臭氧发生设备监测与故障诊断的研究

宋超，刘钟阳，周博

(大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

近年来，臭氧凭借其超强的氧化性和“绿色”无污染等特点，已经被广泛地应用于生产生活的诸多领域[1－2]。由于臭氧发生设备结构复杂，工作环境比较恶劣，设备出现故障后维修困难一直是一个困扰用户和生产厂商的问题。目前国外大型臭氧技术较为成熟，具有在线检测、自动调节、故障诊断、报警保护、远程控制等功能[3]，但检测方法较为复杂，成本较高。国内对其生产过程的测控技术则相对落后。采用的监测方法大多不适用于中小型臭氧发生器，可行性较低。随着臭氧技术的不断发展，生产中有效的在线监测手段成为臭氧技术进一步发展急需解决的问题。

利用臭氧发生器正常工作与发生故障时功率变化较大这一特点，运用在线监测技术，研究了臭氧发生器数字化监测和故障诊断系统，系统由现场监测数据传输和故障诊断两部分组成，采用提取电流信号表征功率特征值，辅助温度参数的变化，利用单片机进行故障诊断，从而得到臭氧发生器的运行判断结果。

1 故障模式及特征分析

臭氧发生设备主要由冷却系统和臭氧发生系统组成。放电管放电使电能转化为化学能，在生成臭氧的同时释放大量热[4]，同时伴有一定的噪声。当元件发生故障时，大多伴随着温度、功率和噪声等参数的变化。所以用于故障诊断可以采集的变化参数比较多，这就需要选择其中的一种或几种参数变化明显可以准确判断故障发生且便于提取参数进行采样。

冷却系统结构比较简单，主要由风扇和整个设备空间组成。风扇主要作用是降低设备整体温度，扩散产生臭氧。当风扇发生故障时，会出现设备内温度过高，噪声减小、臭氧产量减少等现象。风扇主要的故障为风扇线路故障和风扇扇叶故障，当线路发生故障，线路电流为零，设备内部温度升高;当风扇堵塞或扇叶损坏，线路电流正常，设备内部温度升高。

臭氧发生系统由高压变频电源和放电反应器组成。放电反应器作为化学反应发生的场所，发生故障的原因一般为放电管击穿，高压侧短路。当放电反应器发生击穿故障，会出现功率突然升高后降低，放电管温度下降，臭氧浓度变为零等现象。

高频变频电源又包括变频电源和高频变压器[5]。高压变频电源作为臭氧设备的核心器件，主要用来改变市电的频率和电压，利用电能产生臭氧。变频电源是臭氧发生部分的关键单元，主要由整流单元，滤波单元，稳压单元，高频逆变单元及缓冲电路单元组成，无论其中哪个单位元出现故障，都需要整体更换变频电源，所以故障诊断时，只需保证可以准确地确定变频电源发生故障即可。当变频电源发生故障，输出端频率明显下降，放电反应器停止工作，各点功率下降明显，高频变压器和放电反应器温度降低，臭氧浓度降低等现象;高频变压器将变频电源输出端的高频电流升压，输出高频高压电流。其故障类型绝大多数为一次侧或二次侧线包烧毁，出现放电反应器停止放电、温度降低，故障侧线包温度升高、臭氧浓度下降、功率下降等现象。

通过以上分析可以发现，元件发生故障时，可供参考判断的参数变化较多，但是这些参数的测量并不能较为准确地判断故障的位置及故障元件，此时测量参数的选择和测量点的确定对整体的故障诊断尤为重要。通过分析温度、噪声等数据采集都较为复杂，参数变化缓慢，实时性较差，难以保证及时、准确地采集故障参数。此时，功率值的检测意义重大，元件发生故障时，所消耗的功率会大大降低，运用功率监测的方法可以迅速反应故障，可以达到及时、准确的监测设备运行情况的目的。该系统就是通过对功率的监测，判断故障的发生。

2 故障特征提取

2.1 功率采集

功率测量途径一般采用功率表法、定义法和电压/电荷利萨如图形法[6]。系统的监测对象是臭氧发生设备，使用场地一般为水厂、养殖场果园等远离设备销售的地点，开机后操作人员撤离，根据程序自动运行，以防止高浓度的臭氧对操作人员身体的损害。由于臭氧发生设备的使用具有特殊性，以上测量方法都不能满足在线监测的实际要求。针对以上问题，本文提出了一种新的监测功率的方法，以电流值的变化表征功率的变化情况，从而可以在无人条件下快速、准确地判断故障的发生。

变频电源入口处采集的电流和功率绘制的曲线如图1所示，臭氧发生设备正常工作的功率在100 W 左右，实验取85～115 W区间进行测量。从图上可以发现曲线基本成一条直线，电流随着功率的增加而增加。本设计使用互感器精度为0.2%。由图可知，电流每变化0.01 A，功率变化1.76 W。因此可以确定在臭氧发生器中，通过电流值的变化检测功率的变化，并且满足互感器测量精度要求。

图1 功率与电流对应曲线

2.2 总体方案及故障特征提取

臭氧发生器监测与故障诊断系统的总体设计如图 2所示，系统主要由现场监测数据传输和故障诊断组成。整个系统的原理:采集多处电流和温度参数经调理、A/D 转换后输入计算机，同时构造数据样本，并进行数据的保存、实时显示以及系统报警等;对构造的样本进行处理，提取信号的特征值，并利用单片机进行诊断，得到臭氧发生器的运行状态和故障结果。

图2 总体设计图

图3 故障监测点设置

监测点设置如图3所示，选取图中监测点1、3、4进行电流信号的提取，监测设备功率值变化，同时在监测点2、5配合温度的监测。监测点1、2、3负责检测主回路各元件运行情况，其中，主回路主要包括电源电路、变压器和放电管。监测点4监测风扇的运行情况。当监测点1、3、4分别监测不到功率值或功率值剧烈变化时，可以迅速判断故障位置。

3 故障处理

根据第一节对故障情况的分析，结合监测点的设置，总结故障信息如下:

故障信息A:监测点1电流降低;

故障信息B:监测点2温度升高;

故障信息C:监测点3电流升高后降低;

故障信息D:监测点4电流降低;

故障信息E:监测点5温度降低;

故障信息F:监测点5温度上升。

表1 故障监测对照表

4 结束语

利用臭氧发生器发生故障功率变化显著这一特点，对臭氧发生设备的故障监测做了研究，设计了一款通过监测功率，辅助检测温度变化，对臭氧发生器的工作状态进行监测的装置，并给出故障信息对照表。通过实验确定了通过电流检测表征功率值的方法，有效地解决了臭氧设备功率诊断的技术难题。装置通过对设备各个系统的监测，可以在设备发生故障时快速通过故障对照表迅速地确定故障点，有效地实现无人状态下的实时监测和故障诊断。

[1]杨家蕾，董全.臭氧杀菌技术在食品工业中的应用[J].食品工业科技，2009，30(5):353 －355.359.

[2]刘海龙，王东升，王瑞军.饮用水臭氧应用安全性研究[J].给水排水，2010，47(9):138 －142.

[3]张磊.中国大型臭氧设备制造与应用技术的现状及分析[J].给水排水动态，2010，47(2):25 －27.

[4]刘钟阳.放电等离子体合成臭氧及应用中一些问题的研究[D].大连:大连理工大学，2002.

[5]李翼.臭氧发生器高频高压逆变电源的研究与设计[D].大连:大连理工大学，2007.

[6]刘钟阳，吴彦，王宁会.DBD等离子反应器放电功率测量的研究[C].//中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(上).中国仪器仪表学会、沈阳市科协.沈阳:2001，22(3):78 －79.83.