秦 珩
?
船舶主機(jī)主軸承溫度數(shù)字化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
秦 珩
(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018)
船舶主機(jī)(柴油機(jī))主軸承的溫升直接影響著主機(jī)的工作性能和運(yùn)行安全,利用多個溫度傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò),結(jié)合單片機(jī)形成高精度溫度采集檢測系統(tǒng),分布在船舶主機(jī)各主軸承監(jiān)測點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)了對主機(jī)主軸承溫度多點(diǎn)溫度檢測。這種檢測系統(tǒng)精度高,抗干擾能力強(qiáng),實(shí)時性好。本文針對主機(jī)的特點(diǎn),構(gòu)建主軸承溫度測控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對主軸承溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的自動監(jiān)測和實(shí)時報(bào)警,為主軸承的工作狀態(tài)提供使用管理依據(jù)。該系統(tǒng)在主機(jī)溫度檢測系統(tǒng)及其船舶機(jī)艙自動化方面具有廣泛的應(yīng)用價值,此項(xiàng)技術(shù)也可作為船舶機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測的重要手段。
主機(jī)主軸承溫度檢測
船舶主機(jī)(柴油機(jī))主軸承與曲軸主軸頸摩擦副,在高速運(yùn)行中的發(fā)熱是影響主機(jī)性能的重要因素。一旦主軸承溫度超過允許范圍,會造成主機(jī)主軸承和主軸頸的嚴(yán)重?fù)p壞,甚至造成整機(jī)報(bào)廢。如果主軸承的較高溫度長期運(yùn)行,將會加劇主軸承的老化,壽命大大縮短。所以有必要對主軸承進(jìn)行溫度監(jiān)測。
對船舶主機(jī)主軸承進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時檢測,測量點(diǎn)多,工作環(huán)境惡劣,溫度范圍大。超出許多單總線傳感器的測量范圍,宜采用模擬傳感器,同時設(shè)計(jì)信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路,最后把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計(jì)算機(jī)去處理。
本文闡述了這種溫度檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。從理論和實(shí)驗(yàn)2個方面對船舶主機(jī)主軸承溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。
本文研究的對象主機(jī)為12V-PC25型中速大功率四沖程增壓柴油機(jī),12缸V型排列,6道主軸頸,共7道主軸承。本監(jiān)測系統(tǒng)共設(shè)置7個溫度監(jiān)測點(diǎn),每道主軸承設(shè)置1個傳感器即1個監(jiān)測點(diǎn)。主軸承測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、溫度采集處理單元、顯示單元、按鍵和開關(guān)輸入單元、報(bào)警輸出單元、主控制單元、外部通信單元組成。
圖1溫度檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖
溫度采集單元連接7路溫度傳感器PT100,通過電子多路開關(guān)電路將采集進(jìn)來的信號進(jìn)行切換,再經(jīng)過放大電路,調(diào)理整形電路后,送入TLC1549進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送主控制單元進(jìn)行計(jì)算處理。
控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī),外圍電路包括復(fù)位電路,時鐘電路。
功能需求分析:
·設(shè)定時間間隔,自動輪詢7路溫度。
·可以設(shè)置溫度報(bào)警閾值,報(bào)警閾值分為一級報(bào)警和二級報(bào)警。
·自動報(bào)警功能,超過報(bào)警閾值自動輸出警報(bào),包括本地聲光報(bào)警,遠(yuǎn)程報(bào)警輸出。
·使用按鍵開關(guān)可以任意切換顯示1路溫度。
溫度輸入電路同時接入7路PT100,每一路由3個100歐姆精密電阻和外部的PT100組成惠斯通電橋。當(dāng)溫度為0℃時,PT100的阻值接近100歐姆,電橋平衡,輸出為0V;當(dāng)溫度升高,PT100阻值變大,電橋失去平衡,產(chǎn)生壓差,輸出上正下負(fù)的電壓信號;當(dāng)溫度下降,低于0℃時,PT100的阻值小于100歐姆,電橋失去平衡,輸出上負(fù)下正的電壓信號。通過測量惠斯通電橋的輸出電壓,可以計(jì)算出PT100的阻值,通過查找分度表,獲取對應(yīng)的溫度值。
輸入電壓采用船舶發(fā)電機(jī)的輸出電壓直流24 V,經(jīng)高性能的DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換為直流+5 V和-5 V,供主控電路使用。另外使用LM317降壓型穩(wěn)壓電源將+5 V轉(zhuǎn)換為+1.25 V,為溫度采集單元的PT100提供電源。
溫度采集電路如圖2所示。溫度采集單元分為溫度輸入電路、多路開關(guān)切換電路、信號放大調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換電路。
由圖2(部分電路原理圖)可以看出,惠斯通電橋的電源電壓為1.25V,使用2個100歐姆的電阻分壓后得到0.625V的比較電壓。另一條電臂的電壓可以通過PT100的分度表計(jì)算得出。
外部接入的7路溫度信號分別進(jìn)入2片CD4052切換電路,CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān),相當(dāng)于一個雙刀四擲開關(guān),通過單片機(jī)IO程序控制,同一時間只有一路溫度信號被選中,進(jìn)入后級信號處理。
信號放大電路由AD620完成。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器,僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益,增益范圍為1至10000,外圍配置電路十分簡單。此外,AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝,尺寸小于分立電路設(shè)計(jì),并且功耗更低。AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 μV)和低失調(diào)漂移(最大0.6 μV/℃)特性。
由于其輸入級采用Superβeta處理,因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲,在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲峰峰值為0.28 μV,輸入電流噪聲為0.1 pA/Hz,因而作為前置放大器使用效果很好。同時,AD620的0.01%建立時間為15 μs,非常適合多路復(fù)用應(yīng)用;而且成本很低,足以實(shí)現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計(jì)。
由圖2可以看出,PT100的信號是以差分方式輸入到AD620,其后級ADC轉(zhuǎn)換電路TLC1549使用了精密基準(zhǔn)電壓芯片MC1403作為參考電壓源,LM1403的輸出電壓為2.5V。由表1可以看出,輸入的最大電壓為0.1392V。為避免滿幅超限溢出,經(jīng)放大后進(jìn)入TLC1549的最大電壓應(yīng)小于2.5V。
(1)
(2)
式中—AD620的增益倍數(shù);—增益電阻。
公式(1)用于計(jì)算AD620的增益倍數(shù),公式(2)用于計(jì)算增益配置電阻的阻值。設(shè)定增益倍數(shù)=15,使用公式2計(jì)算得出R=3.528 kΩ。通過調(diào)節(jié)電位器,達(dá)到設(shè)定的阻值。
經(jīng)過AD620放大的電壓信號,進(jìn)入TLE2062組成的電壓跟隨器。這樣,可以將輸入阻抗變得很高,對于輸入信號的影響可以做到很小,同時,輸出阻抗變得很低,AD輸入阻抗對輸入信號的影響可以做到很小。電壓跟隨器在這里的作用是阻抗變換作用。
TLC1549是10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝,具有內(nèi)在的采樣和保持,采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍,總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB Max(4.8mV)等特點(diǎn)。
TLC1549的工作溫度范圍內(nèi)(自然通風(fēng))極限參數(shù)如下:
電源電壓范圍:-0.5~6.5 V
輸入電壓范圍:-0.3~VCC+0.3 V
輸出電壓范圍:-0.3~VCC+0.3 V
正基準(zhǔn)電壓:VCC+0.1 V
峰值輸入電流(任何輸入端):±20 mA
峰值總輸入電流(所有輸入端):±30 mA
溫度信號經(jīng)過電壓跟隨器后送入TLC1549進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.
由前面的計(jì)算可知,輸入的最大電壓為:
max = 0.1392×15 = 2.088 (V)
10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程值為1024,據(jù)此計(jì)算溫度分辨率為:
150×(2.088/2.50/1024) = 0.175(℃)
如此高的分辨率,完全滿足船舶主機(jī)主軸溫度場檢測的需求。
設(shè)備的前面板上設(shè)計(jì)有7個報(bào)警指示燈,分別指示7路溫度報(bào)警狀態(tài),通過單片機(jī)的IO進(jìn)行控制。同時,設(shè)計(jì)有1路繼電器輸出,可以驅(qū)動外部大功率的聲光報(bào)警設(shè)備。
STC12C5A60S2的串口2連接MAX485芯片,可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,與外部RS485設(shè)備進(jìn)行通訊。
通過RS485與計(jì)算機(jī)相連,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程報(bào)警、溫度數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)保存功能。
程序主流程圖如圖3所示。
為提高設(shè)備的可靠性,程序上采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù),對溫度進(jìn)行連續(xù)大量采樣,過濾掉離散性大的數(shù)據(jù),并對多次采樣數(shù)據(jù)取平均值。以避免因外界干擾,造成溫度數(shù)據(jù)的跳動。
根據(jù)PT100的分度表,在程序中建立一張“溫度-電壓”對應(yīng)關(guān)系表。單片機(jī)通過查表方式獲取溫度值,能夠減少數(shù)據(jù)計(jì)算量,節(jié)省運(yùn)行時間,實(shí)現(xiàn)溫度快速轉(zhuǎn)換。
圖4溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖
本文闡述了一種應(yīng)用廣泛的船舶主機(jī)主軸承溫度的檢測設(shè)備的工作原理和設(shè)計(jì)過程,硬件設(shè)計(jì)上,采用高性能的單片機(jī)及其電子元器件組成溫度采集電路,并采用多路開關(guān)分時切換的方式簡化了電路設(shè)計(jì),節(jié)省了成本。采用普通的數(shù)碼管顯示和按鍵輸入的方法體現(xiàn)了實(shí)用的設(shè)計(jì)理念。
該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、溫度轉(zhuǎn)換速度快、準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定,性能可靠,是一種技術(shù)性、實(shí)用性很強(qiáng)的設(shè)備監(jiān)測產(chǎn)品。已在船舶機(jī)艙監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用,取得十分良好的使用效果。
[1] 鄭學(xué)普. 航空發(fā)電機(jī)主軸_軸承系統(tǒng)溫度場分析[D]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2004.
[2] 梁偉. 船舶機(jī)艙自動監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大連理工大學(xué)碩士論文, 2002.
[3] 王瑜. 數(shù)控機(jī)床主軸及主軸電機(jī)溫度檢測與控制系統(tǒng)[D]. 煤礦機(jī)械, 2010.
[4] 龔玉林. 船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[D]. 大連海事大學(xué)碩士論文, 2008:1-4.
Design of Digital Detection System for Temperature Field of Ship Engine Spindle
Qin Heng
(PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China)
TP 391
A
1003-4862(2017)11-0032-04
2017-08-15
秦珩(1975-),男,碩士,高級工程師。研究方向:輪機(jī)工程。