船舶動力裝置溫度傳感器原位檢測技術(shù)研究

錢 超，王艷武，曹書棟

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033；2.武漢東湖學(xué)院 機電工程學(xué)院，武漢 430212)

船舶動力系統(tǒng)對各種工作條件(如柴油機滑油溫度、冷卻水溫度等)具有一定要求，同時為了保障安全運行和正常工作，需要對其工作狀態(tài)(如柴油機滑油溫度、缸內(nèi)爆炸壓力等)進行監(jiān)控，為此安裝了數(shù)量眾多的傳感器。這些傳感器是否正常工作，直接影響動力系統(tǒng)乃至船舶航行的安全。目前，這些傳感器沒有專用檢測儀器，維修保障全憑技術(shù)人員經(jīng)驗，采用的檢測方法也是傳統(tǒng)的離線檢測方法，即將被測傳感器從儀器上拆卸下來，使用專門的儀器設(shè)備進行離線檢測，以判斷其功能是否正常，參數(shù)是否正確。但這樣的檢測方法，往往需要關(guān)閉部分甚至整個動力裝置，影響船舶的正常運行；同時在拆卸、安裝的過程中不可避免的還會產(chǎn)生機件磨損和人為故障。為了解決上述問題，有必要在對船舶動力系統(tǒng)各種傳感器技術(shù)資料充分消化吸收的基礎(chǔ)上，研究新的傳感器檢測方法，實現(xiàn)在不影響動力裝置正常工作的情況下，對重要傳感器的工作狀態(tài)進行檢測，解決檢測、修理手段不足的問題，滿足船舶在航修理的需求。

原位檢測是指對被檢測對象在其原來的安裝、裝配位置或生態(tài)組織上，進行的檢查與測試[1]。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，具有快速、方便、有效的特性，是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分[2]。如郭建章[3]對盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)原位檢測方法進行研究，利用開發(fā)的虛擬儀器檢測系統(tǒng)實現(xiàn)對盾構(gòu)機原位檢測；陳細(xì)濤[4]對航空薄葉片原位檢測方法進行理論和實驗研究，通過搭建原位測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)云處理技術(shù)，進行航空葉片的原位檢測; 孫博文[5]針對發(fā)動機關(guān)鍵零件篦齒盤裂紋進行原位檢測技術(shù)研究，提出采用渦流原位檢測方法，進行該零件裂紋的原位檢測；王煒[6]挺針對被動雷達(dá)告警接收機原位檢測的工程實踐需求，進行了告警接收機原位檢測系統(tǒng)的研制，提出了一套完整的被動雷達(dá)告警接收機原位檢測方法；陰俊燕[7]將CCD接收裝置用于檢測光學(xué)參數(shù)，解決了裝甲裝備光學(xué)儀器無法實現(xiàn)原位檢測的問題。從上述研究來看，當(dāng)前原位檢測技術(shù)主要應(yīng)用于整臺設(shè)備或零部件性能、缺陷檢測，但對于大型系統(tǒng)或設(shè)備的傳感器檢測，則應(yīng)用的較少，當(dāng)前對傳感器的檢測，大多還停留在理論研究或離線檢測方式。如孟祥忠[8]、李良[9]開展了溫度傳感器檢測裝置研究，設(shè)計了一種基于Smith預(yù)估補償控制的便攜式溫度傳感器檢測裝置；劉月瑤等[10]針對飛行器液位傳感器校準(zhǔn)技術(shù)開展研究，設(shè)計開發(fā)了針對某型飛機液位傳感器的校準(zhǔn)裝置。

從當(dāng)前的研究來看，針對船舶動力裝置傳感器原位檢測技術(shù)的研究則相對較少。為了解決上述問題，本文在對某型船舶技術(shù)資料充分消化吸收和傳感器原位檢測方法研究的基礎(chǔ)上，針對其動力系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器的特點，開展動力裝置溫度傳感器原位檢測方法分析研究，為解決該船舶動力裝置傳感器檢測、修理手段不足問題，提高船舶保障能力提供技術(shù)支持。

1 船用動力裝置關(guān)鍵傳感器

如表1所示，為某大型船舶動力系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器統(tǒng)計情況。從表中可見該船舶動力系統(tǒng)主要包含了滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器、輔冷泵水壓傳感器等18種傳感器。這些傳感器對于確保動力系統(tǒng)長期穩(wěn)定、安全運行至關(guān)重要，因此我們稱之為關(guān)鍵傳感器。這些傳感器的性能將直接影響關(guān)鍵部位溫度、壓力、液位等關(guān)鍵參數(shù)的測量結(jié)果，進而影響動力系統(tǒng)安全。目前，這些傳感器僅有簡單的技術(shù)參數(shù)說明和部分接線圖表，缺乏相關(guān)的現(xiàn)場檢測設(shè)備，維修保障全憑技術(shù)人員經(jīng)驗。采用的檢測方法是傳統(tǒng)的離線檢測方法，即將被測傳感器從儀器上拆卸下來，使用專門的儀器設(shè)備進行離線檢測，以檢測其功能是否正常，參數(shù)是否正確。但這樣的檢測方法，往往需要關(guān)閉部分甚至整個動力裝置，影響船舶的正常運行，同時在拆卸/安裝的過程中不可避免的還產(chǎn)生機件磨損和人為故障，直接影響整個系統(tǒng)正常運行。因此迫切需要開展這些關(guān)鍵傳感器原位檢測技術(shù)研究。本文則針對實際工作要求，開展動力裝置關(guān)鍵傳感器之一的溫度傳感器，開展原位檢測技術(shù)研究。

表1 動力系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器

2 溫度測量方法

隨著科技的不斷更新發(fā)展，溫度測量技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化。從測量原理上來看，當(dāng)前對于溫度測量主要分為非接觸式與接觸式兩種。

2.1 非接觸式測溫

非接觸式測溫不接觸被測物體，不會對被測物體的溫度場產(chǎn)生干擾，響應(yīng)速度快，適合測量高溫復(fù)雜環(huán)境下的物體，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設(shè)備在線故障診斷、安全保護及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。其特點是可應(yīng)用范圍廣，但測溫精度差，易受周圍環(huán)境溫度影響。非接觸式多為輻射測溫、紅外測溫，并已發(fā)展有多光譜、熒光、光纖、激光發(fā)射、聲波測溫等許多的測溫方式，非接觸式測溫除了可以測量表面的溫度及其溫度分布，還可以測量整體環(huán)境的溫度。目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的非接觸式測溫法是輻射測溫法。

2.2 接觸式測溫

接觸式測溫是將溫度傳感器直接放入待測儀器或待測環(huán)境中，待溫度達(dá)到平衡后進行溫度測量。特點是操作簡單，測量精度高。常見接觸式測溫方式有熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體等等。船舶動力裝置，對于溫度測量，基本上采取接觸式測溫方式。

3 溫度傳感器的原位檢測方法

該船動力系統(tǒng)溫度傳感器主要包括柴油機淡水溫度傳感器、柴油機汽缸溫度傳感器、滑油溫度傳感器、液壓油溫傳感器等。這些溫度傳感器都是TXA/1-1172、TXΚ/1-1172型船用熱電變換器，其額定靜態(tài)性能參數(shù)如表2所示，溫度測量范圍從-50～600 ℃。

表2 熱電變換器額定靜態(tài)性能參數(shù)

3.1 基于溫度梯度的管壁測溫方法研究

在管道外測量管道內(nèi)流體溫度的方法，除了使用非接觸測量之外，還需根據(jù)溫度梯度的傳遞規(guī)律，利用測量的外壁溫度，反向推導(dǎo)管內(nèi)流體的溫度。

考慮到船舶油、水等液體輸送管道實際結(jié)構(gòu)特點，可以視管道為以二維穩(wěn)態(tài)流動，建立網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 管道網(wǎng)格模型

由于管道中的單相流體的流動是軸對稱的，為此對管道中的不可壓縮單相流體的流動和換熱建立了二維k-ε湍流模型。

管道材料和保溫層視為各向同性，依據(jù)傳熱學(xué)理論建立二維導(dǎo)熱方程[11]:

(1)

其邊界條件為

y=r1

(2)

y=rw

(3)

其中：k為導(dǎo)熱系數(shù)；rw為管道內(nèi)徑；r0為外徑；r1為管道包有保溫層直徑；管道外環(huán)境溫度為T0；管道內(nèi)液體溫度T1；管道與環(huán)境之間的對流換熱系數(shù)為h∞；管道內(nèi)液體與管壁之間的對流換熱系數(shù)為h1。

假設(shè)環(huán)境溫度T0=298 K。管道模型幾何尺寸rw=0.183 5 m，r0=0.188 5 m，r1=0.248 5 m，L=20 m。分別對不同的管道內(nèi)部液體溫度進行仿真計算，結(jié)果顯示管內(nèi)平均溫度與管外壁面之間的溫差隨著內(nèi)部溫度的升高而升高。設(shè)管內(nèi)平均溫度T1與管外壁面溫度Tw的溫差為ΔT，則ΔT隨進口溫度T的變化曲線如圖2所示。

圖2 ΔT隨內(nèi)部溫度T1的變化曲線

根據(jù)此對應(yīng)關(guān)系可擬合出Tw與T1之間的關(guān)系式為

ΔT=T1-Tw=0.000 264T1.796 47+0.342 275

(4)

則管內(nèi)平均溫度T1與管外壁面溫度Tw、進口溫度T之間的關(guān)系為

T1=Tw+ΔT=

Tw+0.000 264T1.796 47+0.342 275

(5)

3.2 溫度傳感器原位檢測實例分析

在上述船舶動力裝置溫度傳感器原位檢測方法分析的基礎(chǔ)上，開展實船動力裝置溫度傳感原位檢測。利用紅外熱像儀測量裝置表面溫度，根據(jù)前述理論分析方法，開展校核驗證。

測量采用HY-2001G紅外熱像儀，主要對象為某船的柴油機排煙溫度、冷卻水溫度和滑油溫度傳感器。HY-2001G紅外熱像儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：響應(yīng)波段為8～14 μm；測溫范圍為-20～500 ℃，可擴展至2 000 ℃；溫度分辨率為0.07 ℃(30 ℃時)；空間分辨率為1 mrad；測溫精度為滿量程±2%；測溫量程為-20～40 ℃、0～80 ℃、50～200 ℃、100～500 ℃；視場角/最小焦距為17°/0.5 m。

根據(jù)測量對象表面粗糙度和材料的不同設(shè)置其發(fā)生率為0.93，分別測量了該船柴油機排氣管表面溫度、冷卻淡水管表面溫度和機帶滑油泵表面溫度。測量點均選擇在溫度傳感器安裝部位，以便于進行溫度傳感器的檢測校驗。如圖3所示，為測量的該船柴油機A列排氣管表面紅外熱圖。從圖中可見，傳感器附近表面最高溫度為350.7 ℃。而此時該傳感器測量的溫度為428 ℃，兩者相差77.3 ℃。

圖4和圖5分別是測量的該柴油機淡水冷卻水管和滑油泵表面紅外熱圖。從圖中傳感器布置位置表面溫度來看，其平均溫度分別為約為71.1 ℃和82.6 ℃。

圖3 A列排氣管表面紅外熱圖

圖4 柴油機淡水冷卻水管表面紅外熱圖

圖5 柴油機滑油泵表面紅外熱圖

根據(jù)前述理論計算公式，分別利用測量表面溫度，計算內(nèi)部溫度，并與傳感器測量溫度進行比較校核，如表3所示，分別是測量表面平均溫度、計算管道內(nèi)部溫度和傳感器測量溫度。

表3 柴油機各部分溫度值 ℃

依據(jù)測量表面溫度利用式(5)計算，獲得管道內(nèi)部溫度分別是369.34 ℃、71.906 ℃和83.419 ℃，與傳感器測量的溫度誤差分別是13.71%、1.13%和1.11%。從數(shù)據(jù)來看，排煙管仿真測量的溫度明顯低于傳感器測量溫度，誤差較大，達(dá)13.71%；而冷卻淡水溫度和滑油溫度則是略高于傳感器測量溫度，誤差分別只有1.13%和1.11%。結(jié)合裝備實際情況來分析，冷卻水管惡化滑油泵表面均未覆蓋保溫層，而管道內(nèi)液體直接與金屬表面接觸，金屬表面噴涂油漆層則認(rèn)為是緊密接觸，對傳熱影響，可當(dāng)作保溫層對待，因此測量計算結(jié)果與實際傳感器測量結(jié)果基本接近，所以該方法可以應(yīng)用與這類溫度傳感器原位檢測。對于柴油機排煙管部分，則是因為外面覆蓋較厚的保溫層，保溫層外還有金屬層固定，因此對于傳熱影響較大，依據(jù)式(5)計算的結(jié)果相對誤差較大，還需進一步針對不同結(jié)構(gòu)材料，對模型進行修正。

4 結(jié)論

針對動力系統(tǒng)實際管路結(jié)構(gòu)，建立二維導(dǎo)熱模型進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果顯示管路表面與管路內(nèi)壁溫差隨管內(nèi)溫度的升高而升高；根據(jù)測量的表面溫度，利用仿真擬合曲線，進行內(nèi)部溫度的檢測；基于溫度梯度和紅外測溫的實驗結(jié)果顯示：本文提出的船用動力裝置溫度傳感器原位檢測方法是可行的。對于無保溫層的管路溫度傳感器，建立的模型能準(zhǔn)確的對傳感器進行原位檢測，對覆蓋較厚保溫層的溫度傳感器的原位檢測，還需結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料，對模型進行修正，但該方法理論上可行，具有較強的工程應(yīng)用價值。