分布式船舶舱底进水报警装置的开发与应用

2013-06-08范则阳

船电技术 2013年7期

范则阳

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

船舶在水中航行时，船舱底部不可避免的存在积水的情况，在事故或者撞击情况下更会出现破损进水的情况，影响船舶的安全性。为了保障船舶的安全性，提醒船员在船舱舱底积水时进行疏水、在破损大量进水时采取相应的抗沉措施，迫切需要在船舶舱底安装舱底进水报警装置。

船舶舱底环境异常恶劣，船舶主机舱存在大量的油污，工作温度高达50℃；船舶蓄电池舱存在强酸性的液体和爆炸性气体，需要满足防爆的要求[1]。如何保证在如此恶劣的环境下舱底进水报警装置安全、可靠地检测到进水情况是一项难题。本文针对这种情况，开发了一种分布式船舶用舱底进水报警装置，并在船舶上进行实际应用。

1 设备简介

舱底进水报警装置采用先进的电子元器件，基于总线技术进行电路设计与开发。该装置由单点报警指示器和有水信号传感器两部分组成，并通过分布式总线将各装置的信息上传至集控台，供船员准确获取船舶舱底进水情况。单点报警指示器安装在舱室现场操作部位，可在舱室现场完成报警指示功能[2]。

有水信号传感器外形如图1所示。有水信号传感器通过安装卡安装在船舶舱室底部，确保在恶劣的条件下可靠的输出有水信号。

2 设备硬件开发

2.1 设计要求

船舶舱底进水装置的设计，需满足以下要求：

1）耐油污和耐酸性的有水信号传感器

在船舶主机舱存在大量的油污，工作温度高达50℃；在船舶蓄电池舱存在强酸性的液体。布置在这些区域的有水信号传感器需满足耐油污和耐酸性的要求，并确保在恶劣的条件下输出有水信号可靠。

2）满足蓄电池舱防爆的要求

船舶蓄电池舱蓄电池组在充放电过程中会产生爆炸性气体——氢气，安装在蓄电池舱的电气设备需满足IICT1[3]防爆等级的要求。

3）灵活的信息传输方式

一般船舶舱室众多，造成布置的舱底进水报警装置传感器数量较多。由于需要在船舶集控台上显示各个舱室进水情况，布置在各个舱室的舱底进水报警装置与集控台的接口形式尤为重要。若采用硬接线的方式则需要大量的电缆连接，造成成本的增加，也给船舶总体设计带来了负担。总线数据通信技术具有突出的可靠性、实时性和灵活性，能够满足大量数据交换。

2.2 单点报警指示器设计

单点报警指示器安装在舱室现场操作部位，可在舱室现场完成报警指示功能，其核心是报警指示电路。

报警指示电路主要由三部分组成：供电电路、传输电路和报警电路。各部分的接口关系如图2所示。

供电电路由本安电路和整流电路组成。本安电路是为有水传感器供电的电路，主要由变压器、整流滤波电路和防爆安全栅组成。通过防爆安全栅的作用，确保有水信号传感器供电电路在任何情况下输出电流不产生引起氢气爆炸的能量，从而满足本质安全型的要求。

整流电路是为传输电路和报警电路供电的电路，主要由变压器、整流滤波电路和稳压电路组成。

传输电路是将有水信号传感器的有水信号进行变换和隔离，将进水信号传输给报警电路和向船舶集控台发送进水信号。主要由报警输入电路、光电耦合器和CAN转换板组成。

报警电路是输出声光报警电路，主要由声警电路和光警电路组成。声警电路由音响逻辑电路、音响电路和驱动电路组成。光警电路由闪光逻辑电路、闪光振荡电路和驱动电路组成。

根据上述报警指示电路的设计，舱底进水报警装置单点报警指示器防爆等级为[Exib]IIC。单点报警指示器安装在船舶舱室安全区域，可进行试灯、报警消音操作。

2.3 有水信号传感器设计

通常，检测船舶舱底进水情况的传感器有浮子液位计和电极式传感器两种。

浮子液位计可连续输出舱底进水液位的高度。浮子液位计按照测量方式大致可分为机械浮子式、光电浮子式、超声波式、激光式、振弦式等多种形式，它们各有优缺点。机械浮子式和光电浮子式都是用浮子机械式运动来产生液位的信号输出，其优点是价格相对较低，缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，不适合在有杂质的复杂条件下工作；超声波液位计和激光液位计测量精度较高且没有机械部件，故可靠性较高，但它对反射目标有一定的要求，受环境因素影响较大，价格较高；振弦式液位计主要适用于小量程液位的测量场合[4]。

电极式传感器是应用较为广泛的一种方式，其主要工作原理是传感器设有两根导电电极，当舱底进水淹没传感器后，传感器的两根电极导通，检测回路根据阻值变化进行逻辑处理后，输出报警信息。这种感传器的优点是价格便宜，工作可靠，缺点是只能指示某个点的进水信息，不能指示船舶舱底进水液位的高度。

船舶在航行时，受风浪影响会产生倾斜、摇摆，机械浮子式和光电浮子式液位计不适宜在这种条件下使用。另外，船舶舱底一般存在油污以及杂质等，不适合超声波和激光液位计使用。因此根据船舶应用的特点以及考虑传感器的工作环境，本装置采用电极式传感器的设计方案。有水信号传感器组成如图3所示。

有水信号传感器为水密式结构，其本体采用具有耐酸和耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，导电电极采用不锈钢，可以满足耐油污和耐酸性的要求。传感器的外形和电极的形状均经过多次试验后制成，确保在恶劣的条件下可靠的输出有水信号。传感器通过安装卡安装在船舶舱室底部。

由于有水信号传感器是安装在蓄电池舱的危险区域，根据电极式传感器的特点，将有水信号传感器设计为本质安全型。传感器本体的聚四氟乙烯材料表面积是经过严格计算，并经过防爆认证试验，确保满足ExibIICT1防爆等级的要求。

注：①防护罩 ②安装卡 ③电极 ④底座 ⑤密封填料⑥电缆

3 设备工作流程

设备工作流程如图4所示。当传感器的两电极与水接触后，两电极间通过水导通，导通信号经报警传输电路进行稳定，并通过光电耦合器进行隔离。光电耦合器将一路信号输入至报警电路的闪光和音响逻辑电路进行处理，并启动闪光振荡电路和音响电路，最后经过驱动电路驱动发出声光报警。光电耦合器将另一路信号输入到CAN转换板，CAN转换板通过总线方式向船舶集控部位显控台发送舱底进水信息。其实现方式可以通过软件固化下载到电路板中。