船舶動力裝置溫度傳感器原位檢測技術研究

錢 超，王艷武，曹書棟

(1.海軍工程大學 艦船與海洋學院，武漢 430033；2.武漢東湖學院 機電工程學院，武漢 430212)

船舶動力系統對各種工作條件(如柴油機滑油溫度、冷卻水溫度等)具有一定要求，同時為了保障安全運行和正常工作，需要對其工作狀態(如柴油機滑油溫度、缸內爆炸壓力等)進行監控，為此安裝了數量眾多的傳感器。這些傳感器是否正常工作，直接影響動力系統乃至船舶航行的安全。目前，這些傳感器沒有專用檢測儀器，維修保障全憑技術人員經驗，采用的檢測方法也是傳統的離線檢測方法，即將被測傳感器從儀器上拆卸下來，使用專門的儀器設備進行離線檢測，以判斷其功能是否正常，參數是否正確。但這樣的檢測方法，往往需要關閉部分甚至整個動力裝置，影響船舶的正常運行；同時在拆卸、安裝的過程中不可避免的還會產生機件磨損和人為故障。為了解決上述問題，有必要在對船舶動力系統各種傳感器技術資料充分消化吸收的基礎上，研究新的傳感器檢測方法，實現在不影響動力裝置正常工作的情況下，對重要傳感器的工作狀態進行檢測，解決檢測、修理手段不足的問題，滿足船舶在航修理的需求。

原位檢測是指對被檢測對象在其原來的安裝、裝配位置或生態組織上，進行的檢查與測試[1]。這種技術廣泛應用在各領域，具有快速、方便、有效的特性，是現代檢測技術的重要組成部分[2]。如郭建章[3]對盾構機液壓系統原位檢測方法進行研究，利用開發的虛擬儀器檢測系統實現對盾構機原位檢測；陳細濤[4]對航空薄葉片原位檢測方法進行理論和實驗研究，通過搭建原位測量系統及數據云處理技術，進行航空葉片的原位檢測; 孫博文[5]針對發動機關鍵零件篦齒盤裂紋進行原位檢測技術研究，提出采用渦流原位檢測方法，進行該零件裂紋的原位檢測；王煒[6]挺針對被動雷達告警接收機原位檢測的工程實踐需求，進行了告警接收機原位檢測系統的研制，提出了一套完整的被動雷達告警接收機原位檢測方法；陰俊燕[7]將CCD接收裝置用于檢測光學參數，解決了裝甲裝備光學儀器無法實現原位檢測的問題。從上述研究來看，當前原位檢測技術主要應用于整臺設備或零部件性能、缺陷檢測，但對于大型系統或設備的傳感器檢測，則應用的較少，當前對傳感器的檢測，大多還停留在理論研究或離線檢測方式。如孟祥忠[8]、李良[9]開展了溫度傳感器檢測裝置研究，設計了一種基于Smith預估補償控制的便攜式溫度傳感器檢測裝置；劉月瑤等[10]針對飛行器液位傳感器校準技術開展研究，設計開發了針對某型飛機液位傳感器的校準裝置。

從當前的研究來看，針對船舶動力裝置傳感器原位檢測技術的研究則相對較少。為了解決上述問題，本文在對某型船舶技術資料充分消化吸收和傳感器原位檢測方法研究的基礎上，針對其動力系統關鍵傳感器的特點，開展動力裝置溫度傳感器原位檢測方法分析研究，為解決該船舶動力裝置傳感器檢測、修理手段不足問題，提高船舶保障能力提供技術支持。

1 船用動力裝置關鍵傳感器

如表1所示，為某大型船舶動力系統關鍵傳感器統計情況。從表中可見該船舶動力系統主要包含了滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器、輔冷泵水壓傳感器等18種傳感器。這些傳感器對于確保動力系統長期穩定、安全運行至關重要，因此我們稱之為關鍵傳感器。這些傳感器的性能將直接影響關鍵部位溫度、壓力、液位等關鍵參數的測量結果，進而影響動力系統安全。目前，這些傳感器僅有簡單的技術參數說明和部分接線圖表，缺乏相關的現場檢測設備，維修保障全憑技術人員經驗。采用的檢測方法是傳統的離線檢測方法，即將被測傳感器從儀器上拆卸下來，使用專門的儀器設備進行離線檢測，以檢測其功能是否正常，參數是否正確。但這樣的檢測方法，往往需要關閉部分甚至整個動力裝置，影響船舶的正常運行，同時在拆卸/安裝的過程中不可避免的還產生機件磨損和人為故障，直接影響整個系統正常運行。因此迫切需要開展這些關鍵傳感器原位檢測技術研究。本文則針對實際工作要求，開展動力裝置關鍵傳感器之一的溫度傳感器，開展原位檢測技術研究。

表1 動力系統關鍵傳感器

2 溫度測量方法

隨著科技的不斷更新發展，溫度測量技術發生著日新月異的變化。從測量原理上來看，當前對于溫度測量主要分為非接觸式與接觸式兩種。

2.1 非接觸式測溫

非接觸式測溫不接觸被測物體，不會對被測物體的溫度場產生干擾，響應速度快，適合測量高溫復雜環境下的物體，在產品質量控制和監測，設備在線故障診斷、安全保護及節約能源等方面發揮著重要作用。其特點是可應用范圍廣，但測溫精度差，易受周圍環境溫度影響。非接觸式多為輻射測溫、紅外測溫，并已發展有多光譜、熒光、光纖、激光發射、聲波測溫等許多的測溫方式，非接觸式測溫除了可以測量表面的溫度及其溫度分布，還可以測量整體環境的溫度。目前國內外應用最為廣泛的非接觸式測溫法是輻射測溫法。

2.2 接觸式測溫

接觸式測溫是將溫度傳感器直接放入待測儀器或待測環境中，待溫度達到平衡后進行溫度測量。特點是操作簡單，測量精度高。常見接觸式測溫方式有熱電偶、熱電阻、半導體等等。船舶動力裝置，對于溫度測量，基本上采取接觸式測溫方式。

3 溫度傳感器的原位檢測方法

該船動力系統溫度傳感器主要包括柴油機淡水溫度傳感器、柴油機汽缸溫度傳感器、滑油溫度傳感器、液壓油溫傳感器等。這些溫度傳感器都是TXA/1-1172、TXΚ/1-1172型船用熱電變換器，其額定靜態性能參數如表2所示，溫度測量范圍從-50～600 ℃。

表2 熱電變換器額定靜態性能參數

3.1 基于溫度梯度的管壁測溫方法研究

在管道外測量管道內流體溫度的方法，除了使用非接觸測量之外，還需根據溫度梯度的傳遞規律，利用測量的外壁溫度，反向推導管內流體的溫度。

考慮到船舶油、水等液體輸送管道實際結構特點，可以視管道為以二維穩態流動，建立網格模型如圖1所示。

圖1 管道網格模型

由于管道中的單相流體的流動是軸對稱的，為此對管道中的不可壓縮單相流體的流動和換熱建立了二維k-ε湍流模型。

管道材料和保溫層視為各向同性，依據傳熱學理論建立二維導熱方程[11]:

(1)

其邊界條件為

y=r1

(2)

y=rw

(3)

其中：k為導熱系數；rw為管道內徑；r0為外徑；r1為管道包有保溫層直徑；管道外環境溫度為T0；管道內液體溫度T1；管道與環境之間的對流換熱系數為h∞；管道內液體與管壁之間的對流換熱系數為h1。

假設環境溫度T0=298 K。管道模型幾何尺寸rw=0.183 5 m，r0=0.188 5 m，r1=0.248 5 m，L=20 m。分別對不同的管道內部液體溫度進行仿真計算，結果顯示管內平均溫度與管外壁面之間的溫差隨著內部溫度的升高而升高。設管內平均溫度T1與管外壁面溫度Tw的溫差為ΔT，則ΔT隨進口溫度T的變化曲線如圖2所示。

圖2 ΔT隨內部溫度T1的變化曲線

根據此對應關系可擬合出Tw與T1之間的關系式為

ΔT=T1-Tw=0.000 264T1.796 47+0.342 275

(4)

則管內平均溫度T1與管外壁面溫度Tw、進口溫度T之間的關系為

T1=Tw+ΔT=

Tw+0.000 264T1.796 47+0.342 275

(5)

3.2 溫度傳感器原位檢測實例分析

在上述船舶動力裝置溫度傳感器原位檢測方法分析的基礎上，開展實船動力裝置溫度傳感原位檢測。利用紅外熱像儀測量裝置表面溫度，根據前述理論分析方法，開展校核驗證。

測量采用HY-2001G紅外熱像儀，主要對象為某船的柴油機排煙溫度、冷卻水溫度和滑油溫度傳感器。HY-2001G紅外熱像儀主要技術指標如下：響應波段為8～14 μm；測溫范圍為-20～500 ℃，可擴展至2 000 ℃；溫度分辨率為0.07 ℃(30 ℃時)；空間分辨率為1 mrad；測溫精度為滿量程±2%；測溫量程為-20～40 ℃、0～80 ℃、50～200 ℃、100～500 ℃；視場角/最小焦距為17°/0.5 m。

根據測量對象表面粗糙度和材料的不同設置其發生率為0.93，分別測量了該船柴油機排氣管表面溫度、冷卻淡水管表面溫度和機帶滑油泵表面溫度。測量點均選擇在溫度傳感器安裝部位，以便于進行溫度傳感器的檢測校驗。如圖3所示，為測量的該船柴油機A列排氣管表面紅外熱圖。從圖中可見，傳感器附近表面最高溫度為350.7 ℃。而此時該傳感器測量的溫度為428 ℃，兩者相差77.3 ℃。

圖4和圖5分別是測量的該柴油機淡水冷卻水管和滑油泵表面紅外熱圖。從圖中傳感器布置位置表面溫度來看，其平均溫度分別為約為71.1 ℃和82.6 ℃。

圖3 A列排氣管表面紅外熱圖

圖4 柴油機淡水冷卻水管表面紅外熱圖

圖5 柴油機滑油泵表面紅外熱圖

根據前述理論計算公式，分別利用測量表面溫度，計算內部溫度，并與傳感器測量溫度進行比較校核，如表3所示，分別是測量表面平均溫度、計算管道內部溫度和傳感器測量溫度。

表3 柴油機各部分溫度值 ℃

依據測量表面溫度利用式(5)計算，獲得管道內部溫度分別是369.34 ℃、71.906 ℃和83.419 ℃，與傳感器測量的溫度誤差分別是13.71%、1.13%和1.11%。從數據來看，排煙管仿真測量的溫度明顯低于傳感器測量溫度，誤差較大，達13.71%；而冷卻淡水溫度和滑油溫度則是略高于傳感器測量溫度，誤差分別只有1.13%和1.11%。結合裝備實際情況來分析，冷卻水管惡化滑油泵表面均未覆蓋保溫層，而管道內液體直接與金屬表面接觸，金屬表面噴涂油漆層則認為是緊密接觸，對傳熱影響，可當作保溫層對待，因此測量計算結果與實際傳感器測量結果基本接近，所以該方法可以應用與這類溫度傳感器原位檢測。對于柴油機排煙管部分，則是因為外面覆蓋較厚的保溫層，保溫層外還有金屬層固定，因此對于傳熱影響較大，依據式(5)計算的結果相對誤差較大，還需進一步針對不同結構材料，對模型進行修正。

4 結論

針對動力系統實際管路結構，建立二維導熱模型進行數值仿真，仿真結果顯示管路表面與管路內壁溫差隨管內溫度的升高而升高；根據測量的表面溫度，利用仿真擬合曲線，進行內部溫度的檢測；基于溫度梯度和紅外測溫的實驗結果顯示：本文提出的船用動力裝置溫度傳感器原位檢測方法是可行的。對于無保溫層的管路溫度傳感器，建立的模型能準確的對傳感器進行原位檢測，對覆蓋較厚保溫層的溫度傳感器的原位檢測，還需結合設備結構和材料，對模型進行修正，但該方法理論上可行，具有較強的工程應用價值。