水下平臺液艙的水量測量及壓力差控制系統研究

陽世榮

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

水下平臺液艙的水量測量及壓力差控制系統研究

陽世榮

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

介紹一種水量測量及壓力差控制系統，可用于水下平臺不規(guī)則液艙內部水量的準確測量，并可控制液艙與舷外海水之間的壓力差。提出的水量測量方案能夠減小由于液艙形狀不規(guī)則、注排水期間液面波動以及水下平臺縱橫傾等引起的測量誤差，壓力差控制方案利用水下平臺攜帶的壓縮空氣，能夠將液艙與舷外之間的壓力差控制在設定的范圍之內。重點說明系統整體方案、軟硬件技術方案及陸上驗證試驗。研究結果表明，該系統為水下平臺的浮力調整和不平衡力矩調節(jié)提供技術基礎。

水下平臺；液艙；水量測量；壓力差控制；陸上驗證試驗

0 引 言

液艙是水下平臺的重要組成部分，通過對液艙進行注排水改變液艙內的水量即可調節(jié)水下平臺的重力、浮力平衡關系以及力矩平衡關系，從而實現水下平臺的深度及姿態(tài)控制。因此，水下平臺液艙內部水量的精確測量以及液艙與舷外之間注排水流量的準確控制十分重要。另一方面，也可為水下平臺浮態(tài)、穩(wěn)性計算及作出抗沉輔助決策提供相關數據[1]。由于水下平臺的液艙為密閉液艙，為充分利用空間，液艙形狀多不規(guī)則，給液艙內水量的精確測量帶來了不利影響；注排水期間導致的液艙內液面波動會引起液位測量不準確，從而產生液艙內的水量測量誤差；水下平臺的縱橫傾也會引起液位測量失準而產生水量測量誤差。另一方面，水下平臺液艙與舷外之間的注排水一般采用“泵排自注”的方式，即利用舷外海水壓力實現舷外海水自流注入液艙，利用排水泵將液艙內的海水排出舷外。隨著水下平臺工作深度的增加，舷外海水壓力隨之增加，舷外與液艙內之間的壓力差也隨之增加，導致液艙自流注水速度大幅增加，而水泵排水速度迅速降低，不利于液艙與舷外之間注排水流量的準確控制。除此以外，當舷外與液艙內之間的壓力差增加后，所需的排水泵功率也隨之增加，受限于排水量，水下平臺攜帶的電能有限，常規(guī)的“泵排自注”方式也難以滿足水下平臺的用電節(jié)能要求。

為解決上述問題，本文介紹一種水量測量及壓力差控制系統，能夠減少或消除液艙內液位的測量誤差，提高水量測量精度，并實現液艙與舷外之間的壓力差控制。本文對該系統的原理、技術方案、軟硬件開發(fā)和陸上驗證試驗等做重點說明。

1 水量測量精度的影響因素分析

1)液艙形狀不規(guī)則導致的測量誤差

水下平臺液艙的水量測量一般采用靜壓測量法[2-3]，即通過液位變送器測量液位高度，再由水量測量裝置依據液艙的液位-艙容曲線，計算出水量。受限于水下平臺外部線型及內部布置條件，液艙通常為形狀不規(guī)則的密閉液艙，其液位-艙容曲線也為不規(guī)則曲線。在工程實際中，一般在水下平臺的建造期間對液艙進行艙容標定試驗，獲得數據量有限的液位-艙容數值表。當實際的液位測量值落在2個離散數值之間時，會導致水量計算出現誤差。

2)注排水期間，液艙內液面波動引起的水量測量誤差

水下平臺為抵消浮力差和不平衡力矩，經常需要對液艙進行注排水，注排水期間發(fā)生的液面波動導致液位測量不準，從而大大影響水量測量精度。

3)艇體發(fā)生縱傾、橫傾時引起的水量測量誤差

水下平臺在水下不可能完全受力平衡，總是存在一定的縱傾或橫傾，縱橫傾期間，液艙內液面仍保持水平，但是艙內液面與液位變送器的相對位置會發(fā)生變化，因此液位測量值與真實值之間存在偏差，也會導致水量測量精度下降。

2 舷外與液艙內壓力差控制原理

當水下平臺的工作深度變化時，常規(guī)的“泵排自注”方式無法主動控制舷外與液艙內壓力差。由于水下平臺一般均配置了數量較多的壓縮空氣瓶，因此可充分利用水下平臺攜帶的壓縮空氣資源，通過對液艙的進氣加壓和放氣減壓，調節(jié)液艙內的壓力，保持舷外與液艙內之間的壓力差始終在一定的范圍之內，從而實現壓力差可控。通過實施壓力差控制，液艙內的壓力始終比舷外低，仍可利用舷外壓力實現舷外海水自流注入液艙，同時，由于液艙內充入了壓縮空氣，艙內壓力增加，可平衡一部分舷外海水壓力，從而減小了排水泵的排水背壓，利用小功率的排水泵即可實現大深度排水，顯著減少了排水泵的電能消耗。另一方面，壓力差是影響液艙與舷外之間的注排水速度、噪聲的重要因素，因此，通過控制舷外與液艙內之間的壓力差還可調節(jié)液艙注排水速率，從而提升注排水控制精度并降低注排水噪聲。

3 系統技術方案

水下平臺液艙的水量測量及壓力差控制系統主要包括主機、液位變送器、壓差變送器、雙向電磁流量計、傾角傳感器以及進排氣控制閥等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統原理框圖Fig.1 The principle block diagram of control system

圖1中，“——”代表水管路，“……”代表氣管路，“—·—”代表電氣回路。其中，液位變送器的高壓端口通過水管路連通液艙的底部，液位變送器的低壓端口通過氣管路連通液艙頂部的氣腔，其測得的水艙頂部和底部的壓力之差即可直接轉換為液艙內的液位信號；壓差變送器的高壓端口通過水管路連通舷外，壓差變送器的低壓端口通過水管路連通液艙底部，可直接測得舷外與液艙內之間的壓力差；液位、壓差變送器通過電氣接口與主機連接，以4～20 mA標準電流信號向主機傳送液位和壓力差測量值。進氣閥和排氣閥分別安裝于液艙的進氣、排氣管路上，由主機遙控開啟和關閉。雙向電磁流量計安裝于液艙的注排水管路上，并通過電氣接口以4～20 mA標準電流信號向主機傳送注排水流量測量值。傾角傳感器安裝于水下平臺的重心位置，通過遠程通信接口向主機發(fā)送水下平臺的縱橫傾角度測量值。

本系統技術方案提高液艙內水量測量精度的工作原理如下：

1)在非注排水期間，采用靜壓測量法，由液位變送器測量液艙底部與頂部氣腔之間的壓力差(該壓力差與水艙內液位高度成正比)，輸出液位測量信號給主機，由主機的水量測量程序依據液艙的液位-艙容數值表計算水量值。為提高測量精度，在主機的軟件程序中采用插值算法，當實際液位測量值落在液艙液位-艙容數值表的2個離散數值之間時，根據多項式插值算法進行水量計算，保證了水量測量的精確度。

2)主機采集液艙注、排水流量信號，判定是否處于注排水階段。當處于注排水階段時，將注排水之前測得的液艙水量值與注排水流量值進行累加，作為注排水階段的液艙水量的測量結果；當注排水結束后，液面恢復平靜，水量測量采用靜壓測量法。從而消除因為液面波動而引起的誤差。

3)主機通過接收到的艇體縱、橫傾角度信號，結合液位變送器的實際安裝位置距離水下平臺重心位置的偏差，對液位測量值進行修正，修正后的液位值即為液艙的真實液位，然后再根據液位-艙容曲線計算水量值，從而消除艇體縱橫傾引起的水量測量誤差。

本系統技術方案控制注排水壓力差的工作原理如下：

1)利用水下平臺攜帶的壓縮空氣瓶作為氣源，連接通往液艙的進氣管路。

2)主機通過壓差變送器測量舷外與液艙內之間的壓力差，并與設定的壓力差范圍進行比較。

3)當舷外與液艙內之間的壓力差過大時，主機控制進氣閥對液艙進氣加壓，提高液艙內壓力從而減小壓力差。

4)當舷外與液艙內之間的壓力差過小時，主機控制排氣閥對液艙放氣減壓，減小液艙內壓力從而增大壓力差。

上述工作原理均需通過系統主機得以實現，因此主機是本系統的核心設備，主機的硬件及軟件設計是實現水量測量、壓力差控制等系統功能的技術基礎。

4 主機硬件方案

主機硬件電路采用以高性能PIC單片機18F4580為核心的電路系統，主要由單片機處理器、AD轉換電路、信號調理電路、閥門控制電路、LED顯示電路、聲光報警電路、通信接口電路、電源模塊及外部存儲電路等部分組成。其硬件電路原理如圖2所示。

圖2 主機硬件電路原理框圖Fig.2 The principle block diagram of the host hardware circuit

主機硬件電路各組成部分的主要功能如下：

1)單片機處理器，是整個設備的運算和控制核心，完成數字濾波處理、液位/水量數值轉換、壓差及流量數據采集等數字計算，并實現通信、顯示、報警及閥門控制。單片機處理器采用PIC 18F4680芯片，該芯片集成度高、功耗低、穩(wěn)定性好、最高工作頻率可達40 MHz，特別適合船用環(huán)境下的現場測控場合[4]。

2)A/D轉換芯片及信號調理電路，將差壓變送器、液位變送器、雙向流量計輸出的4～20 mA模擬信號轉換為數字量。A/D轉換芯片采用AD公司的16位轉換器AD7706，具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準等特點，非常適合工業(yè)領域的溫度、壓力、流量等精確測量場合[5-6]。

3)通信接口電路，實現與傾角傳感器的數據通信，接收水下平臺的縱傾、橫傾角測量參數。通信接口電路由2片MAX485芯片構成，MAX485是MAXIN公司推出的低功耗串行收發(fā)器芯片，內部集成接收器和驅動器[7]，采用雙芯片配置由不同芯片分別承擔發(fā)送、接收信息任務，提高了通信可靠性。

4)片外大容量存儲器，具有掉電自保持功能，用于記錄液艙液位、水量、壓力差和注排水流量等數據的運算處理結果，以及從傾角傳感器接收到的縱傾、橫傾角值等參數。片外大容量存儲器采用24LC64 EEPROM芯片，體積小、可靠性高、功耗低、可斷電保持數據200年以上，擦寫次數可達10萬次[8]，可滿足本系統數據在線記錄要求。

5)顯示報警電路、液艙水量和壓力差數值，能實現聲光報警功能。

6)閥門控制電路，將PIC單片機IO口輸出的控制信號轉換為閥門驅動信號，以控制進氣閥、排氣閥的開啟和關閉，并采集閥門開啟、關閉狀態(tài)，傳送給PIC單片機。

7)電源模塊，向主機硬件電路系統提供工作電源，并向閥門控制電路提供驅動電源。

主機的基本工作流程為：液位、壓差變送器及雙向流量計輸出的4～20 mA測量信號經信號調理和AD轉換后，送入PIC單片機進行數據處理，得到液位、壓力差和注排水流量測量數值，同時，PIC單片機通過串口通信程序獲取傾角傳感器發(fā)送的縱傾、橫傾角測量值；另一方面，PIC單片機運行水量測量程序，將液位測量數值轉換為水量數值，并將水量數值和壓力差數值送至主機面板的LED上顯示。如果水量、壓力差數值超過設定的限值，則發(fā)出聲光報警。如果舷外與艙內之間的壓力差過大，主機遙控開啟進氣閥向液艙實施進氣加壓，以減小壓力差；如果舷外與艙內之間的壓力差過低，主機遙控開啟排氣閥對液艙實施排氣減壓，以增加壓力差。從而將舷外與艙內之間的壓力差保持在一定范圍之內。

主機為獨立箱體結構，箱體面板上布置有LED數碼顯示屏、電源開關、報警指示燈、蜂鳴器和消音按鈕。箱體上布置有7個電連接器，分別提供電源、液位變送器、壓差變送器、雙向流量計、進氣閥、排氣閥電氣接口和遠程通信接口。主機面板示意圖如圖3所示。

圖3 主機面板示意圖Fig.3 The schematic diagram of the host panel

5 主機軟件方案

主機軟件的主要功能包括：

1)程序初始化設置；

2)液位、壓力差及注排水流量測量信號的AD轉換與數據預處理；

3)液艙內水量精確計算，包括液位多項式插值修正、流量修正及縱橫傾修正等；

4)壓力差數值換算；

5)與傾角傳感器進行通信，接收水下平臺的縱傾、橫傾角測量值；

6)水量、壓力差數值的就地顯示；

7)水量、壓力差越限聲光報警；

8)進氣閥、排氣閥的遙控開啟和關閉，以及閥位狀態(tài)采集。

主機軟件為嵌入式應用軟件，其開發(fā)環(huán)境采用Microchip公司出品的PIC單片機集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE，MPLAB IDE集成了代碼編輯及編譯、項目管理和調試開發(fā)等多項功能，支持匯編語言、C語言等[9]，其操作系統平臺為Windows XP。為提高軟件代碼的可移植性，編程語言采用C語言[10]。

主機軟件的設計流程略。

以某水下平臺為例，設縱傾角θ(°)、橫傾角φ(°)、傳感器到重心的縱向距離x(m)、橫向距離y(m)，直接測量的液位為hc(m)，修正后液位為h(m)，則縱橫傾角液位修正公式如下：

h=(hc+xsinθ)cosθ+4.3(1-cosφ)-ysinφ。

(1)

縱橫傾期間，采用式(1)對實測的液位值進行修正，再依據修正后的真實液位值計算液艙內水量，從而消除因水下平臺縱橫傾而引起的水量測量誤差。

6 陸上驗證試驗

本系統在應用于水下平臺之前，需開展陸上驗證試驗，通過充分的試驗，驗證系統功能和性能、化解技術風險，陸上試驗系統原理圖如圖4所示。

圖4 陸上試驗系統原理圖Fig.4 The schematic diagram of test system on land

圖4中，假海用于模擬舷外海水及其深度變化；試驗液艙用于模擬水下平臺液艙，且設有機械測水柱，可觀測到液艙內實際水量；水泵和注水閥用于實現液艙與假海之間的注排水；氣源用于提供壓力差控制所需的壓縮空氣；整個試驗系統安裝于一個傾角調節(jié)平臺上。壓差變送器的高、低壓端口分別連接假海模擬艙和試驗液艙底部實現液艙與舷外海水間壓力差測量，液位變送器高、低壓端口分別連接試驗液艙的底部和頂部，實現試驗液艙內液位測量。主機通過控制進氣閥、排氣閥，對試驗液艙實施進氣加壓和排氣減壓，從而實現試驗液艙與假海之間的壓力差控制。傾角傳感器安裝于傾角調節(jié)平臺的測量平面，可測量平臺的縱橫傾角度。

陸上試驗的主要內容為：通過水泵或注水閥改變試驗液艙的水量，檢查本系統靜態(tài)水量測量以及注排水期間水量測量的準確性；通過傾角調節(jié)平臺模擬縱橫傾，檢查本系統在縱橫傾期間水量測量的準確性；通過假海模擬艙模擬舷外深度變化，檢查本系統壓力差控制功能的正確性。

7 結 語

本文介紹的水量測量及壓力差控制系統可實現水下平臺不規(guī)則密閉液艙內部水量的準確測量，并可將舷外海水與液艙內之間的壓力差控制在設定的范圍內，可提高液艙與舷外之間交換水量的控制精度，從而為水下平臺的浮力調整及不平衡力矩調節(jié)提供了技術基礎。本文介紹的水量測量方案及單片機測控電路系統具有一定的通用性，可適用于石油、化工、冶金等行業(yè)不規(guī)則液艙水量測量應用場合。

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Research on tank water volume measurement and pressure difference control system of underwater platform

YANG Shi-rong

(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

A water volume measurement and pressure difference control system is introduced.The system can be used for water volume accurate measurement in the irregular water tank of underwater platform and control the pressure difference between water tank and outboard.The water volume measurement scheme which is presented can reduce the measurement error caused by the irregular shape of tank, liquid surface fluctuation during water inflow and outflow and trim and heel of underwater platform.The pressure difference control scheme can use the compressed air in the underwater platform to make the pressure difference keep in the setting range.The overall scheme of the system, the technical scheme of software and hardware and the demonstration testing on land are highlighted.The results indicate that the system can provide technical foundation for the buoyancy adjusting and unbalance torque regulation of underwater platform.

underwater platform; tank; water volume measurement; pressure difference control; demonstration testing on land

2015-03-30；

2015-04-20

陽世榮(1980-)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統自動化。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0030-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.007