CN101435788B - 基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统。传感器包括支座，在支座一端的凹部内固定有三根极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容；差动式圆柱电容与电路板中高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接。采用本发明传感器的监测系统能够检测电容传感器电容值的微小变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而对油液的污染度进行实时监测。

Description

基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统

技术领域

本发明涉及传感器及其监测系统，特别涉及一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统。 

背景技术

润滑油对于复杂机械设备的正常工作运转起着十分重要的作用，油液分析技术是机械设备状态监测与故障诊断中的一项重要技术。油液的污染度水平增加，预示着设备的使用状态及润滑油的性能将发生劣化，特别是当油液污染度快速增长时，意味着机械必须停机，否则将发生灾难性事故。油液污染度监测的方法很多，在线监测是近几年来机械故障诊断中油液分析技术的研究热点。国内外各大公司及研究机构研制了基于光纤法、电磁法、红外法、射线法、图像识别方法等各种物理原理及方法的在线油液监测传感器。但是，这些在线油液监测技术所采用的传感器，大多结构复杂、操作复杂、价格昂贵。尽管也有利用油液介电常数变化的传感器来来监测的油液水分含量的技术，例如Kavlico公司开发了介电常数监测的油液水分含量传感器，对水分含量进行半定量分析。美国Pall公司和美海航司令部也联合研制了新型薄膜聚合体电容水分传感器，可直接测量油液中水分的相对含量。但这种传感器不能对由于金属及非金属污染物导致油液污染的程度进行监测。主要原因在于对于油液监测来说，水分与油的介电常数差别很大，因此较为容易分辨；金属及非金属污染物与油液的介电常数差别没有水与油液的差别那样大，因此需要更高灵敏度的介电 常数敏感传感器以及更高精度的传感信号检测技术实现油液污染度的在线检测。 

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种可以监测油液污染程度的基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统。 

为此，本发明采用如下技术方案： 

本发明的基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座，在支座一端的凹部内固定有三根极柱分别为第一极柱、第二极柱、第三极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容(也称差动式圆柱电容传感器)；差动式圆柱电容与电路板连接。 

所述电路板包括高精度电容测量电路模块、测温晶极管、温度补偿模块，所述差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块。 

本发明的基于介电常数测量的在线油液监测系统，主要由上述传感器、微控制器、通信接口、主控计算机组成；高精度电容检测模块、温度补偿模块与微控制器电连接，微控制器电连接到通信接口模块，通信接口与主控计算机电连接。 

微小电容测量模块及温度补偿模块，用以检测并测量电容传感器电容量微小的变化，电容测量模块对电容测量精度有着极高的要求，采用微小电容测量模块实现微小电容变化量的测量； 

微控制器，控制微小电容测量模块的电容值测量、电容接入方式 选择等功能的底层控制以及与主控计算机之间数据的传输； 

通信接口，实现微控制器控制模块与主控计算机之间双向通信。 

主控计算机，实现友好的人机界面，用于在线油液监测器各类设置参数的输入以及测量结果的实时显示。 

本发明是针对油液中电介质介电常数的变化，而设计的一种对敏感电介质介电常数变化具有较高灵敏度的电容传感器。电容传感器作为探头可直接安装在被测设备的油路中，让含有污染物的油液流经此电容传感器，油液污染度的变化反映在油液介电常数的微小变化中，而电容中的受污染油液介电常数的微小变化，反映为电容传感器电容值的变化。由于油液中金属颗粒物一般都是微米级，小的几微米，大的几十微米，这样的颗粒物所引起的电容量的变化是极其微小的，一般只有皮法级。利用高精度、高分辨率的电容量测量电路及信号处理系统，检测出电容量的相对变化，可以反推出介电常数的变化，从而通过后续软件处理，建立电容值的微小变化与油液介电常数之间的映射关系，进而对油液的污染度进行实时监测。 

本发明的特点在于：通过监测油液介电常数的变化实现油液污染度的在线监测，传感器不仅能够用于测量相对介电常数比较大的油液中水分的含量，而且由于采用了高精度、微小电容变化量检测模块及信号处理系统，能够检测电容传感器电容值的微小变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而对油液的污染度进行实时监测。本发明对于提高复杂机械设备运行的稳定性、可靠性，实施视情维修与预防维修，降低维护费用，减少事故的发生具有重要的意义。 

下面结合附图进一步说明本发明系统的技术方案。 

附图说明 

图1是本发明电容传感器的结构示意图。 

图2是本发明的在线油液监测系统原理框图。 

图3是电容传感器中差动式圆柱电容。 

图4是本发明中高精度电容检测模块原理框图。 

图5是本发明系统中主控计算机信号处理软件模块流程。 

图6是新油样中电容传感器单端模式测量结果 

图7是新油样中电容传感器差动模式测量结果 

图8是五种油样电容传感器电容值检测结果 

具体实施方式

见图1，基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座3，在支座3一端的凹部4内用螺纹连接固定有三根极柱1分别为第一极柱101、第二极柱102、第三极柱103，在另一端的腔室5内用螺钉固定有电路板4，所述电路板4包括高精度电容测量电路模块、测温晶极管、温度补偿电路，腔室4由后盖6封闭；以第一极柱101、第二极柱102为两极构成第一电容C₁，以第三极柱103与第二极柱102为两极构成第二电容C₂，以第二极柱102作为公共极，将上述第一电容C₁和第二电容C₂并联在一起，构成差动式圆柱电容(差动式圆柱电容传感器)；差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块。这种方式不但安装简单方便，各个极柱的位置精度易于保证，还可以起到缩短连接导线的作用。 

本发明的基于介电常数测量的在线油液监测系统如图2所示，主要由本发明传感器中的差动式圆柱电容、高精度电容检测模块、测温晶体管、温度补偿模块、及微控制器、通信接口、主控计算机组成； 系统具体连接如下： 

含有污染物的油液流经此差动式圆柱电容，油液污染度的变化表现为电容传感器电容值的变化。差动式圆柱电容通过输屏蔽导线连接到高精度电容测量模块，高精度电容测量模块负责测量差动式圆柱电容的电容值微小变化，测量精度可以达到4fF。高精度电容测量模块与微控制器的I²C接口连接，微控制器通过I²C总线实现对高精度电容测量模块的复位、启动、停止、单端电容模式与差动电容模式切换等行为的控制，并接收高精度电容测量模块的电容检测数据。由于温度的变化会引起油液介电常数的微小变化，导致电容传感器电容值的微小变化，因此需要通过测量油液温度对差动式圆柱电容的测量值进行温度补偿。测温晶体管安装固定在油路中，测温晶体管连接到温度补偿模块，温度的变化反映为晶体管结电压的变化，温度补偿模块通过检测测温晶体管的结电压得到实际的油液温度，测温范围-35-125℃，精度±1℃。温度补偿模块连接到微控制器，微控制器通过I²C总线实现对温度补偿模块的控制，并接收温度补偿模块测量得到的油液温度数据，用于对差动式圆柱电容的电容值实施温度补偿。微控制器连接到通信接口，通信接口与主控计算机连接。主控计算机通过通信接口与微控制器的通信，实现各类在线控制监测命令的发送、测量数据的接收及后续的信号处理等功能。 

所述技术方案中所述通信接口，根据实际需要，综合考虑传输距离、传输速率、布线难易等因素，可以选择RS485接口、RS232接口、USB接口、红外接口、蓝牙接口等，由于这些通信接口都有成熟的技术与产品支持，不再赘述，本发明实例实现采用的是USB接口。 

电容器电容量的大小是由形成电容的两导体的几何空间结构以 及电容电介质的介电常数决定的。对于空间同一平面内长度为L、半径为a的两平行圆柱体，当轴心距离为b时，见图3，两圆柱体之间的电容C根据电磁学理论可以近似表示为： 

$C=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln \left(\frac{b+\sqrt{b^2-4a^2}}{2a}\right)}L$

当油液在电容器C₁和C₂的极柱间流过时，油液介电常数的变化表现为电容器C₁和C₂电容值的变化。单端模式时，传感器输出电容为两电容器中一个电容器之值。差动模式时，传感器输出为两电容器电容之差，即C＝C₁-C₂，电容测量模块可以实现单端/差动两种测量模式之间的切换。单端模式时，通过测量电容器C₁或C₂的电容值就可以得到油液介电常数，对油液的污染度进行监测。差动模式时，如果电容器所处环境中介质均匀稳定，则两并联电容器电容之差稳定，接近为零；如果混合油液不均匀，则油液流经电容传感器时，所测得的差动电容值会不稳定，随着油液不均匀情况而变化，因此在差动模式下可以对油液中污染物分布的不均匀程度进行监测。 

高精度电容测量模块如图4所示，由24位∑-Δ调制器、时钟脉冲发生器、基准电压源、激励方波发生模块、逻辑控制单元、模拟开关、数字滤波器及I²C接口等组成。单端电容输入、差动电容输入通过屏蔽导线连接到模拟开关的输入端，模拟开关的输出连接到24位∑-Δ调制器，调制器输出连接到二阶数字滤波器。基准电压源连接到24位∑-Δ调制器，给调制器提供参考电压、时钟脉冲发生器同时连接到24位∑-Δ调制器与激励方波发生模块，为两者提供时钟脉冲。微控制器的一路控制端口连接到激励方波发生模块，控制激励方波发生模块产生高频方波。所产生的高频方波一方面作为激励施加到单端模式及差动模式下的输入电容器，另一方面，出于减少噪声干扰的考 虑，激励方波发生模块产生的高频方波还施加到单端电容输入的连接屏蔽导线上。微控制器的一路控制端口连接到逻辑控制单元，逻辑控制单元输出分别连接到模拟开关和24位∑-Δ调制器，逻辑控制单元在微控制器的控制下，负责选通模块开关，完成单端电容模式与差动电容模式的切换以及24位∑-Δ调制器的启动和停止。 

差动式圆柱电容变化量利用24位∑-Δ调制器来检测，24位∑-Δ调制器通过切换固定的电容，并平衡可变电压输入和固定的电压基准输入之间电荷来实现的。24位∑-Δ调制器输出数字脉冲信号，输入到二阶数字滤波器进行滤波处理，数字滤波器输出连接到I²C接口芯片，I²C接口连接到微控制器的相关端口，完成与微控制器的通信。 

微控制器完成与主控计算机的通信，控制电容转换模块的转换，获取电容转换结果。图5为微控制器的软件流程图，描述如下： 

微控制器上电完成一系列初始化工作，依次完成USB接口初始化，I²C接口初始化，高精度电容测量模块复位等工作。然后微控制器进入等待接收主控机命令状态。当接收到主控机发送的命令时，进入相应的命令处理程序。如果微控制器接收到的主机命令是电容模块工作方式设置命令，则根据命令参数设置电容转换采样频率、方波激励电压以及设置电容是单端还是差动转换模式，然后回应主控机命令，进入等待接收主控机命令状态。如果微控制器接收到的主机命令为实时电容/温度测量命令，则微控制器向高精度电容测量模块发送单点电容转换命令，向温度补偿模块发送单点温度转换命令，等待转换结束，微控制器读取转换结果，并将转换结果传送给主控机，回到等待主机命令状态。如果微控制器接收到的主机命令是定采样点数温度/电容测量命令，则首先读取命令中的采样点数参数，然后启动电 容/温度转换命令，等待转换完成，微控制器读取转换结果，并将转换结果传送给主控机，最后同样回到等待主机命令状态。 

主控计算机主要功能为数据处理与分析。 

下面用一个具体实例来说明本发明的有益效果： 

准备五种不同污染度的润滑油样品，进行试验。油样(a)为全新润滑油，油样(b)为仅微量水污染的同类润滑油(体积＜1％)，油样(c)为仅微量铁粉污染的同类润滑油(铁粉直径为3-5μm)，油样(d)为稍少量铁粉污染的润滑油，油样(e)为柴油发动机的废用润滑油。 

油样试验前先用玻璃棒搅拌均匀，然后用传感器分别对五种油样进行检测试验。电容测量模式可以通过主控软件进行配置，首先把电容测量模式配置为单端模式，将传感器置于全新油样(a)中测量电容器C₁电容值，在环境温度20±1℃条件下，采样间隔62ms，采样1000点进行平滑，平滑值为2.4851pF，均方误差为0.0005pF，说明测量结果稳定性相当好，如图6再把电容测量模式配置为差动模式，其它条件不变，得到差动电容测量值为0.02567pF，如图7测量值非常接近零值，一方面是由于油样(a)是全新油液且油样均匀，另一方面也说明油液监测传感器对称性较好，具有较高的灵敏度。 

将传感器依次浸入另外四种待测油样进行试验，配置电容测量模式为单端模式，仅测量电容传感器中电容C₁的电容值，采样长度为1000点，数据分为10组，每组100个数据进行平滑，得到数据长度为10的单端模式下电容C₁测量值序列。油样(a)、油样(b)、油样(c)、油样(d)、油样(e)单端模式下电容测量变化曲线如图8所示。由图8可见，其中不同品质油液的电容变化曲线没有重叠。其中油样(e)由于是换下来的废油，污染度最高，相对介电常数的变化最大，因此电容 变化量也最大。油样(b)中混有微量水，通常滑油的相对介电常数为2.3左右，而水的相对介电常数大于80，因此虽然加入只有不到1％的水，但电容变化已经非常明显。油样(c)加入了微量极微小的铁屑，油液的透明度并未见有太大变化，利用光学法来测量油液污染度的变化有一定难度。微量铁粉的加入，虽然使得油样(c)的相对介电常数有一定增加，但增加量很微小，实测电容变化只有0.01pf，由于采用了高精度电容测量模块，因此测出了0.01pf电容变化，仍然反映出油液污染度的差别。油样(d)加入了少量铁屑，使得相对介电常数较油样(c)发生更为明显的变化，电容的变化量也比油样(c)要大。 

以上结果说明本发明所提供的传感器能够敏感油液电介质的微小变化，高精度电容测量模块能够实现高精度微小电容值的稳定溅量，利用本发明提供的油液污染度在线监测传感器及其在线油液监测系统可以有效区分污染度不同的油样。 

Claims (2)

1.一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座，其特征是在支座一端的凹部内固定有三根极柱分别为第一极柱、第二极柱、第三极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容；差动式圆柱电容与电路板连接；所述电路板包括高精度电容测量电路模块、测温晶极管、温度补偿模块，所述差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块。

2.一种基于介电常数测量的在线油液监测系统，其特征是主要由传感器、微控制器、通信接口、主控计算机组成；所述传感器，包括支座，在支座一端的凹部内固定有三根极柱分别为第一极柱、第二极柱、第三极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容；所述电路板包括高精度电容测量电路模块、测温晶极管、温度补偿模块；差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接，高精度电容检测模块与微控制器电连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块，温度补偿模块电连接到微控制器，微控制器电连接到通信接口，通信接口与主控计算机电连接。

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