范則陽，程 駿，謝 坤

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

0 引言

船舶在水中航行時(shí)，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(huì)出現(xiàn)破損進(jìn)水，這些都會(huì)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(shí)進(jìn)行疏水、在破損大量進(jìn)水時(shí)采取相應(yīng)的抗沉措施，船舶都需要在艙底安裝艙底進(jìn)水報(bào)警裝置［1］。

船舶艙底環(huán)境異常惡劣，船舶主機(jī)艙存在大量的油污，工作溫度高達(dá)50℃;船舶蓄電池艙存在強(qiáng)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(jìn)水報(bào)警裝置安全、可靠地檢測到艙底進(jìn)水情況是一項(xiàng)亟急需解決的難題。本文針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一種本質(zhì)安全型有水信號(hào)傳感器，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，并在船舶上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

有水信號(hào)傳感器外形如圖1所示。有水信號(hào)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(jí)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(hào)傳感器外形圖Fig 1 Water signal sensor contour image

設(shè)計(jì)船舶艙底有水信號(hào)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(hào)。具體要求如下［3～4］:

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

2)滿足耐強(qiáng)酸要求:船舶蓄電池艙存在強(qiáng)酸性的液體，布置在這些區(qū)域的有水信號(hào)傳感器需滿足耐強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生爆炸性氣體——?dú)錃猓惭b在蓄電池艙艙底的電氣設(shè)備需滿足IICT1防爆等級(jí)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(shí)，受風(fēng)浪影響會(huì)產(chǎn)生傾斜、搖擺，有水信號(hào)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(jì)方案

2.1 傳感器類型的選擇

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

浮子液位計(jì)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)行邏輯處理后，輸出報(bào)警信息［8］。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(hào)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(bào)警信號(hào)，而且，2根電極短路時(shí)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(diǎn)，采用本質(zhì)安全型的防爆形式。

2.3 傳感器的設(shè)計(jì)

有水信號(hào)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(jì)

傳感器本體由防護(hù)罩和底座組成。底座用于固定電極，防護(hù)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(hù)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(hù)罩與底座外形圖Fig 2 Profile drawing of shield and pedestal

2.3.2 電極設(shè)計(jì)

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(jì)

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

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

圖5 有水信號(hào)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(jì)

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(jì)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(jì)

傳感器的設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)后制成，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號(hào);

2)有水信號(hào)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(píng)定

本安性能評(píng)定主要是對(duì)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(píng)估，判斷上述參數(shù)是否滿足ExibIICT1防爆等級(jí)的要求［10］。

對(duì)于IIC類設(shè)備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數(shù)時(shí)，其最小點(diǎn)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(jì)是滿足本質(zhì)安全性要求的。

對(duì)于IIC類設(shè)備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數(shù)時(shí)，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(duì)于IIC類設(shè)備，在電壓16 V，最小點(diǎn)燃電流為0.3 A時(shí)，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(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)包括參數(shù)測試試驗(yàn)、功能試驗(yàn)和防爆認(rèn)證試驗(yàn)。

表1～表3為參數(shù)測試試驗(yàn)、功能試驗(yàn)和防爆認(rèn)證試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明:傳感器的參數(shù)實(shí)測值與設(shè)計(jì)值基本一致，傳感器的有水信號(hào)輸出功能滿足要求，傳感器的防爆等級(jí)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(yàn)結(jié)果Tab 2 Test results of sensor function

表3 傳感器防爆認(rèn)證試驗(yàn)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(hào)傳感器的選型、外形及參數(shù)設(shè)計(jì)、本質(zhì)性能評(píng)定及試驗(yàn)驗(yàn)證的過程。該傳感器具有工作可靠，安裝方便的特點(diǎn)，可滿足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級(jí)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(jìn)水報(bào)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(jìn)水檢測裝置安裝的改進(jìn)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(jìn)水報(bào)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(jì)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(bào)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(jì)要求)［J］.自動(dòng)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］.