某型电磁计程仪故障分析与排除

杨 勇，申传俊，王旭东

(92236部队，广东 湛江 524002)

电磁计程仪是船舶重要的电航仪器，其根据电磁感应原理来测量船舶相对于水的运动速度，据此累计其航程，并将航速与航程信息发送给所需要的用户。电磁计程仪具有结构简单、体积小、精度高、操作调整方便、可测后退速度等优点，是目前船舶使用最广泛的一类计程仪。

某船某型电磁计程仪在航行以及模拟工作状态时，发生电磁计程仪航速不稳定且误差大的故障。针对该故障，在回顾该型电磁计程仪工作原理的基础上，对该计程仪的故障进行故障诊断[1]，即通过对该计程仪可能故障进行故障树分析[2-3]，逐步隔离故障，排查故障，最终定位了故障点并成功排除了故障。该故障分析与排查具有一定的代表性，可为同类型电磁计程仪的故障排查提供参考。

1 某型电磁计程仪结构与原理

1.1 计程仪结构

某型电磁计程仪主要由电磁式传感器、前置放大器、主仪器、复示器、信息发送箱、气动构成。其系统工作原理如图1所示。图1中，IB为激磁电流，UB为激磁回路取样电压。

图1 某型电磁计程仪系统工作原理图

主仪器是一个以51单片机为基础的专用微机系统，它包括直流电源装置、单片机装置(由CPU、EPROM、EEPROM以及专用接口电路组成)、航速信息发送装置(由角度编码器以及伺服电路构成)和键盘输入与显示装置。

主仪器是计程仪的核心部件，其面板上装有各种操作按钮，用来控制整个仪器的运行，完成测速校正工作。

1.2 工作原理

主仪器的工作原理[4]为：利用法拉第电磁感应定律来测量船舶相对于水的速度，其采用的传感器中有一产生交变磁场的电磁铁(激磁线圈)，并有一对电极与水接触。传感器安装于船舶底部，当传感器的前端面略微伸出船舶底部5 mm左右时，传感器的激磁线圈通以交流电产生激磁，且传感器的电极随船舶一起与水有相对运动时，其一对电极间将产生感应电动势，它经过高输入阻抗的前置放大器放大一定的倍数(约200倍)后，在主仪器CPU的控制下，A/D转换装置定时对输出电压和激磁回路的取样电压进行A/D转换，经过A/D转换后送入专用计算机系统，专用计算机系统根据实际输出关系曲线的数学模型，解算出航速和航程增量，并将计算结果变换为适当的信号，通过接口电路送复示器进行显示或送给用户接收使用。

计程仪有航行和模拟2种工作状态。当船舶航行时，计程仪处于航行工作状态下，计程仪整机正常工作，电磁式传感器测量真实的船舶航行速度；当计程仪处于模拟工作状态下，将由模拟电位器模拟传感器的输出信号，方便计程仪在船舶静态等情况下输出需要的速度值，同时也可以检查除传感器外的主要仪器状态。

2 故障现象分析与排除

2.1 故障现象

某船进厂修理后，电磁计程仪长时间未通电，修理完毕后，在航行过程中电磁计程仪发生故障，表现为：计程仪航行时工作不稳定，测速误差大；模拟工作状态时，航速不稳定且速度显示值偏大，且存在缓慢增大的现象，故障问题开始变得严重。

2.2 故障分析

依据故障现象，绘制电磁计程仪故障树示意图，如图2所示。

图2 电磁计程仪故障树示意图

故障原因分析如下。

1)主仪器参数设置错误。主仪器若设置错误，将影响系统的运行，导致错误的输出结果。

2)电源系统故障。系统的保险丝、输入220 V的交流电源故障，或者电源模块输出的60 V/50 Hz交流电源，+5 V、±15 V、+24 V直流电源故障，将影响计程仪的工作，导致一系列故障现象。

3)电路板件故障。ADC板、CPU板、前置放大器板件如发生故障，则会发生测速故障。

4)传感器故障。传感器线路由激磁线圈、信号接收线圈和地线组成。电磁传感器处于舱底位置，长期工作于闷热潮湿的恶劣环境，传感器所发出的信号非常微弱。传感器因潮湿环境的影响导致绝缘偏低时，一般不影响正常工作；若传感器因本身老化等原因导致绝缘偏低时，则将引发工作异常，无法正常测速。此时需要区分情况，进行针对性的处理。

2.3 故障排查过程

1)对照计程仪原来的参数对各项参数设置情况进行逐一检查，未发现参数设置错误情况。

2)对电源、信号线路进行基本检查，主要是检查主仪器内部线路和主仪器至前置放大器的线路，未发现异常。

3)测量输入220 V/50 Hz交流电源和经电源模块输出的供给传感器的激磁线圈的激磁电压交流60 V/50 Hz，以及供给前置放大板、A/D转换板、CPU板等部件的+5 V、±15V、+24 V直流工作电源是否正常。检查各工作电源对应的保险丝是否有烧断的情况，对照图纸检查电源模块输出到使用端的供电线路是否存在断(短)路现象，均未发现异常。

4)检查电磁传感器。传感器的故障检测判断主要通过测量其激磁线圈的阻值、信号线的通断、激磁线圈和信号线对地的绝缘值来进行。由于入水后的传感器绝缘通常都会偏低，一般在没有明显故障时，通过替换对比法进行判断。

将传感器取出，测得激磁线圈阻值及信号接收线圈通断正常。经过干燥处理后，测量传感器激磁线圈、信号接收线圈对地的绝缘值均不超过350 kΩ，未达到要求值1 MΩ。结合日常使用经验，通常会遇到传感器干燥处理不够彻底而导致绝缘偏低的情况，无法依此判断为故障点。为了排除传感器故障可能，更换了船上的一根备用测量杆，发现故障依然存在。

5)仔细核对线路。按照信号流程，对信号线路进行仔细检查：即检查测量杆输出端(5#、6#)信号线至前置放大器，测量前置放大器输出信号线(44#)经电缆头CZ2至主仪器插头CT2(118#)的线路，发现上述线路均正常。

6)检查前置放大器。前置放大器对传感器的信号作约200倍的放大，可通过测量输出信号情况判断。检查其内部线路正常，但由于受其安装的空间位置等限制，现场不便于准确测量判断前置放大板功能正常与否，尝试对前置放大板进行更换。

7)在确保电源供电无异常的前提下，对ADC板、CPU板、前置放大器板进行更换，重新核对参数设置，确保电路板件工作正常的前提下重新对仪器开机，但是故障依旧。

8)经过步骤1)～7)的排查，均未发现故障所在，由于检查参数设置、进行电源输出电压的测量相对比较容易，经检查后故障依然存在，初步怀疑是线路或板件存在故障。再次通电开机，准备作继续排查时，故障变得更加严重。

结合原理的分析，计程仪的故障点只存在于上述几种情况中，应该是排查中有失误或遗漏。由于计程仪舱内十分狭窄，无法展开两人协调作业，主仪器距离计程仪舱有2层甲板、船舶的备品备件不全等导致修理工作开展困难较大。通过协调，将传感器、主仪器、前置放大器等拆卸离船，运至实验室进行检查修理。

在实验室，对样机的传感器、前置放大器、主仪器以及其内部的A/D转换板依次进行替换。

(1)用船上的传感器替换样机的传感器，航行工作状态下，将电磁传感器置于直径大于300 mm、盛满水的塑料桶中，仪器显示速度不为0且不稳定，通过顺时针搅动桶内的水以模拟水流，速度未发生明显变化，初步确定了原传感器的故障。

(2)换回样机传感器，替换前置放大器后开机，样机工作正常，说明前置放大器正常。

(3)用船上电磁计程仪的主仪器替换实验室样机的主仪器，发现故障依旧，说明主仪器内部存在故障。替换了A/D转换板后故障依旧，初步判断为仪器内部线路故障。

对照图纸对主仪器线路进行仔细测量排查，排查过程中发现+15 V电源线从电源模块输出，经保险丝后，存在接触不良现象，经查为保险丝座故障(内部弹片问题导致无法与保险丝紧密接触，导致供电不稳定)。更换新的保险丝座后，重新开机，工作正常。

9)经过步骤8)的排查，确定是由于传感器和主仪器的双重故障，导致该计程仪测速故障。将修复后的主仪器和新的传感器回装到船上后，重新开机，故障消除。

3 结束语

某型电磁计程仪有2处故障点，属于复杂型故障。在修理环境恶劣、故障比较复杂而难以准确判断时，应仔细分析仪器工作原理，按照从易到难的思路进行故障分析与排除。具体注意以下几点。

1)弄懂原理，思路清晰，逐步缩小故障范围。

2)保持耐心，不能急躁，减少检查遗漏；仔细对相关线路以及电路板进行测量与检查。

3)准备好必要的备品备件，特别是难以判断故障的元器件或电路板等(该船的备用传感器经后续验证是故障件)。在日常修理中，这类判断经常导致修理时间延长：①将完好的器件误判断为故障件，等申领来器材后，故障依然存在；②将故障件误判为完好件，导致故障点迟迟无法找到。