船舶主机主轴承温度数字化检测系统设计与实现

秦 珩



船舶主机主轴承温度数字化检测系统设计与实现

秦 珩

（海军大连舰艇学院，辽宁大连116018）

船舶主机（柴油机）主轴承的温升直接影响着主机的工作性能和运行安全，利用多个温度传感器组成传感器网络，结合单片机形成高精度温度采集检测系统，分布在船舶主机各主轴承监测点上，实现了对主机主轴承温度多点温度检测。这种检测系统精度高，抗干扰能力强，实时性好。本文针对主机的特点，构建主轴承温度测控系统，该系统可以对主轴承温度进行准确的自动监测和实时报警，为主轴承的工作状态提供使用管理依据。该系统在主机温度检测系统及其船舶机舱自动化方面具有广泛的应用价值，此项技术也可作为船舶机电设备故障监测的重要手段。

主机主轴承温度检测

0 引言

船舶主机（柴油机）主轴承与曲轴主轴颈摩擦副，在高速运行中的发热是影响主机性能的重要因素。一旦主轴承温度超过允许范围，会造成主机主轴承和主轴颈的严重损坏，甚至造成整机报废。如果主轴承的较高温度长期运行，将会加剧主轴承的老化，寿命大大缩短。所以有必要对主轴承进行温度监测。

对船舶主机主轴承进行多点实时检测,测量点多，工作环境恶劣，温度范围大。超出许多单总线传感器的测量范围，宜采用模拟传感器，同时设计信号处理电路、A/D转换及相应的接口电路,最后把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

本文阐述了这种温度检测系统的硬件设计和软件设计。从理论和实验2个方面对船舶主机主轴承温度检测系统设计过程进行分析。

1 主轴承温度监测系统组成

本文研究的对象主机为12V-PC25型中速大功率四冲程增压柴油机，12缸V型排列，6道主轴颈，共7道主轴承。本监测系统共设置7个温度监测点，每道主轴承设置1个传感器即1个监测点。主轴承测温系统结构如图1所示。系统主要包括温度传感器、温度采集处理单元、显示单元、按键和开关输入单元、报警输出单元、主控制单元、外部通信单元组成。

图1温度检测系统的硬件设计图

温度采集单元连接7路温度传感器PT100，通过电子多路开关电路将采集进来的信号进行切换，再经过放大电路，调理整形电路后，送入TLC1549进行ADC转换，最后将转换结果送主控制单元进行计算处理。

控制器采用STC12C5A60S2单片机，外围电路包括复位电路，时钟电路。

功能需求分析：

·设定时间间隔，自动轮询7路温度。

·可以设置温度报警阈值，报警阈值分为一级报警和二级报警。

·自动报警功能，超过报警阈值自动输出警报，包括本地声光报警，远程报警输出。

·使用按键开关可以任意切换显示1路温度。

2 硬件设计

2.1 基本工作原理

温度输入电路同时接入7路PT100，每一路由3个100欧姆精密电阻和外部的PT100组成惠斯通电桥。当温度为0℃时，PT100的阻值接近100欧姆，电桥平衡，输出为0V；当温度升高，PT100阻值变大，电桥失去平衡，产生压差，输出上正下负的电压信号；当温度下降，低于0℃时，PT100的阻值小于100欧姆，电桥失去平衡，输出上负下正的电压信号。通过测量惠斯通电桥的输出电压，可以计算出PT100的阻值，通过查找分度表，获取对应的温度值。

2.2 电源电路

输入电压采用船舶发电机的输出电压直流24 V，经高性能的DC-DC电源模块转换为直流+5 V和-5 V，供主控电路使用。另外使用LM317降压型稳压电源将+5 V转换为+1.25 V，为温度采集单元的PT100提供电源。

2.3 温度采集电路

温度采集电路如图2所示。温度采集单元分为温度输入电路、多路开关切换电路、信号放大调理电路、ADC转换电路。

由图2（部分电路原理图）可以看出，惠斯通电桥的电源电压为1.25V，使用2个100欧姆的电阻分压后得到0.625V的比较电压。另一条电臂的电压可以通过PT100的分度表计算得出。

外部接入的7路温度信号分别进入2片CD4052切换电路，CD4052是差分4通道数字控制模拟开关，相当于一个双刀四掷开关，通过单片机IO程序控制，同一时间只有一路温度信号被选中，进入后级信号处理。

2.4 温度信号放大电路

信号放大电路由AD620完成。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，外围配置电路十分简单。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低。AD620具有高精度（最大非线性度40 ppm）、低失调电压（最大50 µV）和低失调漂移（最大0.6 µV/℃）特性。

由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声峰峰值为0.28 μV，输入电流噪声为0.1 pA/Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15 μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

由图2可以看出，PT100的信号是以差分方式输入到AD620，其后级ADC转换电路TLC1549使用了精密基准电压芯片MC1403作为参考电压源，LM1403的输出电压为2.5V。由表1可以看出，输入的最大电压为0.1392V。为避免满幅超限溢出，经放大后进入TLC1549的最大电压应小于2.5V。

（1）

（2）

式中—AD620的增益倍数；—增益电阻。

公式（1）用于计算AD620的增益倍数，公式(2)用于计算增益配置电阻的阻值。设定增益倍数=15，使用公式2计算得出R=3.528 kΩ。通过调节电位器，达到设定的阻值。

2.5 信号调理电路

经过AD620放大的电压信号，进入TLE2062组成的电压跟随器。这样，可以将输入阻抗变得很高，对于输入信号的影响可以做到很小，同时，输出阻抗变得很低，AD输入阻抗对输入信号的影响可以做到很小。电压跟随器在这里的作用是阻抗变换作用。

2.6 ADC转换电路

TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSB Max(4.8mV)等特点。

TLC1549的工作温度范围内（自然通风）极限参数如下：

电源电压范围：-0.5～6.5 V

输入电压范围：-0.3～VCC+0.3 V

输出电压范围：-0.3～VCC+0.3 V

正基准电压：VCC+0.1 V

峰值输入电流（任何输入端）：±20 mA

峰值总输入电流（所有输入端）：±30 mA

温度信号经过电压跟随器后送入TLC1549进行模数转换.

由前面的计算可知，输入的最大电压为：

max = 0.1392×15 = 2.088 (V)

10位模数转换器的满量程值为1024，据此计算温度分辨率为：

150×(2.088/2.50/1024) = 0.175(℃)

如此高的分辨率，完全满足船舶主机主轴温度场检测的需求。

2.7 报警输出电路

设备的前面板上设计有7个报警指示灯，分别指示7路温度报警状态，通过单片机的IO进行控制。同时，设计有1路继电器输出，可以驱动外部大功率的声光报警设备。

2.8 远程控制电路

STC12C5A60S2的串口2连接MAX485芯片，可以实现电平转换，与外部RS485设备进行通讯。

通过RS485与计算机相连，可以实现远程控制、远程报警、温度数据传输以及数据保存功能。

3 软件设计

3.1 基本工作流程

程序主流程图如图3所示。

为提高设备的可靠性，程序上采用冗余设计技术，对温度进行连续大量采样，过滤掉离散性大的数据，并对多次采样数据取平均值。以避免因外界干扰，造成温度数据的跳动。

3.2 温度转换子程序

根据PT100的分度表，在程序中建立一张“温度-电压”对应关系表。单片机通过查表方式获取温度值，能够减少数据计算量，节省运行时间，实现温度快速转换。

图4温度转换程序流程图

4 结论

本文阐述了一种应用广泛的船舶主机主轴承温度的检测设备的工作原理和设计过程，硬件设计上，采用高性能的单片机及其电子元器件组成温度采集电路，并采用多路开关分时切换的方式简化了电路设计，节省了成本。采用普通的数码管显示和按键输入的方法体现了实用的设计理念。

该设备结构简单、成本低、温度转换速度快、准确度高、工作稳定，性能可靠，是一种技术性、实用性很强的设备监测产品。已在船舶机舱监测领域应用，取得十分良好的使用效果。

[1] 郑学普. 航空发电机主轴_轴承系统温度场分析[D]. 河南科技大学学报, 2004.

[2] 梁伟. 船舶机舱自动监测报警控制系统设计[D]. 大连理工大学硕士论文, 2002.

[3] 王瑜. 数控机床主轴及主轴电机温度检测与控制系统[D]. 煤矿机械, 2010.

[4] 龚玉林. 船舶机舱报警系统的软件设计[D]. 大连海事大学硕士论文, 2008:1-4.

Design of Digital Detection System for Temperature Field of Ship Engine Spindle

Qin Heng

（PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China）

TP 391

A

1003-4862（2017）11-0032-04

2017-08-15

秦珩（1975-），男，硕士，高级工程师。研究方向：轮机工程。