編碼器測距技術在航運船舶壓載水測量中的應用

沈益駿，袁魯明，劉新

(1.舟山海關綜合技術服務中心，浙江 舟山 316000；2.嘉興海關綜合技術服務中心，浙江 嘉興 314000；3.張家港海關，江蘇 張家港 215600)

目前，壓載水檢測方法尚不能完全解決船舶壓載水測量問題。由于無刷直流電機[1]性能穩(wěn)定可靠、編碼器[2]能精準轉換信號等優(yōu)點被諸多領域廣泛使用，尤其是旋轉增量式編碼器[3]以轉動輸出脈沖信號，通過計數(shù)設備確定位移，在船舶領域被大量使用。為實現(xiàn)航運船舶壓載水的快速精準測量,切實保障國內收貨人的正當權益，鑒于編碼器、無刷電機的廣泛應用，同時具備易操作、高準確度的特點，研發(fā)一種船舶壓載水自動測量裝置(以下簡稱“測量裝置”)。

1 設計原理與方法

船舶壓載水自動測量裝置是利用旋轉增量式編碼器以電機轉動輸出脈沖信號，通過計數(shù)設備確定機械幾何位移量的原理，裝置中的尺砣觸碰壓載水測量管中液面時，計數(shù)器收到指令開始計數(shù)，尺砣繼續(xù)投放直到接觸測量管底部時，計數(shù)器停止計數(shù)。此時計數(shù)數(shù)值就為該艙位壓載水實際高度，工作原理見圖1。

圖1 測量裝置工作原理

該測量裝置內部由過線輪、壓緊輪、收線輪及鋰電池等零部件構成。當按下電源啟動開關，電機轉動并帶動尺砣進入壓載水艙測量管。通過電路系統(tǒng)控制電機的正反方向轉動，從而控制收線輪內尺帶的收放，使與尺帶相連的尺砣上升下降。過線輪與編碼器轉軸固定，同步轉動。編碼器轉動發(fā)出脈沖信號，計數(shù)器接收信號記錄尺砣的位移量。最終實現(xiàn)自動測量和數(shù)字顯示測量結果的功能。測量裝置工作流程見圖2。

圖2 測量裝置工作流程

2 壓載水自動測量裝置設計

該測量裝置由無刷電機、編碼器、計數(shù)器、尺帶及尺砣等重要部件單元所組成。其中，編碼器外部直徑為40 mm，軸徑為6 mm的且呈斜數(shù)型切口，脈沖數(shù)達到500 P/R，電壓為5～12 V，輸出信號為字母A相、B相、Z相，輸出形式為集電極開路輸出，最高響應頻率為100 kHz，允許最高轉速為6 000 r/min，軸荷重徑向為50 N、軸向30 N；無刷電機額定電壓為12 V，轉速為1 000 r/min，電機直徑為25 mm，機身長度為54 mm，電機軸徑、軸長分別為4.5 mm和9.6 mm；計數(shù)器計數(shù)范圍為-999 999～999 999，脈沖可調當量為0.000 01～99.999 9，計數(shù)速度為30 000次/s。測量裝置整體結構簡圖和實物圖見圖3。

圖3 測量裝置結構和實物

2.1 升降系統(tǒng)設計

升降系統(tǒng)是該自動測量裝置的關鍵部位，如該系統(tǒng)中的壓緊輪和過線輪間距過大或者不緊密，則會導致尺砣上升或下降過程中出現(xiàn)打滑情況，進而導致計數(shù)器計數(shù)不準。所以確定該升降系統(tǒng)中線輪位置及線輪間的間隔是關鍵點，該升降裝置的設計剖面圖見圖4。

圖4 線輪設計橫剖面

2.2 數(shù)字顯示器及尺砣構架設計

該裝置內置可充電鋰電池，為儀器正常運行提供所需電力，同時在該裝置上段集成數(shù)據(jù)接收模塊，處理模塊與集成電路板。將該裝置的過線輪與編碼器在同一轉軸上且為固定，當電機帶動尺砣上升或下降時，過線輪與編碼器碼輪則同步轉動。編碼器轉動發(fā)出脈沖信號，計數(shù)器接收信號記錄尺砣的位移量，并實時準確顯示位移數(shù)值。尺砣及其構架是該裝置的核心設計。尺砣具有一定的質量，因重力作用使該裝置的尺帶一直處于拉直的狀態(tài)。尺砣底部設計為觸水導線，尺砣碰到水面后，尺頭的觸水導線、水、船體構成電流回路，計數(shù)器接收信號開始記錄尺砣位移量。尺砣中間設有一個微動開關，當尺砣懸空或在水中時則一直為電路接通狀態(tài)。當尺砣勻速下降，直到觸及到壓載水艙艙底時，由于微動開關受到艙底反彈壓力動作，此時微動開關則立即斷開，控制電路則給出斷電的信號反饋，計數(shù)器停止計數(shù)，并記錄本次的位移量。尺砣構架縱剖面見圖5。

圖5 尺砣構架縱剖面

2.3 控制電路設計

該自動測量裝置控制電路由繼電器、三極管、電阻等器件組成的，該裝置使用12 V鋰電池作為動力電源。電路圖見圖6。

圖6 控制電路

按下電源開關鍵，電源則呈接通狀態(tài)，計數(shù)器顯示屏顯示為最近一次測量的數(shù)值，編碼器則處于待機狀態(tài)；工作人員按下啟動按扭，計數(shù)器復位，顯示數(shù)值為0。電機開始逆時針轉動，在尺砣的自身重力作用下，尺砣勻速下放至壓載水測量管內；當尺砣下放并觸碰水面時，尺砣觸水導線與水面接觸，并與測量管船舶鋼板構成電路回路，繼電器控制計數(shù)器開始計數(shù)；電機持續(xù)運轉，當尺砣到達艙底時，尺砣內的微動開關受到底部壓力作用，立即給電路系統(tǒng)斷電信號，此時控制電路板給出電機反轉信號，電機即刻作出反方向轉動動作，尺砣勻速上升，與此同時編碼器到計數(shù)器信號線斷開，計數(shù)器停止計數(shù)，計數(shù)器從尺砣接觸液面開始工作到觸底停止工作，記錄的數(shù)據(jù)剛好為液體的實際高度值；電機繼續(xù)運行，尺砣上升直至進入該裝置的尺砣孔后，尺砣碰觸尺砣孔內的微動開關，電路斷開，電機停止運行，測量完成。

3 使用方法

該壓載水自動測量裝置的使用目的在于提升水尺計重工作效能，降低現(xiàn)場人員工作強度，提高測量的準確度。該裝置具體使用方法：待船舶靠港且系纜完畢后，由檢驗員將裝置攜帶至船舶壓載水艙測量管處，在測量前，首先檢查該裝置是否能正常開機，計數(shù)器顯示屏顯示是否正常，電機是否能自由轉動。檢查完畢，無異常情況后，檢驗員手持該裝置，調整位置，使得該裝置整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時使尺砣垂直于甲板并豎直進入測量管內。工作準備就緒，檢驗員啟動開關，尺砣在電機的轉動下緩緩下放，當尺砣開始接觸測量管內液體時，該裝置則會發(fā)出提示聲，同時計數(shù)器開始計數(shù)。電機繼續(xù)轉動，尺砣持續(xù)下降直至觸底，這時計數(shù)器在電路控制下停止計數(shù)，其顯示屏顯示的數(shù)值即為該壓載水艙的液位高度。觸底后，電路自動控制電機反方向轉動，尺砣隨電機轉動勻速上升，直至回歸裝置中的尺砣孔內，該壓載水液位測量完畢。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)噪聲處理

在直流電源回路中，由于電壓不穩(wěn)、電磁干擾及長導線導致的長線傳輸?shù)葐栴}，會造成編碼器輸出信號出現(xiàn)“毛刺”、波動等數(shù)據(jù)噪聲問題，最終出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不準確。為解決該問題，本文采用了去耦電容和軟件濾波算法。在硬件上，為該測量裝置的直流電源配置去耦電容，構成去耦電路[4]。配置方法見圖7。

圖7 噪聲處理示意

在軟件上，采用常用的限幅濾波算法[5]，利用軟件算法，使脈沖信號經處理后趨于平緩，工作原理見圖8。

圖8 濾波算法原理

具體計算方法：根據(jù)經驗判斷，確定2次采集數(shù)據(jù)允許的最大偏差值(K)，每次檢測到新采集的數(shù)據(jù)進行判定。如果本次數(shù)據(jù)與上次濾波結果的差小于K，則本次數(shù)據(jù)有效，令本次濾波結果為本次數(shù)據(jù)值；如果本次數(shù)據(jù)與上次濾波結果之差大于K，則本次數(shù)據(jù)無效，放棄本次數(shù)據(jù)，令本次濾波結果為上次濾波結果。

4.2 數(shù)據(jù)質量控制方法

為確保該測量裝置終端數(shù)據(jù)輸出準確有效，本文采取了計算機自動識別和外部數(shù)據(jù)控制兩種方式。當在測量過程中，如遇電磁、電波影響及電壓不穩(wěn)情況，該測量裝置會發(fā)出警報提示，示意調整裝置或者換場景使用，檢測數(shù)據(jù)超出合理范圍則會暫停使用。操作該裝置進行測量時，要求每個壓載水艙應至少測量兩次，當兩次測量結果相差大于2 cm時，要適當增加該艙的測量次數(shù)，最后取這些測量結果的算術平均值作為該艙的測量結果。如遇散貨船舶所在地港區(qū)大風大浪情況時，則應增加測量次數(shù)。

4.3 測量數(shù)據(jù)處理

該測量裝置為數(shù)字顯示設計，每次測量完畢，顯示屏顯示的數(shù)據(jù)則為該艙位的壓載水液體高度，記錄數(shù)據(jù)并標注為d1,d2,…,dn。d1則為該艙位壓載水第一次測量的液體高度。d代表該艙位進行了n次測量，需對該艙位的n個測量結果進行算術平均后，并進行相應縱、橫傾修正后才可再用于壓載水計算，公式為

(1)

式中：d為該艙位壓載水液體高度算術平均值，m；dn為第n次測得的該艙位的壓載水液體高度，m；n為該艙位的測量次數(shù)。

4.4 縱橫傾修正

當船舶處于縱傾或橫傾狀態(tài)時，艙內所裝壓載水也將隨之移動，呈現(xiàn)縱傾或橫傾狀態(tài)，其液面也必然與船舶的水線平行。由于壓載水艙的測量管大都不在水艙的中間部位，故此時自動測量裝置和其他鋼卷尺、橡膠繩尺、棉繩尺等工具從測量管內所測得的液體高度，不是實際液體高度，必須進行修正[6]。

對于只配有計量表而無縱、橫傾校正圖標的船舶，可根據(jù)測得的液體高度和壓載水艙的已知的幾何尺寸，運用相關公式計算縱、橫傾校正值，再算壓載水體積。

4.5 不規(guī)則底艙處理

由于進江吃水限制，有些駁船壓載水艙結構見圖9，結構不規(guī)格、無配備容積表等小噸位沙灘船的底艙壓載水橫剖面圖。壓載水的橫截面積：長度為(a2-r)的矩形面積與角度為θ扇形面積之和，扣除頂角為θ，直角邊為(r-g)，斜邊為r的三角形面積。體積公式如下。

圖9 艙底壓載水艙橫剖面示意

V=[(a2-r)·g+

(2)

式中：θ扇形的角度，

θ=arccot[(r-g)/r]

(3)

式中：g為平均液體高度，m；r為扇形的半徑，m；a2為測量管至后橫艙后壁間的距離，m；f為壓載水艙長度，m；V為底艙壓載水體積，m3。

4.6 壓載水體積的計算

經縱、橫傾校正后的壓載水液體高度，可查詢船舶壓載水容量表進行計算。對于配有計量表又配有縱、橫傾校正圖表的船舶，根據(jù)測得的液體高度和船舶縱、橫傾值，直接查表算得各艙的壓載水體積。結合壓載水的密度，算出船舶壓載水的重量。經排水量計算，扣除物料、壓載水等重量，最終得出該船舶上散裝貨物的水尺計重重量。

5 壓載水自動測量裝置測試和應用

該測量裝置在應用之前，對其進行測試，數(shù)據(jù)顯示正常，無異常情況。測試結果見表1。

表1 測試實驗數(shù)據(jù)

2021年8—12月，該測量裝置在舟山某港區(qū)投入應用。隨機選擇15船次國際航運船舶就該船舶上的其中一個壓載水底艙，由檢驗員手持自動測量裝置對其進行壓載水液體高度測量，同時對船舶所有壓載艙分別使用裝置和鋼卷尺手工測量的時效進行比對。為節(jié)約時間，每艘次船舶均安排兩組工作人員分別手持自動測量裝置和鋼卷尺對壓載水艙進行液位測量，為降低誤差，均采用測量實際液體高度的方法。目測鋼卷尺精度公制為0.001。兩種方法得到的結果見表2。

自動測量裝置較人工測量方式的差異率為H，則計算公式為

(5)

式中：J為自動裝置測量值，m；I為人工測量值，m。

從表2可見，15船次壓載水測量采用自動裝置較人工測量方式差異范圍在0.002～0.011 m之間，平均差異率為0.069 9%，完全符合船舶制表的準確度在0.1%以內，水尺計重的準確度可在0.5%以內[7]要求。此外，測量船舶壓載水運用自動裝置，較傳統(tǒng)人工測量，效能提高33%以上。本次實驗兩種方式經測量數(shù)據(jù)及測量耗時比對，基本認可利用該裝置測量船舶壓載水的方法是可靠和準確的。

表2 裝置測量與人工投尺方法數(shù)據(jù)比對

6 結論

1)研制的壓載水自動測量裝置，使檢驗員在航運船舶上現(xiàn)實了測量壓載水的機械化、自動化，由人工測量轉為自動化，工作效能提升33%以上。

2)該裝置由編碼器轉動輸出脈沖信號，計數(shù)器實時接收信號并記錄位移，并以數(shù)字顯示方式告知檢驗員，測量值準確可靠，切實維護了收貨人的正當權益。

3)該裝置攜帶方便，測量準確，現(xiàn)已在舟山投入使用，大幅降低了檢驗員工作強度，提高了碼頭利用率，可促進船舶快進快出，推動地方港口經濟的向好發(fā)展。