裝載船吃水深度傳感器氣動(dòng)頭的研究與設(shè)計(jì)

（無錫氣動(dòng)技術(shù)研究所有限公司，無錫 214072）

0 引言

裝載船是海上貨運(yùn)的基本運(yùn)載工具，在世界各國(guó)的貨運(yùn)領(lǐng)域占據(jù)著極其重要的位置。裝載船在海上安全航行的首要條件是船體的平衡性，為了達(dá)到這一平衡要求，在碼頭裝貨時(shí)必須要使船體各個(gè)部位的吃水深度基本一致，這就需要在裝載貨物時(shí)隨時(shí)檢測(cè)不同位置的吃水深度和平衡狀況，裝載船吃水深度傳感器就是為這一目的而設(shè)計(jì)。傳感器可分為二部分：一是氣動(dòng)頭部分，它包括氣泡發(fā)射裝置、海水止回裝置、過壓保護(hù)裝置，二是信號(hào)放大處理裝置。而本文著重介紹的是這一傳感器的氣動(dòng)頭部分，它利用氣動(dòng)頭發(fā)射氣泡，將氣泡直通船底海水，我們知道水越深氣泡流過的氣阻就越大，通過在氣動(dòng)頭上測(cè)量氣阻的壓力大小，我們就能測(cè)出船底離水平面的深度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)尚未有利用氣動(dòng)原理的測(cè)量傳感器，為此我公司展開了此項(xiàng)研究。

1 裝載船吃水深度傳感器氣動(dòng)頭的設(shè)計(jì)構(gòu)想

如圖1所示，將傳感器氣動(dòng)頭分成過壓保護(hù)裝置、氣泡發(fā)射裝置、止回裝置。過壓保護(hù)裝置放在氣動(dòng)頭的上層，在它的上方將安裝信號(hào)放大處理裝置，這樣結(jié)構(gòu)更為緊湊；氣泡發(fā)射裝置放在氣動(dòng)頭的下層，以便發(fā)射的氣泡便捷地通向船底；中層就放置氣泡發(fā)射裝置。這樣整個(gè)傳感器做成一個(gè)筒形，如果算上信號(hào)處理裝置，這樣一共是四層。

氣泡發(fā)射裝置的作用是將氣源恒壓穩(wěn)流，輸出恒壓的大小處決于想要測(cè)量的裝載船的最大吃水深度，吃水越深，輸出恒壓越高，反之越低，一般比最大吃水深度大0.05MPa即可。為了節(jié)約能源，降低成本，輸出的氣流不宜太大，只要保持最小的連續(xù)氣流即可，如果流量不連續(xù)則測(cè)量精度就會(huì)受到影響。

船在海里，由于經(jīng)常有海浪，它會(huì)使船體的吃水深度瞬間變大，而由海浪引起的吃水深度瞬間變大，其實(shí)不是真實(shí)的吃水深度，為了提高測(cè)量精度，我們應(yīng)該將海浪屏閉，止回裝置就是為此而設(shè)計(jì)。

雖然設(shè)置了止回裝置，但是由于海浪的瞬間變化快，以及機(jī)械裝置的反應(yīng)相對(duì)滯后，仍有可能由于海浪沖擊而使傳感器的壓力瞬間高于設(shè)定值，這樣就有可能損壞信號(hào)放大器的處理芯片，過壓保護(hù)裝置就是為了把氣動(dòng)頭的最大測(cè)定氣壓限定在一個(gè)規(guī)定的氣壓值以內(nèi)，超過此值時(shí)使之無法測(cè)量但不會(huì)損壞傳感器，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r(shí)又會(huì)全面恢復(fù)測(cè)量功能。這是避免因海浪引起傳感器損壞的雙重保護(hù)功能設(shè)計(jì)。

圖1 裝截船吃水深度傳感器氣動(dòng)頭原理圖

2 氣泡發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣口的壓力一般在0.4MPa～0.6MPa，為了實(shí)現(xiàn)恒壓穩(wěn)流，必須進(jìn)行精密調(diào)壓設(shè)計(jì)，只有壓力穩(wěn)定流量才能穩(wěn)定，因此就要利用減壓閥的原理，使用膜片機(jī)構(gòu)和閉路反饋系統(tǒng)，如圖2所示，裝置主要由上閥體1、上彈簧2、膜片組件3、閥芯4、下彈簧5、下閥體6、閥芯座7和節(jié)流閥8等組成，上下彈簧要經(jīng)過精密計(jì)算和試驗(yàn)，使上彈簧作用在膜片組件上的力卻好能頂開閥芯一定的距離，從而產(chǎn)生一個(gè)理想的輸出壓力。其工作原理是：如果輸入口壓力增加，閥芯將增加向上頂?shù)牧?，從而減小閥芯口的開度，而使輸出流量減小以保持壓力不變；如果輸入口壓力降低，閥芯將減小向上頂?shù)牧?，閥芯開度增加以提高輸出流量，從而起到穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓后的氣源經(jīng)節(jié)流閥8調(diào)節(jié)后，變成一個(gè)持續(xù)的小流量氣源送往下一節(jié)止回裝置，并經(jīng)止回裝置流向船底海水之中。

圖2 氣泡發(fā)射裝置

3 止回裝置

止回裝置主要由上閥體1、平衡活塞2、閥芯3、下閥體4、閥芯座5、平衡彈簧6組成。將作用在活塞上的壓力和下面的平衡彈簧經(jīng)過精確計(jì)算，確定平衡活塞直徑大小，以保證作用在平衡活塞2上的壓力能打開閥芯3，使氣泡發(fā)生口、氣泡發(fā)射口和過壓保護(hù)裝的三個(gè)氣口相互連通，此時(shí)氣泡發(fā)射裝置經(jīng)節(jié)流閥均勻流出的氣流通過止回裝置底部氣泡發(fā)射口流向船的底部海水之中，如果船底處在水平面十米的位置，那么船底出氣口的氣阻就是0.1MPa，壓力傳感器將顯示0.1MPa的氣壓，如果船底出氣口的水深是水平面以下20米，那么壓力傳感器的示值應(yīng)該是0.2MPa。由于裝載船的承載量很大，各點(diǎn)吃水深度的變化即使很小，也會(huì)產(chǎn)生很大的重量偏差，因此傳感器需要控制傳感精度，這樣僅依靠精密壓力表就達(dá)不到使用要求，因此需要對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大處理以滿足精度要求。

當(dāng)船體遭受海浪沖擊時(shí)，氣泡發(fā)射口的氣壓將突然升高，使平衡活塞下端的氣壓上升，平衡活塞隨即上抬，壓力指示器接口與氣泡發(fā)射口的聯(lián)通被切斷，使氣泡發(fā)生口、氣泡發(fā)射口和過壓保護(hù)裝的三個(gè)氣口互不相通；當(dāng)海浪過后氣泡發(fā)射口氣壓下降，平衡活塞隨之下移，閥芯下降，壓力指示器接口與氣泡發(fā)射口被重新打開，氣泡發(fā)生口、氣泡發(fā)射口和過壓保護(hù)裝的三個(gè)氣口被重新聯(lián)通。這就是止回裝置的工作原理和功用。

圖3 止回裝置

4 過壓保護(hù)裝置

如圖4所示，過壓保護(hù)裝置主要由調(diào)壓螺釘1、上彈簧2、上閥體3、膜片組件4、缷壓螺釘5、閥芯6、閥芯底座7組成，壓力信號(hào)從下部氣口讀入，從頂部氣口讀出送信號(hào)放大處理。調(diào)節(jié)調(diào)壓螺釘1，設(shè)定膜片的彈簧壓力，使之在額定氣壓下產(chǎn)生一定的閥芯開度，上下氣口相互貫通，從而將下部的讀入氣壓經(jīng)過閥芯開口從上部氣口讀出，形成正常的測(cè)量功能，但當(dāng)下部輸入氣口的氣壓突然變大時(shí)，氣壓作用在閥芯下部，使閥芯向上頂?shù)淖饔昧哟螅蚱屏嗽瓉碛缮蠌椈?產(chǎn)生的平衡力，閥芯上移，閥芯與下閥體之間的閥嘴關(guān)閉，氣壓讀入口與氣壓讀出口的通路被切斷，從而保護(hù)了信號(hào)放大處理裝置，當(dāng)讀入口氣壓降低時(shí)，讀出口相對(duì)于入口的高壓將會(huì)通過缷壓螺釘5排出，從而使傳感器恢復(fù)正常工作。

圖4 過壓保護(hù)裝置

5 測(cè)試結(jié)果

我們根據(jù)上述原理制作了圖5樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試；裝載船的吃水深度通常不大于20米，為了確保測(cè)量的精度，我們將輸出壓力設(shè)定為0.25MPa，將氣泡流量設(shè)定為167ml/min，然后從樓房的三樓向下豎起直徑80mm，高10m的塑料管，塑料管內(nèi)灌滿水，記錄水深。

根據(jù)管道直徑與管內(nèi)流量及速度的關(guān)系，計(jì)算出不受氣阻影響的氣泡發(fā)管直徑，設(shè)定流量Q為167L/min，流速V為5mm/s，按計(jì)算公式：

D：氣管管徑（mm）；

圖5 氣動(dòng)頭總裝圖

Q：在管道內(nèi)的氣流量（m3/h）；

V：管道內(nèi)的流速（m/s）。

計(jì)算得到管子直徑應(yīng)不小于8.4mm，如果小于該直徑，氣阻將對(duì)測(cè)量氣壓產(chǎn)生影響，故取插入塑料管內(nèi)的管子內(nèi)徑為10mm的管子，直通塑料管底部，管子另一頭接在氣動(dòng)頭氣泡發(fā)射口，然后通氣向塑料管底部發(fā)射氣泡，從氣動(dòng)頭讀取口讀取壓力信號(hào)。經(jīng)多次測(cè)試比對(duì)，實(shí)際水深與讀取的壓力值誤差小于2mm。

6 結(jié)束語

裝截船吃水深度傳感器氣動(dòng)頭，巧妙地利用氣壓原理，方便地實(shí)現(xiàn)了吃水深度的測(cè)量，同時(shí)經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將測(cè)量和過載保護(hù)有機(jī)地結(jié)合在一起，它結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，使用方便，實(shí)用效果良好。

[1]吳筠.氣動(dòng)工程手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

[2]徐炳輝.氣動(dòng)手冊(cè)[M].上海科學(xué)出版社,2005.