一種本安型有水信號傳感器設計

范則陽，程 駿，謝 坤

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064)

0 引言

船舶在水中航行時，船艙底部不可避免的存在積水，在事故或者撞擊情況下更會出現破損進水，這些都會影響船舶的安全性。為了保障船舶的安全性，提醒船員在船艙艙底積水時進行疏水、在破損大量進水時采取相應的抗沉措施，船舶都需要在艙底安裝艙底進水報警裝置［1］。

船舶艙底環境異常惡劣，船舶主機艙存在大量的油污，工作溫度高達50℃;船舶蓄電池艙存在強酸性的液體和爆炸性氣體，需要滿足防爆的要求［2］。如何保證在如此惡劣的環境下艙底進水報警裝置安全、可靠地檢測到艙底進水情況是一項亟急需解決的難題。本文針對這種情況，設計了一種本質安全型有水信號傳感器，經試驗驗證，并在船舶上進行了實際應用。

1 傳感器結構與設計要求

有水信號傳感器外形如圖1所示。有水信號傳感器為水密式結構［1］，自帶5 m長 JHRP85/SC 2×1.0型艦用電纜，傳感器的防爆等級為ExibIICT1。傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部。

圖1 有水信號傳感器外形圖Fig 1 Water signal sensor contour image

設計船舶艙底有水信號檢測傳感器需考慮船舶艙底工作的特定環境條件要求，確保在惡劣的環境下可靠地輸出有水信號。具體要求如下［3～4］:

1)滿足耐油污要求:船舶主機艙存在大量的油污，布置在這些區域的有水信號傳感器需滿足耐油污要求;

2)滿足耐強酸要求:船舶蓄電池艙存在強酸性的液體，布置在這些區域的有水信號傳感器需滿足耐強酸要求;

3)滿足蓄電池艙防爆要求:船舶蓄電池艙蓄電池組在充放電過程中會產生爆炸性氣體——氫氣，安裝在蓄電池艙艙底的電氣設備需滿足IICT1防爆等級的要求;

4)在傾斜和搖擺航行狀態下可靠工作:船舶在航行時，受風浪影響會產生傾斜、搖擺，有水信號傳感器需保證在這種航行狀態下工作的可靠性。

2 設計方案

2.1 傳感器類型的選擇

目前，檢測船舶艙底有進水狀況的傳感器有浮子液位計、浮子開關和電極式傳感器3種類型［5～7］。

浮子液位計和浮子開關不適合船舶上傾斜和搖擺的航行狀態以及船舶艙底油污和雜質的工作環境。根據船舶應用的特點和傳感器的工作環境，本裝置采用電極式傳感器。

電極式傳感器是應用較為廣泛的一種傳感器，其工作原理是傳感器內部設有2根導電電極，當艙底進水淹沒傳感器的2根電極后，電極導通，檢測電路根據阻值變化進行邏輯處理后，輸出報警信息［8］。這種傳感器的優點是價格便宜，工作可靠。

2.2 傳感器防爆形式的選擇

電氣設備的防爆形式有隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型。

由于有水信號傳感器采用電極式，這種傳感器的2根電極需與水接觸才能發出有水報警信號，而且，2根電極短路時有產生電火花的可能性，隔爆型、增安型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型的防爆形式均不適用于電極式傳感器。根據電極式傳感器的特點，采用本質安全型的防爆形式。

2.3 傳感器的設計

有水信號傳感器為水密式結構，它主要由電極、傳感器本體、安裝卡、電纜組成。

2.3.1 傳感器本體設計

傳感器本體由防護罩和底座組成。底座用于固定電極，防護罩用于固定電纜和安裝卡，兩者之間通過螺紋連接。傳感器本體采用具有耐酸和耐腐蝕的聚四氟乙烯材料。防護罩外形圖如圖2(a)所示，底座的外形圖如圖2(b)所示。

圖2 傳感器防護罩與底座外形圖Fig 2 Profile drawing of shield and pedestal

2.3.2 電極設計

電極外形如圖3所示。導電電極采用不銹鋼材料，針形結構，可以滿足耐油污和耐酸性的要求。

圖3 電極外形圖Fig 3 Electrode profile drawing

2.3.3 安裝卡設計

安裝卡外形如圖4所示。安裝卡由2個半圓形的不銹鋼條組成，由螺絲連接后卡箍在防護罩上。

圖4 安裝卡外形圖Fig 4 Mounting card profile drawing

圖5 有水信號傳感器裝配圖Fig 5 Assembly drawing of water signal sensor

2.3.6 傳感器參數設計

根據傳感器的物理特性，為保證檢測電路的靈敏度，并防止最高輸入電壓、電流過大燒壞邏輯處理單元，確定本傳感器最高輸入電壓Ui=13V，最大輸入電流Ii=300 mA。根據傳感器的工作特性，提出電阻值要求，即接觸水電阻值要求R1＜100 kΩ、脫離水電阻值要求R2＞100 MΩ。

由此計算，傳感器最大輸入功率［9］

傳感器的內部等效電容、等效電感即為傳感器自帶電纜的等效電感、等效電容。JHRP85/SC 2×1.0電纜的分布電容Ck為 0.094μF·km-1，分布電感 Lk為 0.48 mH·km-1［9］。傳感器自帶電纜長度為5 m，則其最大內部等效電容和等效電感為

2.3.7 其他工藝設計

傳感器的設計時還考慮了下列因素［2］:

1)傳感器的外形和電極的形狀均經過多次試驗后制成，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號;

2)有水信號傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部，必須保證安裝卡可靠接地。

2.3.8 本安性能評定

本安性能評定主要是對傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內部等效電容Ci、最大內部等效電感Li等主要參數的評估，判斷上述參數是否滿足ExibIICT1防爆等級的要求［10］。

對于IIC類設備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數時，其最小點燃電流為2.02A［10］。本傳感器的最大輸入電流Ii為300 mA，故傳感器供電部分設計是滿足本質安全性要求的。

對于IIC類設備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數時，允許的電容為1.00μF［10］。本傳感器的最大內部等效電容Ci為0.47 nF，故傳感器最大內部等效電容是滿足本質安全性要求的。

對于IIC類設備，在電壓16 V，最小點燃電流為0.3 A時，其允許的電感為0.8 mH［10］。本傳感器的工作電壓是13 V，最大內部等效電感Li為2.4μH，均小于上述數值，故傳感器最大內部等效電感是滿足本質安全性要求的。

綜上所述，傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內部等效電容Ci、最大內部等效電感Li等主要參數均滿足IIC類本質安全設備的要求。

3 試驗驗證

驗證試驗包括參數測試試驗、功能試驗和防爆認證試驗。

表1～表3為參數測試試驗、功能試驗和防爆認證試驗結果。試驗結果表明:傳感器的參數實測值與設計值基本一致，傳感器的有水信號輸出功能滿足要求，傳感器的防爆等級滿足ExibIICT1的要求。

表1 傳感器參數測試結果Tab 1 Test results of sensor parameter

表2 傳感器功能試驗結果Tab 2 Test results of sensor function

表3 傳感器防爆認證試驗結果Tab 3 Test results of sensor explosion-proof certification

4 結論

本文論述了一種本質安全型有水信號傳感器的選型、外形及參數設計、本質性能評定及試驗驗證的過程。該傳感器具有工作可靠，安裝方便的特點，可滿足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級要求，已經廣泛應用于各型船舶，并取得了良好的效果。

［1］宮 山.散貨船進水報警裝置技術要求［J］.中國船檢，2003(3):80-81.

［2］孟建明.散貨船貨艙進水檢測裝置安裝的改進建議［J］.航海技術，2010(1):59-61.

［3］中國船舶工業總公司.CB 1328—1997潛艇艙底進水報警裝置規范［S］.

［4］國家技術監督局.GB 3836.1—2000爆炸性氣體環境用電氣設備 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］舒大興，陳 偉.MSP430在大量程浮子液位式液位計中的應用［J］.國外電子元器件，2005(3):21-23.

［7］方萬水，孫鋒吾.艦船綜合報警系統研制［J］.中國修船，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.“防爆安全技術”講座(第12講 本安系統一般設計要求)［J］.自動化儀表，2009(1):73-78.

［10］GB 3836.4—2000爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分:本質安全型“i”［S］.