CN104237330A - 高分子薄膜电容油液水分传感器标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高分子薄膜电容油液水分传感器标定装置及方法，该标定装置主要由恒温恒湿箱、标准湿度计和记录数据的计算机等组成，该标定方法采用检测空气相对湿度的标定方法代替直接检测油液水分活度的标定方法对高分子薄膜电容油液水分传感器进行标定，得到传感器标定曲线。另外，该标定方法还可以可实现温度补偿，对传感器精度的提高起到重要作用。本发明标定方法主要目的是为了解决现有标定方法步骤繁琐、检定周期长、油样配置和保存困难、标定精度容易受到油液种类、老化程度等因素的影响等问题，具有不受到油液种类影响，操作简单，检定周期短的优点。
Description
技术领域
本发明涉及油液传感器标定技术，特别涉及一种高分子薄膜电容油液水分传感器标定装置及方法。
背景技术
油液(主要指润滑油、液压油、燃油)受到水分污染时，会严重影响设备的性能，甚至可能会造成严重事故。基于高分子薄膜的油液水分在线监测传感器，可用来测量各种油液的水分活度，对飞行器、航空设备的保障等具有重要意义。但是对油液水分在线监测传感器的标定，需要配置大量难以配置的标准油液样本，导致标定周期长，标定效果不佳。
根据GB/T11133-1989油液水分的测定方法，测试每个标准油样的油液水分含量，然后作为标准油样，标定传感器。标准油样的配置，需要恒温存储，搅拌均匀，密封干燥抽样，精密称量样本油液质量，采用卡尔费休-库仑法测试出油液中水分的绝对含量，然后再恒温密封保存油样。依此油样为一个标准油样，换算为该油液此温度下的水分活度，标定传感器。要标定完成全温度区域，全量程的数据，需要配置大量的标准油样。由于需要不断抽样，油样不易长期保存，需要不断重复配置油样，导致了标定成本高，周期长，步骤繁琐等问题。因此，研究一种新的标定装置及方法实现对高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定是十分需要的，并具有很大应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了采用检测空气相对湿度的标定方法代替直接检测油液水分活度的标定方法对高分子薄膜电容油液水分传感器进行标定，经检验效果良好。
本发明的主要目的在于，提供一种采用检测空气相对湿度的标定方法代替直接检测油液水分活度的标定方法实现对高分子薄膜电容油液水分传感器进行标定。
根据本发明的实施例，提供了一种高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定方法，其中，标准湿度计(4)和待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)均位于恒温恒湿箱(1)的空气环境下的工作区(201)中，待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)能够输出反映当前湿度的电容值和反映当前温度的电压值，标准湿度计(4)能够输出当前环境湿度值，所述标定方法包括以下步骤：
步骤1、将工作区(201)的温度设定为初始的当前温度；
步骤2、待工作区(201)的温度稳定后，将工作区(201)内的空气相对湿度设定为初始的当前空气相对湿度，设置时以标准温度计(4)测得的空气相对湿度作为基准进行设置；
步骤3、待工作区(201)中的空气相对湿度稳定后，记录标准湿度计(4)测得的当前空气相对湿度、以及待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值和电阻值；
步骤4、逐步增加工作区(201)内的空气相对湿度，重复进行上述步骤3，当工作区(201)内的空气相对湿度达到相对湿度阈值时，转到
步骤5；步骤5、对得到的所有待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值和电阻值与标准湿度计(4)测得的当前空气相对湿度值进行数据拟合，得到当前温度下待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值与空气相对湿度之间的函数关系。
本发明的有益效果主要在于：所述标定方法采用空气湿度法对高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器进行标定，得到传感器输出的电压值在不同温度下与空气相对湿度的对应关系，从而很好地完成了传感器的标定，并解决了现有标定方法步骤繁琐、检定周期长、油样配置和保存困难、标定精度容易受到油液一致性差的影响等问题。具有不受到油液种类影响，操作简单，检定周期短的优点。所述标定方法得到的参数对高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器性能评价、后续完善开发及实际应用具有重要意义。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定装置的组成示意图。
图2是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定装置的恒温恒湿箱组成示意图。
图3是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定方法的流程图。
图中的附图标记说明如下。
1-恒温恒湿箱，2-高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的，3-高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的电缆，4-标准湿度计，5-标准湿度计的电缆，6-橡胶封堵块，7-计算机，201-恒温恒湿箱的工作区，202-预置孔。
具体实施方式
下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
本发明的构思是发明人在考虑并利用了以下概念和进一步的推断而作出的。下面简要说明本发明的基本原理。
首先，水分活度这一指标能够直接提供对油液水分饱和点裕度的精确示值，可以表示当前油液水分的污染程度。水分活度aw是物质中的水分含量与它所能容纳的水分总量的比值，其表达式如下：
aw＝P/P0 (1)
式中，P表示某种物质内的水气分压，P0表示在相同温度下纯水的饱和水气压。
另一方面，空气中水分的含量用相对湿度来表示，相对湿度的定义为：单位体积混合气体中所含的水蒸气量与同温度下饱和水蒸气量的百分比。饱和水蒸气量是指在一定温度下、单位体积的气体中所能含有的最大蒸气量。相对湿度的计算公式如下：
式中，为被测气体的绝对湿度，为最高湿度，被测气体的e为水蒸气分压，E为饱和水蒸气分压。
从式(1)和式(2)可以看出，空气相对湿度和油液的水分活度的概念实质上都是代表某种介质中的水分含量与它所能容纳的水分总量(饱和点)的比值。因为无论是在空气环境中还是油液环境中，主要影响敏感电容变化值的因素是高分子薄膜的介电常数随相对水分含量的变化，所以，申请人认为，在本发明的应用场合，这两者之间可以进行直接转换。通过后述的实际验证过程，验证了以上观点的正确性。
这样，本发明采用检测空气相对湿度的标定方法代替传统的直接检测油液水分活度的标定方法。
下面，先说明根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器标定装置的组成结构。
图1是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定装置的组成示意图。
如图1所示，一种高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器标定装置主要包括：恒温恒湿箱1、高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2、高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆3、标准湿度计4、标准湿度计的电缆5、橡胶封堵块6和计算机7。
其中，高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2为需要标定的仪器，标准湿度计4为标定时的标准对比仪器。
其中，所述高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)包括：高分子薄膜电容；温度传感器；信号处理电路板；机械封装结构；其中，所述的高分子薄膜电容作为油液水分在线监测传感器的油液水分检测元件，所述的温度传感器作为油液水分在线监测传感器的温度检测元件，其中，所述高分子薄膜电容和所述温度传感器连接到所述信号处理电路板，所述信号处理电路板接收所述高分子薄膜电容和所述温度传感器各自的输出信号，并将所述输出信号转换为水分含量值。其中，所述的机械封装结构用于保护和支撑所述的高分子薄膜电容、温度传感器、信号处理电路板。
其中，所述机械封装结构包括保护套、接头件、机械外壳、端盖、导线，所述高分子薄膜电容和所述温度传感器被置于所述保护套内，所述保护套连接在所述接头件上，所述保护套上设置有过滤孔，用来过滤油液中的碎屑颗粒，保护所述的高分子薄膜电容和所述温度传感器，
所述高分子薄膜电容和所述温度传感器各自经由导线与所述信号处理电路板连接，导线固定在接头件上，所述接头件通过端盖与所述机械外壳固定连接，用来将所述油液微量水分在线监测传感器安装到被测油液所处的结构中，
其中，所述接头件包括固定螺钉，用于将所述信号处理电路板固定在所述接头件上，
所述机械封装结构还包括信号输出端口，所述信号处理电路板通过所述信号输出端口可以输出标定过程中产生的电容值和电阻值，
所述信号输出端口通过双螺纹固定在所述端盖上，所述信号输出端口与高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)连接，
所述的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)与计算机(7)连接通讯，所述的计算机(7)记录由所述的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)传输的电容值和电阻值数据。
其中，所述高分子薄膜电容采用MEMS工艺加工，所述高分子薄膜电容结构从上到下依次层叠为上部电极、活性高分子聚合物薄膜、下部电极和玻璃基衬底，其中，上部电极由导电特性良好的金属薄膜制成，活性聚合物薄膜位于上部电极之下、下部电极和玻璃基衬底之上，并与上部电极、下部电极、玻璃基衬底接合，下部电极位于活性聚合物薄膜和玻璃基衬底之间，玻璃基衬底与活性高分子聚合物薄膜、下部电极接合，用来支撑传感器结构，上部电极和下部电极设有引出电极，引出电极向外伸出并焊接在所述导线上。
图2是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定装置的恒温恒湿箱1的组成示意图。
如图2所示，恒温恒湿箱1具有工作区201，工作区201内的空气保持一定的相对湿度，其壁面上留有一个预置孔202。
高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2、以及标准湿度计4位于工作区201内，以测试工作区201内空气的湿度。
其中，所述高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2与标准湿度计4放置在工作区201内的近似同一位置(如图所示，紧密相对)，并分别通过电缆3和电缆5与计算机7连接，电缆3和电缆5通过橡胶封堵块6穿过恒温恒湿箱1上的预置孔202，橡胶封堵块6将预置孔202充分密封，从而保证工作区201内空气的含水比率不受外界影响。
其中，高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2还包含温度传感器，用于进行温度补偿。
如前所述，高分子薄膜电容值易受温度影响，故为了对高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器进行准确标定，还需测量出温度值并进行温度补偿(即，对标定数值进行修正)。高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器采用PT1000(铂电阻)作为温度传感器，利用PT1000温度传感器分度表，可以准确计算出当前温度。
下面以高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定为例，说明本发明的具体实现方式。下面的描述涉及具体数值、以便易于阅读和理解本发明的原理，但其仅为示例，本发明的实施方式不限于此。
图3是根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定方法的流程图。
如图3所示，根据本发明的实施例的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定方法主要包括以下步骤。
步骤301：将工作区201的温度设定至22℃作为初始温度(以高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的温度读数为准)。
步骤302：待工作区201的温度稳定后，将空气相对湿度设定至10％作为初始相对湿度。
步骤303：待空气相对湿度稳定后，分别记录以下数据：标准湿度计4测得的空气相对湿度；高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器2输出的电容值。在记录数据时，重复读数三次以上，然后对读数求平均，以减小误差。
步骤304：依次逐步增加工作区201内的空气相对湿度，重复上述步骤303的操作。
步骤305：对步骤303得到的所有传感器输出电容值和标准空气相对湿度值进行数据拟合，得出恒定温度下传感器输出电容值与和空气相对湿度之间的函数关系。根据该函数关系将传感器输出电容值转换为空气相对湿度。
步骤306：逐步增加工作区201的温度，重复上述步骤303至305的操作，得到各个温度t下的高分子薄膜电容值与湿度值之间的函数关系。
步骤307：对步骤303得到的高分子薄膜油液水分传感器不同温度下的电容值与湿度值之间的函数关系，在应用中根据环境温度，使用不同的电容值与湿度值函数，进行温度补偿。
高分子薄膜油液水分在线监测传感器标定后进行试验检验，采用保证可以浸泡高分子薄膜电容和PT1000铂电阻的少许航空15#液压油，将油液放置在恒温恒湿箱内，待温度湿度恒定后，用磁力搅拌器进行充分搅拌，保证油液环境和空气环境的水分分压动态平衡，且油液水分搅拌均匀。然后读取高分子薄膜油液水分在线监测传感器和恒温恒湿箱内的标准湿度计湿度。
表1 试验对比表
| 温度(℃) | 恒温恒湿箱湿度(％) | 油样水分活度(％) |
| 10 | 61.2 | 60.7 |
| 30 | 40.7 | 40.3 |
| 50 | 71.4 | 72.1 |
如表1所示，经过数据比对可以看出，测得数据与油液水活度数据是一致的，这充分证明了方法的可行性。
综上所述，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高分子薄膜电容油液水分传感器标定方法，其中，标准湿度计(4)和待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)均位于恒温恒湿箱(1)的空气环境下的工作区(201)中，待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)能够输出反映当前湿度的电容值和反映当前温度的电压值，标准湿度计(4)能够输出当前环境湿度值，
所述标定方法包括以下步骤：
步骤1、将工作区(201)的温度设定为初始的当前温度；
步骤2、待工作区(201)的温度稳定后，将工作区(201)内的空气相对湿度设定为初始的当前空气相对湿度；
步骤3、待工作区(201)中的空气相对湿度稳定后，记录标准湿度计(4)测得的当前空气相对湿度、以及待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值和电阻值；
步骤4、逐步增加工作区(201)内的空气相对湿度，重复进行上述步骤3，当工作区(201)内的空气相对湿度达到相对湿度阈值时，转到步骤5；
步骤5、对得到的所有待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值和电阻值与标准湿度计(4)测得的当前空气相对湿度值进行数据拟合，得到当前温度下待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值与空气相对湿度之间的函数关系。
2.根据权利要求1所述的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器的标定方法，还包括以下步骤：
步骤6、逐步增加工作区(201)的温度，重复进行上述步骤3至5，得到各个温度下的待标定的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)输出的电容值与空气相对湿度值之间的函数关系。
3.一种用于进行根据权利要求1或2所述的标定方法的标定装置，包括：恒温恒湿箱(1)、高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)、高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)、标准湿度计(4)、标准湿度计电缆(5)、橡胶封堵块(6)和计算机(7)，
其中，恒温恒湿箱(1)具有工作区(201)，工作区(201)的壁面上留有预置孔(202)，
其中，所述高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)与标准湿度计(4)被放置在工作区(201)内的近似同一位置，并分别通过高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)和标准湿度计电缆(5)与计算机(7)连接，
高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)和标准湿度计电缆(5)通过橡胶封堵块(6)穿过预置孔(202)，橡胶封堵块(6)将预置孔(202)密封。
4.根据权利要求3所述的标定装置，其中，所述高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器(2)包括：
高分子薄膜电容；
温度传感器；
信号处理电路板；
机械封装结构；
其中，所述的高分子薄膜电容作为油液水分在线监测传感器(2)的油液水分检测器件，所述的温度传感器作为油液水分在线监测传感器(2)的温度检测器件，
其中，所述高分子薄膜电容和所述温度传感器连接到所述信号处理电路板，所述信号处理电路板接收所述高分子薄膜电容和所述温度传感器各自的输出信号，并将所述输出信号转换为水分含量值，其中，所述的机械封装结构用于保护和支撑所述的高分子薄膜电容、温度传感器、信号处理电路板。
5.根据权利要求4所述的标定装置，其中，所述机械封装结构包括保护套、接头件、机械外壳、端盖、导线，
所述高分子薄膜电容和所述温度传感器被置于所述保护套内，所述保护套连接在所述接头件上，所述保护套上设置有过滤孔，用来过滤油液中的碎屑颗粒，保护所述的高分子薄膜电容和所述温度传感器，
所述高分子薄膜电容和所述温度传感器各自经由导线与所述信号处理电路板连接，导线固定在接头件上，所述接头件通过端盖与所述机械外壳固定连接，用来将所述油液微量水分在线监测传感器安装到被测油液所处的结构中，
其中，所述接头件包括固定螺钉，用于将所述信号处理电路板固定在所述接头件上，
所述机械封装结构还包括信号输出端口，所述信号处理电路板通过所述信号输出端口输出标定过程中产生的电容值和电阻值，
所述信号输出端口通过双螺纹固定在所述端盖上，所述信号输出端口与高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)连接，
所述的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)与计算机(7)连接通讯，所述的计算机(7)记录由所述的高分子薄膜电容油液水分在线监测传感器电缆(3)传输的电容值和电阻值数据。
6.根据权利要求5所述的标定装置，其中，所述高分子薄膜电容采用MEMS工艺加工，所述高分子薄膜电容结构从上到下依次层叠为上部电极、活性高分子聚合物薄膜、下部电极和玻璃基衬底，
其中，上部电极由导电特性良好的金属薄膜制成，活性聚合物薄膜位于上部电极之下、下部电极和玻璃基衬底之上，并与上部电极、下部电极、玻璃基衬底接合，
下部电极位于活性聚合物薄膜和玻璃基衬底之间，玻璃基衬底与活性高分子聚合物薄膜、下部电极接合，用来支撑传感器结构，
上部电极和下部电极设有引出电极，引出电极向外伸出并焊接在所述导线上。
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