CN103344535B - 油液金属磨粒在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的油液金属磨粒在线监测系统，包括传感器、微处理器和电路，其传感器为螺线管式电感传感器，其螺线管内为可以通过油液的油路；激励交流信号发生器连接两个完全相同的传感器的激励线圈，这两个传感器的感应线圈连接信号放大器，信号放大器后顺序连接RMS-DC转换器、AD转换器、微处理器和显示器，微处理器还分别连接键盘和报警器。该监测系统结构合理，对电感式传感器输出的微弱信号的监测灵敏度高，线性度好，抗干扰能力强，工作稳定可靠。操作方便，实时性好，测量精度高，监测结果准确可靠。可运用于军用和民用领域，包括各种飞机、舰船及汽车等机械设备的润滑系统的油液污染程度监测及故障监测诊断，避免各类发动机事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备状态监测，具体是其中的油液分析技术，更具体是油液金属磨粒在线监测系统。
背景技术
设备磨损失效是最常见的失效形式，机械设备70%以上的故障与磨损有关，通过对油液的监测和分析所获得的参数能很好的判断设备的润滑磨损状态。它是近十几年来迅速发展起来的用于机械设备状态监测的新技术，尤其在发动机、齿轮传动、轴承系统、液压系统等方面，该技术取得了显著的效益，因而在国内外得到高度重视。目前在工业发达的国家中，油液分析技术正在或已经成为机械设备状态监测及故障诊断的不可缺少的方法之一，占有重要地位。油液分析技术分为离线式和在线式。传统的离线式主要集中在光谱分析、铁谱分析、颗粒计数、油品理化分析等方面。在线式检测系统采用的分析原理主要有电磁法、X射线能谱、静电法和光电法等。与在线式机器油液分析相比，离线式机器油液分析具有很高的监测精度。但是实验室分析费时较长(需要采集、传送、处理样品和等待分析结果)和检测成本高。且在比较长的分析时间里, 机器系统里的油液质量在离线分析过程中变差而导致系统损坏。因此离线式存在工作量大、不能实时反应油液的特征、会造成迟判误判以及检测仪器成本高的缺点。监测机械设备从磨损到失效是一个量变到质变的过程, 而这个过程发生的时间是未知的, 所以必须要时时刻刻对油液进行在线监测才不会使得油液的监测充满偶然性。油液在线监测很好克服了传统的实验室离线分析方法成本高、操作复杂、测量样本点有限的不足的缺陷，成为新一代油液监测技术发展的主要方向。而油液在线监测具有很多干扰因素，要想及时发现问题就必须具备很高的监测精度。要想精确检测油液磨粒浓度的微小变化，对传感器输出影响小，不易受工作环境恶劣的影响，监测系统必须具备检测精度高，输入阻抗大，抗干扰能力强等特点。
发明内容
本发明为了提高在线式油液检测方法的精度和抗干扰能力，以结构简单的系统来实时监测油液中的金属磨粒浓度变化情况，提供一种油液金属磨粒在线监测系统。
本发明的油液金属磨粒在线监测系统，包括传感器、微处理器和电路，其传感器为螺线管式电感传感器，其螺线管内为可以通过油液的油路；激励交流信号发生器连接两个完全相同的传感器的激励线圈，这两个传感器的感应线圈连接信号放大器，信号放大器后顺序连接RMS-DC转换器、AD转换器、微处理器和显示器，微处理器还分别连接键盘和报警器。
所述传感器可以选用的的结构具体为：用磁惰性材料制成的骨架中心设置可以通过油液的油路，激励线圈和感应线圈同轴绕制在骨架上，感应线圈位于激励线圈与骨架之间，感应线圈的轴向长度为激励线圈轴向长度的1/4～１/2，感应线圈的轴向中点与激励线圈的轴向中点重合。
这样的传感器的感应线圈绕在激励线圈的线圈中间，结构合理，具有最佳灵敏度和线性度，抗干扰能力强。用于在线监测油液金属磨粒，方法操作方便，实时性好，测量精度高，监测结果准确可靠。
使用本发明的系统进行在线监测时，首先将两个相同的传感器的激励线圈并联接入激励交流信号发生器，将两个感应线圈反向串联并与两个等阻值的大电阻接成交流电桥；然后使油液从其中一个传感器的油路中通过。
激励线圈被输入激励交流电场而产生交变磁场，感应线圈由于磁场的变化产生的感应电动势输出。两个传感器的感应线圈产生的感应电动势反向串联输出，并与两个阻值很大的固定电阻接成交流电桥输出。当传感器中含有激励线圈和感应线圈的一个油路通过含有金属磨粒的油液而另一个不通过时，金属磨粒影响传感器的磁场强度，破坏电桥的平衡，感应线圈输出相应幅值的交流电压。输出电压大小和金属磨粒浓度大小成正比，油液中含有的金属磨粒浓度越大，输出电压值越大。通过系统处理模块对输出信号采集和处理，达到对油液金属磨粒浓度在线监测的目的。
本发明中，所述的激励交流信号发生器中波形发生器U1后顺序连接集成运放U2和高速缓冲器U3；波形发生器U1的第1脚和第10脚之间串接一个电位器RP1和一个电阻R1，第1脚和第8脚之间接一个电位器RP2，第5脚和地之间接一个震荡电容C1。
具体地，波形发生器U1选用MAX038，也可用其他的波形发生器代替。
所述信号放大器中，精密放大器U4的Vin+和Vin-分别为和传感器的输出相连的引脚， Vo输出是接入RMS-DC转换器的输入端的引脚，调节电位器RP3串接于精密放大器U4的第1脚和第8脚之间。
具体地，精密放大器U4选用INA114或其他仪用放大器。
所述的RMS-DC转换器的核心采用真有效值转换芯片U5。
所述的AD转换电器的16位精度的模拟 - 数字转换器U6带有片内电压基准源，其第6脚连接调节电位器RP5，第3脚和第4脚分别为和微处理器进行I2C通讯的SCL引脚和SDA引脚。
本发明的微处理器U7选用单片机或ARM、FPGA等处理器，并设置用于四个独立按键的接口。显示器选用LCD、或者其他TFT、LED显示器。
本发明的油液金属磨粒在线监测系统，激励交流信号发生器产生激励交流信号用于传感器的激励电源输入。激励信号由波形发生器芯片U1产生正弦信号，并通过放大器将正弦信号进行放大。
信号放大器将传感器输出放大，合理选择外部电阻就可以设置增益从1到10000。
RMS-DC转换器转换成直流电压信号，将输入的交流电压转换成有效直流输出，供AD转换器转换成微控制器可识别的数字信号。
微处理器进行信号识别与处理，由显示器显示系统的相关信息，如实时油液金属磨粒浓度等，当浓度超过设定的阀值时，微处理器控制报警器发出报警信号，以提醒及时更换油液，防止油液中的金属磨粒加剧对机器零件的磨损，从而达到对油液金属磨粒浓度在线监测的目的。键盘是简单的4个独立按键（按键接口），用于传感器的参数设置。
本发明的油液金属磨粒在线监测系统结构合理，对电感式传感器输出的微弱信号的监测灵敏度高，线性度好，抗干扰能力强，工作稳定可靠。操作方便，实时性好，测量精度高，监测结果准确可靠。可运用于军用和民用领域，包括各种飞机、舰船及汽车等机械设备的润滑系统的油液污染程度监测及故障监测诊断，避免各类发动机事故的发生。
附图说明
图1是本发明的油液金属磨粒在线监测系统结构框图。
图2是本发明的传感器结构示意图。
图3是本发明的监测系统的具体电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的油液金属磨粒在线监测系统，其传感器内为可以通过油液的油路；激励交流信号发生器连接两个完全相同的传感器的激励线圈，这两个传感器的感应线圈连接信号放大器，信号放大器后顺序连接RMS-DC转换器、AD转换器、微处理器和显示器，微处理器还分别连接键盘和报警器（见图1）。
所述传感器的结构具体为：用磁惰性材料制成的骨架中心设置可以通过油液的油路，激励线圈和感应线圈同轴绕制在骨架上，感应线圈位于激励线圈与骨架之间，感应线圈的轴向长度为激励线圈轴向长度的1/3，感应线圈的轴向中点与激励线圈的轴向中点重合（见图2）。
本发明中，所述的激励交流信号发生器中波形发生器U1后顺序连接集成运放U2和高速缓冲器U3；波形发生器U1的第1脚和第10脚之间串接一个电位器RP1和一个电阻R1，第1脚和第8脚之间接一个电位器RP2，第5脚和地之间接一个震荡电容C1。
具体地，波形发生器U1选用MAX038。
所述信号放大器中，精密放大器U4的Vin+和Vin-分别为和传感器的输出相连的引脚， Vo输出是接入RMS-DC转换器的输入端的引脚，调节电位器RP3串接于精密放大器U4的第1脚和第8脚之间。
具体地，精密放大器U4选用INA114。
所述的RMS-DC转换器的核心采用真有效值转换芯片U5。
所述的AD转换电器的16位精度的模拟 - 数字转换器U6带有电压基准源，其第6脚连接调节电位器RP5，第3脚和第4脚分别为和微处理器进行I2C通讯的SCL引脚和SDA引脚。
本发明的微处理器U7选用单片机，并设置用于四个独立按键接口。显示器选用LCD显示器。
参见图3。油液金属磨粒在线监测传感器的测量电路，包括激励交流信号发生电路1、传感器放大电路2、RMS-DC转换电路3、AD转换电路4、微控制器及其控制电路5。所述的激励交流信号发生电路，包括波形发生器U1、集成运放U2、高速缓冲器U3、RP1、RP2、R1~R5和C1~C3。波形发生器的第1脚和第10脚之间串接一个电位器RP1和一个R1。第1脚和第8脚之间接一个电位器RP2。RP1和RP2分别实现波形信号频率的粗调和精调。第5脚和地之间接一个震荡电容C1。产生的波形信号通过集成运放U2放大，和通过高速缓冲器U3增加输出信号的带负载能力，产生可供传感器使用的交流激励电源。所述的传感器器放大电路包括精密放大器U4、电阻R6、电位器RP3、C4和C5，精密放大器的Vin+和Vin-引脚分别和传感器输出相连，放大器的Vo输出接入RMS-DC转换电路的输入端，调节电位器RP3可以实现放大器增益的变化。所述的RMS-DC转换电路包括RMS-DC转换器U5、电位器RP4、R7、C6、C8、C9 ，输入交流电压时能转换成真有效直流输出。所述的AD转换电路包括16位AD芯片、R8、R9、D1、RP5和C10。通过调节RP5可以对传感器交流零位信号进行补偿。所述的微控制器控制电路主要包括单片机U7、报警器LS1、显示器LCD1和四个独立按键接口。
Claims (9)
1.油液金属磨粒在线监测系统，包括传感器、微处理器和信号调理与采集电路，其特征在于：
传感器为螺线管式电感传感器，其螺线管内为可以通过油液的油路；激励交流信号发生器连接第一传感器的激励线圈和第二传感器的激励线圈，第一传感器和第二传感器完全相同，这两个传感器的感应线圈连接信号放大器，信号放大器后顺序连接RMS-DC转换器、AD转换器、微处理器和显示器，微处理器还分别连接键盘和报警器；
可以通过油液的油路设置在所述传感器的磁惰性材料制成的骨架中心，激励线圈和感应线圈同轴绕制在骨架上，感应线圈位于激励线圈与骨架之间，感应线圈的轴向长度为激励线圈轴向长度的1/4～１/2，感应线圈的轴向中点与激励线圈的轴向中点重合。
2.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：所述的激励交流信号发生器中波形发生器U1后顺序连接集成运放U2和高速缓冲器U3；波形发生器U1的第1脚和第10脚之间串接一个电位器RP1和一个电阻R1，第1脚和第8脚之间接一个电位器RP2，第5脚和地之间接一个震荡电容C1。
3.根据权利要求2的监测系统，其特征在于：波形发生器U1选用MAX038。
4.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：所述信号放大器中，精密放大器U4的Vin+和Vin-分别为和传感器的输出相连的引脚， Vo输出是接入RMS-DC转换器的输入端的引脚，调节电位器RP3串接于精密放大器U4的第1脚和第8脚之间。
5.根据权利要求4的监测系统，其特征在于：精密放大器U4选用INA114。
6.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：所述的RMS-DC转换器的核心采用真有效值转换芯片U5。
7.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：所述的AD转换电器的16位精度的模拟 - 数字转换器U6带有电压基准源，其第6脚连接调节电位器RP5，第3脚和第4脚分别为和微处理器进行I2C通讯的SCL引脚和SDA引脚。
8.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：微处理器U7选用单片机、ARM或FPGA处理器，并设置用于四个独立按键的接口。
9.根据权利要求1的监测系统，其特征在于：显示器选用LCD、TFT或LED显示器。
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