蔡 創(chuàng)，劉元東，許光祥，雷鵬華

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

船載便攜式水位突變預(yù)警儀研制

蔡 創(chuàng)，劉元東，許光祥，雷鵬華

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

針對因水電站黑起動等特殊運行工況引發(fā)的水位突變,使所在水域停泊的船舶易發(fā)生翻沉、擱淺等情況,開發(fā)并研制出了船載便攜式水位突變預(yù)警儀。該預(yù)警儀以單片機為控制核心,由溫度測試電路、超聲波發(fā)射接收電路、數(shù)據(jù)顯示電路及報警電路組成,可實時監(jiān)測船舶干舷高度、橫傾斜度及所在水域的水位變率。當(dāng)船舶所在水域水位發(fā)生突變且船舶干舷高度、橫傾斜度及水位變率中任一項或全部超過了安全限值,預(yù)警儀會自動發(fā)出警報,同時,將這3個值的變化情況及時反饋給船員,警示船員調(diào)整船舶姿態(tài),從而能更好地保證停靠船舶在水位突變情況下的安全。相對于傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng),該預(yù)警儀具有造價低、體積小、質(zhì)量輕、安裝簡便等優(yōu)點,可以廣泛應(yīng)用于水位突變預(yù)警及其所在水域行進或停泊船舶的安全監(jiān)控。

船載；單片機；超聲波傳感器；水位；預(yù)警儀

2015,32(11):136-140

1 研究背景

隨著我國水利水電建設(shè)的發(fā)展,越來越多的水電站不斷建成并投入使用。雖然水電站可調(diào)節(jié)河道枯期流量,并在一定程度上改善船舶的通航條件,但因其黑啟動、泄洪或關(guān)閘所導(dǎo)致的下游水位突然上漲或下降,會給下游船舶的航行、停靠、作業(yè)等帶來巨大的安全隱患,甚至可能引發(fā)事故。當(dāng)水電站下游水位發(fā)生突變而可能危及停靠船舶的安全時,如何采取有效措施將此隱患消除或?qū)⑵湮：Τ潭冉档偷阶钚?針對該問題,本文研制了船載便攜式水位突變預(yù)警儀。該預(yù)警儀安裝于船舶上,可實時地監(jiān)測船舶干舷高度、橫傾斜度及所在水域的水位變率,當(dāng)水位發(fā)生突變時,船員可以根據(jù)預(yù)警儀顯示的數(shù)據(jù)和給出的警示,及時調(diào)整船舶姿態(tài),從而能避免船舶發(fā)生翻沉、擱淺等危險。

在利用超聲波進行河道水位測量方面,國內(nèi)已有一定的研究成果,但其大部分是將超聲波水位儀固定于岸、壩或其它地方對河道水位進行監(jiān)測[1-6],其主要目的是為河流航道的規(guī)劃布置等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。將超聲波水位儀安裝在船舶上用于河道水位監(jiān)測及船舶安全監(jiān)測,目前還不多見。而船載便攜式水位突變預(yù)警儀的研制就彌補了這一不足。該預(yù)警儀因其造價低、體積小、質(zhì)量輕、裝載方便,可以廣泛應(yīng)用于各類船舶。

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)工作原理

船載便攜式水位突變預(yù)警儀裝載于船上,可實時對船舶所在水域水位進行監(jiān)測。預(yù)警儀會先通過超聲波傳感器將測得的水位信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)濾波、放大、整形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給單片機,再經(jīng)單片機對數(shù)字信號進行處理,最后得到船舶干舷高度、橫傾斜度及所在水域的水位變率。然后預(yù)警儀會通過數(shù)碼管顯示電路將船舶的傾斜度予以顯示,若水位變率、船舶的干舷高度及傾斜程度中有一項或全部超過了船舶安全限值,預(yù)警儀會發(fā)出警報,提示船員提前對船舶做好應(yīng)對措施,從而能更好地保證船舶安全。超聲波水位探頭的安裝原理,以及船舶干舷高度、水位變率、船舶傾斜度的計算原理如下。

2.1.1 超聲水位探頭安裝

如圖1所示[7],將超聲波水位探頭安裝于船舶左、右舷上。其中,左、右干舷安裝高度dL和dR及兩探頭中心間距S可直接量得。

2.1.2 干舷高度的計算

由超聲波水位探頭可測出水面距探頭的距離hL和hR,再由單片機按公式計算出左、右干舷高TL和TR:

圖1 船載便攜式水位突變預(yù)警儀測水位原理圖Fig.1 Schematic diagram of measuring water level by portable onboard pre-alarming apparatus

當(dāng)干舷高TL≥T0或TR≥T0或2者皆出現(xiàn)時(T0為船舶干舷高度安全限值),預(yù)警儀報警,船員可據(jù)此及時調(diào)整船舶姿態(tài)。

2.1.3 水位變率的計算

船載便攜式水位突變預(yù)警儀會連續(xù)不斷采集水位,同時會計算出設(shè)定的時間間隔Δt內(nèi)干舷高度的變化值Δh,并由單片機按公式計算出水位的變化速率u,即

當(dāng)實際水位變率u≥u0時(u0為船舶水位變率的安全限值),預(yù)警儀報警,船員可據(jù)此及時調(diào)整船舶姿態(tài)。

2.1.4 船舶橫向傾料度的計算

根據(jù)左、右干舷高TL和TR及探頭的安裝間距S,單片機可按公式計算出船舶的橫向傾角θ,即

當(dāng)實際橫傾角θ≥θ0時(θ0為船舶傾斜角安全限值),預(yù)警儀報警,船員可據(jù)此及時調(diào)整船舶姿態(tài)。

2.2 超聲波測水位原理

如圖2所示[8],本預(yù)警儀采用40A25TR-1型超聲波傳感器測水位,其測試原理是:通過脈沖信號激勵發(fā)射端發(fā)出超聲波信號,同時開始計時,超聲波經(jīng)過被測液面后,形成反射波,返回到接收端,接收端收到信號的同時停止計時,再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度可計算出超聲波傳播路徑的長度,從而得到探頭與水面之間的距離[9]。最后根據(jù)超聲波水位探頭的安裝高程,即可計算得到所測水面的絕對高程。

從圖2可見,探頭和水面之間的垂直距離為h,聲波從探頭到水面的傳播路徑長度為L,則有

圖2 超聲波測量水位示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring water level with ultrasonic wave

式中:v為超聲波在空氣中的速度(補償后)；t為傳播時間。從而可算得探頭與水面之間的垂直距離為

本系統(tǒng)中采用的是收發(fā)一體的超聲波探頭,所以收發(fā)端很近,即D很小,與h和L相比可忽略,h與L近似相等,即有

再設(shè)探頭的安裝高程為z0,由此便可獲得水位的絕對高程z,即

2.3 超聲波波速補償原理

因為超聲波的傳播速度容易受空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強等因素的影響,所以要得到更為精確的測量結(jié)果,還需根據(jù)實時的環(huán)境溫度,對超聲波的速度進行補償校正。因為溫度影響最大,所以預(yù)警儀主要考慮了空氣溫度對波速的影響。溫度T與波速v的關(guān)系為

可見,只要測得空氣溫度T,即可獲得較為準(zhǔn)確的超聲波速度。

預(yù)警儀采用以DS18B20溫度傳感器為核心的溫度測試電路來測量環(huán)境溫度,然后將實時采集的溫度值通過DS18B20的數(shù)據(jù)總線輸入單片機,從而實現(xiàn)對超聲波速度的校正。

2.4 系統(tǒng)安全限值的確定

對于不同的船舶,它們對應(yīng)的干舷高度安全限值、水位變率安全限值及橫向傾斜角安全限值是不同的,所以,這里要從船舶自身的穩(wěn)定性出發(fā)來分析不同船舶都普遍適用的安全限值確定方法。船舶的橫向截面如圖3所示,從圖中我們可以推導(dǎo)得出船舶在發(fā)生橫傾時的扶正力矩公式,過程如下:

在圖3中,WL為船舶傾斜前的水位線,W′L′為傾斜后水位線,G點為船舶的重心,A點為船舶傾斜前的浮心,A′為船舶傾斜后的浮心,P為重力,b為重心G在浮心A以上的高度,θ為船舶橫傾角。

由圖3可得船舶扶正力臂為

圖3 船舶橫傾橫截面Fig.3 Cross-section of ship inclination

從而可得到重力和浮力所形成的扶正力矩值,即

由扶正力矩M與橫傾角θ的關(guān)系式可以得到船舶的靜穩(wěn)曲線,如圖4所示。

圖4 船舶靜穩(wěn)曲線Fig.4 Curve of static stability of ship

由船舶的靜穩(wěn)曲線,可以看出當(dāng)船舶的橫傾角在達到θ0之前,船舶扶正力矩為正值,船舶可以靠扶正力矩恢復(fù)平衡；而當(dāng)船舶橫傾角達到θ0時,船舶的扶正力矩為零,說明此時船舶已經(jīng)沒有恢復(fù)平衡的能力,即當(dāng)橫傾角達到θ0后,船舶會發(fā)生傾翻[11-12]。從而我們可以根據(jù)各船舶具體的靜穩(wěn)曲線來確定船舶在停靠時其對應(yīng)的干舷高度、水位變化率及橫傾角的安全限值。

3 系統(tǒng)研制

研制的預(yù)警儀是采用DS18B20溫度傳感器實時采集溫度數(shù)據(jù),通過由P1.2管腳控制的數(shù)據(jù)總線輸入STC89C52單片機,單片機可按式(9)計算得到修正后的波速。然后預(yù)警儀會通過單片機P1.0管腳定時驅(qū)動555定時器同時分別向安裝在船舶左、右船舷的40A25TR-1型超聲波傳感器發(fā)出40 kHz的脈沖信號驅(qū)動傳感器發(fā)射端發(fā)出超聲波,同時單片機會觸發(fā)其內(nèi)的T0和T1計時器開始計時(其中T0為左船舷傳感器計時、T1為右船舷傳感器計時),當(dāng)發(fā)出的超聲波返回傳感器接收端后,超聲波接收器會將聲波信號調(diào)制為電壓信號,經(jīng)放大電路、濾波電路及比較電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,分別從P1.3和P1.4端口輸入單片機,單片機檢測到該信號后會分別暫停左、右船舷對應(yīng)計時器的計時。

得到2個計時后,單片機會自動按式(7)分別計算出左、右探頭距水面距離hL和hR,再分別按式(1)、式(2)計算出左、右的干舷高度TL和TR。若2個干舷高度有一個或都超過了安全限值,預(yù)警儀會通過P2.0端口觸發(fā)報警電路報警。單片機按式(4)計算得到船舶的傾斜度后,會從P0.0—P0.7端口經(jīng)譯碼器在數(shù)碼管上顯示,若船舶的傾斜度超過了安全限值,預(yù)警儀也會通過報警電路報警。

每當(dāng)單片機P1.3和P1.4都收到信號后,單片機都會重新計算獲得實時的波速并從P1.0管腳發(fā)出脈沖信號,同時2個計時器也會清零重新開始計時,如此不斷循環(huán)。計時器計數(shù)次數(shù)每達到10次,單片機都會計算出該10次前后總的干舷高度差和總的時間差,再按式(3)計算出水位的變率,若水位的變率超過了安全限值,預(yù)警儀會通過報警電路警示。

預(yù)警儀的具體工作原理流程如圖5所示。

圖5 船載便攜式水位突變預(yù)警儀工作原理流程Fig.5 Block diagram of working principle of the portable onboard pre-alarming apparatus

根據(jù)船載便攜式水位突變預(yù)警儀的工作原理流程框圖進行了程序設(shè)計,程序流程如圖6所示。

圖6 船載便攜式水位突變預(yù)警儀程序流程Fig.6 Program flow chart of the portable onboard pre-alarming apparatus

可以看出該預(yù)警儀的組成及程序計算過程相對來說是比較簡單的,但該預(yù)警儀與傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在它是一個便攜式的水位突變預(yù)警儀,其不僅質(zhì)量輕、體積小,而且造價低、安裝操作簡便,可被廣大普通百姓、漁民所接受。其次,預(yù)警儀考慮了溫度對超聲波波速的影響,且后續(xù)所有計算都是由事先設(shè)定的程序自動完成,因此船載便攜式水位突變預(yù)警儀的測量精度相對是較高的,可以廣泛應(yīng)用于水位突變預(yù)警及其所在水域行進或停泊船舶的安全監(jiān)控。

4 結(jié) 語

本文基于單片機的船載便攜式水位突變預(yù)警儀,實現(xiàn)了水位的實時采集、提取、處理及顯示,并可及時地發(fā)出警報,提示船員船舶處于危險狀況,基本實現(xiàn)了在河流水位突變情況下的預(yù)警。但在該預(yù)警儀的研制中沒有考慮外界空氣濕度、大氣壓強等可能會給預(yù)警儀測量帶來的誤差,所以預(yù)警儀測量水位的精度還有待進一步的提高,進而可與其它相關(guān)的補償系統(tǒng)組成更為嚴(yán)密的船載水位突變預(yù)警系統(tǒng)。

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(編輯:陳紹選)

Developing of Portable Onboard Apparatus for Pre-alarming the Abrupt Change of Water Level

CAI Chuang,LIU Yuan-dong,XU Guang-xiang,LEI Peng-hua
(School of River and Ocean,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

If water level changes abruptly in specific operating conditions such as power plant's black start,ships are prone to be capsized or stranded.In light of these conditions,a portable onboard apparatus for pre-alarming the abrupt change of water level is developed.The apparatus consists of temperature testing circuit,ultrasonic transmitting and receiving circuit,data display circuit and alarming circuit,with singlechip as the control core.Using this apparatus,three values such as the freeboard height,inclination of ships,and the water level change rate in the surrounding water area can be monitored instantaneously.When water level changes abruptly and one of the three values or all values exceed safety limit,the pre-alarming apparatus will automatically alarm and feedback the variations of these values to the crew in time,and alert the crew to adjust in order to ensure the safety of docked ships. Compared with traditional early warning system,it has many advantages such as low cost,small size,light weight, and easy installation.Finally,it can be applied to pre-alarming the abrupt change and safety monitoring of docked or navigational ships in the surrounding water area.

onboard；singlechip；ultrasonic sensor；water level；pre-alarming apparatus

TP274+.2；TP277

A

1001-5485(2015)11-0136-05

10.11988/ckyyb.20140395

2014-05-16；

2014-07-30

蔡 創(chuàng)(1968-),男,重慶市人,副研究員,從事小尺度船模及水工量測技術(shù)研究,(電話)13983819363(電子信箱)caichuang@sina. com。