CN104209347A - 一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置及其监测方法，属于工业设备监测仪器领域。本发明包括N个润滑监测模块，润滑监测模块中的电容传感器探头电极安装于轧机润滑支路或油箱并浸入被测油液，该电容传感器探头电极与电容传感器处理电路相连，电容传感器处理电路的输出信号通过采集控制变送电路传输到微处理器及数据显示和存储装置。本发明监测方法中，含水率和污染度的区别是依据实时温度下测得被测油液介电常数数值随时间变化的斜率来区分的。本发明无需温度和其他补偿，便可在线监测被测油液的综合总体污染程度和含水率等质量指标，在机械设备状态监测和故障诊断方面具有广泛的应用。

Description

一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于工业设备监测仪器领域，特别涉及一种用于现场监测润滑油含水率和综合污染度的监测仪器，实现轧机润滑油含水率和油液污染状态监测。

背景技术

钢厂都存在着大量的液压循环系统，在线监测油液的污染技术是研究机械设备磨损状况，开展设备状态监测和故障诊断的重要手段。油液的污染形式通常是金属磨粒、氧化物、油泥、结碳、水分、沉淀物、燃油以及氢、氯、热、电、空气等造成的污染。油液污染后其物理或化学性能都会发生变化，根据相同温度下同牌号新油与在用油的介电常数的变化，便可综合测定在用油的总体污染程度和质量，即油液污染度。

由于高速线材生产线用大量高压水冷却，冷却水不可避免的进入精轧机润滑系统。这就要求在发现冷却水进入时，及时采取措施，减少浮化液形成的可能性。马鞍山马钢华阳设备诊断工程有限公司通过从线材高速轧机润滑系统大量进水后润滑油性能产生的变化、润滑油引起轴承失效原因的分析得出以下结论：对于线材高速轧机使用的油膜轴承油当含水量超过0.5％时将使轴承产生失效的机率大增，如果含水量超过1％时极有可能在短期内即产生轴承失效。这就需要对每台轧机的润滑以及油箱进行监控，及时发现是那台轧机漏水以及主油箱含水率是否超限，以便及时维修或更换备用油箱和开启油箱脱水装置。

目前常用的都是单独在线监测润滑油含水率或者综合污染度的监测装置，其主要都是利用油介电常数的变化来测定的。目前常用的基于油介电常数的变化来测定润滑油品质的仪器大多数是采用离线抽样监测的。如润滑油快速质量检测仪就是利用同牌号新油与在用油的介电常数的变化，来测定润滑油质量的，这种离线方式由于需要先取样再分析，不仅费力费时、成本高，而且测定结果的返回具有滞后性，在许多应用领域已逐渐被在线实时监测技术所替代，而在线监测更成为机械故障诊断中油液分析的前沿技术。

基于油介电常数的变化来测定润滑油品质的在线监测仪器和传感器也是多有报道并且已经开展应用。应用中由于油液的介电常数是随着温度变化而变化的。而在线监测的是实时温度下的介电常数，而所对比的同牌号新油或者标准液体的值是在某一温度下标定的，如果对比两者的变化量，就要计算同牌号新油或者标准液体在实时温度下的数值。常用的方法是附加温度传感器测量实时温度并根据实验公式或者给定的公式计算同牌号新油或者标准液体在实时温度时的补偿值，即对测量结果进行温度补偿。由于工业上使用的温度传感器都有比较大的误差，如PT100误差达到0.5，这样计算后的温度补偿值也就会产生相应的误差。再者说来油液介电常数变化的因素很复杂，根据固定的补偿公式也是会造成一定的误差。同时在线监测工况和环境对于测量电路和油液被测介电常数也是有一定的影响，实际上基于介电常数测量的这项技术本身测得的油液电容变化也是微小的，温度补偿的误差和环境工矿的影响对测量结果影响是非常大的，有时甚至可以改变测量的结果。这就成了目前阻碍在线监测技术应用的大障碍。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置及其监测方法，采用本发明的在线监测装置，能够根据同牌号新油(即对比油液)与在用油(即被测油液)的实时介电常数的变化，无需温度和其他补偿，便可在线监测在用油的综合总体污染程度和含水率等质量指标，在机械设备状态监测和故障诊断方面具有广泛的应用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，包括N个润滑监测模块，其中N<30且为正整数，每一个润滑监测模块用于监测一台轧机润滑支路或一个油箱，其中：润滑监测模块包括电容传感器探头电极、电容传感器信号处理电路和采集控制变送电路，所述的电容传感器探头电极安装于轧机润滑支路或油箱并浸入被测油液，该电容传感器探头电极与电容传感器处理电路相连，电容传感器处理电路的输出信号通过采集控制变送电路传输到微处理器及数据显示和存储装置。

目前高线轧机润滑系统是集中稀油润滑系统，多采用双油箱配置，由润滑泵站供油，分别流经轧机油膜轴承后通过轧机的机架回油管流经共用回油管至油箱。这就需要对每台轧机的润滑以及油箱进行监控，及时发现是那台轧机漏水以及主油箱含水率是否超限，以便及时维修或更换备用油箱和开启油箱脱水装置。本发明设计的是：单点采集/单点传输/上位机集中显示和控制的方案，这样可以实现对每台轧机或者单个油箱进行监测，以便在单个监测单元出现漏水时报警，单个润滑监测模块通过其内部的采集控制变送电路RS485通讯传输到上位机即微处理器及数据显示和存储装置，可实现多点分散监测、远程、集中控制的功能。由于工控机容量的限制和车间的具体状况，一般每个车间需要的润滑监测点不会超过30个，但也不拘泥于小于30个监测点。

更进一步地，所述的电容传感器探头电极包括外电极、中间电极和内电极，其中：外电极与中间电极之间形成供被测油液流过的开放空腔，该外电极和中间电极构成一电容器；所述的中间电极的内部为供对比油液放置的封闭空腔，中间电极内部的封闭空腔中设置有内电极，该中间电极和内电极构成一电容器。

更进一步地，所述的外电极为前端开口的筒状结构，所述的中间电极为前端封闭的筒状结构，所述的内电极为圆柱结构，该外电极安装在中间电极的外周，内电极安装在中间电极内，且外电极、中间电极以及内电极的中轴线相重合，外电极和中间电极构成同轴筒状电容器，中间电极和内电极构成同轴筒状电容器。

本发明中电容传感器探头电极的基本工作原理是基于被测电介质介电常数的变化可以转化为电容量变化的这一特点。油液电介质介电常数的变化不能直接测量，因此要建立电容值的变化与介电常数间的映射关系。在其它条件相同时，让油液流经一个电容传感器，不同品质的油液作为电容器的中间介质时所形成的电容值必然不同，而油液污染后其物理或化学性能都会发生变化，根据相同温度下同牌号新油(即对比油液)与在用油(即被测油液)的介电常数即电容量的变化，便可综合测定在用油的总体污染程度和质量。由于水的介电常数与油相比差别较大，当润滑油中混入水时，微量的水就会引起混合油液介电常数的明显改变。将不同含水率的润滑油混合液和纯润滑油的介电常数进行比较，再通过电路信号处理，便可得到润滑油含水率数值。

基于被测油液介电常数的变化可以转化为传感器电容量变化的这一特点。因此根据传感器建立的电容值与介电常数间的映射关系。通过电容传感器处理电路得到传感器输出的电参数值来反应油液介电常数的变化。这个电参数可以是电压、电流或者其他电参数单位。常用的电容传感器处理电路一般是C/V转化处理电路，得到传感器输出的电压值来反应油液介电常数的变化。本发明提出电容传感器处理电路包括所有的以被测油液介电常数的变化导致的电容量变化的信号经处理后作为传感器输出电参数信号的电路，不局限于电容/电压(C/V)转换电路。

更进一步地，所述的外电极上设置有液体通流孔，该液体通流孔将开放空腔与筒状结构外电极的外周相连通。

更进一步地，所述的中间电极上设置有与封闭空腔相通的注油孔和密封堵头，该注油孔和密封堵头用于填充、更换和密封封闭空腔内的对比油液。

本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测方法，含水率和污染度的区别是依据实时温度下测得被测油液介电常数数值随时间变化的斜率来区分的，其步骤如下：

1)、采用轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，利用电容传感器信号处理电路通过电容传感器探头电极实时测得被测油液和对比油液的实时温度下的介电常数，电容传感器处理电路对应输出的电参数信号通过采集控制变送电路传输到微处理器及数据显示和存储装置；

2)、微处理器及数据显示和存储装置计算实时温度下实时测量的被测油液的介电常数相对于对比油液介电常数变化值，即对应输出的电参数变化值；

3)、依据步骤1)和步骤2)测得的数据，根据事先标定的传感器含水率灵敏度系数，按照采样间隔，依次递增分别计算两个相邻采样时间对应的含水率，并计算含水率相对于规定时间的变化斜率；

4)、依据步骤3)计算的变化斜率，作如下判断；

4.1)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，斜率有连续明显的增加或者发生斜率陡变，可判断为油液含水率变化，设备出现了漏水故障；

4.2)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，斜率没有连续明显的增加，可判断为油液的污染度程度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其电容传感器探头电极浸入被测油液，传感器处理电路通过电容传感器探头电极测得的被测油液和对比油液实时温度下的介电常数通过采集控制变送电路传输到微处理器及数据显示和存储装置，因此，轧机润滑油含水率和污染度的区别可以依据实时温度下测得的被测油液介电常数数值随时间变化的斜率来区分。

(2)本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其外电极与中间电极之间形成供被测油液流过的开放空腔，该外电极和中间电极构成一电容器，且中间电极的内部为供对比油液放置的封闭空腔，该中间电极和内电极构成一电容器，使得本发明根据对比油液与被测油液在相同温度时的实时介电常数变化，无需温度和其他补偿，便可在线监测被测油液的综合总体污染程度和含水率等质量指标，在机械设备状态监测和故障诊断方面具有广泛的应用；

(3)本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其外电极上设置有液体通流孔，该液体通流孔将开放空腔与筒状结构外电极的外周相连通，使得被测的流动油液流畅地、均匀充满地通过开放空腔，提高了测量精度，保证了测量结果。

附图说明

图1是本发明的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置的组成框图；

图2是本发明中电容传感器探头电极的纵截面结构示意图。

示意图中的标号说明：

1-N(N<30)润滑监测模块；30、电容传感器探头电极；31、电容传感器处理电路；32、采集控制变送电路；33、外电极；34、中间电极；35、内电极；36、开放空腔；37、封闭空腔；38、液体通流孔；39、注油孔和密封堵头；40、微处理器及数据显示和存储装置。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述，但不限制本发明。

实施例1

结合图1、图2，本实施例是具有多点分散远程监测并集中控制的实例，钢厂内部一个分厂有多个需要监测的润滑单元，以轧机生产车间为例，因为工作要求必须对每个轧机和油箱进行监测。本实施例的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，包括一个油箱和轧机润滑管路一共有9个润滑监测点。就本实施例来说N＝9，图1中标号1、2、3、4、N均是指润滑监测模块，因此就有9个润滑监测模块监测轧机润滑支路和油箱，其中：每个润滑监测点的监测模块包括电容传感器探头电极30、电容传感器处理电路31和采集控制变送电路32，所述的电容传感器探头电极30安装于轧机润滑支路或者油箱内并浸入被测油液，该电容传感器探头电极30与电容传感器处理电路31相连，电容传感器处理电路31通过电容传感器探头电极30测得的被测油液介电常数通过采集控制变送电路32传输到微处理器及数据显示和存储装置40进行计算、显示和存储。这样可以实现对每台轧机或者油箱进行监测、集中显示、远程控制，以便在单个润滑监测点出现漏水或者是油箱含水率超限时报警。

如图2所示，本实施例中的电容传感器探头电极30包括外电极33、中间电极34和内电极35，其中：所述的外电极33与中间电极34之间形成供被测油液流过的开放空腔36，该外电极33和中间电极34构成一电容器；所述的中间电极34的内部为供对比油液放置的封闭空腔37，中间电极34内部的封闭空腔37中设置有内电极35，该中间电极34和内电极35构成一电容器。具体本实施例中的电容传感器探头电极30所述的外电极33为前端开口的筒状结构，所述的中间电极34为前端封闭的筒状结构，所述的内电极35为圆柱结构，该外电极33安装在中间电极34的外周，内电极35安装在中间电极34内，且外电极33、中间电极34以及内电极35的中轴线相重合，外电极33和中间电极34构成同轴筒状电容器，中间电极34和内电极35构成同轴筒状电容。为了使被测的流动油液流畅地、均匀充满地通过的开放空腔36，外电极33上设置有液体通流孔38，该液体通流孔38将开放空腔36与筒状结构外电极33的外周相连通。本实施例中的中间电极34上设置有与封闭空腔37相通的注油孔和密封堵头39，该注油孔和密封堵头39用于填充和更换和密封封闭空腔37内的对比油液(即同牌号新油或者标准对比液体)。

利用介电常数测量润滑油含水，主要是利用纯水的介电常数大约80左右，一般纯油的介电常数为2左右，两者区别很大，因此当油中混入水后，会使油的介电常数有较大的变化，特别是由于设备漏水而引起的油的介电常数会在短时间内急剧快速增加。

利用介电常数测量润滑油污染度，主要是利用油液在润滑过程，磨损的金属磨粒、氧化物、油泥、结碳、沉淀物、燃油以及氢、氯、热、电、空气等造成的污染。油液污染后介电常数会发生变化，便可综合测定在用油的总体污染程度和质量即油液污染度。与设备漏水引起的介电常数增加不同的是，这个介电常数的变化随着油液的润滑逐步失效而缓慢变化的，而且变化量较小。

本发明提出电容传感器处理电路包括所有的以被测油液介电常数的变化导致的电容量变化的信号经处理后作为传感器输出电参数信号的电路，不局限于电容/电压(C/V)转换电路。因为是通用电路，这里就不加详述了。

本实施例的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测方法，含水率和污染度的区别是依据实时温度下测得被测油液介电常数数值随时间变化的斜率来区分的，以常用的电容传感器电容/电压(C/V)转化处理电路为例，其步骤如下：

1)、采用本实施例的轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，利用电容传感器信号处理电路31通过电容传感器探头电极30实时测得被测油液和对比油液的实时温度下的介电常数，电容传感器处理电路31对应输出的电压信号通过采集控制变送电路32传输到微处理器及数据显示和存储装置40；

2)、微处理器及数据显示和存储装置40计算实时温度下实时测量的被测油液的介电常数相对于对比油液介电常数变化值，即对应输出的电压变化值；

3)、依据步骤1)和步骤2)测得的数据，根据事先标定的传感器含水率灵敏度系数，按照采样间隔，依次递增分别计算两个相邻采样时间对应的含水率，并计算含水率相对于规定时间的变化斜率；

关于含水率的标定，以常用的电容传感器电容/电压(C/V)转化处理电路为例，传感器输出的电压值对应被测油液的介电常数的值。因此传感器输出电压的变化就表证了油液介电常数的变化。

在温度T时，在润滑油的含水率监测中(含水率0-5％)采用分段线性的分析方法，电容传感器的输出电压和润滑油含水率的关系符合以下线性关系方程。

V_t＝V_ot+Kh

则： $h=\frac{V_t-V_{\mathrm{ot}}}{K}=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{K}$

其中：ΔV＝V_t-V_ot；

V_t—在温度T时，传感器在被测油液中的输出电压(单位V)；

V_ot—在温度T时，传感器在对比油液中的输出电压(单位V)；

ΔV—对应于被测油液和对比油液介电常数变化的传感器输出电压变化值；

h—被测油液的含水率，％；

K—传感器含水率灵敏度系数。

根据以上标定方程测出传感器在温度T时，传感器在相同牌号不同含水率的油样中的读数根据以上方程即可获得传感器含水率灵敏度系数K。根据传感器含水率灵敏度系数，并依据实时温度下实时测量的被测油液的介电常数相对于对比油液介电常数变化值(对应输出的电压变化值)，即可计算得出对应的含水率。

4)、依据步骤3)计算的变化斜率，作如下判断；

4.1)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，短时间内斜率有连续明显的增加或者发生斜率陡变，可判断为油液含水率变化，设备出现了漏水故障；

4.2)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，短时间内斜率没有连续明显的增加，可判断为油液的污染度程度。

对于轧机润滑来讲，采样时间一般规定为30秒，规定时间可以是采样时间也可以是整倍的采样时间，一般来说，在连续3-5个规定时间计算的含水率数变化h_n+1-h_n＞0.3％即视为含水率在短时间内斜率有连续明显的增加或者发生斜率陡变，其中h_n+1指第N+1次检测的被测油液的含水率，h_n指第N次检测的被测油液的含水率。在实际应用中，并不局限于以上的数据，可以根据不同的应用场所和不同的设备维护工艺要求做出改动。

本实施例的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置及其监测方法，可用于现场定量分析油液质量状态，及时提供设备故障预警，优化换油周期，减少停机时间，延长设备使用寿命。在某些应用领域，本监测装置可根据具体情况，单独作为测量油液污染度或油液含水率的仪器使用。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其特征在于：包括N个润滑监测模块，其中N<30且为正整数，每一个润滑监测模块用于监测一台轧机润滑支路或一个油箱，其中：润滑监测模块包括电容传感器探头电极(30)、电容传感器信号处理电路(31)和采集控制变送电路(32)，所述的电容传感器探头电极(30)安装于轧机润滑支路或油箱并浸入被测油液，该电容传感器探头电极(30)与电容传感器处理电路(31)相连，电容传感器处理电路(31)的输出信号通过采集控制变送电路(32)传输到微处理器及数据显示和存储装置(40)。

2.根据权利要求1所述的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其特征在于：所述的电容传感器探头电极(30)包括外电极(33)、中间电极(34)和内电极(35)，其中：所述的外电极(33)与中间电极(34)之间形成供被测油液流过的开放空腔(36)，该外电极(33)和中间电极(34)构成一电容器；所述的中间电极(34)的内部为供对比油液放置的封闭空腔(37)，中间电极(34)内部的封闭空腔(37)中设置有内电极(35)，该中间电极(34)和内电极(35)构成一电容器。

3.根据权利要求2所述的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其特征在于：所述的外电极(33)为前端开口的筒状结构，所述的中间电极(34)为前端封闭的筒状结构，所述的内电极(35)为圆柱结构，该外电极(33)安装在中间电极(34)的外周，内电极(35)安装在中间电极(34)内，且外电极(33)、中间电极(34)以及内电极(35)的中轴线相重合，外电极(33)和中间电极(34)构成同轴筒状电容器，中间电极(34)和内电极(35)构成同轴筒状电容器。

4.根据权利要求3所述的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其特征在于，所述的外电极(33)上设置有液体通流孔(38)，该液体通流孔(38)将开放空腔(36)与筒状结构外电极(33)的外周相连通。

5.根据权利要求3或4所述的一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，其特征在于，所述的中间电极(34)上设置有与封闭空腔(37)相通的注油孔和密封堵头(39)，该注油孔和密封堵头(39)用于填充、更换和密封封闭空腔(37)内的对比油液。

6.一种轧机润滑油含水率和污染度在线监测方法，其特征在于，含水率和污染度的区别是依据实时温度下测得被测油液介电常数数值随时间变化的斜率来区分的，其步骤如下：

1)、采用轧机润滑油含水率和污染度在线监测装置，利用电容传感器信号处理电路(31)通过电容传感器探头电极(30)实时测得被测油液和对比油液的实时温度下的介电常数，电容传感器处理电路(31)对应输出的电参数信号通过采集控制变送电路(32)传输到微处理器及数据显示和存储装置(40)；

2)、微处理器及数据显示和存储装置(40)计算实时温度下实时测量的被测油液的介电常数相对于对比油液介电常数变化值，即对应输出的电参数变化值；

3)、依据步骤1)和步骤2)测得的数据，根据事先标定的传感器含水率灵敏度系数，按照采样间隔，依次递增分别计算两个相邻采样时间对应的含水率，并计算含水率相对于规定时间的变化斜率；

4)、依据步骤3)计算的变化斜率，作如下判断；

4.1)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，斜率有连续明显的增加或者发生斜率陡变，可判断为油液含水率变化，设备出现了漏水故障；

4.2)、介电常数变化引起的计算含水率对于规定时间的变化斜率随着采样时间次数的增加，斜率没有连续明显的增加，可判断为油液的污染度程度。