CN101655457B - 一种重载齿轮油污染度的检测方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种重载齿轮油污染度的检测方法及传感器，该传感器用于重载减速器齿轮油污染度的测量。传感器内嵌入减速器油箱，外套上腔壁有导油孔，传感器内芯有测量油池，测量油池两侧是光学玻璃，半导体激光器发出的光经过光纤以及光纤准直器变为平行光，从而将光线平行射入测量油池，能够满足嵌入式实时在线测量的要求，并且能够将传感器内芯取出，对测量油腔侧壁石英玻璃挡板进行清洁且不会导致油液泄露。基于光学原理选择了850nm作为测量波长，应用光纤测量技术，通过光纤准直器将光平行引入测量油腔，光纤穿过测量油腔后由硅光电池将光信号转变为电信号，与污染度等级对照表对照后便能够得出油液的污染度等级。

Description

一种重载齿轮油污染度的检测方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种重载齿轮油污染度的检测方法及传感器，是主要针对N320重载齿轮油固体颗粒污染度的传感器。

背景技术

传统的油液监测技术主要采用离线取样的分析方法。该方法不仅需要昂贵的精密仪器，且检测时间长。随着现代工业的发展，传统的油液监测技术不利于机械系统故障的早期诊断和预防。为了解决机械设备的实时现场监测与诊断问题，首要问题就是在线油液监测仪器的研制，而传感器是在线检测仪器的核心部分，因而传感器技术是首先要解决的技术。在线监测技术必须包括在线取样和在线分析两个内容。其通过安装在油液管路或内嵌入油箱中的传感器，利用光、电、磁学等手段采集设备的润滑油或工作介质的状态信息，分析油液携带的设备摩擦副的磨损和污染物颗粒及润滑油的污染指标，定性和定量地描述设备的磨损状态，找出诱发因素，并预测发展趋势。

根据传感器的工作原理不同，大体可以分为：压差及流量分析方法、电学方法、磁性方法、光学方法、声学方法等。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种重载齿轮油污染度传感器，一种N320重载齿轮油污染度传感器，其特点是能够内嵌入减速器油箱对其润滑油的污染度进行实时监测，通过设计适当的机械结构，能够定期将传感器的内芯拔出，并对其内部测量油腔侧壁玻璃板上面沉积的颗粒物进行清理而不会导致油液的泄露。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种重载齿轮油污染度传感器，其中包括传感器壳体组件、半导体激光器、光纤、光纤准直器、硅光电池，传感器外套上面有导油孔，传感器内芯部分有测量油腔，测量油腔两侧壁是石英玻璃。

所述的半导体激光器的波长为850nm，所述的光纤以及光纤准直器要与该波长配合。

一种重载齿轮油污染度传感器，密封套与外套上腔通过螺纹连接，外套上腔与外套下腔通过螺纹连接，外套上腔与第一内芯通过螺纹连接，第一内芯、第二内芯与第三内芯通过螺栓连接，第三内芯与第三内芯端盖通过螺纹连接，第一石英玻璃板与第二内芯之间为胶结，第二石英玻璃板与第三内芯之间为胶结；光纤通过光纤准直器的中心，硅光电池信号线的一端与外围仪器仪表的信号输入端连接，另一端与硅光电池输出端连接，光纤准直器与法兰盘通过标准接口连接，法兰盘与第一内芯通过螺栓连接，密封圈套在外套上腔的密封沟槽内，紧固螺栓为第三内芯的一部分，石英玻璃上部密封圈通过第一内芯压在第一石英玻璃板上，测量油腔位于第二内芯与第三内芯之间；通过导油孔与外部油液连接，硅光电池与第二石英玻璃板之间是胶接，定位套与第三内芯通过定位孔连接。

一种重载齿轮油污染度的检测方法，含有以下步骤：

传感器内嵌入减速器油箱，外套上腔壁有导油孔，传感器内有测量油池，测量油池两侧是光学玻璃，油箱中的待测油液通过外套上腔的导油孔进入内芯测量油室，半导体激光器发出的激光束经过光纤以及光纤准直器变为平行光，从而将光线平行射入测量油池，激光束穿过测量油池并照射在硅光电池上，根据油液污染度的不同，硅光电池感应出不同的电压信号，信号线从传感器内部导出到油箱外部，通过与标定的数据表进行对照判断油液的污染度，并以此作为换油依据。

本发明的工作原理如下：油液的浑浊度与其中的颗粒污染物总量有关，通过测定油液的浑浊度可以半定量地评定油液的污染度。由光散射原理可知：当一束光通过油液时，由于受到油液中磨损微粒以及污染物的吸收和散射作用，光通量或透光强度会减弱。

由Lambert-Beer定律可知：对某一稳定均匀油液，光的衰减程度与油液的厚度以及入射光的强度有关。透射法的原理：令一束光通过均匀介质传播，经过薄层dL后，强度从I减少到IdI，朗伯定律指出，

与吸收层的厚度成正比，即：

$\frac{\mathrm{dI}}{I}=-\mathrm{\τdL}---\left(1\right)$

其中τ为吸收系数，又称介质吸收率，它表明吸收介质单位厚度所吸收的入射光强的分数。若入射光强度为I₀，透射过油液的光的强度为I，油液的厚度为L，则：

I＝I₀e^-τL    (2)

这就是在均匀介质中朗伯定律的数学表达式。吸收系数τ是波长的函数。当介质为溶液时，比尔定律指出：溶液的吸收系数τ与其浓度c成正比，即：

τ＝ac        (3)

其中，a为与浓度无关的常数，它只决定于吸收物质的分子特性，由(2)、(3)可得：

I＝I₀e^-acL    (4)

上式即比尔定律的数学表达式。

当光线通过浑浊液体时，光被浑浊液体中悬浮物质吸收的量与液体中单位长度光波路程上的吸收分子数目成正比。因为单位长度上吸收分子的数目与液体的浊度C成正比，所以吸收率τ也就与浊度C成正比。吸收率τ的数值的大小，可以说明光波通过物质时光强损失的多少：

$\mathrm{\τ}=\mathrm{NKS}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\mathrm{NK}---\left(5\right)$

式中：K为消光系数，表征每个颗粒对入射光的散射量，是粒径、波长及颗粒相对于介质的折射率的函数；N为颗粒个数浓度，即指单位体积内的颗粒数；D为颗粒直径；S为颗粒迎光面积；

对于多分散颗粒系统，公式(4)可写作求和形式。对公式(4)求对数并用求和形式表示具有一定粒径分布的多颗粒系统，则可写作：

$\mathrm{Ln}\left(\frac{I_0}{I}\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D_i}^2{N}_{i}K(\mathrm{\λ},m,D_i)L---\left(6\right)$

式中：m为颗粒相对于周围介质的折射率；Ni表示直径为Di的颗粒个数；当用ρ表示颗粒的比重，则颗粒重量频度W与颗粒数目尺寸分布关系可表示为：

$W_i=\frac{\mathrm{\π}}{6}{D_i}^3\mathrm{\ρ}{N}_i---\left(7\right)$

将公式(7)代入公式(6)，在单一波长入射的情况下可得到公式(8)：

$\mathrm{Ln}\left(\frac{I_0}{I}\right)=C\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{W_i}{D_i}K(\mathrm{\λ},m,D_i)---\left(8\right)$

若用多波长则可将式(8)中的λ变为λ_j即可，j表示波长个数，C为常数。于是由式(2)和式(5)可知，对于单分散颗粒系统，当穿透厚度一定时，通过测量

就可以间接获得颗粒的重量浓度。

为了研制油污染传感器，首先采用重量法根据NAS1638污染度等级标准来配置不同污染度的油样，并用颗粒计数器对所配的油样进行试验标定，然后将标定后的油样加入传感器的测量油腔，测量出对应不同污染度等级油液的硅光电池的输出电压作为该种型号油样的标定数据表，按照该数据表便可测量出在用油液实时污染度等级。由于重载煤矿设备减速器齿轮油大多使用N320润滑油，因此本传感器暂时只针对N320润滑油进行检测，对于其他型号的油液只需按照同样的步骤进行特征信号提取即可。

本发明结构能够定期将内芯取出并对沉积在油池侧壁玻璃板上的颗粒进行清洗而不会引起漏油。

附图说明

图1为是本发明的结构示意图。

图中：光纤1，硅光电池信号线2，光纤准直器3(通过光纤与半导体激光器相连)，法兰盘4，第一内芯5，外套上腔6，密封套7，紧固螺母8，密封圈9，紧固螺栓10，第一石英玻璃板11，石英玻璃上部密封圈12，测量油腔13，第二石英玻璃板14，硅光电池15，外套下腔16，定位套17，第三内芯端盖18，第二内芯19，第三内芯20。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

结合附图，具体说明本发明的具体实施例。

如附图1所示：本发明包括传感器壳体组件的光纤1，硅光电池信号线2，光纤准直器3(通过光纤与半导体激光器相连)，法兰盘4，第一内芯5，外套上腔6，密封套7，紧固螺母8，密封圈9，紧固螺栓10，第一石英玻璃板11，石英玻璃上部密封圈12，测量油腔13，第二石英玻璃板14，硅光电池15，外套下腔16，定位套17，第三内芯端盖18，第二内芯19，第三内芯20。

其中，密封套7与外套上腔6通过螺纹连接，外套上腔6与外套下腔16通过螺纹连接，外套上腔6与第一内芯5通过螺纹连接，第一内芯5、第二内芯9与第三内芯20通过螺栓连接，第三内芯20与第三内芯端盖18通过螺纹连接，第一石英玻璃板11与第二内芯19之间为胶结，第二石英玻璃板14与第三内芯20之间为胶结。

光纤1通过光纤准直器3的中心，

硅光电池信号线2的一端与外围仪器仪表的信号输入端连接，另一端与硅光电池输出端连接，

光纤准直器3与法兰盘4通过标准接口连接，

法兰盘4与第一内芯5通过螺栓连接，

紧固螺母8与紧固螺栓10连接，

密封圈9套在外套上腔6的密封沟槽内，

紧固螺栓为第三内芯20的一部分，

石英玻璃上部密封圈12通过第一内芯5压在第一石英玻璃板11上，

测量油腔13位于第二内芯19与第三内芯20之间；通过导油孔与外部油液连接，

硅光电池15与第二石英玻璃板14之间是胶接，

定位套17与第三内芯20通过定位孔连接，

在安装传感器时，在减速器油箱侧壁开口，将组装好的传感器穿过开口并通过螺栓固定在油箱侧壁。传感器组件由三个主要部分组成：密封套、外套与内芯。外套由外套上腔与外套下腔组成。在组装传感器时，首先将外套下腔穿过密封套与其通过螺纹相连，而后将外套下腔与外套上腔相连，后将传感器内芯旋入传感器外套。这样就完成了传感器的安装。在进行测量时，油箱中的待测油液通过外套上腔的导油孔进入内芯测量油室，测量油室两侧是石英玻璃，激光束穿过油室并照射在硅光电池上，根据油液污染度的不同，硅光电池感应出不同的电压信号，信号线从传感器内部导出到油箱外部，通过与标定的数据表进行对照即可判断油液的污染度，并以此作为换油依据。

传感器经过一定时间的使用，会有沉淀物沉积在石英玻璃表面给测量结果造成影响。由于石英玻璃在内芯中构成测量油腔，因此内芯应该能够自由取出，并且在取出过程当中不会导致油液的泄露。为了达到此目的，特别设计了传感器的外壳结构，具体操作过程如下：当需要取出内芯进行清洗时，首先转动外套并将其向外旋转，直到外套下腔与密封套相接触，此时便将导油孔与油箱的油液隔开，而后向外旋转内芯直至将其拔出。待清洗完之后，将内芯重新插入外套并旋转拧紧，而后向内旋转传感器外套，使密封套与外套下腔分离，从而将导油孔重新露出，油液进入测量油腔便可继续进行测量。

Claims (2)

1.一种重载齿轮油污染度传感器，其特征是：传感器内嵌入减速器油箱，外套上腔壁有导油孔，传感器内有测量油池，测量油池两侧是光学玻璃，半导体激光器发出的光经过光纤以及光纤准直器变为平行光，从而将光线平行射入测量油池；

光电转换元件为硅光电池；

密封套与外套上腔通过螺纹连接，外套上腔与外套下腔通过螺纹连接，外套上腔与第一内芯通过螺纹连接，第一内芯、第二内芯与第三内芯通过螺栓连接，第三内芯与第三内芯端盖通过螺纹连接，第一石英玻璃板与第二内芯之间为胶结，第二石英玻璃板与第三内芯之间为胶结；光纤通过光纤准直器的中心，硅光电池信号线的一端与外围仪器仪表的信号输入端连接，另一端与硅光电池输出端连接，光纤准直器与法兰盘通过标准接口连接，法兰盘与第一内芯通过螺栓连接，密封圈套在外套上腔的密封沟槽内，紧固螺栓为第三内芯的一部分，石英玻璃上部密封圈通过第一内芯压在第一石英玻璃板上，测量油腔位于第二内芯与第三内芯之间；通过导油孔与外部油液连接，硅光电池与第二石英玻璃板之间是胶接，定位套与第三内芯通过定位孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种重载齿轮油污染度传感器，其特征是所用的半导体激光器的波长是850nm。

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