CN101583870A - 监控流动液压流体中颗粒污染的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种监控流动液压流体中颗粒污染的设备，包括用于颗粒计数和测定颗粒大小的装置。此外，一种监控流动液压流体中颗粒污染的方法，包括确定(A，B)流体流速、计算固定时间段内通过光垒(4)的液压流体中的颗粒数；通过使用一个范围内的不同触发电平获得颗粒大小分布的步骤。所述监控设备可以嵌入A/C液压系统，从而能够利用根据本发明的方法在线监控正常飞行操作期间或在地面上流体品质的退化。另外，本发明的解决方案有助于降低A/C维护的成本，并且由于可以战略安排必要的维护行为从而增加了A/C利用率。

Description

监控流动液压流体中颗粒污染的装置和方法
技术领域
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的监控流动液压流体中颗粒污染的装置和如权利要求7所述的监控颗粒污染的方法。
背景技术
液压流体的品质对于保证飞行器中安全-关键子系统(例如襟翼、缝翼、飞机起落架等等)的正确操作是至关重要的。液压流体的污染会严重地损害液压系统中的机械构件。因此，在各级维修中需要严格的污染控制以确保飞行安全和最为充分的液压系统准备。
存在于液压操作系统中的污染通常源自若干不同的根源。维修不当引入大量外部污染。磨损和化学反应也是液压系统污染的因素。污染物类型通常被分为有机的、金属固体、非金属固体、外来流体、空气和水。
有机固体由磨损、氧化或聚合产生。O型圈、封条、垫圈和软管的细小颗粒由于磨损或化学反应而出现。
金属污染几乎始终存在于液压系统中。这些颗粒是裸金属部分和电镀材料(比如银和铬)的磨损和划痕的结果。
无机或非金属固体包括灰尘、油漆颗粒、污垢和硅酸盐。这些颗粒经常被从外部源头吸入液压系统中。断开的软管、管道和零件是入口。液压活塞杆潮湿的表面也可能使一些污染物通过压力密封圈并吸入液压系统。
溶解的、吸入的或游离浮动的空气污染物会对液压系统有不利影响。吸入空气的液压流体会导致泵汽蚀引起的严重的机械损伤、系统压力损失、或放缓或不稳定的飞行操纵运动。
水是液压系统严重的污染物。溶解的、乳化的或游离的水会导致结冰或金属表面的氧化或腐蚀产物。
外来流体通常是在维修期间无意中引入液压系统的润滑油、发动机燃料或不恰当的液压流体的结果。除了水以外的外来流体的影响取决于污染物的性质。结构材料的兼容性、与液压流体和水的反应、以及可燃性和粘度的变化都会受到影响。这种污染的影响可能是轻微的或严重的，取决于污染物、数量(量)以及它在系统中存在的时间长短。
油中的污染物根据颗粒计数来确定。使用两个基本方法：基于激光的颗粒计数分析设备直接给出粒径信息(微米＝μm)和特定尺寸范围的图。另一个方法通过极细孔的滤纸来过滤油样。滤纸表面的颗粒随后在显微镜下监控，并与标准污染图象对比从而表明污染程度。
取代确定颗粒计数，污染物被分成两个主要体系ISO(国际标准化组织)和NAS(领空标准)中定义的级别。每个级别在指数标度内限定数量的范围。不幸地，这两个体系不一致并且不能简单数学转换。但是可以给出一些简单的导向。首先让我们看一下这两个体系。
NAS体系将颗粒分为5个范围。此外，NAS体系在每个颗粒范围中指定不同的数量以划定特定级别。实际上，油样显示出在不同的颗粒范围获得几乎相同的NAS级别。该体系的目的是为了匹配大多数常见的实际上具有许多小颗粒和少数大颗粒的污染物。例如，典型的油品分析具有分为5个级别的计数。根据NAS1638得到的NAS级别规定为颗粒数为最高(坏)分数(score)，并且只指定了这个级别。
目前液压流体的品质通常离线监控。在A/C维修期间，从液压系统抽出流体样品并由离线实验室设备评定它们的品质。这个过程费时并且昂贵。要根据固定的计划而不是根据需要采取必要的维修动作。
US4,323,843公开了一种检测流体(如引擎传动装置润滑剂)中铁污染物的仪器。所述仪器具有两个间隔分开的电极、在电极之间延伸的磁通量(磁力线基本是直线)，当金属颗粒被吸到磁通量并形成电极跨越桥从而形成一个电极到另一个电极之间的导电通路时，电极被连接至用于发出信号的电路。优选地，传感器是一个中空塞子(其在使用时被旋拧在一个变速箱壳的口上)，并且具有与箱内润滑剂接触的平坦侧壁。塞子包括两磁极都面向塞子侧壁的磁铁，侧壁的一部分作为一个电极。一铁磁性圆盘安装在塞子侧壁外部，并与其电绝缘，覆盖磁极。该圆盘作为第二个电极并且用来引导磁通量直线穿过电极之间的间隙。电极可以连接到电路装置，由此能够检测电极间阻抗的变化。这个检测装置的主要缺陷是只有铁类的污染物可以被检测。因此相对于所作努力和占用的花费，效率是非常有限的。
US 5,754,055描述了一种润滑/液压流体工况监控器，其中在流体管路上放置共轴微波谐振器以确定化学性质的变化，并显示碎片浓度。微波辐射被用于共振器以测量共振频率和共振器Q值。当测量共振器性质时，外部驱动电场或磁场被用来交替地排列和移动流体中的碎片。逻辑单元自动地产生共振频率和Q值对照谐振腔模式和外部场强度的表格。这组表格组成流体状况的指纹图谱。将这些指纹图谱与一组在已知条件下测量的指纹图谱相匹配，确定流体的状况。由氧化或水的存在引起的流体介电常数的变化、由于轴承磨损引起的导电颗粒浓度和尺寸的变化以及粘度的变化都会影响指纹图谱；并且因此可以实时监控。在该发明的变形中，印刷在微波电路板上的集总电路共振器被用作传感器。在进一步的变形中，印刷在微波电路板上的传输线共振器被用作传感器。然而在另一个变形中，共振器是流体流动通过的集总电路波导结构。仍在另一个变形中，时域反射测量技术用在一端被浸于流体中的传输线中。这种解决方案的主要缺陷是利用微波频率会在飞行操作中产生问题。特别是在能遥控的自动驾驶仪系统附近，这些检测装置不能在飞行器操作期间使用。
US 4,013,953描述一种油光学监控器，其通过将光穿过油样并采集颗粒污染物在90°的散射光从而测量油中颗粒污染物，并根据光(基本上直线通过油)的衰减由第二光学传感器测量化学分解。样品和参照物交替地通过光响应传感器以校正和校准误差，从而每个传感器可以有在样品信号和参照信号之间交替的输出信号。样品和参照物收容在转子内部，转子具有叶轮从而使其可以作为泵由马达驱动或作为叶轮机由液流驱动。当转子用作叶轮机时，光响应传感器的频率与由叶轮机转数表示的液流速率相关联，从而为电路提供一个适当的响应频率尺寸以监控流体流动。将表示颗粒数的峰值检测器的峰值信号相加以提供与污染物的量对应的输出。该装置的主要缺陷是复杂的机械结构，其包括润滑油流动中的叶轮机样品转子作为主要结构部分。这可能会导致整个液压系统机械缺陷和故障。另外，已知解决方案不能提供粒径表征。最后，这些已知解决方案昂贵并且占用相对较大的空间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种监控液压流体中尺寸范围为0.1μm-100μm的小固体颗粒的装置，其可以避免现有技术中的缺陷。该监控装置应该能够嵌入A/C液压系统，以便在正常飞行操作期间或在地面上在线监控流体品质的退化。此外，本发明解决方案有助于降低A/C维护成本并增加A/C利用率。
这些目的可以通过具有权利要求1特征的装置和具有权利要求7特征的方法来解决。从属权利要求描述了有利实施方式。
根据本发明的监控流动液压流体中颗粒污染的装置，其特征在于它包括用于颗粒计数和测定颗粒大小的装置。根据本发明的装置允许在线监控液压流体中尺寸范围为0.1μm-100μm的含铁的和非铁的小固体颗粒，并避免现有技术中的缺陷。该监控装置可以嵌入A/C液压系统，以便在正常飞行操作期间或在地面上实时监控流体品质的退化。另外，本发明的解决方案有助于降低A/C维护成本，并且由于可以战略安排必要的维修行为增加了A/C利用率。为了估算测量信息，提供数据处理单元。数据处理单元包括模/数转换器、数据存储器和执行测试计算软件的CPU。为了验证数据，这种软件可以包括存储了NAS1638数据的数据库。根据本发明的装置有助于将飞行器A/C液压系统中的颗粒物质污染水平维持在可接受的水平，并确保构成液压系统的机械构件的最小退化。
本发明的优选实施方式的特征在于该装置包括光学传感器和流量传感器。光学传感器可以是光束直径为100μm的光电狭缝传感器。为了确定颗粒大小和颗粒数，可以使用光垒技术利用对颗粒传输的遮蔽效应来计算颗粒数和颗粒大小。
本发明的优选实施方式的特征在于提供两个或更多个具有不同光束直径的光学传感器。光束直径可以从10μm或20μm开始，变动到100μm或150μm。
本发明的另外优选实施方式的特征在于流量传感器是超声换能器。飞行操作中测量的液流是飞行器液压泵系统产生的，并由于特定的飞行情形可以不同。这特别会发生在不稳定的飞行情形(有时有高地球引力作用)。此外，为了能使用超声换能器，还应该测量流体温度以计算该流体中的声速。在地面上监控颗粒污染的情况下，可以将流速调节到已知值，这就使附加流速检测变得不必要。
根据本发明的监控流动液压流体中颗粒污染的方法包括以下步骤：
-确定流体流速；
-计算固定时间段内通过光垒的液压流体中的颗粒数；
-通过使用一个范围内的不同触发电平获得颗粒大小分布。
该方法可以有利地与监控流动液压流体中颗粒污染的装置一同使用，该装置包括用于颗粒计数和测定颗粒大小的装置。此外，应该提供数据处理单元从而允许存储和使用各自计算软件估算数据。
根据本发明的优选实施方式，重复颗粒污染测量从而推知可能达到临界污染水平的时间。用这种信息可以战略安排必要的维护行为，即和其它维护行为一起。
根据本发明的优选实施方式，信号大小和信号持续时间取决于颗粒大小。颗粒通过光学传感器触发的输出电压信号是可见的并可以根据形状(信号宽度)和信号振幅计算。
根据本发明的另一个优选实施方式，累积尺寸光谱和差分尺寸光谱被用于计算颗粒大小。这些计算结果可以使用按照NAS1638的统计数据来验征。
仍根据本发明的另一个优选实施方式，将可检测的粒径范围预置为10μm-100μm。这避免了将噪声信号错误判断为颗粒计数。
附图说明
本发明进一步的目的、特征和优点通过下面对附图所示的本发明的优选实施方式的详述将变得更加清晰，其中：
图1显示根据本发明的装置的优选实施方式的示意图；
图2a-c是根据本发明的装置的功能原理的解释性描述。
具体实施方式
如图1所示，监控装置1包括金属壳2，其包含一个或多个用于颗粒计数的光垒6和能够定量测量粒径的内置有温度传感器(未显示)的超声流量传感器A，B。
金属壳2被构造成具有大体为圆形截面的管道，并旁路主液压管。壳2因此可以具有图1中U形截面图。旁路流体F从左边垂直的U-柱进入壳2，并在壳2水平部分被引导，光垒6的光电传感器位于壳2中心。此外，超声换能器A位于壳2水平U形部分外部左端，超声换能器B位于壳2水平U形部分外部右端。流动液压流体F从监控装置1右边垂直U-柱离开并再次进入液压主管路。
两个光垒6以光路径4垂直于流体F流动方向的方式放置。光学窗口8将光发射体3和光学检测器5与流体F分开。光垒6包括光发射体3(在目前范例中是红光LED)和光检测器5(在该实施方式中是硅光电二极管)。光电二极管的敏感区由孔面积决定。
孔的尺寸被调节到最大粒径以使单个颗粒的遮蔽效应最佳。根据图1的优选实施方式中，左手边的光垒6比右手边的光垒6具有更大的光束直径。在该实施方式中，较大的光束直径是100μm，较小的直径是50μm。
光垒6利用光学窗口8与流体分隔开。在该实施方式中光学窗口是放置在流体输送管9相对侧的两个平面窗口。窗口由O型圈密封并由轮缘固定。LED发射体和光电二极管接收器被放置在轮缘的内部相对侧。
超声换能器A、B放置成与流体F流动共轴发射。温度传感器(未显示)与流体直接接触以提供流体温度测量。超声流量传感器包括2个既可以当作发电机G又可以当作超声波接收器R的压电换能器。两个发射器都沿着流体F流动方向共轴放置。两个换能器都与流体直接接触，借助于O型圈密封并固定在轮缘内部。
接下来，将要描述操作期间监控装置1的功能。利用光垒6检测与流体F一起漂流的颗粒，光垒6由一恒定电流7驱动。LED用作光源，光电二极管与LED发射器相对放置。光电二极管的敏感区由机械孔尺寸决定。在颗粒通过光垒6的情况下，可以检测到光电流的变化。光电检测器信号的峰高和峰宽取决于遮蔽颗粒的直径和其在流体F内的漂流速度，即取块于流体F本身的流速。
与光电检测器上的孔的尺寸相关的粒径决定着遮蔽效应的大小。大的孔径允许检测大颗粒，代价是小颗粒产生遮蔽效应太小以致于无法检测。具有较小孔的第二光垒6可以增加小颗粒的遮蔽效应，由此使它们可以被检测到。大于小孔直径的颗粒会被误认为是具有小孔直径尺寸的颗粒，并产生附加的错误计数。由于粒径光谱通常随着粒径增加快速下降，第二光垒6错误的计算数目是可以容忍的。
为了能够定量测量粒径，流体流速由两个超声换能器A、B测量，第一换能器A在与液流平行的方向发射，和第二换能器B与液流反平行的发射。两个换能器A、B都与流体直接接触。利用飞行时间测量原理测量流速。该原理利用从发射到接收换能器的声传播时间的差异(由于声音与液流方向平行或反平行发射)确定流速。飞行时间差异测量在图1左手侧和下部示出。超声换能器A、B作为发射器G或接收器R的功能可以由方向开关S切换。测量的逆流和顺流传播时间之间的时间差异就认为是液流速度测量。流体F中的声速取决于温度，为了补偿，需要用与流体F直接接触的单独的温度传感器测量流体温度。
图2a-2c是根据本发明的装置的操作原理的解释性描述。
图2a说明了以速度Vfl(流体流速)通过光垒传感器的单个颗粒P的遮蔽效应。在该实施例中粒径是dp，光电检测器上的孔径是Dw。用箭头示意性表示的LED用作光源，光电二极管与LED发射器相对放置。图2a中简图下方的图表表示随时间变化的电流，其中Δt＝dp/VfI。
图2b通过提供电路简图说明了光学传感器装置输出信号的产生。
图2c显示光学传感器输出信号示意图，其中小颗粒的输出信号用小矩形函数表示，且其中大颗粒的输出信号用大矩形函数表示。
必须提到的是小光束/小窗直径使遮蔽效应和输出信号最优化。
已经列出和描述了一些实施方式、改型和变化以阐述基本原理，并且可以预期根据本发明的精神和范围内的优选实施方式的发明特征可以用在更多的和广泛的不同应用中。
附图标记
1监控装置
2金属壳
3光发射器
4光路径
5光学检测器
6光垒
7恒定电流
8光学窗
9流体输送管
A超声换能器
B超声换能器
F流体
G发射器
P颗粒
R接收器
S方向开关

Claims (11)

1.一种用于监控流动液压流体中颗粒污染的设备，其特征在于：该设备(1)包括用于计数颗粒和测定颗粒大小的装置。
2.如权利要求1所述的监控颗粒污染的设备，其特征在于：该设备(1)包括光学传感器(6)和流量传感器(A，B)。
3.如前面任一权利要求所述的监控颗粒污染的设备，其特征在于，光学传感器(6)是光电狭缝传感器。
4.如权利要求3所述的监控颗粒污染的设备，其特征在于，光学传感器(6)具有100μm的光束直径。
5.如前面任一权利要求所述的监控颗粒污染的设备，其特征在于，流量传感器(A，B)是超声换能器。
6.如前面任一权利要求所述的监控颗粒污染的设备，其特征在于，提供两个或更多个具有不同光束直径的光学传感器(6)。
7.一种监控流动液压流体中颗粒污染的方法，所述方法包括下列步骤：
确定液流速度；
对固定时间段内通过光垒的液压流体中的颗粒计数；
利用一个范围内的不同触发电平获得颗粒大小分布。
8.如权利要求7所述的方法，其中重复颗粒污染测量从而推知可能达到临界污染水平的时间。
9.如权利要求7-8中任一项所述的方法，其中信号大小和信号持续时间取决于颗粒大小。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其中利用累积尺寸光谱和差分尺寸光谱来计算颗粒大小。
11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其中可检测的颗粒直径范围被预置为10μm-100μm。
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