（轮机工程专业论文）基于dsp的船舶柴油机曲轴箱油雾浓度探测器研究.pdf

气 0 逸 独创性声明f 蚴必 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另, j j h 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：身嘲太 日期：训饰磁w 日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供 信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：才嘞太 导师(日期 t i 舞；昀嗍 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机自问世以来，经过一个世纪的发展，总体技术已经取得了很大的进 步，在各个行业的动力机械中起到了不可替代的作用，也占据船舶动力中的统 治地位。当前绝大多数船舶上的主机都采用柴油机。 船舶柴油机是船舶运行的动力源，在船舶运行中有着不可替代的作用。柴 油机在长时间的工作中，由于机械装置故障，轴瓦发热等原因引起曲轴箱局部 严重发热，从而使滑油蒸发产生高温油气，油气冷却后形成油雾，过高的油雾 浓度在高温环境下会导致柴油机曲轴箱爆炸，不仅造成经济损失，而且还会造 成人身伤害。 1 9 6 0 年英国就研制出应用于船舶柴油机的曲轴箱油雾浓度探测器，随着船 舶行业的发展，探测器的功能也在不断的改进，但仍然存在许多问题，如反应 速度相对较慢、数字化程度低以及不能与全船监控系统通讯等，已经不能满足 现代化船舶的要求。因此本文提出了一种基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的 油雾浓度探测器的设计方案，并做了相应的研究设计。 本设计参考传统油雾浓度探测器检测方法，油雾浓度探测器功能满足钢 质海船入级与建造规范的规定，完成了控制部分软、硬件设计，并进行功能 性试验验证。 本论文主要完成以下工作： ( 1 ) 分析引起船舶柴油机曲轴箱油雾浓度升高和和曲轴箱爆炸的因素和条 件，包括设备故障、曲轴箱温度和压力等方面对曲轴箱爆炸的影响； ( 2 ) 完成油雾浓度探测器硬件设计，包括电源设计、a d 采集模块设计、模 拟量输入设计、数字量输入输出设计、通讯模块设计、采样电磁阀控制电路设 计、报警显示电路设计及各种试验和测试模块设计等； ( 3 ) 完成油雾浓度探测器软件设计，包括各种算法和模块程序，实现了钢 质海船入级与建造规范对油雾浓度探测器的功能要求； ( 4 ) 完成人机界面程序的编写，实现人机交互通讯和数据保存； ( 5 ) 在完成设计之后做了相关的功能性试验，实验结果达到了预期的要求。 关键词：船舶柴油机，油雾浓度，d s p ，曲轴箱，爆炸 k o 、 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ed i e s e le n g i n ec a r n eo u t , i th a sd e v e l o p e do v e ro n ec e n t u r ya n di th a s a l r e m ym a d et h eg r e a tp r o g r e s so no v e r a l lt e c h n o l o g y t h ed i e s e le n g i n ep l a y st h e i r r e p l a c e a b l er o l ei ne a c hp r o f e s s i o n sp o w e rm a c h i n e ，a n da l s oo c c u p i e sd o m i n a n ts t a t u s i nt h es h i pp o w e r p r e s e n t l yd i e s e le n g i n e sa r eu s e da st h em a i ne n g i n eo nm o s ts h i p s a m o n ga l le q u i p m e n t so nas h i p , t h em a i np r o p u l s i o nd i e s e le n g i n ei st h es h i p s i m p o r t a n tc o m p o n e n t ，a n di sa l s ot h es o u r c eo fp o w e rt op r o p e lt h es h i p i tp l a y sa n i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h es h i pm o v e m e n t a f t e rt h ed i e s e le n g i n ew o r k si nl o n gt i m e ，t h e m e c h a n i c a lf a u l t , t h eh e a tf r o mb e a r i n ga n ds oo nc a nc a u s et h ec r a n k c a s eg i v i n go f fh e a t s e r i o u s l y ，w h i c hw i l lv a p o r i z et h el u b r i c a t i n go i lt op r o d u c et h eh i g h - t e m p e r a t u r eo i lg a s a f t e rt h eo i lg a sc o o l s ，i tf o r m st h eo i lm i s t i nah i 曲t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tt h e e x c e s s i v e l yh i g hd e n s i t yo f t h eo i lm i s tw i l lc a u s et h ed i e s e le n g i n ec r a n kc a s et oe x p l o d e ， w h i c hw i l lc r e a t et h ee c o n o m i cl o s sa n dt h ep e r s o n a li n j u r i e s a se a r l ya s19 6 0 ，t h ef i r s to i lm i s td e n s i t yd e t e c t o ru s e di nm a r i n ed i e s e le n g i n e c r a n k c a s ew a si n v e n t e di nb r i t a i n w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs h i pi n d u s t r y ，t h ef u n c t i o n s o ft h ed e t e c t o rh a v eb e e nc o n s t a n t l yi m p r o v e d , b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m ss u c ha s t h er e l a t i v e l ys l o wr e a c t i o nr a t e ，t h el o wd i g i t i z e dd e g r e ea sw e l la sn oc o m m u n i c a t i o n w i t ht h ee n t i r es h i pm o n i t o r i n gs y s t e ma n ds oo n , w h i c hc a nn o tm e e tt h ed e m a n do f m o d e ms h i p i nt h i sp e p e r ，ad e s i g no ft h eo i lm i s td e n s i t yd e t e c t o rb a s e do nt h ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) w a sp r o p o s e d t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hw a s m a d e t h ed e s i g ni nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h em e t h o do ft r a d i t i o n a lo i lm i s td e n s i t y d e t e c t o r t h ef u n c t i o no fo i lm i s td e n s i t yd e t e c t o rd e s i g n e di nt h i sp a p e rm e e t st h e s p e c i f i c a t i o n so ft h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o n s t r u c t i o nr e g u l a t i o nf o rs t e e ls h i p i nt h i s p a p e r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so fc o n t r o l s e c t i o nw e r ef i n i s h e d , a n d f u n c t i o n a l i t ye x p e r i m e n tc o n f i r m a t i o nw a sc a r r i e do u t t h ef o l l o w i n gw o r kw a sm a d ei nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h ef a c t o r sa n dc o n d i t i o n so fc a u s i n gt h eh i g ho i lm i s td e n s i t ya n de x p l o s i o ni n c r a l l k c a s ew e r ea n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c t st h a te q u i p m e n tf a i l u r e ，c r a n kc a s et e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r ea n ds oo nc a u s ee x p l o s i o ni nt h ec r a n kc a s ew e r e 锄a l y z e d ( 2 ) t h eh a r d w a r ed e s i g n so f t h eo i lm i s td e n s i t yd e t e c t o rw e r ec o m p l e t e d , i n c l u d i n g i i t 武汉理工大学硕士学位论文 p o w e rs u p p l y , a da c q u i s i t i o nm o d u l e ，a n a l o gi n p u t , d i g i t a li n p u ta n do u t p u t , c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s a m p l i n gs o l e n o i dv a l v ec o n t r o lc i r c u i t , a l a r md i s p l a yc k c m t a n dv a r i o u se x p e r i m e n ta n dt e s tm o d u l e s ( 3 ) t h es o f t w a r eo ft h eo i lm i s td e n s i t yd e t e c t o rw a sd e s i g n e d , i n c l u d i n gv a r i o u s a l g o r i t h m sa n dm o d u l ep r o g r a m s ，s oo i lm i s td e n s i t yd e t e c t o rm e e t st h ed e m a n do ft h e c l a s s i f i c a t i o na n dc o n s t r u c t i o nr e g u l a t i o n f o rs t e e ls h i p ( 4 ) t h ei n t e r f a c ep r o g r a mw a sa c h i e v e d , a n dt h e f u n c t i o n so fi n t e r a c t i v e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a na n dm a c h i n ea n dd a t as t o r a g ew e r ea c c o m p l i s h e d ( 5 ) t h er e l a t e df u n c t i o n a le x p e r i m e n t sw e r em a d ea f t e rc o m p l e t i n gt h ed e s i g n , a n d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sm e e tt h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：m a r i n ed i e s e le n g i n e , o i lm i s t , d s p , c r a n k c a s e ，e x p l o s i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘j 要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究目的与意义1 1 2 油雾浓度探测器发展现状2 1 3 研究内容3 第2 章相关理论基础4 2 1 曲轴箱爆炸的相关理论一4 2 2 影响曲轴箱油雾浓度相关因素5 2 2 1 设备故障5 2 2 2 油雾浓度和曲轴箱内温度的关系5 2 2 3 油雾浓度和曲轴箱内压力的关系6 2 3 阻光度油雾浓度探测原理6 第3 章油雾浓度探测系统总体方案8 3 1 设计目标8 3 2 系统组成8 3 3 探测器研制中的关键技术1 0 3 3 1 光电池的信号输出和油雾浓度之间的关系曲线及其线性化1 0 3 3 2 提高硬件电路可靠性1 0 3 3 3 系统实时性的保证1 1 第4 章系统硬件设计1 2 4 1 硬件总体结构1 2 4 2 光路部分1 2 4 2 1 光路部分分析1 2 4 2 2 光源选择1 3 4 3 电磁阀驱动电路设计1 4 i v 、 l 、 i 武汉理工大学硕士学位论文 4 4 主控制电路板设计l5 4 4 1 电源设计l6 4 4 2 主控芯片及外围电路设计16 4 4 3 基本输入输出设计。2 0 4 4 4 通讯模块2 3 4 4 5 变增益电路。2 4 4 4 6 信号线性化电路一2 5 4 4 7 采样电磁阀控制电路一2 6 4 4 8 报警显示电路2 8 4 4 9 风机检测电路2 9 4 4 10 测试电路3 0 第5 章系统软件设计。3 l 5 1 总体设计3 1 5 2 系统初始化3 2 5 3 滤波算法3 2 5 4c a n 通讯3 4 5 5 风机检测模块3 7 5 5 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的捕获模块介绍3 8 5 5 2 测频程序3 8 5 6 a d 程序模块3 9 5 6 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 模块介绍3 9 5 6 2 a d 程序的编写4 l 5 6 3 a d 校正4 2 5 7 烧写程序4 4 5 7 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的b o o t l o a d e r 介绍一4 4 5 7 2 b o o t l o a d e r 程序4 6 5 8 界面程序4 7 第6 章实验结果及分析5 0 6 1 试验平台5 0 6 2 试验项目51 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 2 1 油雾浓度过高报警一5l 6 2 2 油雾浓度增长率过高报警一5 2 6 2 3 驱动电路实验：5 2 第7 章结论与展望5 4 7 1 结论5 4 7 2 展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间所发表的论文5 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 柴油机自1 8 9 7 年问世以来，经过一个多世纪的发展，在这个发展过程中， 总体技术已经取得了很大的进步，在各个行业的动力机械中起到了不可替代的 作用，也占据船舶动力中的统治地位。在所有的沿海及内河船舶中，绝大多数 船舶上的主机都采用柴油机；在远洋民用船舶中，2 0 0 0 t 以上的船舶以柴油机作 为主机的船舶占总数的9 8 以上，占总功率的9 6 以上【1 11 2 1 。 船舶柴油机是整个船舶的心脏，在船舶的运行中起着无可替代的作用。也 正是由于这点，柴油机的安全性成为衡量柴油机总体性能的重要指标。 柴油机工作时，曲轴箱的高温滑油会蒸发产生油气，这些油气在曲柄箱中 与较冷空气混合形成油雾，油雾浓度过高会导致的柴油机曲轴箱爆炸。钢质海 船入级与建造规范对船舶曲轴箱油雾浓度的检测和报警有明确的要求。1 9 9 9 年生效的钢质海船入级与建造规范规定“对于功率大于或者等于2 2 5 0 k w 的或者缸径大于3 0 0 m m 的中高速柴油机，曲轴箱应安装油雾探测装置，当探测 到油雾浓度高时发出报警并自动停车。对于功率大于或者等于2 2 5 0 k w 的或者 缸径大于3 0 0 m m 的低速柴油机，曲轴箱应安装油雾探测装置，当探测到油雾浓 度高时发出报警并降低转速。” 船舶曲轴箱爆炸事故发生的概率较小，而一旦发生后果却又非常严重，不 仅会造成严重的经济后果，而且有可能造成人身伤害。比如在上世纪5 0 年代， 内燃机船“瑞那德尔帕西菲哥 号发生曲轴箱爆炸事故，造成2 8 人死亡。 近年来，曲轴箱爆炸的事故屡见不鲜，以m a nb & w 二冲程柴油机为例，发生 多起爆炸事故。 表1 1m a nb & w 二冲程柴油机曲轴箱爆炸事故统计 年份 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 3 数量 112023434 如表1 - 1 所示，随着水运行业的发展，船舶数量的增加，从1 9 9 5 年到2 0 0 3 年，m a nb & w 二冲程柴油曲轴箱爆炸事故有增加的趋势。曲轴箱爆炸的原因 武汉理工大学硕士学位论文 多种多样，但绝大多数原因是由于机械故障导致曲轴箱油雾浓度过高，最终导 致爆炸的产生。因此，对曲轴箱油雾浓度探测装置的研究是十分必要的。 图1 1某轮装设的g 凡w i n e 砌订k - 6 油雾浓度探测器 图1 1 为当前广泛使用的g r a v i n e r m k - 6 0 i l m i s t d e t e c t o r ，在国内尚 无自主研发的产品问世，进口一套g r a v i n e r m k 一6 0 i l m i s t d e t e c t o r 大概 需要1 0 万元人民币，价格昂贵。 综上所述，研发具有自主知识产权的油雾浓度探测报警系统在安全和经济 方面都具有重要的意义。 1 2 油雾浓度探测器发展现状 1 9 6 0 年，由英国首先研制出应用于船舶柴油机的曲轴箱油雾浓度探测器， 命名为g r a v i n e r m k 4 0 i l m l s t d 盯e c t o r 。这种探测器在很长一段时间内得到广 泛应用。g r a v i n e r 型的早期探测器率先采用检测油雾对光的阻光度的方法来检 验油雾浓度的大小【1 0 1 。这一方法简单可靠，一直沿用至今，被许多柴油机厂家采 用。它通过抽风机的抽吸，把主机曲轴箱中几个采样点的的采样气体吸入一个 检测管，检测管一端装有发光装置，光线穿过待检测采样气体到达测量室另一 端的光电池，这样光电池检测到的光强度信号强弱就反映了油雾浓度的大小。 但是随着柴油机技术的发展和船舶整体性能的提高，对柴油机曲轴箱油雾 浓度探测器的准确性和响应速度提出了更高的要求，以满足防爆的目的以及尽 量避免柴油机发生严重的事故。早期的油雾浓度探测器已难以满足这一要求， 2 武汉理工大学硕士学位论文 各厂家都就此要求作了改进，但其基本原理仍没有改变。如g r a v l n e r m a r k 5 ， g r a v i n e r m a r k 6 系列，以及d a i h a t s u 的m d 系列( m d - 9 、m d 9 s 、m d - 9 l 、m d 一9 m 、 m d 1 4 m 等等) 1 i 。与原来探测器相比，主要作了以下三点改进：一是光源的改 进，传统的探测器采用白炽灯作为光源，波长范围大，新的探测器改用了单色 红外线，用发光二极管产生单色光源，使光源更加稳定。二是检测管采用单管， 减小了由于油气对双检测管污染而导致透光能力降低从而引起的测量误差。三 是利用阀组控制油气的采集提高响应速度。 目前，几乎所有的大功率柴油机上均配备了油雾探测装置，但在国内尚无 自主研发的产品问世。在国外较理想的产品有s c h a l l e r a u t o m a t i o n 生产的 v i s a t r o n o i l m i s t d e t e c t o r 。此型产品主要有如下三种系列：v n l l 影幸幸； v n l l 幸宰；v n 2 1 y ( 后面两个星号代表生产的年份) 。这种油雾浓度探测器在目 前应用得较广泛。三种系列的产品功能虽然有所差别，但基本原理是一样的。 1 3 研究内容 本课题参考传统油雾浓度探测器g r a v i n e r m k _ 5 0 i l m i s t d 盯e c t o r ，分析了 相应的功能，并在它的基础上进行了扩展和改进，主要完成以下工作： ( 1 ) 分析引起曲轴箱油雾浓度升高和爆炸的因素和条件，包括设备故障、 曲轴箱温度和压力等方面对曲轴箱爆炸的影响； ( 2 ) 完成油雾浓度探测器硬件设计，包括电源设计、a d 采集模块设计、 模拟量、数字量输入输出设计、通讯模块设计、采样电磁阀控制电路设计、报 警显示电路设计及各种试验和测试模块设计等； ( 3 ) 完成油雾浓度探测器软件设计，包括各种算法和模块程序，实现了钢 质海船入级与建造规范对油雾浓度探测器的功能要求； ( 4 ) 完成人机界面程序的编写，实现人机交互通讯和数据保存； ( 5 ) 在完成设计之后做了相关的功能性试验，实验结果达到了预期要求。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章相关理论基础 2 1 曲轴箱爆炸的相关理论 所谓爆炸是指在发生火焰的同时伴随着高压。高压是由火焰诱发而产生的， 如无高压存在只可称为着火。爆炸所形成的破坏力是双重的，即在发生火焰的 同时伴随着冲击破坏【2 1 11 2 2 1 。 在封闭式强力润滑的柴油机中，任何运动部件的失常都有可能导致曲轴箱 发生爆炸。曲轴箱爆炸属于恶性事故，不仅造成柴油机的冲击破坏而且会有人 员伤亡，因此应给与足够的重视【b 11 1 4 1 。 由于曲柄连杆机构的运动飞溅出许多滑油油滴，再加上油滴的蒸发气化， 在运行中的柴油机曲轴箱内充满着油气。但是这种油气与空气的混合比例不一 定处于可爆燃的混合比。即便达到了可爆燃的混合比，如果没有高温热源的存 在也不会发生爆炸的。如果内部出现了局部高温热源，飞溅在热源表面上的油 滴就会汽化，而滑油蒸汽在离开热源表面后又被冷凝成为更多的油粒悬浮在空 气中，使油气的浓度逐渐加浓，形成乳白色油雾。当油雾的浓度达到某一范围 时，它就成为可燃的混合气，并会在高温热源的引燃下着火。如果着火前已有 大量油雾存在，则一经着火就会使曲轴箱有限空间内的温度和压力急剧升高， 并产生强烈的冲击波，造成具有破坏性的曲轴箱爆炸。由此可知： 1 曲轴箱内油雾浓度达到可爆炸的混合比是曲轴箱爆炸的基本条件； 2 高温热源是曲轴箱爆炸的决定因素。 在正常情况下，曲轴箱中不应该出现高温热源。当两块金属接触时出现不 正常磨损导致高温，如轴承过热或烧熔、活塞环漏气、拉缸等都会出现高温热 源，它既能使滑油蒸发成油雾，又是可爆燃混合气体的点火源。 曲轴箱的油雾浓度只有在一定的范围内才能引燃。据资料介绍，空气与油 雾的可燃比例下限为1 0 0 ：1 ，而爆燃的比例上限为7 ：1 。当油雾浓度到达下限 时，在高温热源的引燃下可发生爆炸，当油雾未超出上限时爆炸的危险一直存 在。而当油雾浓度超过上限时，即使有高温热源也不会发生燃烧爆炸。由此可 见，曲轴箱内的油雾浓度的高低是引起曲轴箱爆炸的直接原因。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 影响曲轴箱油雾浓度相关因素 影响曲轴箱油雾浓度的因素很多，主要包括设备故障，曲轴箱内的温度、 压力等。 2 2 1 设备故障 曲轴箱内的设备或者润滑油出现问题都会导致油雾浓度迅速上升，加大了 曲轴箱爆炸的可能性，主要包括： ( 1 ) 船用柴油机导板与滑块出现局部干磨擦； ( 2 ) 十字头轴承烧熔； ( 3 ) 曲柄销轴承烧熔； ( 4 ) 链传动装置轴承烧熔； ( 5 ) 上述各轴承润滑油供给不足或中断； ( 6 ) 润滑油进水被乳化、被腐蚀或被磨粒污染； ( 7 ) 活塞环和填料函干摩擦； ( 8 ) 扫气箱的火源通过填料函窜入曲轴箱； ( 9 ) 曲轴箱内伸缩套管过热等等。 2 2 2 油雾浓度和曲轴箱内温度的关系 曲柄箱爆炸是由曲柄箱内一定浓度的油雾被高温热源点燃引起的。标准滑 油一般在2 0 0 开始蒸发，油蒸汽冷凝后形成很细的油雾，这种油雾能长期悬浮， 易被点燃引起爆炸。 溺魔1 e 浓度上限浓度下限 6 4 0 0 2 0 、孓心n弋s 、 、：心 、。 、 ) ，7一 ，_ ， o = ，_ _ 一 、 l 5l o5 2 翻燃线 漓魄袖蒸汽线 图2 1油雾浓度与温度之间的关系 图2 1 绘出了油雾浓度与曲轴箱温度之间的关系，可发生爆燃的最低油雾浓 度为4 ，有两个温度范围可引起油雾的爆炸，2 7 0 。c 至3 5 0 。c 之间，和4 0 0 。c 以上。 5 武汉理工大学硕士学位论文 因此，应尽量避免油雾浓度与曲轴箱温度的交点位于阴影范围之内。 2 2 3 油雾浓度和曲轴箱内压力的关系 3 5 3 2 5 2 1 5 l o 5 图2 2油雾浓度与压力之间的关系 通过图2 2 润滑油浓度与空气压力的关系曲线可知，空气压力在 o 1 8 0 2 0 m p a 之间时，油雾的浓度较高，应尽量避免曲轴箱的空气压力在此范围 之内，必要时采取相应的措施。比如在曲轴箱压力在这个范围时打开预设排气 口降低压力等。 2 3 阻光度油雾浓度探测原理 油雾浓度测量方式分为接触式测量和非接触式测量。这两种方法各有特点。 接触式测量方法是对油雾进行采集，通过一定的方式得到一定体积中含有油雾 的质量，就可以计算出油雾的浓度。它包括两种方式，一种是化学测量方式， 它是把油雾中的有机成分用化学溶剂溶解出来，比较待测油雾通过溶剂前后重 量，然后通过计算确定油雾质量；另一种方式是物理测量，物理方式是把油雾 用纤维滤膜过滤出来，油雾通过滤膜前后在质量上存在差别，这样就能得到单 位体积油雾的质量，油雾直径约在0 1 4 pm 以上，所以滤膜的通过空隙必须小于 上述值。接触式测量比较繁琐，自动化程度差，精度较差，并且容易受到环境 的干扰，现在较多运用非接触测且【川羽。 非接触式测量常用的方法有两种，一种是电容测量法，一种是阻光度测量 法。电容测量法是通过一定的方法把待测气体送入电容的两极板之间，不同油 雾浓度气体对应不同的介电常数，介电常数发生改变电容容值的大小就会发生 相应变化，采取一定的措施检测电容参数的变化就能得到相应的油雾浓度的大 6 武汉理工大学硕士学位论文 小。电容测量法是一种新兴的测量方法，技术不太成熟，装置易受外部环境干 扰，价格也相对较高，因此未能得到广泛使用。目前使用较多的是阻光度油雾 浓度探测方法。 阻光度探测法很早之前用在汽车尾气测量，油库油雾浓度报警等场合。其 测量原理是用一定波长的光穿过采样气体，利用不同浓度的气体对光的吸收程 度不同，测量光的透过率，透过率与浓度之间符合朗帕比尔定律。非接触测量 是对浓度的实时在线检测，不但实现了自动化，而且不易受到环境的干扰。目 前使用的油雾探测器基本是采用非接触式方法，代表了未来油雾浓度测量的发 展趋势。针对这种情况，提出了阻光度探测方法，基本原理是通过抽风机的抽 吸，将由柴油机曲轴箱采集来的油气吸入检测装置，检测管的一端装有稳压电 源供电的红外发光管，灯光穿过待检测的气体到置有光电池的另一端，光电池 检测到的光强度信号强弱就反映了油雾浓度的大小。这种方法成本较低，精度 高，而且便于通信，符合船舶数字化的发展要求【蜘。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章油雾浓度探测系统总体方案 3 1 设计目标 系统的总体设计目标是为了完成一套基于d s p 芯片的性能优良的船舶柴油 机曲轴箱油雾浓度探测报警装置，在符合国际船级社组织( i a c s ) 新型船入级规范 m 6 7 要求的基础上，实现以下功能： ( 1 ) 实时监测曲轴箱油雾浓度：抽风机把待检测的气体吸入测量室，进行浓 度测量，得到油雾浓度信号，并把这个信号和设定的油雾浓度报警信号进行对 比，如果达到报警值，则产生相应的报警，如果达到设定的主机降速或停车值， 也要发出主机降速或停车信号并发送给安保系统和监控系统。由于目前各大生 产厂家尚未形成统一的报警阂值标准，因此本课题中报警阈值的大小设计为可 以调节式，可以根据需要调节其大小，以方便以后实验。 ( 2 ) 显示功能：采用r t l 2 8 6 4 液晶显示器显示油雾浓度、增长率、报警等各 种信息。 ( 3 ) 采样点指示功能：各个采样点可以按顺序转换，也可以自由设置采样点。 ( 4 ) 故障报警显示功能：系统具有供电电源故障、透镜污染故障、气路故障 等报警功能，当以上任一种故障发生时，都会相应发出声光报警，并显示相应 故障代码。 ( 5 ) 模拟测试功能：用来测试系统的各个部分是不是能正常工作。 ( 6 ) 通信功能：本次设计采用当前广泛使用的c a n 通信作为通信协议。 ( 7 ) 人机交互功能：本次设计采用v c + + 6 0 编写人机界面并进行调试。 3 2 系统组成 系统的整体组成如图3 1 。整个控制系统可分为采样部分，测量部分，中央 处理部分，报警和显示部分等几个模块。 各曲柄箱油雾气样采集与测量单元的工作原理如图3 2 所示。采样部分共有 1 1 个两位三通电磁阀，其中有1 0 个电磁阀分别采集各曲柄箱的气样，该系统最 多可检测1 0 个缸的气样，若是6 缸柴油机，只用其中的6 个电磁阀，空4 个不 8 武汉理工大学硕士学位论文 用。另一个是清洗空气电磁阀，压缩空气通过该电磁阀清洗测量装置。系统在 正常运行期间，轮流使各采样点电磁阀通电，该采样点曲柄箱油雾气样在抽风 机作用下流经测量室进行测量。 图3 1 系统原理图 测量部分由测量室，光源和光电池组成。光源接通电源以后将发射一束光 强不变的平行光并照射在光电池上，当流经测量室的待测气样油雾浓度变化时， 其气样的透光程度发生变化，即照射到光电池的光强也发生变化，光电池输出 的电流大小与接收到的光强成一定的函数关系，该电流信号经电流电压转换并 经变增益放大后送至模数( a d ) 转换器，把与油雾浓度相对应的电压信号转换成 数字量送入d s p 。处理单元先把所测量到的各缸曲柄箱气样油雾浓度值加在一起 气路故障报 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 探测器研制中的关键技术 ， 3 3 1 光电池的信号输出和油雾浓度之间的关系曲线及其线性化 在物理学中存在光电效应的概念，光电池正是利用了这一原理。光电池在存 在光照的前提下能产生电动势，并且电动势的大小和光照强度存在一定的对应 关系。光电池可以分为很多类型，有的以发电为目的，有的主要作为测量用的 工具。常用有硫化铊、硫化银光电池、硅光电池和硒光电池等。它们主要用于 仪表和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫 太阳能光电池。 由于光电池产生的信号是非线性信号，所以需要对此信号线性化之后才能进 行计算，这里采用传统的分段线性化技术，将在后续章节中具体介绍。 3 3 2 提高硬件电路可靠性 由于船舶内恶劣的工作环境，为了保证电路性能，在进行电路板( p c b ) 印制 设计时考虑了电磁兼容问题，对于减小系统电磁干扰具有重要的意义。本次设 计中按元器件的布局和布线原则最大限度地实现电路的性能指标，以达到抗干 扰的设计目的。 ( 1 ) 布局 1 ) 按照一定的规则确定p c b 板上元器件的相对位置，注意了元器件之间的 相互配合和干扰问题； 2 ) 分析了电路结构，对电路分块处理，将模拟信号和数字信号电路分开，尽 可能将弱电和强电信号分开，在一定的范围之内尽量安排同一功能的电路，这 样可以较少信号的环路面积； 3 ) 根据电路在使用中对电磁兼容敏感程度不同进行分组。对于电路中容易 受干扰部分的元器件布局时尽量避开干扰源。 ( 2 ) 布线 1 ) 把电路分成几个不同的模块，各个电路模块设置一个公共电位参考点， 这样信号可以在不同的电路模块之间进行传输。然后汇总于电路p c b 总地线。 因为只存在一个参考点，没有公共阻抗耦合存在，从而也就没有相互干扰问题； 2 ) 数字信号区与模拟信号区尽可能用地线进行隔离，且数字地与模拟地要 隔离，最后共同接于电源地； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 在各电路模块内部的地线同样单点接地，尽量减小了环路面积： 4 ) 各模块之间用地线进行隔离，防止了相互之间信号耦合效应。 3 3 3 系统实时性的保证 图3 2曲轴箱爆炸各环节时间对比 由图3 2 可知，问题的积累在长达数月甚至几年时间，而爆炸的发生只是在 几秒钟时间甚至更短，因此对系统实时性的要求很高。本次设计在芯片和器件 的选择上尽量使用高速芯片，用d s p 作为主控芯片，具有8 级流水操作， 指令 周期为1 到2 个时钟周期，约为6 6 7 n s ，并且有丰富的可扩展资源，完全可以 满足系统对实时性的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统硬件设计 4 1 硬件总体结构 该部分主要完成系统各种信号的采集和处理、各执行器件的功能控制、参 数显示和输出报警信号等。主要包括供电电路、电磁阀驱动电路、模块通讯电 路和主控制电路等。硬件总体结构如图舢1 所示。 i 电源模块 电磁阕驱动模块 模拟量输入： 曲轴箱温度 卜 曲轴箱压力 油雾浓度 卜 报警输出 d s p 3 2 0 f 2 8 1 2 数字晕输入： 主控芯片 计算 开关信号 卜、 爿数码显示模块 机和 数值设定信号 其他 复位按钮 模块 i 数据存储芯片k 令牟刽c a n 通讯模块险令 4 2 光路部分 4 2 i 光路部分分析 图4 - 1 系统硬件框图 在光路部分要用到光电池传感器，光电池是利用光电转换原理使光线照射 半导体物质转化为电能的器件。这种光电转化效应通常叫做光生伏打效应。简 称为光伏效应。是指光照使不均匀半导体或半导体和金属组合的不同部位之间 产生电位差的现象。 这部分要完成红外传感器对油雾浓度的探测，传感器把光强度信号转化为 电信号，并把探测信号传送给主控制器。发射管和接收管对称安装在测量室的 两侧，接收管接收由发射管发出的强度不变的红外光，通过抽风机把待检测样 本送到测量室，不同浓度的测量样本和不同的电压信号存在一定的对应关系。 武汉理工大学硕士学位论文 油雾浓度越大，透光率越低，接收到的光强越小。接收管输出的电压信号弱， 而油雾浓度与消光度具有一定的对应关系，由此来检测油雾浓度。光路部分如 图4 2 所示。 4 2 2 光源选择 li“1。 信主 i 号控 测量室 卜斗 l 调 制 非派il 理板 图舢2 光路部分系统结构 发射端发出一定波长的红外光，穿透不同浓度的油雾后，功率就会有不同 程度的衰减，可以通过接收端的光电池检测到。因为不同波长红外光通过油雾 的吸收情况不一样，根据油雾组成及浓度大体范围选择灵敏度较高的红外光波 长。根据国内外经验，曲轴箱中油雾浓度测量时穿透性较好的是波长为8 8 0 n m 的红外激光，该激光属于不可见光谱范围。油雾对不同波长激光衰减符合朗帕 比尔定律： ，( 九) = 厶( 九) e x p 卜p 。( x ) c l 】 ( 4 - 1 ) 其中，厶( 九) 和，( a ) 表示不同波长的激光通过油雾前后的光强；以( a ) 是消 光系数：c 为介质平均密度；为激光通过介质的光程距离。激光在油雾中透过 率用叼表示： r = i ( x ) 厶( 九) = e x p 一p 。( x ) c l 】 ( 4 2 ) 由于油雾浓度测量系统输出的是电压值，对某一特定波长红外光就有： v v o = ，( 九) z o ( x ) = 7 ( 4 3 ) 因此，只要对系统的输入输出电压值作分析就可以得到透过率7 7 ，再根据朗 帕比尔定律计算间接求出油雾浓度值。 根据理论推算，适合于探测器的红外线波长在8 0 0 n m 到9 0 0 n m 之间。有人 就此做过相应的实验。实验证明，在波长为8