某型電磁計(jì)程儀故障分析與排除

楊 勇，申傳俊，王旭東

(92236部隊(duì)，廣東 湛江 524002)

電磁計(jì)程儀是船舶重要的電航儀器，其根據(jù)電磁感應(yīng)原理來測(cè)量船舶相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)速度，據(jù)此累計(jì)其航程，并將航速與航程信息發(fā)送給所需要的用戶。電磁計(jì)程儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、操作調(diào)整方便、可測(cè)后退速度等優(yōu)點(diǎn)，是目前船舶使用最廣泛的一類計(jì)程儀。

某船某型電磁計(jì)程儀在航行以及模擬工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)生電磁計(jì)程儀航速不穩(wěn)定且誤差大的故障。針對(duì)該故障，在回顧該型電磁計(jì)程儀工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)該計(jì)程儀的故障進(jìn)行故障診斷[1]，即通過對(duì)該計(jì)程儀可能故障進(jìn)行故障樹分析[2-3]，逐步隔離故障，排查故障，最終定位了故障點(diǎn)并成功排除了故障。該故障分析與排查具有一定的代表性，可為同類型電磁計(jì)程儀的故障排查提供參考。

1 某型電磁計(jì)程儀結(jié)構(gòu)與原理

1.1 計(jì)程儀結(jié)構(gòu)

某型電磁計(jì)程儀主要由電磁式傳感器、前置放大器、主儀器、復(fù)示器、信息發(fā)送箱、氣動(dòng)構(gòu)成。其系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖1中，IB為激磁電流，UB為激磁回路取樣電壓。

圖1 某型電磁計(jì)程儀系統(tǒng)工作原理圖

主儀器是一個(gè)以51單片機(jī)為基礎(chǔ)的專用微機(jī)系統(tǒng)，它包括直流電源裝置、單片機(jī)裝置(由CPU、EPROM、EEPROM以及專用接口電路組成)、航速信息發(fā)送裝置(由角度編碼器以及伺服電路構(gòu)成)和鍵盤輸入與顯示裝置。

主儀器是計(jì)程儀的核心部件，其面板上裝有各種操作按鈕，用來控制整個(gè)儀器的運(yùn)行，完成測(cè)速校正工作。

1.2 工作原理

主儀器的工作原理[4]為：利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量船舶相對(duì)于水的速度，其采用的傳感器中有一產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的電磁鐵(激磁線圈)，并有一對(duì)電極與水接觸。傳感器安裝于船舶底部，當(dāng)傳感器的前端面略微伸出船舶底部5 mm左右時(shí)，傳感器的激磁線圈通以交流電產(chǎn)生激磁，且傳感器的電極隨船舶一起與水有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其一對(duì)電極間將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它經(jīng)過高輸入阻抗的前置放大器放大一定的倍數(shù)(約200倍)后，在主儀器CPU的控制下，A/D轉(zhuǎn)換裝置定時(shí)對(duì)輸出電壓和激磁回路的取樣電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際輸出關(guān)系曲線的數(shù)學(xué)模型，解算出航速和航程增量，并將計(jì)算結(jié)果變換為適當(dāng)?shù)男盘?hào)，通過接口電路送復(fù)示器進(jìn)行顯示或送給用戶接收使用。

計(jì)程儀有航行和模擬2種工作狀態(tài)。當(dāng)船舶航行時(shí)，計(jì)程儀處于航行工作狀態(tài)下，計(jì)程儀整機(jī)正常工作，電磁式傳感器測(cè)量真實(shí)的船舶航行速度；當(dāng)計(jì)程儀處于模擬工作狀態(tài)下，將由模擬電位器模擬傳感器的輸出信號(hào)，方便計(jì)程儀在船舶靜態(tài)等情況下輸出需要的速度值，同時(shí)也可以檢查除傳感器外的主要儀器狀態(tài)。

2 故障現(xiàn)象分析與排除

2.1 故障現(xiàn)象

某船進(jìn)廠修理后，電磁計(jì)程儀長(zhǎng)時(shí)間未通電，修理完畢后，在航行過程中電磁計(jì)程儀發(fā)生故障，表現(xiàn)為：計(jì)程儀航行時(shí)工作不穩(wěn)定，測(cè)速誤差大；模擬工作狀態(tài)時(shí)，航速不穩(wěn)定且速度顯示值偏大，且存在緩慢增大的現(xiàn)象，故障問題開始變得嚴(yán)重。

2.2 故障分析

依據(jù)故障現(xiàn)象，繪制電磁計(jì)程儀故障樹示意圖，如圖2所示。

圖2 電磁計(jì)程儀故障樹示意圖

故障原因分析如下。

1)主儀器參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤。主儀器若設(shè)置錯(cuò)誤，將影響系統(tǒng)的運(yùn)行，導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。

2)電源系統(tǒng)故障。系統(tǒng)的保險(xiǎn)絲、輸入220 V的交流電源故障，或者電源模塊輸出的60 V/50 Hz交流電源，+5 V、±15 V、+24 V直流電源故障，將影響計(jì)程儀的工作，導(dǎo)致一系列故障現(xiàn)象。

3)電路板件故障。ADC板、CPU板、前置放大器板件如發(fā)生故障，則會(huì)發(fā)生測(cè)速故障。

4)傳感器故障。傳感器線路由激磁線圈、信號(hào)接收線圈和地線組成。電磁傳感器處于艙底位置，長(zhǎng)期工作于悶熱潮濕的惡劣環(huán)境，傳感器所發(fā)出的信號(hào)非常微弱。傳感器因潮濕環(huán)境的影響導(dǎo)致絕緣偏低時(shí)，一般不影響正常工作；若傳感器因本身老化等原因?qū)е陆^緣偏低時(shí)，則將引發(fā)工作異常，無法正常測(cè)速。此時(shí)需要區(qū)分情況，進(jìn)行針對(duì)性的處理。

2.3 故障排查過程

1)對(duì)照計(jì)程儀原來的參數(shù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置情況進(jìn)行逐一檢查，未發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤情況。

2)對(duì)電源、信號(hào)線路進(jìn)行基本檢查，主要是檢查主儀器內(nèi)部線路和主儀器至前置放大器的線路，未發(fā)現(xiàn)異常。

3)測(cè)量輸入220 V/50 Hz交流電源和經(jīng)電源模塊輸出的供給傳感器的激磁線圈的激磁電壓交流60 V/50 Hz，以及供給前置放大板、A/D轉(zhuǎn)換板、CPU板等部件的+5 V、±15V、+24 V直流工作電源是否正常。檢查各工作電源對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)絲是否有燒斷的情況，對(duì)照?qǐng)D紙檢查電源模塊輸出到使用端的供電線路是否存在斷(短)路現(xiàn)象，均未發(fā)現(xiàn)異常。

4)檢查電磁傳感器。傳感器的故障檢測(cè)判斷主要通過測(cè)量其激磁線圈的阻值、信號(hào)線的通斷、激磁線圈和信號(hào)線對(duì)地的絕緣值來進(jìn)行。由于入水后的傳感器絕緣通常都會(huì)偏低，一般在沒有明顯故障時(shí)，通過替換對(duì)比法進(jìn)行判斷。

將傳感器取出，測(cè)得激磁線圈阻值及信號(hào)接收線圈通斷正常。經(jīng)過干燥處理后，測(cè)量傳感器激磁線圈、信號(hào)接收線圈對(duì)地的絕緣值均不超過350 kΩ，未達(dá)到要求值1 MΩ。結(jié)合日常使用經(jīng)驗(yàn)，通常會(huì)遇到傳感器干燥處理不夠徹底而導(dǎo)致絕緣偏低的情況，無法依此判斷為故障點(diǎn)。為了排除傳感器故障可能，更換了船上的一根備用測(cè)量桿，發(fā)現(xiàn)故障依然存在。

5)仔細(xì)核對(duì)線路。按照信號(hào)流程，對(duì)信號(hào)線路進(jìn)行仔細(xì)檢查：即檢查測(cè)量桿輸出端(5#、6#)信號(hào)線至前置放大器，測(cè)量前置放大器輸出信號(hào)線(44#)經(jīng)電纜頭CZ2至主儀器插頭CT2(118#)的線路，發(fā)現(xiàn)上述線路均正常。

6)檢查前置放大器。前置放大器對(duì)傳感器的信號(hào)作約200倍的放大，可通過測(cè)量輸出信號(hào)情況判斷。檢查其內(nèi)部線路正常，但由于受其安裝的空間位置等限制，現(xiàn)場(chǎng)不便于準(zhǔn)確測(cè)量判斷前置放大板功能正常與否，嘗試對(duì)前置放大板進(jìn)行更換。

7)在確保電源供電無異常的前提下，對(duì)ADC板、CPU板、前置放大器板進(jìn)行更換，重新核對(duì)參數(shù)設(shè)置，確保電路板件工作正常的前提下重新對(duì)儀器開機(jī)，但是故障依舊。

8)經(jīng)過步驟1)～7)的排查，均未發(fā)現(xiàn)故障所在，由于檢查參數(shù)設(shè)置、進(jìn)行電源輸出電壓的測(cè)量相對(duì)比較容易，經(jīng)檢查后故障依然存在，初步懷疑是線路或板件存在故障。再次通電開機(jī)，準(zhǔn)備作繼續(xù)排查時(shí)，故障變得更加嚴(yán)重。

結(jié)合原理的分析，計(jì)程儀的故障點(diǎn)只存在于上述幾種情況中，應(yīng)該是排查中有失誤或遺漏。由于計(jì)程儀艙內(nèi)十分狹窄，無法展開兩人協(xié)調(diào)作業(yè)，主儀器距離計(jì)程儀艙有2層甲板、船舶的備品備件不全等導(dǎo)致修理工作開展困難較大。通過協(xié)調(diào)，將傳感器、主儀器、前置放大器等拆卸離船，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢查修理。

在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)樣機(jī)的傳感器、前置放大器、主儀器以及其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換板依次進(jìn)行替換。

(1)用船上的傳感器替換樣機(jī)的傳感器，航行工作狀態(tài)下，將電磁傳感器置于直徑大于300 mm、盛滿水的塑料桶中，儀器顯示速度不為0且不穩(wěn)定，通過順時(shí)針攪動(dòng)桶內(nèi)的水以模擬水流，速度未發(fā)生明顯變化，初步確定了原傳感器的故障。

(2)換回樣機(jī)傳感器，替換前置放大器后開機(jī)，樣機(jī)工作正常，說明前置放大器正常。

(3)用船上電磁計(jì)程儀的主儀器替換實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的主儀器，發(fā)現(xiàn)故障依舊，說明主儀器內(nèi)部存在故障。替換了A/D轉(zhuǎn)換板后故障依舊，初步判斷為儀器內(nèi)部線路故障。

對(duì)照?qǐng)D紙對(duì)主儀器線路進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量排查，排查過程中發(fā)現(xiàn)+15 V電源線從電源模塊輸出，經(jīng)保險(xiǎn)絲后，存在接觸不良現(xiàn)象，經(jīng)查為保險(xiǎn)絲座故障(內(nèi)部彈片問題導(dǎo)致無法與保險(xiǎn)絲緊密接觸，導(dǎo)致供電不穩(wěn)定)。更換新的保險(xiǎn)絲座后，重新開機(jī)，工作正常。

9)經(jīng)過步驟8)的排查，確定是由于傳感器和主儀器的雙重故障，導(dǎo)致該計(jì)程儀測(cè)速故障。將修復(fù)后的主儀器和新的傳感器回裝到船上后，重新開機(jī)，故障消除。

3 結(jié)束語(yǔ)

某型電磁計(jì)程儀有2處故障點(diǎn)，屬于復(fù)雜型故障。在修理環(huán)境惡劣、故障比較復(fù)雜而難以準(zhǔn)確判斷時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析儀器工作原理，按照從易到難的思路進(jìn)行故障分析與排除。具體注意以下幾點(diǎn)。

1)弄懂原理，思路清晰，逐步縮小故障范圍。

2)保持耐心，不能急躁，減少檢查遺漏；仔細(xì)對(duì)相關(guān)線路以及電路板進(jìn)行測(cè)量與檢查。

3)準(zhǔn)備好必要的備品備件，特別是難以判斷故障的元器件或電路板等(該船的備用傳感器經(jīng)后續(xù)驗(yàn)證是故障件)。在日常修理中，這類判斷經(jīng)常導(dǎo)致修理時(shí)間延長(zhǎng)：①將完好的器件誤判斷為故障件，等申領(lǐng)來器材后，故障依然存在；②將故障件誤判為完好件，導(dǎo)致故障點(diǎn)遲遲無法找到。