船舶軸功率在線監測系統的製作方法

2023-04-28 11:55:01

專利名稱：船舶軸功率在線監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及軸功率在線監測，特別涉及一種船舶軸功率在線監測系統。
背景技術：
船舶軸功率是船舶交付檢驗、船舶航行過程中船一機一槳匹配和動力裝置性能監測與診斷的重要參數。目前，國內外的測試方法主要為應變式扭矩測試法和相位差式扭矩測試法。應變式扭矩測試法一般為應變片法和磁彈性法。應變片法採用電阻應變片測量軸系應變量，其安裝要求比較高，人為因素影響大，難以保證精度，使用周期和壽命短。磁彈性法是基於鐵磁材料的壓磁效應來檢驗線圈中磁通的變化量，其結構複雜，設備加工工藝要求高，調試困難。相位差式扭矩測試法有鋼弦法、雷射法等。鋼弦法通過鋼弦傳感器頻率變化檢測相位差，這種方法測量精度較高，但機械設備多，體積大，成本高，攜帶、測試不方便。 雷射法是基於都卜勒效應，利用雷射發射接收器等設備檢測傳感器信號相位差，測量精度高，操作簡便，但需要光源。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種船舶軸功率在線監測系統，以克服現有船舶軸功率測量技術的不足。本實用新型解決其技術問題採用以下的技術方案本實用新型提供的船舶軸功率在線監測系統，由相位差測量單元和一個集成化的測試及處理裝置組成，其中測試及處理裝置裝在船舶的柴油機旁，該裝置由依次以電連接的信號調理單元、信號採集單元、信號處理單元、顯示單元，及通信單元組成；相位差測量單元設有兩條測量皮帶，每條測量皮帶上設有多個均勻分布的帶永久磁鐵的塑料塊，在每條測量皮帶兩側處各有一個與固定在船體上的叉形支架相連的磁阻傳感器，所述磁阻傳感器各由電纜與信號調理單元的輸入端相連。所述信號調理單元包括信號差分、放大及調零硬體電路，其中放大電路採用 TL064C運算放大器。所述信號採集單元是基於LTC1856 AD轉換器來實現信號採集的單元。所述信號處理單元由以DSP晶片為核心的信號處理系統組成。所述顯示單元採用液晶顯示模塊和與該模塊相連的液晶。所述通信單元通過CAN總線與計算機通信。本實用新型的工作原理在船舶軸系相隔一定距離的兩截面上分別布置測量第一測量皮帶和第二測量皮帶，兩測量皮帶圓周上通過塑料塊固定16個永久磁鐵，在與每條測量皮帶徑向相距一定間隙的水平位置對稱布置兩個互為備份的磁阻傳感器，其輸出信號的相位差為180度。當原動機空轉(無功率輸出)時，第一磁、第三阻傳感器輸出信號的相位差為系統的初始相位θ。，當原動機輸出功率時，軸系會發生扭轉變形，Α、Β兩測量皮帶輸出
3的同頻信號相位差變為θ — θ。，θ的大小與扭矩成正比，通過提取其相位差θ並轉換成扭矩，再計算其中任一信號頻率得到原動機轉速，便可獲得軸功率的值。本實用新型與現有技術相比具有以下主要的優點1.採用了基於磁阻效應的非接觸式測量方法，設備結構簡單、體積小，安裝方便。3.採用了 DSP嵌入式系統，系統集成度高，可脫離PC機獨立使用，攜帶方便。4.採用了 CAN總線進行各設備的通信，傳輸距離最遠可達10km，可編程位傳輸速率可達1 Mb/so5.液晶可實時顯示軸功率隨時間變化的趨勢圖，便於原動機的輸出功率狀態實時監測。6.信號處理採用了加窗及HR全相位濾波處理，處理的過程中不會造成信號相位失真，測量精確，在正常條件下，軸功率結果與實際結果誤差在3%之內。7.可以在原動機運行的條件下，實時監測原動機軸功率、轉速等參數。對於船舶柴油機，配合測量航速、燃油消耗量等經濟、性能參數進行相關分析，可評估船舶動力性能，為運行工況優化、維修決策等提供了理論依據。

圖1為本實用新型船舶軸功率測量裝置的結構示意圖。圖2為本實用新型船舶軸功率測量裝置的測量皮帶截面圖；圖3為本實用新型船舶軸功率測量裝置的傳感器安裝示意圖；圖4為本實用新型船舶軸功率測量裝置的信號調理電路原理圖。圖5為本實用新型船舶軸功率測量裝置信號處理方法示意圖；圖6為本實用新型船舶軸功率測量裝置傳感器原始信號波形圖；圖7為本實用新型船舶軸功率測量裝置系統自檢流程圖；圖中1.柴油機；2.第一磁阻傳感器；3.第二磁阻傳感器；4.第一測量皮帶； 5.傳動軸；6.第二測量皮帶；7.第三磁阻傳感器；8.第四磁阻傳感器；9.螺旋槳； 10.塑料塊；11.永久磁鐵；12.六角螺栓；13.六角螺母；14.第一叉形支架；15.第二叉形支架；16.帶孔(與六角螺栓匹配)的塑料塊。
具體實施方式
本實用新型提供的船舶軸功率在線監測系統，是一種安裝簡單、操作方便的非接觸式在線監測軸系動態轉速、扭矩和軸功率的測量設備，其通過磁阻傳感器檢測安裝於驅動軸上測量皮帶的磁場變化得到扭矩信號，對軸功率進行非接觸式測量。採用了 DSP嵌入式系統進行信號處理，利用互功率譜算法提取兩信號相位差，並採用過零檢測法求取信號頻率獲得轉速，最終得到軸功率值，通過CAN總線與計算機通信，以實時監測船舶軸功率狀態，提高了船舶全壽命周期管理能力。測量精度高，可適用於不同軸徑及額定功率的原動機。下面結合實施例對本實用新型作進一步說明，但並不局限於下面所述內容。本實用新型提供的船舶軸功率在線監測系統，其結構如圖1所示，由相位差測量單元和一個集成化的測試及處理裝置組成，其中測試及處理裝置裝在船舶的柴油機1機旁，該裝置由依次以電連接的信號調理單元、信號採集單元、信號處理單元、顯示單元，及通信單元組成；圖1中左側的第一測量皮帶4的一對磁阻傳感器通過信號輸出線纜與一個信號調理電路的輸入端相連，圖1中右側的第二測量皮帶6的一對磁阻傳感器通過信號輸出線纜與另一個信號調理電路的輸入端相連。所述相位差測量單元由兩對磁阻傳感器、兩對叉形支架和兩條測量皮帶組成。兩條測量皮帶緊箍在傳動軸5上相距一定距離的兩截面上。叉形支架固定在船體上，使磁阻傳感器位於軸系的水平中心線上，並與皮帶相隔一定距離(一般為11cm)。需要注意的是 初始安裝使用時，兩對磁阻傳感器要進行自檢及初始安裝相位的標定。所述兩條測量皮帶分別為第一測量皮帶4和第二測量皮帶6，它們通過六角螺栓 12和六角螺母13與塑料塊15相連，六角螺栓12和塑料塊15上面的孔可將兩測量皮帶緊箍在傳動軸5上。在第一測量皮帶的兩側處分別安裝與第一叉形支架14相連的第一磁阻傳感器2、第三磁阻傳感器7 ；在第二測量皮帶的兩側處分別安裝與第二叉形支架相連的第二磁阻傳感器3、第四磁阻傳感器8 ；在實際測量中，第二、第四磁阻傳感器分別為第一、第三磁阻傳感器的備份。如圖7所示，為系統自檢流程，初始選取第一、第三磁阻傳感器作為測試用傳感器，通過比較該兩傳感器輸出信號(a、b)頻率，來判斷選用的傳感器是否工作正常。若選取的第一磁阻傳感器與第三磁阻傳感器的輸出信號頻率不相等，表明它工作異常， 測試及處理裝置自動切換到備份的第二、第四磁阻傳感器。所述第一測量皮帶4、第二測量皮帶6選擇齒式鋼絲傳動帶，其光滑面用於安裝永久磁鐵11和塑料塊10，塑料塊10通過自攻螺釘緊分別緊固在第一、第二測量皮帶相應位置上。永久磁鐵11放置在塑料塊中，其磁性是按N、S級交錯布置(圖2)。而齒面與柴油機1 的傳動軸5的軸接觸，防止皮帶沿傳動軸5表面滑動。傳動軸5的末端安裝螺旋槳9。圖3中，第一叉形支架14和第二叉形支架15上端有與傳感器外殼尺寸相匹配的孔，用於固定磁阻傳感器，其中第一磁阻傳感器2和第二磁阻傳感器3通過第一叉形支架 14安裝在第一測量皮帶4旁，第三磁阻傳感器7和第四磁阻傳感器8通過第二叉形支架15 安裝在第二測量皮帶6旁，將第一磁阻傳感器2和第三磁阻傳感器7信號輸出線纜連接到測試及處理裝置的信號輸入接頭上，便可實現軸功率在線監測。如圖6所示，為一組傳感器原始信號波形圖，信號a和信號b分別對應第一磁阻傳感器和第二磁阻傳感器輸出信號，它們頻率相等、波形相似，但具有一定的相位差。所有磁阻傳感器是基於磁敏電阻KMZlOA製成的，若磁阻傳感器附近磁場發生變化，磁敏電阻阻值發生改變，即輸出的電壓信號幅值發生變化；它們通過反饋補償電路調節輸出信號與磁場變化關係，使輸出信號隨磁場改變呈線性變化，配合外圍的調理電路可調節信號偏置及幅值。所述信號調理單元包括信號差分、放大及調零硬體電路，其中放大電路採用 TL064C運算放大器。差分電路將磁敏電阻兩個輸入端的差值作為信號輸出，由於磁阻傳感器的輸出信號幅值很小，進行一定倍數的放大才可滿足採集要求，為了減小放大器零漂等影響，採用調零電路對初始信號調零，同時，調節輸入信號幅值，可使信號最大幅值在採集範圍內。如圖4所示，通過調節可調電阻R4來控制輸出信號的幅值大小，調節可調電阻R5 進行初始狀態調零。所述信號採集單元是基於LTC1856 AD轉換器來實現信號採集的，它是含有8路 16bit的AD，其採樣頻率最高能達到lOOlcbps。利用其中的第1、2通道分別採集第一磁阻傳感器和第二磁阻傳感器信號，第3、4通道分別採集第三磁阻傳感器和第四磁阻傳感器信號，測試系統中採樣頻率設定為m^S/s。所述信號處理單元由以DSP晶片為核心的信號處理系統組成，主要對一組傳感器信號進行相位差、轉速提取。採用了 DSP晶片作為算法處理器，通過硬體編程的形式將算法集成到DSP晶片中進行信號處理。DSP晶片採用TI公司TMS320C5000DSP平臺中CM16晶片為核心的DSP嵌入式系統。信號在DSP晶片中經HR全相位濾波後，減少了幹擾及噪聲信號對計算結果的影響，由於是線性相位濾波，不會造成相位失真。在計算互功率譜前對信號進行Kaiser窗函數加窗處理減少了由於非整周期採樣造成的頻譜洩露。轉速是採用過零檢測法求取信號頻率來獲得的，由於測量皮帶有16個N、S極交錯布置的永久磁鐵，傳動軸5旋轉一周會產生8個波峰和8個波谷，一轉內共有17個零點，通過拉格朗日插值得到零點所在位置及對應時間可求取信號頻率，經轉換求取轉速。按公式(1)計算扭矩值，最後按公式(2)計算傳動軸5輸出功率。通過測量柴油機在空轉下的初始相位θ ^進行初始相位標定，可消除初始安裝相位對計算結果產生的誤差。
T- ηF=--(2)
9550其中，θ ^為初始相位，θ為求取的相位，D為傳動軸5的外徑，d為傳動軸5的內徑，L為兩測量皮帶兩截面距離，T為轉矩，P為傳動軸5的輸出功率，η為傳動軸5的轉速。所述顯示以NS320240B液晶為顯示核心，液晶屏上可實時顯示傳動軸5的轉速值， 以及傳動軸5的輸出功率變化趨勢圖。本船舶柴油機軸功率在線監測系統自檢完成後，液晶上相應位置會顯示「設備正常」或「設備異常」。所述通信單元採用以CAN總線為核心的通信模塊，其與計算機通信。它以MCP2515 為CAN控制器，PCA82C250為CAN收發器，採用了本地標準幀，其波特率通過寄存器設置為 5001ApS。採用6W37光耦隔離晶片進行光耦隔離，減少了信號傳輸幹擾。本實用新型提供的上述船舶柴油機軸功率在線監測系統，用於在線非接觸式測量原動機轉速和輸出軸的扭矩及功率，其基於磁阻效應的相位差測量方法為1.在柴油機1側和螺旋槳9側分別緊箍安裝一個與傳動軸5的軸直徑匹配的測量皮帶，在船體上固定安裝兩個磁阻傳感器的叉形支架(第一叉形支架14，第二叉形支架 15)，使傳感器與皮帶水平中心線徑向間隔一定距離，一般為11cm。2.將傳感器信號輸出線纜連接到測試及處理裝置上。3.檢查各設備安裝是否正確、完好，待確認後，給測試系統提供+24v的電源。4.等待系統自檢完成，若液晶上顯示「設備正常」，則開始測量及處理，若顯示「設備異常」停止測量並檢查及維修設備。5.若系統初始安裝使用，進行初始相位的標定，否則直接進入步驟6。如果原動機空轉時無功率輸出，直接測量系統的初始相位θ。，否則採用應變法來進行初始相位的標定。6.液晶初始化，正常後開始實時顯示傳動軸5的輸出軸功率趨勢圖及轉速值。7.若選擇與計算機或其它設備通信，將CAN通信模塊輸出線纜連接到該設備上。
權利要求1.船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於該系統由相位差測量單元和一個集成化的測試及處理裝置組成，其中測試及處理裝置裝在船舶的柴油機旁，該裝置由依次以電連接的信號調理單元、信號採集單元、信號處理單元、顯示單元，及通信單元組成；相位差測量單元設有兩條測量皮帶，每條測量皮帶上設有多個均勻分布的帶永久磁鐵的塑料塊，在每條測量皮帶兩側處各有一個與固定在船體上的叉形支架相連的磁阻傳感器，所述磁阻傳感器各由電纜與信號調理單元的輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於所述信號調理單元包括信號差分、放大及調零硬體電路，其中放大電路採用TL064C運算放大器。
3.根據權利要求1所述的船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於所述信號採集單元是基於LTC1856 AD轉換器來實現信號採集的單元。
4.根據權利要求1所述的船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於所述信號處理單元由以DSP晶片為核心的信號處理系統組成。
5.根據權利要求1所述的船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於所述顯示單元採用 NS320M0B液晶，液晶屏上實時顯示傳動軸的輸出軸功率趨勢圖及轉速值。
6.根據權利要求1所述的船舶軸功率在線監測系統，其特徵在於所述通信單元通過 CAN總線與計算機通信。
專利摘要本實用新型涉及一種船舶軸功率在線監測系統，該系統由相位差測量單元和一個集成化的測試及處理裝置組成，其中測試及處理裝置裝在船舶的柴油機旁，該裝置由依次以電連接的信號調理單元、信號採集單元、信號處理單元、顯示單元，及通信單元組成；相位差測量單元設有兩條測量皮帶，每條測量皮帶上設有多個均勻分布的帶永久磁鐵的塑料塊，在每條測量皮帶兩側處各有一個與固定在船體上的叉形支架相連的磁阻傳感器，所述磁阻傳感器各由電纜與信號調理單元的輸入端相連。本實用新型具有結構簡單、體積小、攜帶方便和測量精確等優點，可適用於不同軸徑及額定功率的原動機。
文檔編號G01L3/24GK202188931SQ201120252579
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者何浩, 餘永華, 楊建國 申請人:武漢理工大學