一种本安型有水信号传感器设计

范则阳，程 骏，谢 坤

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)

0 引言

船舶在水中航行时，船舱底部不可避免的存在积水，在事故或者撞击情况下更会出现破损进水，这些都会影响船舶的安全性。为了保障船舶的安全性，提醒船员在船舱舱底积水时进行疏水、在破损大量进水时采取相应的抗沉措施，船舶都需要在舱底安装舱底进水报警装置［1］。

船舶舱底环境异常恶劣，船舶主机舱存在大量的油污，工作温度高达50℃;船舶蓄电池舱存在强酸性的液体和爆炸性气体，需要满足防爆的要求［2］。如何保证在如此恶劣的环境下舱底进水报警装置安全、可靠地检测到舱底进水情况是一项亟急需解决的难题。本文针对这种情况，设计了一种本质安全型有水信号传感器，经试验验证，并在船舶上进行了实际应用。

1 传感器结构与设计要求

有水信号传感器外形如图1所示。有水信号传感器为水密式结构［1］，自带5 m长 JHRP85/SC 2×1.0型舰用电缆，传感器的防爆等级为ExibIICT1。传感器通过安装卡安装在船舶舱室底部。

图1 有水信号传感器外形图Fig 1 Water signal sensor contour image

设计船舶舱底有水信号检测传感器需考虑船舶舱底工作的特定环境条件要求，确保在恶劣的环境下可靠地输出有水信号。具体要求如下［3～4］:

1)满足耐油污要求:船舶主机舱存在大量的油污，布置在这些区域的有水信号传感器需满足耐油污要求;

2)满足耐强酸要求:船舶蓄电池舱存在强酸性的液体，布置在这些区域的有水信号传感器需满足耐强酸要求;

3)满足蓄电池舱防爆要求:船舶蓄电池舱蓄电池组在充放电过程中会产生爆炸性气体——氢气，安装在蓄电池舱舱底的电气设备需满足IICT1防爆等级的要求;

4)在倾斜和摇摆航行状态下可靠工作:船舶在航行时，受风浪影响会产生倾斜、摇摆，有水信号传感器需保证在这种航行状态下工作的可靠性。

2 设计方案

2.1 传感器类型的选择

目前，检测船舶舱底有进水状况的传感器有浮子液位计、浮子开关和电极式传感器3种类型［5～7］。

浮子液位计和浮子开关不适合船舶上倾斜和摇摆的航行状态以及船舶舱底油污和杂质的工作环境。根据船舶应用的特点和传感器的工作环境，本装置采用电极式传感器。

电极式传感器是应用较为广泛的一种传感器，其工作原理是传感器内部设有2根导电电极，当舱底进水淹没传感器的2根电极后，电极导通，检测电路根据阻值变化进行逻辑处理后，输出报警信息［8］。这种传感器的优点是价格便宜，工作可靠。

2.2 传感器防爆形式的选择

电气设备的防爆形式有隔爆型、增安型、本质安全型、正压型、充油型、充沙型、浇封型。

由于有水信号传感器采用电极式，这种传感器的2根电极需与水接触才能发出有水报警信号，而且，2根电极短路时有产生电火花的可能性，隔爆型、增安型、正压型、充油型、充沙型、浇封型的防爆形式均不适用于电极式传感器。根据电极式传感器的特点，采用本质安全型的防爆形式。

2.3 传感器的设计

有水信号传感器为水密式结构，它主要由电极、传感器本体、安装卡、电缆组成。

2.3.1 传感器本体设计

传感器本体由防护罩和底座组成。底座用于固定电极，防护罩用于固定电缆和安装卡，两者之间通过螺纹连接。传感器本体采用具有耐酸和耐腐蚀的聚四氟乙烯材料。防护罩外形图如图2(a)所示，底座的外形图如图2(b)所示。

图2 传感器防护罩与底座外形图Fig 2 Profile drawing of shield and pedestal

2.3.2 电极设计

电极外形如图3所示。导电电极采用不锈钢材料，针形结构，可以满足耐油污和耐酸性的要求。

图3 电极外形图Fig 3 Electrode profile drawing

2.3.3 安装卡设计

安装卡外形如图4所示。安装卡由2个半圆形的不锈钢条组成，由螺丝连接后卡箍在防护罩上。

图4 安装卡外形图Fig 4 Mounting card profile drawing

图5 有水信号传感器装配图Fig 5 Assembly drawing of water signal sensor

2.3.6 传感器参数设计

根据传感器的物理特性，为保证检测电路的灵敏度，并防止最高输入电压、电流过大烧坏逻辑处理单元，确定本传感器最高输入电压Ui=13V，最大输入电流Ii=300 mA。根据传感器的工作特性，提出电阻值要求，即接触水电阻值要求R1＜100 kΩ、脱离水电阻值要求R2＞100 MΩ。

由此计算，传感器最大输入功率［9］

传感器的内部等效电容、等效电感即为传感器自带电缆的等效电感、等效电容。JHRP85/SC 2×1.0电缆的分布电容Ck为 0.094μF·km-1，分布电感 Lk为 0.48 mH·km-1［9］。传感器自带电缆长度为5 m，则其最大内部等效电容和等效电感为

2.3.7 其他工艺设计

传感器的设计时还考虑了下列因素［2］:

1)传感器的外形和电极的形状均经过多次试验后制成，确保在恶劣的条件下可靠的输出有水信号;

2)有水信号传感器通过安装卡安装在船舶舱室底部，必须保证安装卡可靠接地。

2.3.8 本安性能评定

本安性能评定主要是对传感器的最高输入电压Ui、最大输入电流Ii、最大内部等效电容Ci、最大内部等效电感Li等主要参数的评估，判断上述参数是否满足ExibIICT1防爆等级的要求［10］。

对于IIC类设备，在电压13V，取1.5倍的安全系数时，其最小点燃电流为2.02A［10］。本传感器的最大输入电流Ii为300 mA，故传感器供电部分设计是满足本质安全性要求的。

对于IIC类设备，在电压13V，取1.5倍的安全系数时，允许的电容为1.00μF［10］。本传感器的最大内部等效电容Ci为0.47 nF，故传感器最大内部等效电容是满足本质安全性要求的。

对于IIC类设备，在电压16 V，最小点燃电流为0.3 A时，其允许的电感为0.8 mH［10］。本传感器的工作电压是13 V，最大内部等效电感Li为2.4μH，均小于上述数值，故传感器最大内部等效电感是满足本质安全性要求的。

综上所述，传感器的最高输入电压Ui、最大输入电流Ii、最大内部等效电容Ci、最大内部等效电感Li等主要参数均满足IIC类本质安全设备的要求。

3 试验验证

验证试验包括参数测试试验、功能试验和防爆认证试验。

表1～表3为参数测试试验、功能试验和防爆认证试验结果。试验结果表明:传感器的参数实测值与设计值基本一致，传感器的有水信号输出功能满足要求，传感器的防爆等级满足ExibIICT1的要求。

表1 传感器参数测试结果Tab 1 Test results of sensor parameter

表2 传感器功能试验结果Tab 2 Test results of sensor function

表3 传感器防爆认证试验结果Tab 3 Test results of sensor explosion-proof certification

4 结论

本文论述了一种本质安全型有水信号传感器的选型、外形及参数设计、本质性能评定及试验验证的过程。该传感器具有工作可靠，安装方便的特点，可满足船舶蓄电池舱IICT1防爆等级要求，已经广泛应用于各型船舶，并取得了良好的效果。

［1］宫 山.散货船进水报警装置技术要求［J］.中国船检，2003(3):80-81.

［2］孟建明.散货船货舱进水检测装置安装的改进建议［J］.航海技术，2010(1):59-61.

［3］中国船舶工业总公司.CB 1328—1997潜艇舱底进水报警装置规范［S］.

［4］国家技术监督局.GB 3836.1—2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分:通用要求［S］.

［5］Convey H J，Booth M J.Development of a water leak detector system［J］.Computing ＆ Control Engineering Journal，2002，13(1):33-38.

［6］舒大兴，陈 伟.MSP430在大量程浮子液位式液位计中的应用［J］.国外电子元器件，2005(3):21-23.

［7］方万水，孙锋吾.舰船综合报警系统研制［J］.中国修船，2007，20(5):29，30.

［8］Wen Yumei，Li Ping，Yang Jin，et al.Information processing in buried pipeline leak detection system［C］∥Proc of 2004 IEEE Int’l Conf on Information Acquisition，2004:489-493.

［9］徐建平.“防爆安全技术”讲座(第12讲 本安系统一般设计要求)［J］.自动化仪表，2009(1):73-78.

［10］GB 3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”［S］.