摘 要

柴油机自问世以来,经过一个世纪的发展,总体技术已经取得了很大的进步,在各个行业的动力机械中起到了不可替代的作用,也占据船舶动力中的统治地位"当前绝大多数船舶上的主机都采用柴油机"船舶柴油机是船舶运行的动力源,在船舶运行中有着不可替代的作用"柴油机在长时间的工作中,由于机械装置故障,轴瓦发热等原因引起曲轴箱局部严重发热,从而使滑油蒸发产生高温油气,油气冷却后形成油雾,过高的油雾浓度在高温环境下会导致柴油机曲轴箱爆炸,不仅造成经济损失,而且还会造成人身伤害。

1960年英国就研制出应用于船舶柴油机的曲轴箱油雾浓度探测器,随着船舶行业的发展,探测器的功能也在不断的改进,但仍然存在许多问题,如反应速度相对较慢；数字化程度低以及不能与全船监控系统通讯等,已经不能满足现代化船舶的要求"因此本文提出了一种基于DSP(Digital signal Processing)的油雾浓度探测器电路的设计方案,并做了相应的研究设计。

本设计参考传统油雾浓度探测器检测方法,油雾浓度探测器功能满足，《钢质海船入级与建造规范》的规定,完成了控制部分软硬件设计,并进行功能性试验验证。

本论文主要完成以下工作:

(1)分析引起船舶柴油机曲轴箱油雾浓度升高和和曲轴箱爆炸的因素和条件,包括设备故障曲轴箱温度和压力等方面对曲轴箱爆炸的影响;

(2)完成油雾浓度探测器硬件设计,包括主控电路设计，电源电路设计，CAN通信电路设计，同向放大电路设计，显示和报警电路设计;

(3)完成油雾浓度探测器电路软件设计,包括各种算法和模块程序,实现了《钢质海船入级与建造规范》对油雾浓度探测器的功能要求;

(4)完成程序编写和调试;

(5)在完成设计之后做了相关的功能性试验,实验结果达到了预期的要求。

关键词:船舶柴油机,油雾浓度,曲轴箱,电路设计

Abstract

Since the advent of diesel engines, after a century of development, the overall technology has made great progress. It has played an irreplaceable role in the power machinery of various industries, and it also occupies a dominant position in ship power. The main engines all use diesel engines. "Marine diesel engines are the power source for ship operation and have an irreplaceable role in ship operation." In the long-term operation of diesel engines, due to mechanical failures, bearing bush heating, etc. The lubricating oil evaporates to generate high-temperature oil and gas, and the oil and gas cool down to form oil mist. Excessive oil mist concentration will cause the diesel engine crankcase to explode in a high temperature environment, which will not only cause economic losses but also cause personal injury.

In 1960, the UK developed a crankcase oil mist concentration detector for marine diesel engines. With the development of the shipbuilding industry, the function of the detector is also constantly improving, but there are still many problems, such as the relatively slow reaction rate; digitization The low level and the inability to communicate with the entire ship monitoring system have not been able to meet the requirements of modern ships. Therefore, this paper proposes a design scheme for the oil mist concentration detector circuit based on DSP (Digital Signal Processing) and makes a corresponding study. design.

This design refers to the detection method of traditional oil mist concentration detectors. The function of oil mist concentration detectors satisfies the requirements of the “Code for Classification and Construction of Steel Seagoing Ships” and completes the design of the software and hardware of the control part, and performs functional test verification.

This paper mainly completes the following work:

(1) Analyze the factors and conditions that cause the increase of the concentration of oil mist in the crankcase of the marine diesel engine and the explosion of the crankcase, including the influence of crankcase temperature and pressure on the explosion of the crankcase;

(2) Completing the hardware design of the oil mist concentration detector, including the design of the main control circuit, the design of the power supply circuit, the design of the CAN communication circuit, the design of the amplifying circuit in the same direction, and the display and alarm circuit design;

(3) Completion of the software design of the oil mist concentration detector circuit, including various algorithms and module programs, and fulfilling the functional requirements of the oil mist concentration detector in the "Code for the Classification and Construction of Steel Seagoing Ships";

(4) Complete the programming and debugging;

(5) After completing the design, relevant functional tests were performed and the experimental results reached the expected requirements.

Key words: Marine diesel engine, oil mist concentration, crankcase。

目录

第一章 绪论 2

1.1 研究的目的与意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究目标 3

1.4 研究内容 4

1.5 本章小结 4

第一章 基本理论知识 5

2.1 柴油机油雾浓度对柴油机的影响 5

2.2 柴油机油雾浓度探测器的探测方法 6

2．3 本章小结 7

第三章 柴油机油雾浓度探测器电路设计 8

3.1Altium designer软件的使用方法 8

3.2柴油机油雾浓度探测器的整体方案 9

3.3 主要元器件选型 10

3.3.1主控制器的选型 10

3.3.2 DC-DC模块电源的选型 12

3.3.3 CAN隔离收发器的选型 14

3.4 主控电路设计 15

3.5 电源电路设计 17

3.6 CAN通信电路设计 17

3.7 同向放大电路设计 19

3.8 显示和报警电路设计 20

3.9 本章小结 21

第四章实验结果及分析 22

4.1 主程序设计 22

4.2程序编写与调试 23

4.3实验装置及实验结果分析 26

4.4 本章小结 27

第五章 结论与展望 28

5.1 结论 28

5.2 展望 28

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

• 1. 研究的目的与意义

柴油机自1897年问世以来,经过一个多世纪的发展,在这个发展过程中,总体技术已经取得了很大的进步,在各个行业的动力机械中起到了不可替代的作用,也占据船舶动力中的统治地位，在所有的沿海及内河船舶中,绝大多数船舶上的主机都采用柴油机;在远洋民用船舶中,2O00t以上的船舶以柴油机作为主机的船舶占总数的98%以上,占总功率的96%以上。

船舶柴油机是整个船舶的心脏,在船舶的运行中起着无可替代的作用，也正是由于这点,柴油机的安全性成为衡量柴油机总体性能的重要指标。柴油机工作时,曲轴箱的高温滑油会蒸发产生油气,这些油气在曲柄箱中与较冷空气混合形成油雾,油雾浓度过高会导致的柴油机曲轴箱爆炸。《钢质海船入级与建造规范》对船舶曲轴箱油雾浓度的检测和报警有明确的要求，1999年生效的《钢质海船入级与建造规范》规定/对于功率大于或者等于2250Kw的或者缸径大于300~的中高速柴油机,曲轴箱应安装油雾探测装置,当探测到油雾浓度高时发出报警并自动停车：对于功率大于或者等于2250KW的或者缸径大于30Omm的低速柴油机,曲轴箱应安装油雾探测装置,当探测到油雾浓度高时发出报警并降低转速。

船舶曲轴箱爆炸事故发生的概率较小,而一旦发生后果却又非常严重,不仅会造成严重的经济后果,而且有可能造成人身伤害。比如在上世纪50年代,内燃机船“瑞那德尔帕#西菲哥”0号发生曲轴箱爆炸事故,造成28人死亡。

近年来,曲轴箱爆炸的事故屡见不鲜,以MANBamp;W二冲程柴油机为例,发生多起爆炸事故。

表1-1 MANBamp;W二冲程柴油机曲轴箱爆炸事故统计

如表1-1所示,随着水运行业的发展,船舶数量的增加,从1995年到2003年,MANBamp;W二冲程柴油曲轴箱爆炸事故有增加的趋势，曲轴箱爆炸的原因多种多样,但绝大多数原因是由于机械故障导致曲轴箱油雾浓度过高,最终导致爆炸的产生。因此,对曲轴箱油雾浓度探测装置的研究是十分必要的。

• 1. 国内外研究现状

1960年,由英国首先研制出应用于船舶柴油机的曲轴箱油雾浓度探测器,命名为GRAVINERMK-4OILMTSTDETECOR这种探测器在很长一段时间内得到广泛应用,GRAVINER型的早期探测器率先采用检测油雾对光的阻光度的方法来检验油雾浓度的大小l10。这一方法简单可靠,一直沿用至今,被许多柴油机厂家采用，它通过抽风机的抽吸,把主机曲轴箱中几个采样点的的采样气体吸入一个检测管,检测管一端装有发光装置,光线穿过待检测采样气体到达测量室另一端的光电池,这样光电池检测到的光强度信号强弱就反映了油雾浓度的大小。

但是随着柴油机技术的发展和船舶整体性能的提高,对柴油机曲轴箱油雾浓度探测器的准确性和响应速度提出了更高的要求,以满足防爆的目的以及尽量避免柴油机发生严重的事故。早期的油雾浓度探测器已难以满足这一要求, 各厂家都就此要求作了改进,但其基本原理仍没有改变，如GRAVINERMARKS5,GRAVINERMARK6系列,以及DAIHATHU的MD系列(MD-9，MD-9S,MD-9L,MD-9M,MD-14M等等。与原来探测器相比,主要作了以下三点改进:一是光源的改进,传统的探测器采用白炽灯作为光源,波长范围大,新的探测器改用了单色红外线,用发光二极管产生单色光源,使光源更加稳定，二是检测管采用单管,减小了由于油气对双检测管污染而导致透光能力降低从而引起的测量误差，三是利用阀组控制油气的采集提高响应速度。目前,几乎所有的大功率柴油机上均配备了油雾探测装置,但在国内尚无自主研发的产品问世"在国外较理想的产品有SCHALLERAUTOMATION生产的VISATRONOILMISTDETECTOR。此型产品主要有如下三种系列:VN115/;VNll6/;VN215/;这种油雾浓度探测器在目前应用得较广泛。三种系列的产品功能虽然有所差别,但基本原理是一样的。

• 1. 研究目标

综合分析上述的情况,对比了各种产品的优缺点,可以看出对于油雾浓度探测器的研究情况如下:

(1)国外的油雾探测技术比较成熟,国内却没有什么进展性的突破;

(2)通常进口一套国外的设备要耗资很大的经济费用;

(3)传统的油雾浓度探测器都只用于一个面,GRAVINERMAR在船舶上的应用。基于上述存在的不完善之处,本课题的目标在于设计船舶大功率柴油机油雾浓度探测器的电路设计，并设计相关软件对电路进行实验。

• 1. 研究内容

本课题参考传统油雾浓度探测器GRAVINERMAR-4OILMTSTDETECO,分析了相应的功能,并在它的基础上进行了扩展和改进,主要完成以下工作:

(1)分析引起曲轴箱油雾浓度升高和爆炸的因素和条件,包括设备故障曲轴箱温度和压力等方面对曲轴箱爆炸的影响;

(2)完成油雾浓度探测器硬件设计,包括主元器件选型，主控电路设计，电源电路设计，CAN通信电路设计，同向放大电路设计，显示和报警电路设计;

(3)完成油雾浓度探测器软件设计,包括主程序设计,实现了《钢质海船入级与建造规范》对油雾浓度探测器的功能要求;

(4)在完成设计之后做了相关的功能性试验,实验结果达到了预期要求。

1.5 本章小结

本章主要分析了研发油雾浓度探测装置的必要性,首先说明柴油机的发展 情况,以及之后出现的柴油机曲轴箱的爆炸事故,接着叙述了国内外对于油雾浓度探测装置的研究情况和现状,对比了英国的GRAVINER公司生产的MARK系列产品,英国Quality Monitoring Instruments Ltd (QMI)公司生产的油雾探测系统-Multiplex Oil Mist Detecting System,円本大阪 Daihatsu Diesel Mfg (大发)有限公司生产的MD系列和德国SCHALLER AUTOMATION (沙勒自动化)公司生产的VISATRON系列产品的优缺点,以及国内国外研究现状的差别,由此引出了研发一套国内产品的必要性。最后在此基础上介绍了本次系统研究的目标和研究内容。

第二章 基本理论知识

2.1 柴油机油雾浓度对柴油机的影响

除了高温热源对油雾浓度的影响外,曲轴箱内的压力的大小以及温度的高低都对油雾浓度有一定的影响。

1.曲轴箱内的压力大小对油雾浓度的影响曲轴箱内的压力对油雾浓度的影响如图2-1所示,由这个图以看出,油雾浓度相对比较高的范围分布a点(180KPa左右)和b点(240KPa左右)之间,当压力在这个范围内时油雾浓度较高,此时比较容易引起曲轴箱的爆炸。

2.曲轴箱内的温度高低对油雾浓度的影响滑油的温度在达到20°C时就为蒸发准备好了条件,蒸发后形成的油气遇到冷空气会变成微小的油雾,这种油雾如果一直悬浮在空气中就会导致爆炸。

曲轴箱油雾浓度与温度的关系如图2-2所示,在图中可以看出在油雾温度超过200°C时,油雾就幵始蒸发,在温度达到27°C左右和350°C左右之间时就会引起曲轴箱的爆炸。

2.2 柴油机油雾浓度探测器的探测方法

目前在船舶曲轴箱上使用的油雾浓度检测报警装置产品有很多,但是油雾浓度测量方法总体上分为两类:一种是接触式测量;一种是非接 触式测量。接触式测量是先采集一定的油雾,然后根据体积、质量和浓度的关系,求出此时的油雾浓度。接触式测量的测量方式有:化学测量方式与物理测量方式。化学测量方式是使用化学的方法使油雾中的成分溶解,由此得到溶解前和溶解后的一个重量差,最后得出油雾的质量。物理测量方式是通过纤维滤膜对油雾进行过滤,油雾在通过纤维滤膜前后有一个质量差,由此可以计算出对应的油雾的质量。接触式测量精度不高、自动化程度差、容易受到干扰,所以一般不怎么使用此方法。非接触式测量又分为:电容测量和阻光度测量。电容测量是把要测的油雾送到电容的两极板之间(两极板间的介电常数的不同反应了油雾浓度的大小,由此可以得到不同的电容值),通过得到的电容值就可以求出油雾浓度值。电容测量法是一种新的测量方法,由于刚形成技术不太成熟,测量成本也比较高。此方法到目前还未得到广泛使用。阻光度测量是利用不同浓度的气体的透光率不同进行测量,采用的测量方式有光的透射和光的散射两种方式。光的透射原是指发射出的光在透过油雾后照射到接收端,透过的光量大小决定了油雾浓度的大小,如果油雾浓度越大,则透过的光量就越小,输出的光电流也就相应减小。光的散射原理是光透过油雾后散射的光的强度,光线在不均匀的介质中传播的时候,方向会发生改变,散开到空间立体角中。把探测装置安装在油雾空间中的某个位置,探测装置输出的光电信号的强度与其安装的位置和油雾的浓度有相应的关系,通过检测出的光电信号的大小就可以得出油雾气体的浓度,此方法又称为正前向散射单光路法。英国GRAVINER公司生产的MARK4油雾浓度检测器采用的是正前向散射双光路法,系统中使用了参照光路,在检测前要对被测光路进行零位校正和补偿,通常选用的参照的气体是空气或者是采样气体。英国Quality Monitoring Instruments Ltd公司生产的油雾浓度检测器米用的是侧向散射法。此方法所用的光路系统具有一个光源和两个探测器,把其中的一个探测器放在与光源所处位置的轴线平行的地方,当做补偿探测器,把另外一个探测器放在与光源所处位置的轴线成某一角度的地方(一般放在90°位置处)正前向散射双光路法与侧向散射法这两种测量方法的成本很高,而且补偿特性一般利用非接触式测量可以对油雾浓度进行实时在线检测,同时抗干扰能力强,自动化程度高,所以非接触式测量方法在对油雾浓度的检测中获得了广泛的应用。

2.3 本章小结

本章主要介绍了本次系统设计涉及到的基本理论知识,,首先叙述了与油雾浓度相关的温度和压力的影响因素,分析了曲轴箱油雾浓度的测量方法和相应的原理,通过这一章的介绍可以知道本次系统设计涉及到的有关于曲轴箱爆炸的各方面的理论知识,以便于对本系统有更为明确的认识。

第三章 柴油机油雾浓度探测器电路设计

在上一章，清晰地说明了柴油机油雾浓度探测器的工作原理，本章的重点是对柴油机油雾浓度探测器的硬件电路进行设计。首先简单概括了Altium Designer软件的使用方法，接着介绍了柴油机油雾浓度探测器的整体方案，然后对涉及到的元器件进行选型和介绍，最后对电路中的主控电路，电源电路及CAN通信电路进行设计。

3.1 Altium designer软件的使用方法

Altium Designer相比其他电子设计软件，具有操作简单、功能齐全和兼容性好等众多有点，是最受欢迎的EDA工具之一。Altium Designer主要是基于Windows操作系统的，是由Altium公司开发的一种用于电子产品的开发的系统。Altium Designer提供了原理图设计、印刷电路板设计、嵌入式开发、3D PCB设计等开发电子产品的必要功能。此外，它的工作面板能根据编辑环境的改变自动切换，以适应设计需要，大大地提高了设计者的工作效率和工作质量。

Altium Designer软件是基于Windows操作系统的应用程序，只需根据安装向导就可以完成全部安装过程。大致步骤如下：

1. 在官网上下载安装包，点击安装文件，自动进入安装向导。
2. 单击Next按钮进入安装许可协议页面，选择I accept the license agreement选项。
3. 单击Next按钮进入User Information页面，输入对应的用户名和单位名。
4. 单击Next按钮进入选择安装文件夹页面，可以选择默认的路径也可以自行选择安装路径。
5. 单击Next按钮进入Board-Level Libraries，选中Install Board-Level Libraries选项安装它。
6. 单击Next按钮进入Ready Install the Application页面。
7. 单击Next按钮进入Updating System页面，开始正式安装软件。
8. 一段时间后，弹出安装成功的页面，表示安装完成，单击Finish按钮关闭安装向导。

设计一个产品，必须从产品需求开始分析，必须要明确产品的使用场合和使用条件。设计PCB的流程框图如图3-1所示：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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