STM32微控制器主要功能與部分引腳示意圖如圖2所示。

圖2 STM32微控制器主要功能與部分引腳示意圖

STM32微控制器的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下完成的。下位機(jī)軟件整體架構(gòu)基于設(shè)計(jì)需求，針對不同的功能模塊進(jìn)行函數(shù)封裝，提高了軟件的重用性和簡潔性。

2.1 壓力信息采集檢測

壓力信息采集檢測單元主要由4個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器[8]和主控板上對應(yīng)電路組成，分別為：海水入口壓力傳感器、減壓閥出口壓力傳感器、氣體管路壓力傳感器和增壓隔膜泵出口壓力傳感器。

本壓力傳感器采用量程為0～2 MPa的擴(kuò)散硅壓力傳感器，測量精度為0.1%FS，輸出方式為4～20 mA電流環(huán)，工作穩(wěn)定且耐壓耐腐蝕[8]。電路硬件部分采用精度為0.1%的高精度電阻和鉭電容為主的電流電壓轉(zhuǎn)換電路與STM32微控制器的多路ADC配合，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

STM32微控制器內(nèi)部的ADC寄存器為12位，傳感器的壓力計(jì)算公式如式(1)所示：

P={374.6·[Dx·(3.3/212)]}-126.7

(1)

式中：P為傳感器實(shí)際測得的壓力數(shù)值，kPa；Dx為STM32內(nèi)部ADC寄存器測得數(shù)值的十進(jìn)制形式。

2.2 海水壓力控制

本裝置的核心功能為控制海水的壓力和流動(dòng)變化，海水壓力控制單元主要由機(jī)械減壓閥[9]、緩沖瓶、蠕動(dòng)泵和增壓隔膜泵組成。

機(jī)械減壓閥采用彈簧活塞式結(jié)構(gòu)[9]，校準(zhǔn)后可無需外力實(shí)現(xiàn)自平衡，輸出壓差0～0.8 MPa可調(diào)節(jié)；增壓隔膜泵采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合隔膜膜片(第一層為超韌性TEFLON耐酸薄膜，第二層為EPDM彈性橡膠，第三層為強(qiáng)化尼龍纖維，第四層為EPDM彈性橡膠)，耐腐蝕且增壓能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。

海水經(jīng)過濾進(jìn)入本裝置由機(jī)械減壓閥調(diào)節(jié)至101±10 kPa，在蠕動(dòng)泵的牽引下進(jìn)入待測液緩沖瓶中，蠕動(dòng)泵將待測液定量送至liqui-cel 3M脫氣膜完成脫氣處理，氣體自動(dòng)定量送至RAD7測氡儀并完成測量后，溶解入海水廢液被隔膜泵牽引進(jìn)入廢液緩沖瓶，后由隔膜泵增壓排至海洋中，此期間的海水流速可由STM32微控制器調(diào)節(jié)泵速控制，減壓閥與增壓隔膜泵的工作參數(shù)如表1所示。

表1 減壓閥與增壓隔膜泵工作參數(shù)

2.3 溫度濕度監(jiān)測及液體檢漏

為監(jiān)測耐壓艙內(nèi)儀器運(yùn)行環(huán)境的溫度與濕度，保證其工作在規(guī)定環(huán)境區(qū)間內(nèi)，艙內(nèi)設(shè)置了AM2302單總線溫濕度傳感器，可將采集到的溫度和濕度發(fā)送至STM32微控制器[10]。其溫度分辨率0.1 ℃，精度優(yōu)于0.5 ℃，量程-40～80 ℃；濕度分辨率0.1%RH，精度優(yōu)于1%RH。該傳感器采集艙內(nèi)環(huán)境溫度與濕度，并受STM32單片機(jī)的控制定時(shí)發(fā)送采集的溫度與濕度數(shù)據(jù)。

液體檢漏單元由電容式水位傳感器、繼電器與電磁閥構(gòu)成，由水位傳感器檢測到氣體管路漏水后輸出高電平信號至STM32微控制器，微控制器通過對應(yīng)電路使電磁閥閉合，從而使氣體樣品管路關(guān)閉。檢測到漏水時(shí)將通過STM32微控制器向本地計(jì)算機(jī)發(fā)送漏水警告。

3 軟件設(shè)計(jì)

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置軟件依據(jù)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)、需求與功能及所搭載的測量儀器使用Microsoft Visual Studio 2019設(shè)計(jì)與開發(fā)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，船基控制臺通過水密纜為海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制耐壓艙提供所需電能并進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，開機(jī)上電后，即可設(shè)置本地計(jì)算機(jī)軟件與耐壓艙內(nèi)STM32微控制器建立通信，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要讀取4個(gè)壓力傳感器和溫度濕度傳感器數(shù)據(jù)，并控制氣泵、蠕動(dòng)泵和隔膜泵運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)與下位機(jī)軟件總體運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 軟件總體運(yùn)行流程圖

4 近海實(shí)驗(yàn)結(jié)果

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置裝配在耐壓艙體中，本地計(jì)算機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接船基控制臺，逆變器向船基控制臺提供220 V交流電，船基控制臺通過定制水密纜向海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置供電并通信。近海實(shí)驗(yàn)表明，海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置長時(shí)間運(yùn)行下工作穩(wěn)定，搭載的RAD7測氡儀工作正常，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。部分運(yùn)行數(shù)據(jù)整理后如表2所示。

表2 海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置與搭載儀器數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

海洋氡同位素原位測量進(jìn)樣控制裝置針對RAD7測氡儀、liqui-cel 3M脫氣膜和精密測量儀器易被高壓海水損壞、海洋原位測量環(huán)境惡劣和原位測量實(shí)時(shí)通信與控制等問題，提供了一種海洋原位氣體測量技術(shù)的通用方案。本裝置可以實(shí)現(xiàn)高壓海水的控制、樣品定量的自動(dòng)進(jìn)樣和搭載精密儀器的測量等任務(wù)，保證了測量儀器的安全與正常工作環(huán)境，在海洋原位測量中有廣闊的應(yīng)用前景。后期還可以針對STM32微控制器的主控板進(jìn)行深入開發(fā)，設(shè)計(jì)不同的功能模塊，滿足不同領(lǐng)域的通信、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>