船舶主機主軸承溫度數(shù)字化檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

秦 珩

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船舶主機主軸承溫度數(shù)字化檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

秦 珩

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018）

船舶主機（柴油機）主軸承的溫升直接影響著主機的工作性能和運行安全，利用多個溫度傳感器組成傳感器網(wǎng)絡，結(jié)合單片機形成高精度溫度采集檢測系統(tǒng)，分布在船舶主機各主軸承監(jiān)測點上，實現(xiàn)了對主機主軸承溫度多點溫度檢測。這種檢測系統(tǒng)精度高，抗干擾能力強，實時性好。本文針對主機的特點，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行準確的自動監(jiān)測和實時報警，為主軸承的工作狀態(tài)提供使用管理依據(jù)。該系統(tǒng)在主機溫度檢測系統(tǒng)及其船舶機艙自動化方面具有廣泛的應用價值，此項技術(shù)也可作為船舶機電設備故障監(jiān)測的重要手段。

主機主軸承溫度檢測

0 引言

船舶主機（柴油機）主軸承與曲軸主軸頸摩擦副，在高速運行中的發(fā)熱是影響主機性能的重要因素。一旦主軸承溫度超過允許范圍，會造成主機主軸承和主軸頸的嚴重損壞，甚至造成整機報廢。如果主軸承的較高溫度長期運行，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行溫度監(jiān)測。

對船舶主機主軸承進行多點實時檢測,測量點多，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，同時設計信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換及相應的接口電路,最后把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計算機去處理。

本文闡述了這種溫度檢測系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。從理論和實驗2個方面對船舶主機主軸承溫度檢測系統(tǒng)設計過程進行分析。

1 主軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成

本文研究的對象主機為12V-PC25型中速大功率四沖程增壓柴油機，12缸V型排列，6道主軸頸，共7道主軸承。本監(jiān)測系統(tǒng)共設置7個溫度監(jiān)測點，每道主軸承設置1個傳感器即1個監(jiān)測點。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、按鍵和開關輸入單元、報警輸出單元、主控制單元、外部通信單元組成。

圖1溫度檢測系統(tǒng)的硬件設計圖

溫度采集單元連接7路溫度傳感器PT100，通過電子多路開關電路將采集進來的信號進行切換，再經(jīng)過放大電路，調(diào)理整形電路后，送入TLC1549進行ADC轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送主控制單元進行計算處理。

控制器采用STC12C5A60S2單片機，外圍電路包括復位電路，時鐘電路。

功能需求分析：

·設定時間間隔，自動輪詢7路溫度。

·可以設置溫度報警閾值，報警閾值分為一級報警和二級報警。

·自動報警功能，超過報警閾值自動輸出警報，包括本地聲光報警，遠程報警輸出。

·使用按鍵開關可以任意切換顯示1路溫度。

2 硬件設計

2.1 基本工作原理

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。當溫度為0℃時，PT100的阻值接近100歐姆，電橋平衡，輸出為0V；當溫度升高，PT100阻值變大，電橋失去平衡，產(chǎn)生壓差，輸出上正下負的電壓信號；當溫度下降，低于0℃時，PT100的阻值小于100歐姆，電橋失去平衡，輸出上負下正的電壓信號。通過測量惠斯通電橋的輸出電壓，可以計算出PT100的阻值，通過查找分度表，獲取對應的溫度值。

2.2 電源電路

輸入電壓采用船舶發(fā)電機的輸出電壓直流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。

2.3 溫度采集電路

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的分度表計算得出。

外部接入的7路溫度信號分別進入2片CD4052切換電路，CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關，相當于一個雙刀四擲開關，通過單片機IO程序控制，同一時間只有一路溫度信號被選中，進入后級信號處理。

2.4 溫度信號放大電路

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計，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，非常適合多路復用應用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設計。

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)放大后進入TLC1549的最大電壓應小于2.5V。

（1）

（2）

式中—AD620的增益倍數(shù)；—增益電阻。

公式（1）用于計算AD620的增益倍數(shù)，公式(2)用于計算增益配置電阻的阻值。設定增益倍數(shù)=15，使用公式2計算得出R=3.528 kΩ。通過調(diào)節(jié)電位器，達到設定的阻值。

2.5 信號調(diào)理電路

經(jīng)過AD620放大的電壓信號，進入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。

2.6 ADC轉(zhuǎn)換電路

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，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達到±1LSB Max(4.8mV)等特點。

TLC1549的工作溫度范圍內(nèi)（自然通風）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進行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

由前面的計算可知，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，完全滿足船舶主機主軸溫度場檢測的需求。

2.7 報警輸出電路

設備的前面板上設計有7個報警指示燈，分別指示7路溫度報警狀態(tài)，通過單片機的IO進行控制。同時，設計有1路繼電器輸出，可以驅(qū)動外部大功率的聲光報警設備。

2.8 遠程控制電路

STC12C5A60S2的串口2連接MAX485芯片，可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，與外部RS485設備進行通訊。

通過RS485與計算機相連，可以實現(xiàn)遠程控制、遠程報警、溫度數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)保存功能。

3 軟件設計

3.1 基本工作流程

程序主流程圖如圖3所示。

為提高設備的可靠性，程序上采用冗余設計技術(shù)，對溫度進行連續(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。

3.2 溫度轉(zhuǎn)換子程序

根據(jù)PT100的分度表，在程序中建立一張“溫度-電壓”對應關系表。單片機通過查表方式獲取溫度值，能夠減少數(shù)據(jù)計算量，節(jié)省運行時間，實現(xiàn)溫度快速轉(zhuǎn)換。

圖4溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖

4 結(jié)論

本文闡述了一種應用廣泛的船舶主機主軸承溫度的檢測設備的工作原理和設計過程，硬件設計上，采用高性能的單片機及其電子元器件組成溫度采集電路，并采用多路開關分時切換的方式簡化了電路設計，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)了實用的設計理念。

該設備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、溫度轉(zhuǎn)換速度快、準確度高、工作穩(wěn)定，性能可靠，是一種技術(shù)性、實用性很強的設備監(jiān)測產(chǎn)品。已在船舶機艙監(jiān)測領域應用，取得十分良好的使用效果。

[1] 鄭學普. 航空發(fā)電機主軸_軸承系統(tǒng)溫度場分析[D]. 河南科技大學學報, 2004.

[2] 梁偉. 船舶機艙自動監(jiān)測報警控制系統(tǒng)設計[D]. 大連理工大學碩士論文, 2002.

[3] 王瑜. 數(shù)控機床主軸及主軸電機溫度檢測與控制系統(tǒng)[D]. 煤礦機械, 2010.

[4] 龔玉林. 船舶機艙報警系統(tǒng)的軟件設計[D]. 大連海事大學碩士論文, 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：輪機工程。