張國棟 , 許曉東

(1.江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913; 2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240)

0 引 言

江南造船(集團)有限責任公司所承建的18 000 TEU超大型集裝箱船建造工程物量大，特別是船舶調(diào)試工作量超出常規(guī)船型40%～50%。溫度是判斷設(shè)備工況的重要參數(shù)之一，PT100溫度傳感器作為船舶常用的、具有代表性的一種傳感器，廣泛應用于船舶的各種設(shè)備溫度監(jiān)控，比如：海水系統(tǒng)溫度檢測；各種滑油、燃油系統(tǒng)溫度；蒸汽系統(tǒng)溫度；排氣溫度；設(shè)備運行溫度；等等。

PT100溫度傳感器(見圖1)是一種以金屬鉑絲作為感受溫度變化并轉(zhuǎn)換成可輸出信號的傳感器。由于其具有較好的穩(wěn)定性和線性,且工作范圍大，可在-200～+650 ℃使用[1]。鑒于其優(yōu)良的性能，PT100溫度傳感器被廣泛使用。作為報警檢測系統(tǒng)的重要電氣元件[2]，PT100溫度傳感器在船舶運行期間對設(shè)備、系統(tǒng)運行狀態(tài)進行測量和控制反饋，發(fā)揮重要作用。

在船舶建造系泊試驗階段，船用系統(tǒng)的溫度檢測調(diào)試是檢測報警系統(tǒng)(見表1)的重要檢驗項目之一。無論是人工測量還是監(jiān)測系統(tǒng)測量都是利用PT100溫度傳感器一定的線性關(guān)系。其校驗原理是通過測量傳感器的阻值，然后查找溫度電阻對照表(見表2)，再利用插值法計算得到最終的溫度對應值。反之，如果已知溫度，求解PT100當前阻值，也只有通過查找對照表進行計算阻值，過程比較復雜。

圖1 PT100 溫度和阻值變化曲線

表1 機艙檢測報警項目表

表2 PT100溫度電阻對照表

在調(diào)試過程中，為驗證船舶報警監(jiān)測系統(tǒng)是否正常工作，通常有2種檢測方法。第1種通過實效驗證，利用加熱設(shè)備精確控制溫度來驗證傳感器是否正常工作。由于其耗時較長，1個傳感器校驗至少耗時30 min，一般作為抽樣檢查使用。第2種利用PT100溫度電阻對照表查找溫度并求得對應電阻值，再利用電阻箱模擬PT100電阻值，驗證傳感器是否正常工作。雖然第2種方案比第1種方案便捷，當物量陡增時，將大幅增加調(diào)試的人工投入，勢必延長調(diào)試周期。為此，針對PT100型溫度監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試儀器進行改良，希望利用新材料，重新設(shè)計新型檢測調(diào)試工具，提高作業(yè)效率。

船舶各溫度監(jiān)測系統(tǒng)(見圖2)通常由2部分組成：傳感器部分(PT100)和信號采集轉(zhuǎn)換部分(設(shè)備控制模塊、船舶監(jiān)測系統(tǒng)等)。

圖2 船舶監(jiān)測系統(tǒng)

1 研發(fā)過程

1.1 課題研究調(diào)研

多數(shù)船廠在對PT100溫度傳感器進行校驗提交時，多采用電阻箱校驗方式來進行傳感器的校驗工作。其調(diào)試過程如下(見圖3)：假設(shè)PT100溫度為60.5 ℃，檢查集控室監(jiān)測報警系統(tǒng)是否顯示為60.5 ℃。首先須拆除PT100傳感器和監(jiān)測報警系統(tǒng)的連接線，用電阻箱代替。查詢PT100溫度電阻對照表，當溫度為60.5 ℃時，PT100阻值是125.19 Ω，然后調(diào)整電阻箱的各擋電阻旋鈕，調(diào)整電阻值至125.19 Ω，查看監(jiān)測報警系統(tǒng)是否顯示為60.5 ℃。此過程操作步驟較多，時間較長。

圖3 電阻箱調(diào)試過程

根據(jù)傳統(tǒng)的調(diào)試測量方法和外購的測試儀，調(diào)試溫度報警點，針對調(diào)試檢驗過程中存在的不便以及調(diào)試用工情況(見表3)展開調(diào)研。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以看出，采用溫度報警測試儀校驗，耗費人工數(shù)較大，周期長，使用程序也較為繁瑣，因此縮短校驗周期勢在必行。

電阻箱輸出電阻原理如下：其內(nèi)部將精電阻連接起來，通過旋鈕調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻的數(shù)量，人工計算輸出電阻的阻值，如圖4所示。目前使用的電阻箱內(nèi)部有7組電阻，分別從0.01 Ω×10，0.1 Ω×10,1 Ω×10,10 Ω×10,100 Ω×10,1 000 Ω×10,10 000 Ω×10,因此電阻較多，體積較大。

表3 單船調(diào)試工時統(tǒng)計表 h

圖4 電阻箱原理圖

1.2 改進方案設(shè)計

基于高速可編程邏輯器件的廣泛應用，實時、快速、可靠地對系統(tǒng)狀態(tài)信號進行處理。對PT100熱電阻的阻值變化進行等效模擬，檢驗實際系統(tǒng)溫度傳感器的可靠性，從而達到傳感器校驗的目的?；谏鲜隼碚摮晒驮O(shè)備，可實現(xiàn)將PT100阻值直接轉(zhuǎn)換成溫度值，也可設(shè)計和制作PT100溫度顯示單片機模塊，用于測量電阻值箱，減少使用PT100溫度電阻對照表和電阻箱上的刻度來計算電阻值。設(shè)想通過減少電阻數(shù)量，進一步減少設(shè)備體積，利用高精度滑動電阻來代替電阻箱。設(shè)計電路圖如圖5所示。

在船舶PT100溫度傳感器報警點調(diào)試過程中，須校驗傳感器在0℃時是否能精確地輸出電阻100 Ω，同時檢查集控臺是否顯示0℃，所以在原理圖設(shè)計中，增加1個獨立的100 Ω電阻，有單獨0°輸出功能，非常切合船舶大批量監(jiān)測報警實際調(diào)試情況。操作流程如圖6所示。

圖5 初步設(shè)計方案

圖6 操作流程設(shè)計圖

本方案最核心的設(shè)計就是做好高精度電阻的選型(見表4)，通過市場調(diào)研和資料查閱，對幾種型號的電阻進行功能試驗，檢查電阻是否滿足設(shè)計應用，并確定電阻型號。

分別對3種型號的電阻進行測試，結(jié)果如表5所示。

表4 電阻選型

表5 電阻測試結(jié)果

通過測試，對選中的3型電阻進行優(yōu)選，最終找到一款電阻產(chǎn)品(MEXICO 3590S 2-501L 多圈精密電位器)滿足使用的精度要求，制定總體設(shè)計方案(見圖7)。

圖7 PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀方案

其總體方案應滿足以下設(shè)計要求：

(1) 在原理圖中，鈕子開關(guān)未按下時，測量0～400 Ω電位器的狀態(tài)，輸出100 Ω電阻；

(2) 當前可調(diào)試0～400 Ω電位器，選擇需輸出的PT100溫度對應的電阻值；

(3) 當鈕子開關(guān)按下時，輸出選定值。輸出端接入船舶監(jiān)測系統(tǒng)，驗證其一致性。

1.3 制作試驗過程

第1步完成測量模塊制作。ICL7136 作為通用的測量輸入電壓的互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS)型集成電路，具有成本低、功耗低的特點，且包含驅(qū)動液晶顯示器(Liquid Crystal Display， LCD)電路。測量電壓范圍在±200 mV ～±2 V之間。根據(jù)測量模塊制作原理(見圖8)，為縮小體積且保證質(zhì)量，通過廠家定制印制電路板(Printed Circuit Board， PCB)和焊接安裝模塊，集成電源和液晶屏，完成測量模塊制作,如圖9所示。

圖8 測量模塊制作原理

圖9 測量模塊

測量模塊實效驗證。選擇任1個船用PT100溫度傳感器，放進恒溫爐中加熱到任意溫度(見圖10)，將定制的溫度顯示模塊連接到PT100溫度傳感器上進行實測(見圖11)。檢查定制的PT100溫度測量模塊是否準確。通過恒溫爐測試校驗，PT100溫度測量模塊完全符合設(shè)計要求。

圖10 干式恒溫爐加溫

圖11 模塊測量溫度

第2步完成附件和外殼的設(shè)計、制作。按照PT100溫度調(diào)試校驗儀原理，并對其他電子元件進行選型和購買。根據(jù)所有電子元件尺寸，對所有的電子元件進行1∶1放樣，檢查碰撞和接線空間，對螺絲孔位置進行檢查放樣，布置設(shè)計，如圖12～圖15所示。

圖12 外型設(shè)計

圖13 設(shè)計放樣

圖14 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖15 正面設(shè)計

通過三維建模并送廠家用聚酯材料進行3D打印，按設(shè)計放樣外殼尺寸制作外殼，如圖16和圖17所示。

圖16 3D打印

圖17 3D打印的外殼

同時利用公司的激光刻字設(shè)備，制作單獨0 ℃(等于100 Ω電阻)輸出功能銘牌，如圖18和圖19所示，便于提示和應用操作。

圖18 100 Ω銘牌制作過程

圖19 100 Ω銘牌

最后完成便攜式PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀的組裝，如圖20和圖21所示。

圖20 PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀

圖21 PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀與原有電阻箱的對比

將便攜式PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀與原電阻箱外型和重量進行對比，體積和重量明顯縮小，如表6所示。

表6 外型和重量對比檢查

1.4 應用效果

在H1078船上進行實船應用，通過新型校驗儀的使用數(shù)據(jù)(見表7)發(fā)現(xiàn)：大幅提高了溫度報警點調(diào)試工作效率，縮短了PT100傳感器調(diào)試試驗提交周期。

新型校驗儀在180 000 BC、208 000 BC、18 000 TEU系列船進行實船應用數(shù)據(jù)對比,如表8所示。

表7 新型校驗儀抽樣檢查和效果

表8 應用效果統(tǒng)計

2 結(jié) 論

隨著船舶建造越來越大型化和船舶設(shè)備的智能化，溫度作為船舶系統(tǒng)和設(shè)備運行的重要參數(shù)，是判斷設(shè)備安全運行的重要指標。溫度監(jiān)測逐步占據(jù)船舶監(jiān)測系統(tǒng)越來越大的比例。通過創(chuàng)新測量方案，采用高精度線性電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻串聯(lián)疊加方案，采用成熟的單片機技術(shù)取代傳統(tǒng)的查找計算，實現(xiàn)PT100電阻值的快速獲取，并且應用目前的3D打印技術(shù)、激光雕刻技術(shù)快速地實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品成型和實船應用，有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。便攜式PT100型監(jiān)測系統(tǒng)校驗儀研制成功后在后續(xù)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，達到縮短調(diào)試周期的重要目標。