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        一種本安型有水信號傳感器設(shè)計

        2013-12-07 06:53:58范則陽
        傳感器與微系統(tǒng) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:外形電感本質(zhì)

        范則陽,程 駿,謝 坤

        (中國艦船研究設(shè)計中心,湖北武漢430064)

        0 引言

        船舶在水中航行時,船艙底部不可避免的存在積水,在事故或者撞擊情況下更會出現(xiàn)破損進水,這些都會影響船舶的安全性。為了保障船舶的安全性,提醒船員在船艙艙底積水時進行疏水、在破損大量進水時采取相應(yīng)的抗沉措施,船舶都需要在艙底安裝艙底進水報警裝置[1]。

        船舶艙底環(huán)境異常惡劣,船舶主機艙存在大量的油污,工作溫度高達50℃;船舶蓄電池艙存在強酸性的液體和爆炸性氣體,需要滿足防爆的要求[2]。如何保證在如此惡劣的環(huán)境下艙底進水報警裝置安全、可靠地檢測到艙底進水情況是一項亟急需解決的難題。本文針對這種情況,設(shè)計了一種本質(zhì)安全型有水信號傳感器,經(jīng)試驗驗證,并在船舶上進行了實際應(yīng)用。

        1 傳感器結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求

        有水信號傳感器外形如圖1所示。有水信號傳感器為水密式結(jié)構(gòu)[1],自帶5 m長 JHRP85/SC 2×1.0型艦用電纜,傳感器的防爆等級為ExibIICT1。傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部。

        圖1 有水信號傳感器外形圖Fig 1 Water signal sensor contour image

        設(shè)計船舶艙底有水信號檢測傳感器需考慮船舶艙底工作的特定環(huán)境條件要求,確保在惡劣的環(huán)境下可靠地輸出有水信號。具體要求如下[3~4]:

        1)滿足耐油污要求:船舶主機艙存在大量的油污,布置在這些區(qū)域的有水信號傳感器需滿足耐油污要求;

        2)滿足耐強酸要求:船舶蓄電池艙存在強酸性的液體,布置在這些區(qū)域的有水信號傳感器需滿足耐強酸要求;

        3)滿足蓄電池艙防爆要求:船舶蓄電池艙蓄電池組在充放電過程中會產(chǎn)生爆炸性氣體——氫氣,安裝在蓄電池艙艙底的電氣設(shè)備需滿足IICT1防爆等級的要求;

        4)在傾斜和搖擺航行狀態(tài)下可靠工作:船舶在航行時,受風(fēng)浪影響會產(chǎn)生傾斜、搖擺,有水信號傳感器需保證在這種航行狀態(tài)下工作的可靠性。

        2 設(shè)計方案

        2.1 傳感器類型的選擇

        目前,檢測船舶艙底有進水狀況的傳感器有浮子液位計、浮子開關(guān)和電極式傳感器3種類型[5~7]。

        浮子液位計和浮子開關(guān)不適合船舶上傾斜和搖擺的航行狀態(tài)以及船舶艙底油污和雜質(zhì)的工作環(huán)境。根據(jù)船舶應(yīng)用的特點和傳感器的工作環(huán)境,本裝置采用電極式傳感器。

        電極式傳感器是應(yīng)用較為廣泛的一種傳感器,其工作原理是傳感器內(nèi)部設(shè)有2根導(dǎo)電電極,當(dāng)艙底進水淹沒傳感器的2根電極后,電極導(dǎo)通,檢測電路根據(jù)阻值變化進行邏輯處理后,輸出報警信息[8]。這種傳感器的優(yōu)點是價格便宜,工作可靠。

        2.2 傳感器防爆形式的選擇

        電氣設(shè)備的防爆形式有隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型。

        由于有水信號傳感器采用電極式,這種傳感器的2根電極需與水接觸才能發(fā)出有水報警信號,而且,2根電極短路時有產(chǎn)生電火花的可能性,隔爆型、增安型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型的防爆形式均不適用于電極式傳感器。根據(jù)電極式傳感器的特點,采用本質(zhì)安全型的防爆形式。

        2.3 傳感器的設(shè)計

        有水信號傳感器為水密式結(jié)構(gòu),它主要由電極、傳感器本體、安裝卡、電纜組成。

        2.3.1 傳感器本體設(shè)計

        傳感器本體由防護罩和底座組成。底座用于固定電極,防護罩用于固定電纜和安裝卡,兩者之間通過螺紋連接。傳感器本體采用具有耐酸和耐腐蝕的聚四氟乙烯材料。防護罩外形圖如圖2(a)所示,底座的外形圖如圖2(b)所示。

        圖2 傳感器防護罩與底座外形圖Fig 2 Profile drawing of shield and pedestal

        2.3.2 電極設(shè)計

        電極外形如圖3所示。導(dǎo)電電極采用不銹鋼材料,針形結(jié)構(gòu),可以滿足耐油污和耐酸性的要求。

        圖3 電極外形圖Fig 3 Electrode profile drawing

        2.3.3 安裝卡設(shè)計

        安裝卡外形如圖4所示。安裝卡由2個半圓形的不銹鋼條組成,由螺絲連接后卡箍在防護罩上。

        圖4 安裝卡外形圖Fig 4 Mounting card profile drawing

        圖5 有水信號傳感器裝配圖Fig 5 Assembly drawing of water signal sensor

        2.3.6 傳感器參數(shù)設(shè)計

        根據(jù)傳感器的物理特性,為保證檢測電路的靈敏度,并防止最高輸入電壓、電流過大燒壞邏輯處理單元,確定本傳感器最高輸入電壓Ui=13V,最大輸入電流Ii=300 mA。根據(jù)傳感器的工作特性,提出電阻值要求,即接觸水電阻值要求R1<100 kΩ、脫離水電阻值要求R2>100 MΩ。

        由此計算,傳感器最大輸入功率[9]

        傳感器的內(nèi)部等效電容、等效電感即為傳感器自帶電纜的等效電感、等效電容。JHRP85/SC 2×1.0電纜的分布電容Ck為 0.094μF·km-1,分布電感 Lk為 0.48 mH·km-1[9]。傳感器自帶電纜長度為5 m,則其最大內(nèi)部等效電容和等效電感為

        2.3.7 其他工藝設(shè)計

        傳感器的設(shè)計時還考慮了下列因素[2]:

        1)傳感器的外形和電極的形狀均經(jīng)過多次試驗后制成,確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號;

        2)有水信號傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部,必須保證安裝卡可靠接地。

        2.3.8 本安性能評定

        本安性能評定主要是對傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內(nèi)部等效電容Ci、最大內(nèi)部等效電感Li等主要參數(shù)的評估,判斷上述參數(shù)是否滿足ExibIICT1防爆等級的要求[10]。

        對于IIC類設(shè)備,在電壓13V,取1.5倍的安全系數(shù)時,其最小點燃電流為2.02A[10]。本傳感器的最大輸入電流Ii為300 mA,故傳感器供電部分設(shè)計是滿足本質(zhì)安全性要求的。

        對于IIC類設(shè)備,在電壓13V,取1.5倍的安全系數(shù)時,允許的電容為1.00μF[10]。本傳感器的最大內(nèi)部等效電容Ci為0.47 nF,故傳感器最大內(nèi)部等效電容是滿足本質(zhì)安全性要求的。

        對于IIC類設(shè)備,在電壓16 V,最小點燃電流為0.3 A時,其允許的電感為0.8 mH[10]。本傳感器的工作電壓是13 V,最大內(nèi)部等效電感Li為2.4μH,均小于上述數(shù)值,故傳感器最大內(nèi)部等效電感是滿足本質(zhì)安全性要求的。

        綜上所述,傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內(nèi)部等效電容Ci、最大內(nèi)部等效電感Li等主要參數(shù)均滿足IIC類本質(zhì)安全設(shè)備的要求。

        3 試驗驗證

        驗證試驗包括參數(shù)測試試驗、功能試驗和防爆認(rèn)證試驗。

        表1~表3為參數(shù)測試試驗、功能試驗和防爆認(rèn)證試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明:傳感器的參數(shù)實測值與設(shè)計值基本一致,傳感器的有水信號輸出功能滿足要求,傳感器的防爆等級滿足ExibIICT1的要求。

        表1 傳感器參數(shù)測試結(jié)果Tab 1 Test results of sensor parameter

        表2 傳感器功能試驗結(jié)果Tab 2 Test results of sensor function

        表3 傳感器防爆認(rèn)證試驗結(jié)果Tab 3 Test results of sensor explosion-proof certification

        4 結(jié)論

        本文論述了一種本質(zhì)安全型有水信號傳感器的選型、外形及參數(shù)設(shè)計、本質(zhì)性能評定及試驗驗證的過程。該傳感器具有工作可靠,安裝方便的特點,可滿足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級要求,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各型船舶,并取得了良好的效果。

        [1]宮 山.散貨船進水報警裝置技術(shù)要求[J].中國船檢,2003(3):80-81.

        [2]孟建明.散貨船貨艙進水檢測裝置安裝的改進建議[J].航海技術(shù),2010(1):59-61.

        [3]中國船舶工業(yè)總公司.CB 1328—1997潛艇艙底進水報警裝置規(guī)范[S].

        [4]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 3836.1—2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分:通用要求[S].

        [5]Convey H J,Booth M J.Development of a water leak detector system[J].Computing & Control Engineering Journal,2002,13(1):33-38.

        [6]舒大興,陳 偉.MSP430在大量程浮子液位式液位計中的應(yīng)用[J].國外電子元器件,2005(3):21-23.

        [7]方萬水,孫鋒吾.艦船綜合報警系統(tǒng)研制[J].中國修船,2007,20(5):29,30.

        [8]Wen Yumei,Li Ping,Yang Jin,et al.Information processing in buried pipeline leak detection system[C]∥Proc of 2004 IEEE Int’l Conf on Information Acquisition,2004:489-493.

        [9]徐建平.“防爆安全技術(shù)”講座(第12講 本安系統(tǒng)一般設(shè)計要求)[J].自動化儀表,2009(1):73-78.

        [10]GB 3836.4—2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分:本質(zhì)安全型“i”[S].

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