CN202188931U

CN202188931U - 船舶轴功率在线监测系统

Info

Publication number: CN202188931U
Application number: CN2011202525792U
Authority: CN
Inventors: 余永华; 杨建国; 何浩
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2021-07-18

Abstract

本实用新型涉及一种船舶轴功率在线监测系统，该系统由相位差测量单元和一个集成化的测试及处理装置组成，其中：测试及处理装置装在船舶的柴油机旁，该装置由依次以电连接的信号调理单元、信号采集单元、信号处理单元、显示单元，及通信单元组成；相位差测量单元设有两条测量皮带，每条测量皮带上设有多个均匀分布的带永久磁铁的塑料块，在每条测量皮带两侧处各有一个与固定在船体上的叉形支架相连的磁阻传感器，所述磁阻传感器各由电缆与信号调理单元的输入端相连。本实用新型具有结构简单、体积小、携带方便和测量精确等优点，可适用于不同轴径及额定功率的原动机。

Description

船舶轴功率在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及轴功率在线监测，特别涉及一种船舶轴功率在线监测系统。

背景技术

船舶轴功率是船舶交付检验、船舶航行过程中船—机—桨匹配和动力装置性能监测与诊断的重要参数。目前，国内外的测试方法主要为应变式扭矩测试法和相位差式扭矩测试法。

应变式扭矩测试法一般为应变片法和磁弹性法。应变片法采用电阻应变片测量轴系应变量，其安装要求比较高，人为因素影响大，难以保证精度，使用周期和寿命短。磁弹性法是基于铁磁材料的压磁效应来检验线圈中磁通的变化量，其结构复杂，设备加工工艺要求高，调试困难。相位差式扭矩测试法有钢弦法、激光法等。钢弦法通过钢弦传感器频率变化检测相位差，这种方法测量精度较高，但机械设备多，体积大，成本高，携带、测试不方便。激光法是基于多普勒效应，利用激光发射接收器等设备检测传感器信号相位差，测量精度高，操作简便，但需要光源。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种船舶轴功率在线监测系统，以克服现有船舶轴功率测量技术的不足。

本实用新型解决其技术问题采用以下的技术方案：

本实用新型提供的船舶轴功率在线监测系统，由相位差测量单元和一个集成化的测试及处理装置组成，其中：测试及处理装置装在船舶的柴油机旁，该装置由依次以电连接的信号调理单元、信号采集单元、信号处理单元、显示单元，及通信单元组成；相位差测量单元设有两条测量皮带，每条测量皮带上设有多个均匀分布的带永久磁铁的塑料块，在每条测量皮带两侧处各有一个与固定在船体上的叉形支架相连的磁阻传感器，所述磁阻传感器各由电缆与信号调理单元的输入端相连。

所述信号调理单元包括信号差分、放大及调零硬件电路，其中放大电路采用TL064C运算放大器。

所述信号采集单元是基于LTC1856 AD转换器来实现信号采集的单元。

所述信号处理单元由以DSP芯片为核心的信号处理系统组成。

所述显示单元采用液晶显示模块和与该模块相连的液晶。

所述通信单元通过CAN总线与计算机通信。

本实用新型的工作原理：在船舶轴系相隔一定距离的两截面上分别布置测量第一测量皮带和第二测量皮带，两测量皮带圆周上通过塑料块固定16个永久磁铁，在与每条测量皮带径向相距一定间隙的水平位置对称布置两个互为备份的磁阻传感器，其输出信号的相位差为180度。当原动机空转（无功率输出)时，第一磁、第三阻传感器输出信号的相位差为系统的初始相位θ₀，当原动机输出功率时，轴系会发生扭转变形，A、B两测量皮带输出的同频信号相位差变为θ+θ₀，θ的大小与扭矩成正比，通过提取其相位差θ并转换成扭矩，再计算其中任一信号频率得到原动机转速，便可获得轴功率的值。

本实用新型与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.采用了基于磁阻效应的非接触式测量方法，设备结构简单、体积小，安装方便。

3.采用了DSP嵌入式系统，系统集成度高，可脱离PC机独立使用，携带方便。

4.采用了CAN总线进行各设备的通信，传输距离最远可达10km，可编程位传输速率可达1Mb/s。

5.液晶可实时显示轴功率随时间变化的趋势图，便于原动机的输出功率状态实时监测。

6.信号处理采用了加窗及FIR全相位滤波处理，处理的过程中不会造成信号相位失真，测量精确，在正常条件下，轴功率结果与实际结果误差在3%之内。

7.可以在原动机运行的条件下，实时监测原动机轴功率、转速等参数。对于船舶柴油机，配合测量航速、燃油消耗量等经济、性能参数进行相关分析，可评估船舶动力性能，为运行工况优化、维修决策等提供了理论依据。

附图说明

图1为本实用新型船舶轴功率测量装置的结构示意图。

图2为本实用新型船舶轴功率测量装置的测量皮带截面图；

图3为本实用新型船舶轴功率测量装置的传感器安装示意图；

图4为本实用新型船舶轴功率测量装置的信号调理电路原理图。

图5为本实用新型船舶轴功率测量装置信号处理方法示意图；

图6为本实用新型船舶轴功率测量装置传感器原始信号波形图；

图7为本实用新型船舶轴功率测量装置系统自检流程图；

图中：1.柴油机； 2.第一磁阻传感器； 3.第二磁阻传感器； 4.第一测量皮带； 5.传动轴；6.第二测量皮带； 7.第三磁阻传感器； 8.第四磁阻传感器； 9.螺旋桨； 10.塑料块； 11.永久磁铁； 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.带孔（与六角螺栓匹配）的塑料块。

具体实施方式

本实用新型提供的船舶轴功率在线监测系统，是一种安装简单、操作方便的非接触式在线监测轴系动态转速、扭矩和轴功率的测量设备，其通过磁阻传感器检测安装于驱动轴上测量皮带的磁场变化得到扭矩信号，对轴功率进行非接触式测量。采用了DSP嵌入式系统进行信号处理，利用互功率谱算法提取两信号相位差，并采用过零检测法求取信号频率获得转速，最终得到轴功率值，通过CAN总线与计算机通信，以实时监测船舶轴功率状态，提高了船舶全寿命周期管理能力。测量精度高，可适用于不同轴径及额定功率的原动机。

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本实用新型提供的船舶轴功率在线监测系统，其结构如图1所示，由相位差测量单元和一个集成化的测试及处理装置组成，其中：测试及处理装置装在船舶的柴油机1机旁，该装置由依次以电连接的信号调理单元、信号采集单元、信号处理单元、显示单元，及通信单元组成；图1中左侧的第一测量皮带4的一对磁阻传感器通过信号输出线缆与一个信号调理电路的输入端相连，图1中右侧的第二测量皮带6的一对磁阻传感器通过信号输出线缆与另一个信号调理电路的输入端相连。

所述相位差测量单元由两对磁阻传感器、两对叉形支架和两条测量皮带组成。两条测量皮带紧箍在传动轴5上相距一定距离的两截面上。叉形支架固定在船体上，使磁阻传感器位于轴系的水平中心线上，并与皮带相隔一定距离（一般为11cm）。需要注意的是：初始安装使用时，两对磁阻传感器要进行自检及初始安装相位的标定。

所述两条测量皮带分别为第一测量皮带4和第二测量皮带6，它们通过六角螺栓12和六角螺母13与塑料块15相连，六角螺栓12和塑料块15上面的孔可将两测量皮带紧箍在传动轴5上。在第一测量皮带的两侧处分别安装与第一叉形支架14相连的第一磁阻传感器2、第三磁阻传感器7；在第二测量皮带的两侧处分别安装与第二叉形支架相连的第二磁阻传感器3、第四磁阻传感器8；在实际测量中，第二、第四磁阻传感器分别为第一、第三磁阻传感器的备份。如图7所示，为系统自检流程，初始选取第一、第三磁阻传感器作为测试用传感器，通过比较该两传感器输出信号（a、b）频率，来判断选用的传感器是否工作正常。若选取的第一磁阻传感器与第三磁阻传感器的输出信号频率不相等，表明它工作异常，测试及处理装置自动切换到备份的第二、第四磁阻传感器。

所述第一测量皮带4、第二测量皮带6选择齿式钢丝传动带，其光滑面用于安装永久磁铁11和塑料块10，塑料块10通过自攻螺钉紧分别紧固在第一、第二测量皮带相应位置上。永久磁铁11放置在塑料块中，其磁性是按N、S级交错布置（图2）。而齿面与柴油机1的传动轴5的轴接触，防止皮带沿传动轴5表面滑动。传动轴5的末端安装螺旋桨9。

图3中，第一叉形支架14和第二叉形支架15上端有与传感器外壳尺寸相匹配的孔，用于固定磁阻传感器，其中：第一磁阻传感器2和第二磁阻传感器3通过第一叉形支架14安装在第一测量皮带4旁，第三磁阻传感器7和第四磁阻传感器8通过第二叉形支架15安装在第二测量皮带6旁，将第一磁阻传感器2和第三磁阻传感器7信号输出线缆连接到测试及处理装置的信号输入接头上，便可实现轴功率在线监测。如图6所示，为一组传感器原始信号波形图，信号a和信号b分别对应第一磁阻传感器和第二磁阻传感器输出信号，它们频率相等、波形相似，但具有一定的相位差。所有磁阻传感器是基于磁敏电阻KMZ10A制成的，若磁阻传感器附近磁场发生变化，磁敏电阻阻值发生改变，即输出的电压信号幅值发生变化；它们通过反馈补偿电路调节输出信号与磁场变化关系，使输出信号随磁场改变呈线性变化，配合外围的调理电路可调节信号偏置及幅值。

所述信号调理单元包括信号差分、放大及调零硬件电路，其中放大电路采用TL064C运算放大器。差分电路将磁敏电阻两个输入端的差值作为信号输出，由于磁阻传感器的输出信号幅值很小，进行一定倍数的放大才可满足采集要求，为了减小放大器零漂等影响，采用调零电路对初始信号调零，同时，调节输入信号幅值，可使信号最大幅值在采集范围内。如图4所示，通过调节可调电阻R4来控制输出信号的幅值大小，调节可调电阻R5进行初始状态调零。

所述信号采集单元是基于LTC1856 AD转换器来实现信号采集的，它是含有8路16bit的AD，其采样频率最高能达到100kbps。利用其中的第1、2通道分别采集第一磁阻传感器和第二磁阻传感器信号，第3、4通道分别采集第三磁阻传感器和第四磁阻传感器信号，测试系统中采样频率设定为8kS/s。

所述信号处理单元由以DSP芯片为核心的信号处理系统组成，主要对一组传感器信号进行相位差、转速提取。采用了DSP芯片作为算法处理器，通过硬件编程的形式将算法集成到DSP芯片中进行信号处理。DSP芯片采用TI公司TMS320C5000DSP平台中C5416芯片为核心的DSP嵌入式系统。信号在DSP芯片中经FIR全相位滤波后，减少了干扰及噪声信号对计算结果的影响，由于是线性相位滤波，不会造成相位失真。在计算互功率谱前对信号进行Kaiser窗函数加窗处理减少了由于非整周期采样造成的频谱泄露。转速是采用过零检测法求取信号频率来获得的，由于测量皮带有16个N、S极交错布置的永久磁铁，传动轴5旋转一周会产生8个波峰和8个波谷，一转内共有17个零点，通过拉格朗日插值得到零点所在位置及对应时间可求取信号频率，经转换求取转速。

按公式（1）计算扭矩值，最后按公式（2）计算传动轴5输出功率。通过测量柴油机在空转下的初始相位θ₀进行初始相位标定，可消除初始安装相位对计算结果产生的误差。

（1）

（2）

其中，θ₀为初始相位，θ为求取的相位，D为传动轴5的外径，d为传动轴5的内径，L为两测量皮带两截面距离，T为转矩，P为传动轴5的输出功率，n为传动轴5的转速。

所述显示以NS320240B液晶为显示核心，液晶屏上可实时显示传动轴5的转速值，以及传动轴5的输出功率变化趋势图。本船舶柴油机轴功率在线监测系统自检完成后，液晶上相应位置会显示“设备正常”或“设备异常”。

所述通信单元采用以CAN总线为核心的通信模块，其与计算机通信。它以MCP2515为CAN控制器，PCA82C250为CAN收发器，采用了本地标准帧，其波特率通过寄存器设置为500kbps。采用6N137光耦隔离芯片进行光耦隔离，减少了信号传输干扰。

本实用新型提供的上述船舶柴油机轴功率在线监测系统，用于在线非接触式测量原动机转速和输出轴的扭矩及功率，其基于磁阻效应的相位差测量方法为：

1.在柴油机1侧和螺旋桨9侧分别紧箍安装一个与传动轴5的轴直径匹配的测量皮带，在船体上固定安装两个磁阻传感器的叉形支架（第一叉形支架14，第二叉形支架15），使传感器与皮带水平中心线径向间隔一定距离，一般为11cm。

2.将传感器信号输出线缆连接到测试及处理装置上。

3.检查各设备安装是否正确、完好，待确认后，给测试系统提供+24v的电源。

4.等待系统自检完成，若液晶上显示“设备正常”，则开始测量及处理，若显示“设备异常”停止测量并检查及维修设备。

5.若系统初始安装使用，进行初始相位的标定，否则直接进入步骤6。如果原动机空转时无功率输出，直接测量系统的初始相位θ₀，否则采用应变法来进行初始相位的标定。

6.液晶初始化，正常后开始实时显示传动轴5的输出轴功率趋势图及转速值。

7.若选择与计算机或其它设备通信，将CAN通信模块输出线缆连接到该设备上。

Claims

1.船舶轴功率在线监测系统，其特征在于该系统由相位差测量单元和一个集成化的测试及处理装置组成，其中：测试及处理装置装在船舶的柴油机旁，该装置由依次以电连接的信号调理单元、信号采集单元、信号处理单元、显示单元，及通信单元组成；相位差测量单元设有两条测量皮带，每条测量皮带上设有多个均匀分布的带永久磁铁的塑料块，在每条测量皮带两侧处各有一个与固定在船体上的叉形支架相连的磁阻传感器，所述磁阻传感器各由电缆与信号调理单元的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的船舶轴功率在线监测系统，其特征在于所述信号调理单元包括信号差分、放大及调零硬件电路，其中放大电路采用TL064C运算放大器。

3.根据权利要求1所述的船舶轴功率在线监测系统，其特征在于所述信号采集单元是基于LTC1856 AD转换器来实现信号采集的单元。

4.根据权利要求1所述的船舶轴功率在线监测系统，其特征在于所述信号处理单元由以DSP芯片为核心的信号处理系统组成。

5.根据权利要求1所述的船舶轴功率在线监测系统，其特征在于所述显示单元采用NS320240B液晶，液晶屏上实时显示传动轴的输出轴功率趋势图及转速值。

6.根据权利要求1所述的船舶轴功率在线监测系统，其特征在于所述通信单元通过CAN总线与计算机通信。