高可靠性入海自動檢測系統設計*

(航宇救生裝備有限公司 襄陽 441003)

高可靠性入海自動檢測系統設計*

丁春全言金何志良

(航宇救生裝備有限公司 襄陽 441003)

論文開展了入海自動檢測系統的原理設計、關鍵元器件選型、自檢電路功能設計、系統安全門限設計和系統測試,結果表明該系統有效實現了入海自動檢測功能。通過海水電導率安全門限的判斷,實現了其在淋雨、濕熱、鹽霧等惡劣使用環境的不誤工作的可靠性。

入海自動檢測;自檢;電荷泵芯片

ClassNumberTP274.4

1 引言

我國海洋面積遼闊,蘊含著巨大的資源,隨著海洋資源開發,我國海洋維權現狀日益緊迫;海上應急事件的處置越來越多,尤其是海洋開發和維權使用的各型艦船等裝備將面臨著海面損傷的威脅,各類海面作戰作業人員將面臨著落入海水的威脅,因此發展入海自動檢測系統為各型海用裝備和各類海面作戰作業人員保駕護航顯得尤為突出[1]。

目前,入海自動檢測有很多方法,如電導法、熱導法、浮力法、超聲波法、壓差法、溶化法等[2～4]。電導法具備清晰判斷海水鹽度、工作可靠性高、使用維護方便等特點[5～6],適合應用于入海自動檢測系統的設計[7～8]。

2 系統組成與功能

入海自動檢測系統一般由信號識別模塊、工作電路、自檢電路、執行機構、狀態顯示和電源模塊等組成。

其主要功能有:

1)入海自動檢測功能,系統通過信號識別模塊檢測海水電導率判斷裝備或人員是否浸入海水[9～11],并根據判斷結果激發執行機構,采取相應應急措施。

2)系統完全自檢功能,系統通過信號識別模塊檢測自檢信號的輸入,根據判斷結果啟動自檢流程,依次檢測信號識別模塊、工作電路、自檢電路、執行機構、狀態顯示、電源模塊等是否正常。

3 硬件電路設計

3.1 系統硬件總體設計

入海自動檢測系統組成如圖1所示,虛線內為入海自動檢測單元,由信號識別模塊、工作電路、自檢電路、執行機構和狀態顯示組成。信號識別模塊將外部傳輸過來的入海信號或自檢信號,通過處理輸出給工作電路或自檢電路。工作電路獲得輸入信號后,處理輸出信號給執行機構,進行入海應急處置。自檢電路獲得輸入信號后,依次檢測信號識別模塊、工作電路、自檢電路、執行機構、狀態顯示、電源模塊等是否正常,最后在狀態顯示中發出信號。工作電路和自檢電路采用互鎖設計,當工作電路工作時,自檢電路處于斷開狀態,當自檢電路工作時,工作電路處于安全保護狀態,確保實現器件的自檢,同時不發生任何誤動作,確保系統高可靠性。

圖1 入海自動檢測系統組成

3.2 基于電荷泵芯片的電源模塊設計

基于入海自動檢測系統實際應用的體積重量限制和執行機構對工作電路高輸出電壓和短放電時間的要求,系統采用基于電荷泵芯片進行電源模塊設計,以組合鋰電池提供系統供電,以電荷泵芯片實現基于基本電壓的升壓輸出,激活執行機構。電荷泵芯片采用的是Maxim公司生產的Max1822,該芯片直流電源輸入為3.5V～16.5V,典型輸出電壓為Vcc+11V(可達12.5V～27.5V),具有效率高、靜態電流低、可靠性高等特點,可通過匹配外圍電路實現多種不同輸出擴展。圖2是Max1822的典型外部接線圖。

圖2 Max1822典型外部接線圖

3.3 工作電路功能設計

工作電路的基本流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖

當裝備或人員進入海水時,海水信號傳輸至信號識別模塊,信號識別模塊判斷鹽濃度是否滿足海水鹽濃度的判據,進而傳輸信號至工作電路模塊,判斷入水時間是否滿足條件,若入海時間滿足判據要求,則傳輸信號至執行機構,執行機構工作。如果系統進入非海水環境或入水時間始終不夠,進而系統自動復位,進入入海檢測等待狀態。

3.4 自檢功能設計

自檢功能采用串聯檢測方式,檢測入海自動檢測系統中所有模塊的正常與否,其基本流程圖如圖4所示。

圖4 自檢流程圖

首先,自檢信號輸入,檢測電源模塊是否正常,繼而檢測信號識別模塊、工作電路、自檢電路、執行機構等部件是否正常,最后檢測狀態顯示模塊是否正常。若所有模塊均正常,系統自檢成功,狀態顯示模塊將給出系統正常的指示,同時系統復位,進入入海檢測等待狀態;反之,若系統任一模塊出現故障,狀態顯示模塊將給出系統不正常的指示。

4 系統測試

4.1 入海自動檢測功能

配置與標準海水電導率相同的NaCl溶液(鹽濃度22.65‰,溫度為0℃),模擬標準海水,檢測系統入海自動檢測功能。調整系統電源模塊為正常輸出,將系統進入標準測試溶液,試驗結果表明,工作電路的輸出電壓波形如圖5所示,在系統檢測符合進入海水的條件后,入海水時間達到一定條件后,工作電路實現高位放電,激發執行機構。

調整系統電源模塊為正常輸出,將自檢信號輸入系統,試驗結果表明,工作電路的輸出電壓波形如圖6所示,在系統檢測到自檢信號后,且自檢信號時間達到一定條件后,工作電路實現高位放電,激發狀態顯示,表明自檢成功,系統正常。

圖5 工作電路的電荷泵輸出電壓過程

圖6 自檢功能的電荷泵輸出電壓過程

4.2 極限電壓條件自檢功能的可靠性

本文采用數字電源(限定輸出電壓和短路電流)模擬極限工作電壓供電,同時測試自檢電路和工作電路的工作匹配情況,具體試驗結果如表1所示,可見在1#和2#試驗件的測試中,自檢功能能夠通過的系統,均可實現激發執行機構;同時在自檢功能不能通過的第一個測試點(1#的6.92V測試結果,2#的6.95V測試結果),仍可實現激發執行機構,可見系統的自檢裕度和整體可靠性。

表1 極限工作電壓的輸出狀態對比

4.3 工作環境不誤工作的可靠性

本系統的使用環境主要面對淋雨、濕熱、鹽霧等惡劣使用環境,其中最惡劣的使用環境為鹽霧環境,其電導率小于鹽濃度為0.5‰、溫度為30℃的NaCl溶液。

為保證系統在正常工作非海水環境不誤工作的可靠性,現以鹽濃度為0.5‰、溫度為30℃的NaCl溶液試驗進行系統的安全門限檢測試驗。結果表明,工作電路的輸出電壓波形如圖7所示,工作電路電壓始終無法達到工作門限或自檢門限,從而表明其在工作環境不誤工作的可靠性。

圖7 惡劣工作環境電荷泵輸出電壓過程

5 結語

本文設計了一種入海自動檢測系統,通過入海自動檢測系統的原理設計、元器件選型、自檢功能設計、安全門限設計和系統測試,結果表明該系統有效實現了入海自動檢測功能,同時通過海水電導率安全門限的準確判斷,妥善實現了其在淋雨、濕熱、鹽霧等惡劣使用環境的不誤工作的可靠性。本系統已應用于某型入海水自動脫離機構的入海水檢測,更可應用于更多入海檢測領域。

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DesignofHighReliabilityUnderseaAutomaticDetectionSystem

DING Chunquan YAN Jin HE Zhiliang

(AVIC Aerospace Life Support Co. Ltd., Xiangyang 441003)

Principle design of undersea automatic detection, selection of key component, self-inspection circuit design, system security threshold design and system experiments are presented. The test results show that the system fulfills automatic detection when dropping in the sea and is able to avoid mis-operation reliably by seawater conductivity security threshold in severe environments, such as raining, moisture-heat, salt spray.

undersea automatic detection, self-inspection, charge pump chip

2013年11月16日,

:2013年12月27日

丁春全,男,碩士,高級工程師,研究方向:防護救生技術。言金,男,碩士,工程師,研究方向:特種防護救生裝備和應急救援裝備技術。何志良,男,工程師,研究方向:防護救生技術。

TP274.4DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.035