深海潜水器防电解腐蚀的预警系统及运行方法与流程

本发明涉及防电解腐蚀技术，具体涉及一种深海潜水器防电解腐蚀的预警系统及运行方法。

背景技术：

深海潜水器是一类采用直流电源供电的水下机器人。现代深海潜水器系统十分复杂，很多设备和线路直接暴露在海水环境中，包括温度、湿度、盐度和电化学等外界因素都会对潜水器造成腐蚀。在现有技术中，通常通过采用更加耐腐蚀的材料，改进制造工艺等手段，以延缓腐蚀，降低腐蚀带来的危害。

对深海潜水器危害更大的是电解腐蚀。潜水器的电解腐蚀是指电气系统线路或设备因压力变形、潮湿、泄露和电气搭接等原因通过潜水器外壳及海水形成较大的电位差，并产生持续的大电流，对线路和设备造成强烈的电解腐蚀。

试验表明，严重的电解腐蚀在数十分钟的短时间内即可将手指粗细的铜棒腐蚀殆尽。对普通用电设备而言，电解腐蚀会造成设备损坏，影响潜水器正常功能。对载人舱等耐压舱而言，壳体受电解腐蚀会影响其耐压能力，减少其使用寿命。如果穿舱件发生电解腐蚀，外界高压海水极易渗透到舱内，其后果不堪设想。

对深海潜水器的电解腐蚀程度进行实时监控，及时预警故障信息，对产生电解腐蚀的回路采取隔离等措施，防止腐蚀加剧，可以起到未雨绸缪的作用。深海潜水器防电解腐蚀的预警系统是现代深海潜水器不可或缺的组成部分。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种深海潜水器防电解腐蚀的预警系统及运行方法。

本发明的技术方案如下：

一种深海潜水器防电解腐蚀的预警系统，包括深海潜水器外壳和多个供电回路；供电回路电源两端并联有多组负载；其特征在于：还包括预警电路；所述预警电路包括电解腐蚀电流检测电路；所述电解腐蚀电流检测电路包括辅助电源、大功率电阻稳压二极管和电流表；辅助电源的正极连接于供电回路的接地端；辅助电源的负极和外壳之间串联有大功率电阻和电流表；稳压管D并联于电流表A两端；当供电回路和外壳之间电性隔离时，供电回路和外壳之间的等效隔离电阻的阻值为无穷大；当供电回路和外壳之间产生电解腐蚀，则所述等效隔离电阻的阻值在0和无穷大之间，外壳和供电回路之间电性连接。

其进一步的技术方案为，预警电路包括电源电路、单片机和连接在单片机上的多组通道选择电路；所述电解腐蚀电流检测电路与单片机相连接；多组通道选择电路与多个供电回路一一对应，每个通道选择电路控制其对应的供电回路与电解腐蚀电流检测电路接通，则单片机对此供电回路的电流进行检测；单片机对电解腐蚀电流检测电路所测得的电流进行数据分析和运算；电源电路为系统中各个电路提供工作电源。

其进一步的技术方案为，所述电源电路包括供电电源、第一隔离芯片、降压芯片、第二隔离芯片和稳压芯片；供电电源包括24V直流电压和电池；第一所述第一隔离芯片的型号为FKS-2W，第一隔离芯片的输入引脚接入24V直流电压，第一隔离芯片的输出引脚输出12V直流电压；降压芯片的型号为RT7272，降压芯片的输入引脚接入电池和12V直流电压，降压芯片的转换引脚输出5V直流电压；第二隔离芯片的型号为IBS-1W，第二隔离芯片的输入引脚接入5V直流电压，第二隔离芯片的输入引脚输出9V直流电压，作为辅助电源；稳压芯片的型号为1117，稳压芯片的输入引脚接入5V直流电压，稳压芯片的输出引脚输出3.3V直流电压至单片机。

其进一步的技术方案为，所述通道选择电路采用型号为AQW214A的光继电器作为待检通道选通开关；光继电器的第一引脚和第三引脚分别连接于单片机的两路输出端；光继电器的第二引脚和第四引脚连接于单片机电源的接地端；光继电器的第五引脚或者第七引脚连接于一路待检通道；光继电器的第六引脚和第八引脚引脚连接到辅助电源正极。

其进一步的技术方案为，还包括电解电流检测电路；所述电解电流检测电路包括型号为ISO-A8-P1-O4模拟量隔离放大模块，隔离放大模块的输入引脚连接至光继电器，将光继电器所输出的电流信号进行隔离和放大，并转换成电压信号，隔离放大模块的输出引脚连接至单片机的AD检测通道。

其进一步的技术方案为，稳压二极管连接于隔离放大模块的输入端和接地端之间；还包括大功率电阻，大功率电阻串联在电解电流检测电路中。

其进一步的技术方案为，所述单片机是基于32位Cortex-M3的型号为STM32F103RBT6的单片机。

其进一步的技术方案为，预警电路还包括连接于单片机的串口通讯电路；所述串口通讯电路包括AD公司的型号为ADM2687E的RS-485收发器。

一种基于上述的深海潜水器防电解腐蚀的预警系统的运行方法，预警系统还设置有显示面板，显示面板上安装有信息指示灯、电源开关、波段开关；电流表的读数端安装于显示面板之上；

波段开关控制通道选择电路；可选择通道包括各个供电回路、自动巡检模式和空档模式；信息指示灯有多个，分别对应每个通道，当通道被波段开关选通时，其对应信息指示灯点亮；

当电源开关接通时，系统默认进入自动巡检模式；单片机对多组通道选择电路进行定时控制，让其依次循环通断，将潜水器所有供电回路分时接入电解腐蚀电流检测电路；当前回路如果发生电解腐蚀，则有电流产生，电流表实时显示当前所检测通道的电解腐蚀电流，为驾驶员提供直观的数据依据；电流经过转换、隔离和放大，产生电压信号输入至单片机，单片机经过计算和滤波，将检测结果实时传输到潜水器的控制系统，供控制系统显示、保存和决策；

在潜水器进行工作时，通过旋转波段开关，选择进入自动巡检模式、手动检测模式或者空档模式；

当进入手动检测模式时，通过旋转波段开关，对某一特定通道的电解腐蚀电流进行检测；

当进入空挡模式时，则停止检测。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过将供电回路地端引入9V稳压电源，使供电回路具有一个更低的参考电平，供电回路任意节点对外壳发生搭接或泄漏，产生电解腐蚀时，都可通过9V电源形成电流通路，测量电流的大小即可评估当前供电回路的电解腐蚀程度，发出预警信息，及时采取有效措施，防止故障进一步扩大。辅助电源法简单有效，不会对深海潜水器电气系统产生干扰，非常适合用于深海潜水器电解腐蚀的监控。基于该方法所设计的深海潜水器防电解腐蚀的预警系统电路简单，元器件很少，一个辅助电源即可检测潜水器所有供电回路的电解腐蚀，快速灵敏，且不存在检测死区。独特的波段开关形式，可以实现不限数量的供电回路的切换。系统通用性好，可以直接用于对任意深海潜水器的防电解腐蚀进行预警。

附图说明

图1为深海潜水器防电解腐蚀预警系统框图。

图2为电解腐蚀电流检测电路的原理示意图。

图3-1是电源电路的框图。

图3-2是供电电源的电路连接图。

图3-3是第一隔离芯片的电路连接图。

图3-4是降压芯片的电路连接图。

图3-5是第二隔离芯片的电路连接图。

图3-6是稳压芯片的电路连接图。

图4-1是通道切换电路的示意图。

图4-2是光继电器的电路示意图。

图4-3是电解电流检测电路的示意图。

图5是单片机的示意图。

图6是串口通讯电路的示意图。

具体实施方式

深海潜水器包括深海潜水器外壳和多个供电回路。每个供电回路电源两端并联有多组负载。每个供电回路，在检测中，都作为一个选择通道。

图1为深海潜水器防电解腐蚀预警系统框图。如图1所示，深海潜水器防电解腐蚀的预警系统包括预警电路和显示面板。

预警电路包括单片机、连接在单片机上的通道选择电路和电解腐蚀电流检测电路。还包括电源电路。

单片机进行数据分析和运算。电源电路为系统中各个电路提供工作电源。通道选择电路有多组，与供电回路一一对应。每组通道选择电路将其对应的供电回路接入单片机，以便单片机对此通道的电流进行检测。电解腐蚀电流检测电路安装于外壳和供电回路之间，检测外壳和各个供电回路之间是否有电流流过。

还包括串口通讯电路，连接于单片机，用于本发明所述的系统和潜水器的控制系统之间实施通讯。

预警电路还包括电池电压检测电路和电源电压检测电路，

为了操作方便，预警系统还设置有显示面板，显示面板上安装有信息指示灯、电源开关、波段开关；电流表的读数端也安装于显示面板之上。

图2为电解腐蚀电流检测电路的原理示意图。如图2所示，深海潜水器包括包括深海潜水器外壳和多个供电回路。每个供电回路电源V1两端并联有多组负载Z1～Zn。

还包括电解腐蚀电流检测电路，电解腐蚀电流检测电路包括辅助电源V2、大功率电阻R2、电流表A和稳压管。辅助电源V2的正极连接于供电回路的接地端。辅助电源V2的负极和外壳之间串联有大功率电阻R2和电流表A。当潜水器电源正端和对外壳泄露或搭接，通过大功率电阻进行分压，保护了电解腐蚀电流检测电路。稳压管D并联于电流表A两端。

当供电回路和外壳之间电性隔离时，供电回路和外壳之间的等效隔离电阻R+、R-、Rx的阻值为无穷大，即相当于供电回路和外壳之间之间断路，此时电解腐蚀不会发生，供电回路、外壳、电解腐蚀电流检测电路不能形成完整的回路，所以电解腐蚀电流检测电路无电流。

一旦供电回路电源V1的正负端或者并联于供电回路电源V1两端的多组负载Z1～Zn中的任意节点，即图1电路中的端点Power+到Power-的任意节点对外壳搭接或海水泄露，则供电回路和外壳之间会产生电解腐蚀，且此时等效隔离电阻R+、R-、Rx的阻值在0和无穷大之间，外壳和供电回路之间电性连接。则供电回路、等效隔离电阻R+、R-、Rx、外壳、电解腐蚀电流检测电路可以形成完整的回路，在电解腐蚀电流检测电路中将通过辅助电源V2产生电流。电解腐蚀程度越大，速度越快，则产生的电流越大。通过对电流大小的检测，就可以判断当前回路电解腐蚀的程度，及时采取补救措施。

在本实施例中，辅助电源V2为9V稳压电源。

图3-1是电源电路的框图。如图3-1所示，电源电路包括第一隔离芯片、降压芯片、第二隔离芯片和稳压芯片。供电电源包括24V直流电源和电池。24V直流电源通过第一隔离芯片，降压为12V。电池和12V直流电源均输入降压芯片，降压芯片将电压降为5V，之后5V直流电压通过第二隔离芯片，输出9V直流电压，作为辅助电压，同时5V直流电压通过稳压芯片，输出3.3V直流电压输出至单片机。

图3-2～图3-6为电源电路的各个部分的示意图。

图3-2是供电电源的电路连接图。本系统的供电电源为24V直流电源，还连接有电池，电池为潜水器上信号源电池及应急电池，可以在断电的情况下直接为系统供电。图1中的电池电压检测电路和电源电压检测电路可分别对此处的电池和供电电源电压进行检测。其原理为常见的现有技术，不再详述。

图3-3是第一隔离芯片的电路连接图。第一隔离芯片型号为FKS-2W，其输入引脚通过接线端子P2，接入图3-2所示的接线端子P1，接入24V电压，输出引脚输出12V电压。第一隔离芯片将24V电源隔离后给系统供电，这是为了在检测该路24V供电回路时，避免发生短路危险。

图3-4是降压芯片的电路连接图。在本实施例中，降压芯片的型号为RT7272，降压芯片的输入引脚通过图3-3中的端口Power，连接至图3-3中的端口Power，即接入12V电压，降压芯片的转换引脚输出5V电压。

降压芯片一方面为I-V模拟隔离模块和电流表提供电源，另一方面通过稳压芯片产生3.3V电压为单片机提供电源。型号为RT7272的降压芯片是一款高效、高功率、宽电压输入、稳压输出的模块。其输入电压范围从4.5V到36V，可在保证系统电压变化的同时，为系统提供稳定的工作电压。

图3-5是第二隔离芯片的电路连接图。第二隔离芯片的型号为IBS-1W，其输入引脚接入降压芯片所输出的5V直流电压，其输出引脚输出9V直流电压，作为电解腐蚀电流检测电路中的辅助电源V2。由于系统电解电流非常微小，容易受外界干扰，因此使用第二隔离芯片产生隔离后的9V电压，作为辅助电源，保证产生稳定的电解电流。

图3-6是稳压芯片的电路连接图。稳压芯片的型号为1117，其输入端输入降压芯片所输出的5V直流电压，其输出引脚输出3.3V直流电压，给单片机供电。

图4-1～4-3是通道选择电路的各个部分的示意图。

系统中存在多个供电回路，如果每个供电回路作为一个选择通道，则防电解腐蚀预警系统的工作方法是，单片机定时将所有通道循环选通依次检查；或根据驾驶员的选择，将特定通道选通。

将某一通道选通的方法是，将该通道的供电回路电源V1的接地端连接于辅助电源V2的正极，并同时接通外壳和电解腐蚀电流检测电路，即将待检测的供电回路通过电解腐蚀电流检测电路连接于外壳。此时电解腐蚀电流检测电路中将产生电流，通过判断检测电流的大小即可判断该通道电解腐蚀程度。

图4-1是通道切换电路的示意图。通道的选通采用型号为AQW214A的光继电器，该继电器具有两路触点，体积小，功耗低，便于计算机驱动，且只有1uA的漏电流，即使对这种微电流的检测也不会造成影响。图4-1所示的是通道切换电路的一部分，接有两个光继电器，

图4-2是光继电器的电路示意图，光继电器的第一引脚和第三引脚是两路触点的控制端，由单片机直接输出控制；其第五引脚和第七引脚是两路触点的输入端，分别接各个待检通道，即每一个光继电器可以负责两路待检通道各自的接通或者关断；其第六引脚和第八引脚是两路触点的输出端，所有触点的输出全部接入辅助电源的正极端。单片机根据面板波段开关的选择，计算出当前选择的通道，控制相应的继电器触点导通，使待检通道接入辅助电源的正端，将待检通道接入检测电路。采用这种小型光继电器的好处是，如果电路板空间允许，可以满足潜水器所有通道的检测要求。

在本实施例中，系统共有16路待检通道，因此采用8个光继电器作为选择开关。

图4-3是电解电流检测电路的示意图。为了降低辅助电源的消耗，电解腐蚀电流检测电路产生的检测电流很小，是微安级的。为了提高检测精度和可靠性，电解电流检测电路中采用了顺源公司的型号为ISO-A8-P1-O4模拟量隔离放大模块，其输入引脚连接至光继电器，将电流信号进行隔离和放大，转换成电压信号，其输出端连接至单片机的AD检测通道，其接地端处串联有电流表。其输入量程0-2mA，输出0-5V。该模拟量隔离放大模块对辅助电源、模拟量输入与输出之间可实现3000VDC三隔离，确保了检测的可靠性。

另外，为了防止潜水器24V或110V等电源正端和外壳之间产生泄露，导致检测电流很大，损坏电路，电解电流检测电路还采用了保护措施，即在模拟量隔离放大模块的输入端和接地端之间连接有稳压二极管D2，当电源正端对外壳产生搭接或泄露，导致检测电流升高时，与检测输入端并联的稳压二极管D2对电压进行钳位，保证检测电流在模拟量隔离放大模块允许的范围内，同时稳压二极管D2进行分流，通过并大功率电阻将电流消耗掉。

还包括处理器电路。处理器电路是防电解腐蚀预警系统的核心，包括基于32位Cortex-M3的STM32F103RBT6单片机，图5是单片机的示意图。对照图5中各引脚标号，可将系统的各个部分连接于单片机之上，引脚的连接方法，也可参照单片机的技术手册，在此不再赘述。该单片机具有丰富的外设，可实现低功耗模式，能够实现在线编程和调试。其内置2个12位A/D转换器，采样时间最短只需1us，省去了单独的A/D转换芯片，从而精简了电路，提高了系统可靠性。处理器电路完成A/D转换、滤波处理、逻辑运算和信息输出等功能。

预警电路还包括连接于单片机的串口通讯电路。图6是串口通讯电路的示意图。见图6，本发明所述的系统要与控制系统实时通讯，将电解电流等数据传到控制系统显示和保存，这就要求防电解腐蚀预警系统与控制系统做到完全隔离，否则当预警系统本身电解腐蚀较大时，会导致控制系统电解腐蚀增强，给故障排除工作带来极大困难。因此在保证防电解腐蚀预警系统电源隔离的同时，还要保证串口通讯也要隔离。串口通讯电路采用AD公司的ADM2687E型RS-485收发器，该芯片可实现5000V信号和电源隔离。当潜水器供电系统断开时，9V备用电池开始供电，此时不需要与控制系统通讯，计算机将串口通讯电路电源断开，降低系统功耗。

本系统工作时，分为三种工作模式：自动巡检模式、手动检测模式和空档模式。显示面板的波段开关可以无限的循环旋转，操作人员通过旋转波段开关，控制通道选择电路，进行通道选择，除去上文中提到的作为选择通道的每个供电回路，自动巡检模式和空档模式也分别作为一个通道处理，操作人员只需要顺时针或逆时针旋转开关，就可以在自动模式、空档和各检测通道之间进行切换。信息指示灯可实时显示当前所选的通道。根据波段开关旋转的顺逆时针方向，通道相应的从左到右或从右到左进行切换。

自动巡检模式是通过单片机对一组通道选择电路定时控制，让其依次循环通断，将潜水器所有供电回路分时接入电解腐蚀电流检测电路，当前回路如果发生电解腐蚀，将会有电流产生，数字式电流表实时显示当前检测通道的电解腐蚀电流，为驾驶员提供直观的数据依据。电流经过转换、隔离和放大，产生适合单片机检测的合适的电压信号，单片机经过计算和滤波，将检测结果实时传输到潜水器控制系统，供控制系统显示、保存和决策。在电路板上安装了备用电池，在需要进行故障排查时，可将潜水器整个供电系统断电，由备用电池为预警系统供电，保证了故障排查顺利进行。

本系统运行方法是：系统启动后默认为自动巡检模式，计算机定时将潜水器所有通道循环切换接入电解腐蚀电流检测电路，电流表实时显示当前检测通道的电解腐蚀电流，为驾驶员提供直观的数据依据。电解腐蚀电流经过转换、隔离和放大，由单片机进行采集，并进行计算和滤波，通过串口通讯电路，将检测结果实时传输到潜水器控制系统，供潜水器控制系统显示、保存和决策。

驾驶员如果想对某一特定通道持续检测，则可以通过波段开关进行切换，显示面板有相应的通道指示灯进行显示。

本发明简单有效，不会对深海潜水器电气系统产生干扰，非常适合用于深海潜水器电解腐蚀的监控。基于该方法所设计的深海潜水器防电解腐蚀预警系统电路简单，元器件很少，一个辅助电源即可检测潜水器所有供电回路的电解腐蚀，快速灵敏，且不存在检测死区。独特的波段开关形式，可以实现不限数量的供电回路的切换。系统通用性好，可以直接用于对任意深海潜水器的防电解腐蚀进行预警。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。