CN101750166A - 船用增压柴油机排气温度监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船用增压柴油机排气温度监测装置及监测方法。由电源模块(1)、热电偶信号调理模块(2)、控制器模块(3)、CAN总线模块(4)、RS422总线模块(5)以及温度补偿信号调理模块(6)组成。所述控制模块(3)提供各接口；电源模块(1)为整个装置提供与外电源隔离的稳压电源；每个热电偶信号调理模块(2)包含四路测量通道；每个CAN总线模块(4)包括两路CAN总线接口；每个RS422总线模块(5)包括两路RS422总线接口；温度补偿信号调理模块(6)包含2路PT1000热电阻测量通道。本发明使用方便、易于扩展，能够满足船用柴油机排气温度监测以及其综合监控的需要。

Description

船用增压柴油机排气温度监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机排气温度的检测装置，具体地说是一种船用增压柴油机排气温度监测装置。本发明也涉及一种柴油机排气温度的检测方法。

背景技术

目前，通过监测柴油机排气温度判断柴油机燃烧情况是保障柴油机安全高效工作的主要手段之一。现有技术主要是单缸排气温度的监测或者是简单的排气总管温度监测，如美国发明专利“柴油机排气温度监测装置”(“Diesel EngineExhaust Temperature Monitor”US 4,122,720)公开了一种柴油机单缸排气温度的监测装置，该装置通过安装于柴油机各气缸排气歧管的热电偶将柴油机单缸排温转换为模拟信号，再通过A/D转换将热电偶的模拟电信号转化为数字信号，并由微处理器进行处理和储存，然后微处理器对传感器断线进行判断，计算各缸平均排温，实现对当前测量温度是否正常的判断、是否高于平均温度或预设的高限温度的判断、是否低于平均温度或预设的低限温度的判断等功能。

但是，现在船用柴油机大多采用增压技术和排气冷却消声技术，现有技术单纯进行柴油机单缸排气温度或是总排气温度的测量，仅能对柴油机各缸工作的均匀性、单缸工作情况或是总体工作情况进行简单的监测，没有对增压柴油机实现单缸排气温度、增压器前排气温度、增压器后排气温度和消声器后排气温度进行综合监测，也就无法对柴油机总体的燃烧情况、负荷情况、增压情况以及排气冷却消声情况进行诊断，不能满足船用增压柴油机排气温度监测的需要。同时仅仅进行排气温度的监测不能完全实现柴油机保护和诊断，排气温度监测装置只能作为船舶自动化系统中柴油综合监控的子设备，需要其为整个柴油机监控系统提供排气温度的相关信息，从而能够结合其它数据对柴油机工作状态作出全面的判断，但现有技术不具备与其它系统互联互通的标准通信接口，无法满足现代船舶自动化及柴油机的综合监控的需要。

另外，现有技术没有实现排气温度测量通道的在线标定，当测量通道出现故障需要维修和更换时，无法及时对故障通道进行重新标定，影响了排温测量的准确性。而且针对不同应用需求的柴油机，由于其转速和功率范围的不同，其排气温度的差别也较大，所以要选用不同类型的热电偶保证特定温度范围的测量线性度，从而保证排气温度测量的准确性，这也需要测量通道的在线标定功能，才能使排温测量参数能够及时的满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现柴油机单缸排气温度、增压器前排气温度、增压器后排气温度以及消声器后排气温度的综合监测，使用方便灵活的船用增压柴油机排气温度监测装置。本发明的目的还在于提供一种船用增压柴油机排气温度监测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的船用增压柴油机排气温度监测装置由电源模块1、热电偶信号调理模块2、控制器模块3、CAN(控制局域网)总线模块4、RS422(串行422总线)总线模块5以及温度补偿信号调理模块6组成；所述控制模块3包括微处理器、A/D(模拟/数字)转换器、可擦写存储器、CAN总线控制器和SCI(串行通信接口)或UART控制器，共提供热电偶信号调理模块接口、温度补偿信号调理模块接口、RS422总线模块接口和CAN总线模块接口；所述电源模块1为整个装置提供与外电源隔离的稳压电源；每个热电偶信号调理模块2包含四路测量通道，每个测量通道包括滤波电路和放大电路，热电偶信号调理模块插入到控制模块提供的热电偶信号调理模块接口上，安装于柴油机上用于测量单缸排气温度、增压器前后排气总管温度和消声器后排气总管温度的热电偶通过信号电缆接入热电偶信号调理模块2；每个CAN总线模块4包括两路CAN总线接口，与控制模块提供的CAN总线模块接口连接；每个RS422总线模块5包括两路RS422总线接口，与控制模块提供的RS422总线模块接口连接；温度补偿信号调理模块6包含2路PT1000热电阻测量通道，每个通道为电阻信号到0-5V信号的转换电路，插入到控制模块提供的温度补偿信号调理模块接口上。

本发明的船用增压柴油机排气温度监测方法为：

(1)利用热电偶断路时的检测数据设定排气温度测量的断线值。

(2)循环采集个单缸排气温度、增压器前排气总管温度、增压器后排气总管温度、消声器后排气总管温度。

(3)判断排气温度测量值是否达到预设的断线值，若达到断线值则该路排气温度测量通道断线，将测量值设为0，存入数据发送缓冲区，将断线报警存入报警发送缓冲区。

(4)除进行各缸排气温度的平均值计算(不包括断线通道的排气温度)，进行各缸排气温度与平均排气温度、平均排气温度与预先设定的过高平均排气温度限制值的比较外，

若增压器前排气总管温度测量值大于0(即没有断线)，则将增压器前排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区；若增压器前排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作。

若增压器后排气总管温度测量值大于0(即没有断线)，则将增压器后排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区；若增压器后排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作。

若消声器后排气总管温度测量值大于0(即没有断线)，则将消声器后排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区。若消声器后排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作。

(5)若增压器前排气总管温度与增压器后排气总管温度测量值均大于0，则计算增压器前排气总管温度与增压器后排气总管温度的差值，将这一差值存入数据发送缓冲区，并与预设范围进行比较，若该差值不在预设范围内，则产生相应的报警，报警存入报警发送缓冲区；否则不进行上述工作。

若增压器后排气总管温度与消声器后排气总管温度测量值均大于0，则计算增压器后排气总管温度与消声器后排气总管温度的差值，将这一差值存入数据发送缓冲区，并与预设范围进行比较，若该差值不在预设范围内，则产生报警，报警存入报警发送缓冲区；否则不进行上述工作。

(6)通过通信接口依次发送数据发送缓冲区中的排气温度测量值，发送报警发送缓冲区中的报警信息。

本方法还具有如下特征：

(1)将热电偶标准信号的A/D转换值与对应的温度值做成的线性标定插值表以及各预设值存储于存储器中；

(2)该线性插值表中每个数据和各预设值与其在存储器中的地址一一对应；

(3)循环监测通信接口是否接收到数据，若没有接收到数据则继续监测。

(4)若接收到读取A/D转换值的指令，则读取A/D转换值并通过通信接口发送数据；

若接收到读取指令和存储地址，则按照接收到的地址从存储器中对应的地址中读取相关数据，并通过通信接口发送数据；

若接收到写入指令和A/D转换值、温度值或各预设值及它们所对应的存储器地址，则按照存储器地址将A/D转换值、温度值或各预设值写入到存储器中，并通过通信接口发送写入完成反馈。

本发明实现了柴油机单缸排气温度、增压器前排气温度、增压器后排气温度以及消声器后排气温度的综合监测，同时具有标准的RS422和CAN总线接口，可将监测信息与柴油机综合监控系统共享，并可以通过通信接口进行在线标定，使用方便灵活。

本发明的装置包括电源模块1、热电偶信号调理模块2、控制器模块3、CAN总线模块4、RS422总线模块5以及温度补偿信号调理模块6。电源模块1为整个装置提供与外电源隔离的稳压电源，热电偶信号调理模块2、CAN总线模块4、RS422总线模块5以及温度补偿信号调理模块6均与控制器模块3相连接。装置主要通过热电偶采集柴油机排气温度，除通过安装于柴油机排气歧管的热电偶采集柴油机单缸排气温度外，还要通过安装于增压器前后排气总管的热电偶采集增压器前后排气总管温度，通过安装于消声器后排气总管的热电偶采集消声器后排气温度，这些热电偶通过信号电缆与热电偶信号调理模块2连接。由于热电偶的测量值为相对温度，必须加上环境温度作为补偿才能获得实际温度，所以采用PT1000热电阻测量环境温度作为热电偶的补偿温度。控制模块3通过热电偶信号调理模块2和温度补偿信号调理模块6将热电偶和热电阻测量到的温度信号进行采集，计算出实际排气温度并进行比较和存储。然后将各排气温度和报警信息通过CAN总线模块4或RS422总线模块5发送给柴油机综合监控系统。

该监测方法是以微处理器为核心实现对柴油机排气温度监测，首先通过滤波电路保证信号的正确性，并用信号放大电路将安装于柴油机各排气歧管、增压器前后排气总管和消声器后排气总管的热电偶的毫伏信号放大为0-5V信号，同时通过热电阻信号转换电路将PT1000热电阻信号转换为0-5V信号，再通过A/D转换将0-5V信号转换为数字信号，然后由微处理器循环采集。微处理器首先将A/D转换值进行软件滤波处理，然后通过热电偶或热电阻标定插值表计算出对应的温度，将热电偶测得温度与热电阻测得温度相加得到实际排气温度，并于对测得的温度进行计算并与预设值比较，当比较结果为异常时，通过CAN总线或RS422总线循环发送相关信息，同时通过CAN总线或RS422总线循环发送测得的温度及相关计算结果。微处理器采用中断方式接收CAN总线或RS422总线数据，并进行数据处理和反馈，保证数据交互的实时性。其主要功能包括：

(1)通过标准总线接口发送采集到的单缸排气温度、增压器前排气总管温度、增压器后排气总管温度、消声器后排气总管温度以及相关报警信息，实现与其它系统互联互通。

(2)通过对各单缸排气温度、平均排气温度进行相关比较判断，实现对各缸工作状态和工作均匀性的监测。

(3)通过对增压器前排气总管温度和增压器后排气总管温度相关比较判断，实现对柴油机负荷情况以及增压器工作情况的监测。

(4)通过对增压器后排气总管温度和消声器后排气总管温度相关比较判断，实现对排气冷却消声器工作情况的监测。

(5)利用通信接口和可擦写存储器以及地址对应的操作方式，实现了热电偶数据采集的在线标定和各预设限值的在线修改。

附图说明

图1是本发明的装置的结构框图；

图2是本发明的装置的结构示意图；

图3a是本发明的方法的流程图；图3b是本发明的方法的在线标定和修改流程图。

图4a是本发明的装置控制流程图；图4b是本发明的装置的A/D转换中断程序流程图；图4c是本发明的装置的CAN或SCI接收中断程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图2，本实施方式包括电源模块、热电偶信号调理模块、控制器模块、CAN总线模块、RS422总线模块以及温度补偿信号调理模块。

电源模块由外电源滤波电路、DC/DC电源模块和内电源滤波电路组成，船电直流24V通过外电源滤波模块进行滤波，然后由DC/DC模块将24V电源转换成装置内部需要的与外电源电气隔离的5V和±15V电源，并通过内电源滤波电路对转换后的电源进行滤波。滤波电路特性符合实际使用的DC/DC模块要求。

热电偶信号调理模块由信号滤波电路和信号放大电路组成，热电偶的毫伏信号要经过有RC电路构成的信号滤波电路进行滤波，防止信号干扰，然后经以INA128精密仪表放大器为核心的信号放大电路将毫伏信号放大到0-5V信号。

控制模块主要由微处理器及其电源、晶振、复位和相关接口电路构成，本实施方式中微处理器选用Freescale公司的MC9S12XDP512处理器，该处理器内部集成了1个16路的A/D转换器、1个8路的A/D转换器、4K的EEPROM、5个CAN控制器、6个SCI控制器，不需要对微处理器进行外扩，只要完成电源、晶振、复位电路并引出相关接口即可，增强了系统的可靠性。另外，该微处理器具有协处理器XGATE可与主处理并行工作，因此A/D转换，CAN接收、RS422接收等中断过程由协处理器处理，提高了系统的实时性。

CAN总线模块由光电隔离电路、CAN收发器和接口保护电路构成，光电隔离电路以高速光耦为核心实现微处理器与外部总线接口的电气隔离；CAN收发器实现CAN控制器TTL电平和CAN总线差分信号的转换；接口保护电路主要使用TVS管、共模扼流线圈、滤波电容及终端电阻等元件对CAN总线的瞬态电压、共模和差模噪声等情况进行保护。

RS422总线模块由光电隔离电路、RS422收发器和接口保护电路构成，光电隔离电路以高速光耦为核心实现微处理器与外部总线接口的电气隔离；RS422收发器实现RS422控制器TTL电平和RS422总线差分信号的转换；接口保护电路主要使用TVS管、共模扼流线圈、滤波电容及终端电阻等元件对RS422总线的瞬态电压、共模和差模噪声等情况进行保护。

温度补偿信号调理模块由热电阻信号转换电路组成，热电阻的电阻信号通过电桥转换为电压信号，同时经过以INA128精密仪表放大器为核心的信号放大电路将信号放大到0-5V信号。

结合图3，本实施方式的软件程序包括主程序、A/D转换中断程序和CAN或SCI接收中断程序。其中主程序完成排气温度的计算、比较以及数据和报警输出，同时完成存储器的读写操作；A/D转换中断程序完成排气温度的循环测量；CAN或SCI接收中断程序完成外部数据的输入。

A/D转换、CAN或SCI接收采用中断方式处理，由协处理器XGATE完成。并在协处理器XGATE与主处理器之间设定数据缓冲区，用于主协处理器之间的数据交换。其中A/D转换值存于A/D转换值数据缓冲区，由A/D转换值计算得到的排气温度值存于排温测量数据缓冲区，CAN或SCI接收数据存于通信数据缓冲区。

具体软件流程是：

主程序流程

1、初始化：初始化时钟、XGATE、ATD、EEPROM、MSCAN和SCI等模块；初始化XGATE与主处理器之间的数据缓冲区，包括：通信数据缓冲区、排温测量数据缓冲区和A/D转换值数据缓冲区。

2、将EEPROM中数据读取到内存中；

3、打开中断，进入主循环；

4、读取通信数据缓冲区数据；

5、如果没有数据则向下执行，如果有数据则根据数据内容进行相关处理。如读取A/D转换值、读取标定插值表或预设值、修改标定插值表或预设值以及将修改内容写入EEPROM；

6、读取排温测量数据缓冲区中数据；

7、按所述监测方法(如图3a)计算相关数据并与预设值进行比较；

8、通过CAN或SCI发送测量数据、计算数据和报警信息等，循环结束并返回。

A/D转换中断程序流程：

1、进入中断，关中断；

2、读取各通道A/D转换值，与历史值加权平均，将数据存入A/D转换值数据缓冲区；

3、读取标定插值表，计算温度值；

4、计算实际温度值，将热电偶测量温度与热电阻补偿温度相加，存入排温测量数据缓冲区；

5、开中断，退出。

CAN或SCI接收中断程序流程：

1、进入中断，关中断；

2、读取CAN或SCI接收缓冲区；

3、校验数据是否正确；

4、若正确，将数据存入通信数据缓冲区，开中断，退出；

5、若不正确，开中断，退出。

Claims (3)

1.一种船用增压柴油机排气温度监测装置，由电源模块(1)、热电偶信号调理模块(2)、控制器模块(3)、CAN总线模块(4)、RS422总线模块(5)以及温度补偿信号调理模块(6)组成；其特征是：所述控制模块(3)包括微处理器、A/D转换器、可擦写存储器、CAN总线控制器和SCI或UART控制器，共提供热电偶信号调理模块接口、温度补偿信号调理模块接口、RS422总线模块接口和CAN总线模块接口；所述电源模块(1)为整个装置提供与外电源隔离的稳压电源；每个热电偶信号调理模块(2)包含四路测量通道，每个测量通道包括滤波电路和放大电路，热电偶信号调理模块插入到控制模块提供的热电偶信号调理模块接口上。安装于柴油机上用于测量单缸排气温度、增压器前后排气总管温度和消声器后排气总管温度的热电偶通过信号电缆与接入热电偶信号调理模块(2)；每个CAN总线模块(4)包括两路CAN总线接口，与控制模块提供的CAN总线模块接口连接；每个RS422总线模块(5)包括两路RS422总线接口，与控制模块提供的RS422总线模块接口连接；温度补偿信号调理模块(6)包含2路PT1000热电阻测量通道，每个通道为电阻信号到0-5V信号的转换电路，插入到控制模块提供的温度补偿信号调理模块接口上。

2.一种船用增压柴油机排气温度监测方法，其特征是：以微处理器为核心，通过采集安装于柴油机排气歧管、增压器前后排气总管、消声器后排气总管的热电偶信号来实现对柴油机各单缸排气温度、增压器前后总排气温度和消声器后总排气温度的综合监测；具体包括如下步骤：

(1)利用热电偶断路时的检测数据设定排气温度测量的断线值；

(2)循环采集个单缸排气温度、增压器前排气总管温度、增压器后排气总管温度、消声器后排气总管温度；

(3)判断排气温度测量值是否达到预设的断线值，若达到断线值则该路排气温度测量通道断线，将测量值设为0，存入数据发送缓冲区，将断线报警存入报警发送缓冲区；

(4)除进行各缸排气温度的平均值计算，进行各缸排气温度与平均排气温度、平均排气温度与预先设定的过高平均排气温度限制值的比较外，

若增压器前排气总管温度测量值大于0，则将增压器前排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区；若增压器前排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作；

若增压器后排气总管温度测量值大于0，则将增压器后排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区；若增压器后排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作；

若消声器后排气总管温度测量值大于0，则将消声器后排气总管温度测量值存入数据发送缓冲区，并与其预设的最大限值比较，若超过预设限制则产生相应报警，报警存入报警发送缓冲区。若消声器后排气总管温度测量值等于0，则不进行上述工作；

(5)若增压器前排气总管温度与增压器后排气总管温度测量值均大于0，则计算增压器前排气总管温度与增压器后排气总管温度的差值，将这一差值存入数据发送缓冲区，并与预设范围进行比较，若该差值不在预设范围内，则产生相应的报警，报警存入报警发送缓冲区；否则不进行上述工作；

若增压器后排气总管温度与消声器后排气总管温度测量值均大于0，则计算增压器后排气总管温度与消声器后排气总管温度的差值，将这一差值存入数据发送缓冲区，并与预设范围进行比较，若该差值不在预设范围内，则产生报警，报警存入报警发送缓冲区；否则不进行上述工作；

(6)通过通信接口依次发送数据发送缓冲区中的排气温度测量值，发送报警发送缓冲区中的报警信息。

3.根据权利要求2所述的船用增压柴油机排气温度监测方法，其特征是还具有如下特征：

(1)将热电偶标准信号的A/D转换值与对应的温度值做成的线性标定插值表以及各预设值存储于存储器中；

(2)该线性插值表中每个数据和各预设值与其在存储器中的地址一一对应；

(3)循环监测通信接口是否接收到数据，若没有接收到数据则继续监测；

(4)若接收到读取A/D转换值的指令，则读取A/D转换值并通过通信接口发送数据；

若接收到读取指令和存储地址，则按照接收到的地址从存储器中对应的地址中读取相关数据，并通过通信接口发送数据；

若接收到写入指令和A/D转换值、温度值或各预设值及它们所对应的存储器地址，则按照存储器地址将A/D转换值、温度值或各预设值写入到存储器中，并通过通信接口发送写入完成反馈。

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