曲轴箱油雾浓度探测器的设计

0 引言

目前几乎所有的大型船舶都是使用的功率较大的柴油机，且船舶的航行周期都比较长，柴油机在长时间工作以后，其内部温度相对较高，当润滑油流过时会有部分油变成了气体散布在空气和曲轴当中，如果润滑油过度蒸发形成油雾[1]，油雾浓度过高时遇到温度升高时很容易会发生爆炸的事故，造成不必要的财产损失和人员的伤亡。本文设计的油雾探测系统，是利用光的散射的原理[2-4]设计而成的，该探测器不仅能检测出曲轴箱中油雾的浓度还能检测出内部的温度。由于油雾产生以后在空气中是以微小的液滴和蒸汽存在的，当光进入不均匀的介质当中会与颗粒发生相互作用，进入的光会发生散射作用，产生散射光的信号由光电检测器接收并转换成电信号[5-6]送入STM32智能处理单元。考虑到温度测量时存在温漂的现象，在油雾浓度采集的时候需要对气室中温度进行检测，所以在光电探测器中安装了一个温度探测器，可以实时检测温度的变化。通过对曲轴箱中油雾浓度和温度的测量可以及时发出预报警，极大地提高了大型柴油机的使用安全性和可靠性，具有很重要的现实意义。

1 油雾浓度探测器系统的总体设计

本文设计的油雾浓度探测器系统，主要由5个部分组成：光迷宫气室、红外发射器、红外接收器、智能处理单元、显示报警 。如图1所示，首先是光迷宫气室具有易进气、不透光的特点，由红外发射管发出光，经过透镜的折射以后光进入光迷宫气室，由于油雾浓度的不同，光会发生不同程度的折射，在经过透镜折射以后照射在红外接收管上，最后经过相应的接收调理电路得到符合要求的电压信号。发光驱动电路的功能主要是驱动红外发光管使其作为光源，在系统工作时红外发光管一直处于点亮的状态。接收管的调理电路的作用，是将红外接收管接收的微弱信号进行相应的滤波放大，得到干净理想的电压信号。温度调理电路是将温度传感器的信号转化为电压信号，可以实现实时探测曲轴箱中油雾的温度的目的。最后由智能处理单元STM32F103，将系统的状态显示在探测器的面板上，也可以由RS485向PC端进行数据的通讯显示在相对应的界面上，达到可视化实时检测的目的。

图1 油雾浓度探测器的示意图

2 系统的硬件设计

2.1 光电转化电路的设计

本文设计的油雾浓度探测系统的探头是安装在圆柱形的遮光气室中，如图2所示，该探头的外形可以避免自然光的进入且可以让油雾进入。系统采用的光敏二极管是S2386-18L，它可以将光的强弱变化转化为电压的强弱变化，如图3所示。由于光电转换的原始信号很微弱且存在一定的噪声干扰，所以对运算放大器的要求严格，本文在放大电路中采用的LTC6241HVHS8运算放大器，是一款双通道、低噪声、低失调、轨至轨的输出、具稳定单位增益的CMOS运算放大器，具有1 pA的输入偏置电流，非常适用于光信号的快速放大。

2.2 温度检测电路的设计

图4是1 mA恒流源发生电路和放大电路[7-8]，是利用ADR4528的特性设计而成的。ADR4528是一款超低噪声、零漂移运算放大器，具有轨到轨输入输出的摆幅能力，失调电压为2.5 μV，失调电压漂移为0.015 μV/℃，噪声为97 μV(0.1～10 Hz，AV=+100)，因而它非常适合运用在温度检测电路的调理电路当中，其作用是为Pt 100温度传感器HeraeusM222提供一个恒定的电流。

图2 油雾浓度探测器的探头

图3 光电转换放大电路

图4 Pt100信号处理电路

如图4所示，电路上半部分由2个运算放大器ADA4528组成，在传感器的输入端接入了1 kΩ的电阻R125，一方面为了判断传感器Pt100是否断线，另一方面是防止电路没接传感器悬空的时候外部对电路产生的干扰。根据叠加原理以及虚短和虚断的特性，可以计算出，当R16、R6、R15以及R8相等时，电路输出的电流大小只跟VREF和R40有关，电路是一个恒流源电路。在本电路中VREF为2.5 V，R40为2.5 kΩ，所以输出电流大小为恒定1 mA。

2.3 数据传输电路的设计

由于系统对油雾和温度的采集速度没有过高的要求，而STM32F103的片上ADC是十二位的，所以完全能够满足系统的需求。STM32将采集到的数据通过RS485通讯方式将数据传输到显示屏，通讯模块是采用隔离收发模块TD501D485H实现的。TD501D485H收发器是使用集成双电源隔离，简化了隔离的复杂性，并提高了数据通讯的可靠性，其原理图如图5所示。通过RS485通讯方式可以安全方便地将数据传输到显示屏，显示的初始画面如图6所示。该显示器不仅可以在高油雾浓度情况下报警，还可以及时记录保存采集的油雾浓度和温度，方便后续对实验数据的研究分析。

图5 TD501D485H通讯原理图

图6 液晶显示器初始化界面

3 系统软件的设计

系统逻辑及算法的实现都是在STM32F103的智能单元中实现的，系统正常通电以后，首先要完成对STM32F103[9-10]的初始化工作，然后要负责控制其软件模块的运行调度。系统的软件流程图如图7所示，在软件中共设置二处报警，一处在油雾浓度探测器的面板模块上有灯报警指示，如图8所示；二处在显示器的界面上也有相应的温度和油雾浓度的报警。二处报警方便用于现场和后台对曲轴箱中油雾浓度的检测，进一步提高了系统的安全性能。在液晶显示模块中带有自存储功能，系统通过RS485的通讯方式与液晶显示器远距离通信。

图7 软件流程图

图8 油雾浓度传感器的面板图

4 测试结果

由于在实际情况下，曲轴箱浓度一般情况下都很低，除非在很极端的情况下，所以很难在曲轴箱中模拟油雾浓度。现将1 g的滑油在加热板加强热，让其弥漫在0.4 L的容器中进行浓度检测，实验数据如表1所示。

由表1可以清楚地看出当前10 min的时候，油雾还处于扩散的状态，当15 min以后油雾的浓度基本弥漫了整个容器，且油雾浓度探测器检测的浓度相对比较稳定。由于根据相关规定曲轴箱中油雾浓度探测器实际检测值相比于理论值在10%范围内都为有效值。表1中的理论值为2.5 g/L,油雾浓度探测器的检测值都小于6%，因此系统设计的油雾浓度探测器具有较好的应用价值。

表1 油雾传感器的测试数据

5 结论

本文通过对油雾浓度探测器的设计不仅可实现对曲轴箱中滑油浓度及其温度的实时检测，还可以实现对现场和远程的监控。此油雾浓度检测装置还解决了温度检测法的一些弊端，而且具有简单易行的特点。通过对浓度的实时检测可以大幅度提高大型柴油机的运行的安全性，减少事故的发生。