宋超，劉鐘陽，周博

(大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

近年來，臭氧憑借其超強的氧化性和“綠色”無污染等特點，已經被廣泛地應用于生產生活的諸多領域[1－2]。由于臭氧發(fā)生設備結構復雜，工作環(huán)境比較惡劣，設備出現故障后維修困難一直是一個困擾用戶和生產廠商的問題。目前國外大型臭氧技術較為成熟，具有在線檢測、自動調節(jié)、故障診斷、報警保護、遠程控制等功能[3]，但檢測方法較為復雜，成本較高。國內對其生產過程的測控技術則相對落后。采用的監(jiān)測方法大多不適用于中小型臭氧發(fā)生器，可行性較低。隨著臭氧技術的不斷發(fā)展，生產中有效的在線監(jiān)測手段成為臭氧技術進一步發(fā)展急需解決的問題。

利用臭氧發(fā)生器正常工作與發(fā)生故障時功率變化較大這一特點，運用在線監(jiān)測技術，研究了臭氧發(fā)生器數字化監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)由現場監(jiān)測數據傳輸和故障診斷兩部分組成，采用提取電流信號表征功率特征值，輔助溫度參數的變化，利用單片機進行故障診斷，從而得到臭氧發(fā)生器的運行判斷結果。

1 故障模式及特征分析

臭氧發(fā)生設備主要由冷卻系統(tǒng)和臭氧發(fā)生系統(tǒng)組成。放電管放電使電能轉化為化學能，在生成臭氧的同時釋放大量熱[4]，同時伴有一定的噪聲。當元件發(fā)生故障時，大多伴隨著溫度、功率和噪聲等參數的變化。所以用于故障診斷可以采集的變化參數比較多，這就需要選擇其中的一種或幾種參數變化明顯可以準確判斷故障發(fā)生且便于提取參數進行采樣。

冷卻系統(tǒng)結構比較簡單，主要由風扇和整個設備空間組成。風扇主要作用是降低設備整體溫度，擴散產生臭氧。當風扇發(fā)生故障時，會出現設備內溫度過高，噪聲減小、臭氧產量減少等現象。風扇主要的故障為風扇線路故障和風扇扇葉故障，當線路發(fā)生故障，線路電流為零，設備內部溫度升高;當風扇堵塞或扇葉損壞，線路電流正常，設備內部溫度升高。

臭氧發(fā)生系統(tǒng)由高壓變頻電源和放電反應器組成。放電反應器作為化學反應發(fā)生的場所，發(fā)生故障的原因一般為放電管擊穿，高壓側短路。當放電反應器發(fā)生擊穿故障，會出現功率突然升高后降低，放電管溫度下降，臭氧濃度變?yōu)榱愕痊F象。

高頻變頻電源又包括變頻電源和高頻變壓器[5]。高壓變頻電源作為臭氧設備的核心器件，主要用來改變市電的頻率和電壓，利用電能產生臭氧。變頻電源是臭氧發(fā)生部分的關鍵單元，主要由整流單元，濾波單元，穩(wěn)壓單元，高頻逆變單元及緩沖電路單元組成，無論其中哪個單位元出現故障，都需要整體更換變頻電源，所以故障診斷時，只需保證可以準確地確定變頻電源發(fā)生故障即可。當變頻電源發(fā)生故障，輸出端頻率明顯下降，放電反應器停止工作，各點功率下降明顯，高頻變壓器和放電反應器溫度降低，臭氧濃度降低等現象;高頻變壓器將變頻電源輸出端的高頻電流升壓，輸出高頻高壓電流。其故障類型絕大多數為一次側或二次側線包燒毀，出現放電反應器停止放電、溫度降低，故障側線包溫度升高、臭氧濃度下降、功率下降等現象。

通過以上分析可以發(fā)現，元件發(fā)生故障時，可供參考判斷的參數變化較多，但是這些參數的測量并不能較為準確地判斷故障的位置及故障元件，此時測量參數的選擇和測量點的確定對整體的故障診斷尤為重要。通過分析溫度、噪聲等數據采集都較為復雜，參數變化緩慢，實時性較差，難以保證及時、準確地采集故障參數。此時，功率值的檢測意義重大，元件發(fā)生故障時，所消耗的功率會大大降低，運用功率監(jiān)測的方法可以迅速反應故障，可以達到及時、準確的監(jiān)測設備運行情況的目的。該系統(tǒng)就是通過對功率的監(jiān)測，判斷故障的發(fā)生。

2 故障特征提取

2.1 功率采集

功率測量途徑一般采用功率表法、定義法和電壓/電荷利薩如圖形法[6]。系統(tǒng)的監(jiān)測對象是臭氧發(fā)生設備，使用場地一般為水廠、養(yǎng)殖場果園等遠離設備銷售的地點，開機后操作人員撤離，根據程序自動運行，以防止高濃度的臭氧對操作人員身體的損害。由于臭氧發(fā)生設備的使用具有特殊性，以上測量方法都不能滿足在線監(jiān)測的實際要求。針對以上問題，本文提出了一種新的監(jiān)測功率的方法，以電流值的變化表征功率的變化情況，從而可以在無人條件下快速、準確地判斷故障的發(fā)生。

變頻電源入口處采集的電流和功率繪制的曲線如圖1所示，臭氧發(fā)生設備正常工作的功率在100 W 左右，實驗取85～115 W區(qū)間進行測量。從圖上可以發(fā)現曲線基本成一條直線，電流隨著功率的增加而增加。本設計使用互感器精度為0.2%。由圖可知，電流每變化0.01 A，功率變化1.76 W。因此可以確定在臭氧發(fā)生器中，通過電流值的變化檢測功率的變化，并且滿足互感器測量精度要求。

圖1 功率與電流對應曲線

2.2 總體方案及故障特征提取

臭氧發(fā)生器監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的總體設計如圖 2所示，系統(tǒng)主要由現場監(jiān)測數據傳輸和故障診斷組成。整個系統(tǒng)的原理:采集多處電流和溫度參數經調理、A/D 轉換后輸入計算機，同時構造數據樣本，并進行數據的保存、實時顯示以及系統(tǒng)報警等;對構造的樣本進行處理，提取信號的特征值，并利用單片機進行診斷，得到臭氧發(fā)生器的運行狀態(tài)和故障結果。

圖2 總體設計圖

圖3 故障監(jiān)測點設置

監(jiān)測點設置如圖3所示，選取圖中監(jiān)測點1、3、4進行電流信號的提取，監(jiān)測設備功率值變化，同時在監(jiān)測點2、5配合溫度的監(jiān)測。監(jiān)測點1、2、3負責檢測主回路各元件運行情況，其中，主回路主要包括電源電路、變壓器和放電管。監(jiān)測點4監(jiān)測風扇的運行情況。當監(jiān)測點1、3、4分別監(jiān)測不到功率值或功率值劇烈變化時，可以迅速判斷故障位置。

3 故障處理

根據第一節(jié)對故障情況的分析，結合監(jiān)測點的設置，總結故障信息如下:

故障信息A:監(jiān)測點1電流降低;

故障信息B:監(jiān)測點2溫度升高;

故障信息C:監(jiān)測點3電流升高后降低;

故障信息D:監(jiān)測點4電流降低;

故障信息E:監(jiān)測點5溫度降低;

故障信息F:監(jiān)測點5溫度上升。

表1 故障監(jiān)測對照表

4 結束語

利用臭氧發(fā)生器發(fā)生故障功率變化顯著這一特點，對臭氧發(fā)生設備的故障監(jiān)測做了研究，設計了一款通過監(jiān)測功率，輔助檢測溫度變化，對臭氧發(fā)生器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測的裝置，并給出故障信息對照表。通過實驗確定了通過電流檢測表征功率值的方法，有效地解決了臭氧設備功率診斷的技術難題。裝置通過對設備各個系統(tǒng)的監(jiān)測，可以在設備發(fā)生故障時快速通過故障對照表迅速地確定故障點，有效地實現無人狀態(tài)下的實時監(jiān)測和故障診斷。

[1]楊家蕾，董全.臭氧殺菌技術在食品工業(yè)中的應用[J].食品工業(yè)科技，2009，30(5):353 －355.359.

[2]劉海龍，王東升，王瑞軍.飲用水臭氧應用安全性研究[J].給水排水，2010，47(9):138 －142.

[3]張磊.中國大型臭氧設備制造與應用技術的現狀及分析[J].給水排水動態(tài)，2010，47(2):25 －27.

[4]劉鐘陽.放電等離子體合成臭氧及應用中一些問題的研究[D].大連:大連理工大學，2002.

[5]李翼.臭氧發(fā)生器高頻高壓逆變電源的研究與設計[D].大連:大連理工大學，2007.

[6]劉鐘陽，吳彥，王寧會.DBD等離子反應器放電功率測量的研究[C].//中國儀器儀表學會第三屆青年學術會議論文集(上).中國儀器儀表學會、沈陽市科協(xié).沈陽:2001，22(3):78 －79.83.