水下平臺(tái)液艙的水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)研究

陽(yáng)世榮

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

水下平臺(tái)液艙的水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)研究

陽(yáng)世榮

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

介紹一種水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)，可用于水下平臺(tái)不規(guī)則液艙內(nèi)部水量的準(zhǔn)確測(cè)量，并可控制液艙與舷外海水之間的壓力差。提出的水量測(cè)量方案能夠減小由于液艙形狀不規(guī)則、注排水期間液面波動(dòng)以及水下平臺(tái)縱橫傾等引起的測(cè)量誤差，壓力差控制方案利用水下平臺(tái)攜帶的壓縮空氣，能夠?qū)⒁号撆c舷外之間的壓力差控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。重點(diǎn)說(shuō)明系統(tǒng)整體方案、軟硬件技術(shù)方案及陸上驗(yàn)證試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)為水下平臺(tái)的浮力調(diào)整和不平衡力矩調(diào)節(jié)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

水下平臺(tái)；液艙；水量測(cè)量；壓力差控制；陸上驗(yàn)證試驗(yàn)

0 引 言

液艙是水下平臺(tái)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)液艙進(jìn)行注排水改變液艙內(nèi)的水量即可調(diào)節(jié)水下平臺(tái)的重力、浮力平衡關(guān)系以及力矩平衡關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)水下平臺(tái)的深度及姿態(tài)控制。因此，水下平臺(tái)液艙內(nèi)部水量的精確測(cè)量以及液艙與舷外之間注排水流量的準(zhǔn)確控制十分重要。另一方面，也可為水下平臺(tái)浮態(tài)、穩(wěn)性計(jì)算及作出抗沉輔助決策提供相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。由于水下平臺(tái)的液艙為密閉液艙，為充分利用空間，液艙形狀多不規(guī)則，給液艙內(nèi)水量的精確測(cè)量帶來(lái)了不利影響；注排水期間導(dǎo)致的液艙內(nèi)液面波動(dòng)會(huì)引起液位測(cè)量不準(zhǔn)確，從而產(chǎn)生液艙內(nèi)的水量測(cè)量誤差；水下平臺(tái)的縱橫傾也會(huì)引起液位測(cè)量失準(zhǔn)而產(chǎn)生水量測(cè)量誤差。另一方面，水下平臺(tái)液艙與舷外之間的注排水一般采用“泵排自注”的方式，即利用舷外海水壓力實(shí)現(xiàn)舷外海水自流注入液艙，利用排水泵將液艙內(nèi)的海水排出舷外。隨著水下平臺(tái)工作深度的增加，舷外海水壓力隨之增加，舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差也隨之增加，導(dǎo)致液艙自流注水速度大幅增加，而水泵排水速度迅速降低，不利于液艙與舷外之間注排水流量的準(zhǔn)確控制。除此以外，當(dāng)舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差增加后，所需的排水泵功率也隨之增加，受限于排水量，水下平臺(tái)攜帶的電能有限，常規(guī)的“泵排自注”方式也難以滿足水下平臺(tái)的用電節(jié)能要求。

為解決上述問(wèn)題，本文介紹一種水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)，能夠減少或消除液艙內(nèi)液位的測(cè)量誤差，提高水量測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)液艙與舷外之間的壓力差控制。本文對(duì)該系統(tǒng)的原理、技術(shù)方案、軟硬件開(kāi)發(fā)和陸上驗(yàn)證試驗(yàn)等做重點(diǎn)說(shuō)明。

1 水量測(cè)量精度的影響因素分析

1)液艙形狀不規(guī)則導(dǎo)致的測(cè)量誤差

水下平臺(tái)液艙的水量測(cè)量一般采用靜壓測(cè)量法[2-3]，即通過(guò)液位變送器測(cè)量液位高度，再由水量測(cè)量裝置依據(jù)液艙的液位-艙容曲線，計(jì)算出水量。受限于水下平臺(tái)外部線型及內(nèi)部布置條件，液艙通常為形狀不規(guī)則的密閉液艙，其液位-艙容曲線也為不規(guī)則曲線。在工程實(shí)際中，一般在水下平臺(tái)的建造期間對(duì)液艙進(jìn)行艙容標(biāo)定試驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)量有限的液位-艙容數(shù)值表。當(dāng)實(shí)際的液位測(cè)量值落在2個(gè)離散數(shù)值之間時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水量計(jì)算出現(xiàn)誤差。

2)注排水期間，液艙內(nèi)液面波動(dòng)引起的水量測(cè)量誤差

水下平臺(tái)為抵消浮力差和不平衡力矩，經(jīng)常需要對(duì)液艙進(jìn)行注排水，注排水期間發(fā)生的液面波動(dòng)導(dǎo)致液位測(cè)量不準(zhǔn)，從而大大影響水量測(cè)量精度。

3)艇體發(fā)生縱傾、橫傾時(shí)引起的水量測(cè)量誤差

水下平臺(tái)在水下不可能完全受力平衡，總是存在一定的縱傾或橫傾，縱橫傾期間，液艙內(nèi)液面仍保持水平，但是艙內(nèi)液面與液位變送器的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，因此液位測(cè)量值與真實(shí)值之間存在偏差，也會(huì)導(dǎo)致水量測(cè)量精度下降。

2 舷外與液艙內(nèi)壓力差控制原理

當(dāng)水下平臺(tái)的工作深度變化時(shí)，常規(guī)的“泵排自注”方式無(wú)法主動(dòng)控制舷外與液艙內(nèi)壓力差。由于水下平臺(tái)一般均配置了數(shù)量較多的壓縮空氣瓶，因此可充分利用水下平臺(tái)攜帶的壓縮空氣資源，通過(guò)對(duì)液艙的進(jìn)氣加壓和放氣減壓，調(diào)節(jié)液艙內(nèi)的壓力，保持舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差始終在一定的范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)壓力差可控。通過(guò)實(shí)施壓力差控制，液艙內(nèi)的壓力始終比舷外低，仍可利用舷外壓力實(shí)現(xiàn)舷外海水自流注入液艙，同時(shí)，由于液艙內(nèi)充入了壓縮空氣，艙內(nèi)壓力增加，可平衡一部分舷外海水壓力，從而減小了排水泵的排水背壓，利用小功率的排水泵即可實(shí)現(xiàn)大深度排水，顯著減少了排水泵的電能消耗。另一方面，壓力差是影響液艙與舷外之間的注排水速度、噪聲的重要因素，因此，通過(guò)控制舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差還可調(diào)節(jié)液艙注排水速率，從而提升注排水控制精度并降低注排水噪聲。

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

水下平臺(tái)液艙的水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)主要包括主機(jī)、液位變送器、壓差變送器、雙向電磁流量計(jì)、傾角傳感器以及進(jìn)排氣控制閥等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The principle block diagram of control system

圖1中，“——”代表水管路，“……”代表氣管路，“—·—”代表電氣回路。其中，液位變送器的高壓端口通過(guò)水管路連通液艙的底部，液位變送器的低壓端口通過(guò)氣管路連通液艙頂部的氣腔，其測(cè)得的水艙頂部和底部的壓力之差即可直接轉(zhuǎn)換為液艙內(nèi)的液位信號(hào)；壓差變送器的高壓端口通過(guò)水管路連通舷外，壓差變送器的低壓端口通過(guò)水管路連通液艙底部，可直接測(cè)得舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差；液位、壓差變送器通過(guò)電氣接口與主機(jī)連接，以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)向主機(jī)傳送液位和壓力差測(cè)量值。進(jìn)氣閥和排氣閥分別安裝于液艙的進(jìn)氣、排氣管路上，由主機(jī)遙控開(kāi)啟和關(guān)閉。雙向電磁流量計(jì)安裝于液艙的注排水管路上，并通過(guò)電氣接口以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)向主機(jī)傳送注排水流量測(cè)量值。傾角傳感器安裝于水下平臺(tái)的重心位置，通過(guò)遠(yuǎn)程通信接口向主機(jī)發(fā)送水下平臺(tái)的縱橫傾角度測(cè)量值。

本系統(tǒng)技術(shù)方案提高液艙內(nèi)水量測(cè)量精度的工作原理如下：

1)在非注排水期間，采用靜壓測(cè)量法，由液位變送器測(cè)量液艙底部與頂部氣腔之間的壓力差(該壓力差與水艙內(nèi)液位高度成正比)，輸出液位測(cè)量信號(hào)給主機(jī)，由主機(jī)的水量測(cè)量程序依據(jù)液艙的液位-艙容數(shù)值表計(jì)算水量值。為提高測(cè)量精度，在主機(jī)的軟件程序中采用插值算法，當(dāng)實(shí)際液位測(cè)量值落在液艙液位-艙容數(shù)值表的2個(gè)離散數(shù)值之間時(shí)，根據(jù)多項(xiàng)式插值算法進(jìn)行水量計(jì)算，保證了水量測(cè)量的精確度。

2)主機(jī)采集液艙注、排水流量信號(hào)，判定是否處于注排水階段。當(dāng)處于注排水階段時(shí)，將注排水之前測(cè)得的液艙水量值與注排水流量值進(jìn)行累加，作為注排水階段的液艙水量的測(cè)量結(jié)果；當(dāng)注排水結(jié)束后，液面恢復(fù)平靜，水量測(cè)量采用靜壓測(cè)量法。從而消除因?yàn)橐好娌▌?dòng)而引起的誤差。

3)主機(jī)通過(guò)接收到的艇體縱、橫傾角度信號(hào)，結(jié)合液位變送器的實(shí)際安裝位置距離水下平臺(tái)重心位置的偏差，對(duì)液位測(cè)量值進(jìn)行修正，修正后的液位值即為液艙的真實(shí)液位，然后再根據(jù)液位-艙容曲線計(jì)算水量值，從而消除艇體縱橫傾引起的水量測(cè)量誤差。

本系統(tǒng)技術(shù)方案控制注排水壓力差的工作原理如下：

1)利用水下平臺(tái)攜帶的壓縮空氣瓶作為氣源，連接通往液艙的進(jìn)氣管路。

2)主機(jī)通過(guò)壓差變送器測(cè)量舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差，并與設(shè)定的壓力差范圍進(jìn)行比較。

3)當(dāng)舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差過(guò)大時(shí)，主機(jī)控制進(jìn)氣閥對(duì)液艙進(jìn)氣加壓，提高液艙內(nèi)壓力從而減小壓力差。

4)當(dāng)舷外與液艙內(nèi)之間的壓力差過(guò)小時(shí)，主機(jī)控制排氣閥對(duì)液艙放氣減壓，減小液艙內(nèi)壓力從而增大壓力差。

上述工作原理均需通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，因此主機(jī)是本系統(tǒng)的核心設(shè)備，主機(jī)的硬件及軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)水量測(cè)量、壓力差控制等系統(tǒng)功能的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 主機(jī)硬件方案

主機(jī)硬件電路采用以高性能PIC單片機(jī)18F4580為核心的電路系統(tǒng)，主要由單片機(jī)處理器、AD轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、閥門控制電路、LED顯示電路、聲光報(bào)警電路、通信接口電路、電源模塊及外部存儲(chǔ)電路等部分組成。其硬件電路原理如圖2所示。

圖2 主機(jī)硬件電路原理框圖Fig.2 The principle block diagram of the host hardware circuit

主機(jī)硬件電路各組成部分的主要功能如下：

1)單片機(jī)處理器，是整個(gè)設(shè)備的運(yùn)算和控制核心，完成數(shù)字濾波處理、液位/水量數(shù)值轉(zhuǎn)換、壓差及流量數(shù)據(jù)采集等數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)通信、顯示、報(bào)警及閥門控制。單片機(jī)處理器采用PIC 18F4680芯片，該芯片集成度高、功耗低、穩(wěn)定性好、最高工作頻率可達(dá)40 MHz，特別適合船用環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控場(chǎng)合[4]。

2)A/D轉(zhuǎn)換芯片及信號(hào)調(diào)理電路，將差壓變送器、液位變送器、雙向流量計(jì)輸出的4～20 mA模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司的16位轉(zhuǎn)換器AD7706，具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)，非常適合工業(yè)領(lǐng)域的溫度、壓力、流量等精確測(cè)量場(chǎng)合[5-6]。

3)通信接口電路，實(shí)現(xiàn)與傾角傳感器的數(shù)據(jù)通信，接收水下平臺(tái)的縱傾、橫傾角測(cè)量參數(shù)。通信接口電路由2片MAX485芯片構(gòu)成，MAX485是MAXIN公司推出的低功耗串行收發(fā)器芯片，內(nèi)部集成接收器和驅(qū)動(dòng)器[7]，采用雙芯片配置由不同芯片分別承擔(dān)發(fā)送、接收信息任務(wù)，提高了通信可靠性。

4)片外大容量存儲(chǔ)器，具有掉電自保持功能，用于記錄液艙液位、水量、壓力差和注排水流量等數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理結(jié)果，以及從傾角傳感器接收到的縱傾、橫傾角值等參數(shù)。片外大容量存儲(chǔ)器采用24LC64 EEPROM芯片，體積小、可靠性高、功耗低、可斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)200年以上，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次[8]，可滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)在線記錄要求。

5)顯示報(bào)警電路、液艙水量和壓力差數(shù)值，能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。

6)閥門控制電路，將PIC單片機(jī)IO口輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以控制進(jìn)氣閥、排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，并采集閥門開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)，傳送給PIC單片機(jī)。

7)電源模塊，向主機(jī)硬件電路系統(tǒng)提供工作電源，并向閥門控制電路提供驅(qū)動(dòng)電源。

主機(jī)的基本工作流程為：液位、壓差變送器及雙向流量計(jì)輸出的4～20 mA測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換后，送入PIC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到液位、壓力差和注排水流量測(cè)量數(shù)值，同時(shí)，PIC單片機(jī)通過(guò)串口通信程序獲取傾角傳感器發(fā)送的縱傾、橫傾角測(cè)量值；另一方面，PIC單片機(jī)運(yùn)行水量測(cè)量程序，將液位測(cè)量數(shù)值轉(zhuǎn)換為水量數(shù)值，并將水量數(shù)值和壓力差數(shù)值送至主機(jī)面板的LED上顯示。如果水量、壓力差數(shù)值超過(guò)設(shè)定的限值，則發(fā)出聲光報(bào)警。如果舷外與艙內(nèi)之間的壓力差過(guò)大，主機(jī)遙控開(kāi)啟進(jìn)氣閥向液艙實(shí)施進(jìn)氣加壓，以減小壓力差；如果舷外與艙內(nèi)之間的壓力差過(guò)低，主機(jī)遙控開(kāi)啟排氣閥對(duì)液艙實(shí)施排氣減壓，以增加壓力差。從而將舷外與艙內(nèi)之間的壓力差保持在一定范圍之內(nèi)。

主機(jī)為獨(dú)立箱體結(jié)構(gòu)，箱體面板上布置有LED數(shù)碼顯示屏、電源開(kāi)關(guān)、報(bào)警指示燈、蜂鳴器和消音按鈕。箱體上布置有7個(gè)電連接器，分別提供電源、液位變送器、壓差變送器、雙向流量計(jì)、進(jìn)氣閥、排氣閥電氣接口和遠(yuǎn)程通信接口。主機(jī)面板示意圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)面板示意圖Fig.3 The schematic diagram of the host panel

5 主機(jī)軟件方案

主機(jī)軟件的主要功能包括：

1)程序初始化設(shè)置；

2)液位、壓力差及注排水流量測(cè)量信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)預(yù)處理；

3)液艙內(nèi)水量精確計(jì)算，包括液位多項(xiàng)式插值修正、流量修正及縱橫傾修正等；

4)壓力差數(shù)值換算；

5)與傾角傳感器進(jìn)行通信，接收水下平臺(tái)的縱傾、橫傾角測(cè)量值；

6)水量、壓力差數(shù)值的就地顯示；

7)水量、壓力差越限聲光報(bào)警；

8)進(jìn)氣閥、排氣閥的遙控開(kāi)啟和關(guān)閉，以及閥位狀態(tài)采集。

主機(jī)軟件為嵌入式應(yīng)用軟件，其開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Microchip公司出品的PIC單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB IDE，MPLAB IDE集成了代碼編輯及編譯、項(xiàng)目管理和調(diào)試開(kāi)發(fā)等多項(xiàng)功能，支持匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言等[9]，其操作系統(tǒng)平臺(tái)為Windows XP。為提高軟件代碼的可移植性，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言[10]。

主機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程略。

以某水下平臺(tái)為例，設(shè)縱傾角θ(°)、橫傾角φ(°)、傳感器到重心的縱向距離x(m)、橫向距離y(m)，直接測(cè)量的液位為hc(m)，修正后液位為h(m)，則縱橫傾角液位修正公式如下：

h=(hc+xsinθ)cosθ+4.3(1-cosφ)-ysinφ。

(1)

縱橫傾期間，采用式(1)對(duì)實(shí)測(cè)的液位值進(jìn)行修正，再依據(jù)修正后的真實(shí)液位值計(jì)算液艙內(nèi)水量，從而消除因水下平臺(tái)縱橫傾而引起的水量測(cè)量誤差。

6 陸上驗(yàn)證試驗(yàn)

本系統(tǒng)在應(yīng)用于水下平臺(tái)之前，需開(kāi)展陸上驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)充分的試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能、化解技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，陸上試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 陸上試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.4 The schematic diagram of test system on land

圖4中，假海用于模擬舷外海水及其深度變化；試驗(yàn)液艙用于模擬水下平臺(tái)液艙，且設(shè)有機(jī)械測(cè)水柱，可觀測(cè)到液艙內(nèi)實(shí)際水量；水泵和注水閥用于實(shí)現(xiàn)液艙與假海之間的注排水；氣源用于提供壓力差控制所需的壓縮空氣；整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)安裝于一個(gè)傾角調(diào)節(jié)平臺(tái)上。壓差變送器的高、低壓端口分別連接假海模擬艙和試驗(yàn)液艙底部實(shí)現(xiàn)液艙與舷外海水間壓力差測(cè)量，液位變送器高、低壓端口分別連接試驗(yàn)液艙的底部和頂部，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)液艙內(nèi)液位測(cè)量。主機(jī)通過(guò)控制進(jìn)氣閥、排氣閥，對(duì)試驗(yàn)液艙實(shí)施進(jìn)氣加壓和排氣減壓，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)液艙與假海之間的壓力差控制。傾角傳感器安裝于傾角調(diào)節(jié)平臺(tái)的測(cè)量平面，可測(cè)量平臺(tái)的縱橫傾角度。

陸上試驗(yàn)的主要內(nèi)容為：通過(guò)水泵或注水閥改變?cè)囼?yàn)液艙的水量，檢查本系統(tǒng)靜態(tài)水量測(cè)量以及注排水期間水量測(cè)量的準(zhǔn)確性；通過(guò)傾角調(diào)節(jié)平臺(tái)模擬縱橫傾，檢查本系統(tǒng)在縱橫傾期間水量測(cè)量的準(zhǔn)確性；通過(guò)假海模擬艙模擬舷外深度變化，檢查本系統(tǒng)壓力差控制功能的正確性。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的水量測(cè)量及壓力差控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水下平臺(tái)不規(guī)則密閉液艙內(nèi)部水量的準(zhǔn)確測(cè)量，并可將舷外海水與液艙內(nèi)之間的壓力差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，可提高液艙與舷外之間交換水量的控制精度，從而為水下平臺(tái)的浮力調(diào)整及不平衡力矩調(diào)節(jié)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文介紹的水量測(cè)量方案及單片機(jī)測(cè)控電路系統(tǒng)具有一定的通用性，可適用于石油、化工、冶金等行業(yè)不規(guī)則液艙水量測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合。

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Research on tank water volume measurement and pressure difference control system of underwater platform

YANG Shi-rong

(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

A water volume measurement and pressure difference control system is introduced.The system can be used for water volume accurate measurement in the irregular water tank of underwater platform and control the pressure difference between water tank and outboard.The water volume measurement scheme which is presented can reduce the measurement error caused by the irregular shape of tank, liquid surface fluctuation during water inflow and outflow and trim and heel of underwater platform.The pressure difference control scheme can use the compressed air in the underwater platform to make the pressure difference keep in the setting range.The overall scheme of the system, the technical scheme of software and hardware and the demonstration testing on land are highlighted.The results indicate that the system can provide technical foundation for the buoyancy adjusting and unbalance torque regulation of underwater platform.

underwater platform; tank; water volume measurement; pressure difference control; demonstration testing on land

2015-03-30；

2015-04-20

陽(yáng)世榮(1980-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0030-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.007