CN105300853A - 一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法，所述测量装置包括：供待测油液流过的腔体；在所述腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈；分别与所述电感线圈两引线端相连接的电阻和电容；所述电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；激励信号源；所述激励信号源能够产生不同频率的交流电压信号，该交流电压信号作为激励信号施加在所述RLC串联谐振电路两端；以及与所述电感线圈和电容构成的串联支路相连接，用于获取所述串联支路两端电信号的采集模块；本发明能够实时在线监测液压系统、润滑系统等机械设备中油液金属颗粒污染程度，实现了待测油液中金属颗粒数量，粒径大小及浓度状态的准确测量。

Description

一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于油液监测技术领域，具体为一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法。

背景技术

液压系统以其体积小、重量轻、可实现无级变速和过载保护、反应灵敏、便于遥控、寿命长等优点被应用于民用和军用工业，尤其是在船舶机械、矿山机械、以及航空工业中液压系统的应用十分广泛。液压油是液压系统的关键工质，它能够传递能量、减小摩擦副之间的磨损失效、降低液压系统温升、以及延长机械设备的使用寿命。因此液压油污染是造成液压系统故障的主要原因，统计数据表明，75％以上的液压系统故障是由于液压油中固体颗粒污染物所致。

现有技术中的液压系统和润滑系统等机械设备的油液检测方式存在如下问题：检测周期长、检测设备复杂且昂贵、各检测方法由于受到诸多因素的影响而导致检测准确度不高、无法实现在线检测等；申请人发现：在机械设备正常工作状况下，液压油中的磨损污染物具有恒定的浓度以及较小的粒径尺寸，金属磨粒的粒径通常为1～20μm，当发生异常磨损时，金属磨粒的粒径将变得高达50～100μm，这些金属磨粒基本上是由于液压元件摩擦副之间的磨损产生的，它们含有大量的摩擦学信息，例如金属磨粒的性质、形状和大小等，从这些摩擦学信息中，我们可以判断出机械设备的磨损部位和磨损程度等重要信息，因此，准确有效地检测出液压油液中金属颗粒的数量、尺寸大小和浓度，对液压系统和润滑系统机械设备的故障诊断和故障预测具有重要意义。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法。

本发明的技术手段如下：

一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，包括：

供待测油液流过的腔体；

在所述腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈；

分别与所述电感线圈两引线端相连接的电阻和电容；所述电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；

激励信号源；所述激励信号源能够产生不同频率的交流电压信号，该交流电压信号作为激励信号施加在所述RLC串联谐振电路两端；通过改变所述激励信号源输出的交流电压信号的频率能够使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；

以及与所述电感线圈和电容构成的串联支路相连接，用于获取所述串联支路两端电信号的采集模块；

进一步地，在RLC串联谐振电路工作在谐振状态后，待测油液流过腔体，若流过腔体的待测油液中含有金属颗粒，当所述金属颗粒经过所述电感线圈时，所述串联支路两端产生脉冲信号；

进一步地，根据所述采集模块获取的电信号确定脉冲信号为正向或负向，进而获得待测油液中与该脉冲信号相对应的金属颗粒为铁磁性金属颗粒或非铁磁性金属颗粒；根据所述采集模块获取的电信号统计脉冲数量，进而获知待测油液中金属颗粒的数量；

进一步地，根据所述采集模块获取的电信号得出脉冲幅值，进而获知待测油液中金属颗粒的粒径状态；

进一步地，根据所述采集模块获取的电信号得出脉冲基线电压值，进而获知待测油液中金属颗粒的浓度状态；

进一步地，所述测量装置还包括与所述采集模块相连接，用于接收所述采集模块传输过来的电信号的处理模块；

进一步地，所述处理模块用于根据所述采集模块传输过来的电信号进行脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取；

进一步地，所述处理模块根据脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取的结果得出待测油液中金属颗粒的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态；

进一步地，所述处理模块将统计出的脉冲数量与预设数量阈值进行比较、将获取的脉冲幅值与预设幅值阈值进行比较、和/或将获取的脉冲基线电压值与预设基线电压阈值进行比较，并当统计出的脉冲数量大于预设数量阈值、获取的脉冲幅值大于预设幅值阈值、和/或将获取的脉冲基线电压值大于预设基线电压阈值时，得出待测油液所在的系统发生故障。

一种串联谐振式油液金属颗粒测量方法，包括如下步骤：

步骤1：配置测量单元；所述测量单元包括供待测油液流过的腔体、在所述腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈、以及分别与所述电感线圈两引线端相连接的电阻和电容；所述电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；

步骤2：在所述RLC串联谐振电路两端施加交流电压信号作为激励信号，调整交流电压信号的频率使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；

步骤3：待测油液流过腔体，采集所述电感线圈和电容构成的串联支路两端电信号；

步骤4：根据采集的所述电信号确定脉冲信号为正向或负向、统计脉冲数量、得出脉冲幅值、和/或得出脉冲基线电压值；

步骤5：获知待测油液中金属颗粒的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置及其测量方法，与现有技术中的液压系统和润滑系统等机械设备的油液检测方式相比具有如下优点：本发明能够实时在线监测液压系统、润滑系统等机械设备中油液金属颗粒污染程度，实现了待测油液中金属颗粒数量，粒径大小及浓度状态的准确测量，对液压系统和润滑系统等系统中机械设备的故障诊断和故障预测具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述测量装置的结构框图；

图3是本发明电感线圈的螺线管层数为2层时的截面示意图；

图4是本发明所述测量方法的流程图。

图中：1、腔体，2、电感线圈，3、金属颗粒，4、电阻，5、电容，6、激励信号源，7、采集模块，8、处理模块。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，包括：供待测油液流过的腔体1；在所述腔体1内壁上呈环绕分布的电感线圈2；分别与所述电感线圈2两引线端相连接的电阻4和电容5；所述电感线圈2、电阻4和电容5构成RLC串联谐振电路；激励信号源6；所述激励信号源6能够产生不同频率的交流电压信号，该交流电压信号作为激励信号施加在所述RLC串联谐振电路两端；通过改变所述激励信号源6输出的交流电压信号的频率能够使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；以及与所述电感线圈2和电容5构成的串联支路相连接，用于获取所述串联支路两端电信号的采集模块7；进一步地，在RLC串联谐振电路工作在谐振状态后，待测油液流过腔体1，若流过腔体1的待测油液中含有金属颗粒3，当所述金属颗粒3经过所述电感线圈2时，所述串联支路两端产生脉冲信号；进一步地，根据所述采集模块7获取的电信号确定脉冲信号为正向或负向，进而获得待测油液中与该脉冲信号相对应的金属颗粒3为铁磁性金属颗粒或非铁磁性金属颗粒；根据所述采集模块7获取的电信号统计脉冲数量，进而获知待测油液中金属颗粒3的数量；进一步地，根据所述采集模块7获取的电信号得出脉冲幅值，进而获知待测油液中金属颗粒3的粒径状态；进一步地，根据所述采集模块7获取的电信号得出脉冲基线电压值，进而获知待测油液中金属颗粒3的浓度状态；进一步地，所述测量装置还包括与所述采集模块7相连接，用于接收所述采集模块7传输过来的电信号的处理模块8；进一步地，所述处理模块8用于根据所述采集模块7传输过来的电信号进行脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取；进一步地，所述处理模块8根据脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取的结果得出待测油液中金属颗粒3的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态；进一步地，所述处理模块8将统计出的脉冲数量与预设数量阈值进行比较、将获取的脉冲幅值与预设幅值阈值进行比较、和/或将获取的脉冲基线电压值与预设基线电压阈值进行比较，并当统计出的脉冲数量大于预设数量阈值、获取的脉冲幅值大于预设幅值阈值、和/或将获取的脉冲基线电压值大于预设基线电压阈值时，得出待测油液所在的系统发生故障。

如图1和图4所示的一种串联谐振式油液金属颗粒测量方法，包括如下步骤：

步骤1：配置测量单元；所述测量单元包括供待测油液流过的腔体1、在所述腔体1内壁上呈环绕分布的电感线圈2、以及分别与所述电感线圈2两引线端相连接的电阻4和电容5；所述电感线圈2、电阻4和电容5构成RLC串联谐振电路；

步骤2：在所述RLC串联谐振电路两端施加交流电压信号作为激励信号，调整交流电压信号的频率使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；

步骤3：待测油液流过腔体1，采集所述电感线圈2和电容5构成的串联支路两端电信号；

步骤4：根据采集的所述电信号确定脉冲信号为正向或负向、统计脉冲数量、得出脉冲幅值、和/或得出脉冲基线电压值；

步骤5：获知待测油液中金属颗粒3的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态。

本发明所述激励信号源6产生的交流电压信号的频率是可变的，在腔体1未流经油液时，激励信号源6根据当时的RLC串联谐振电路的谐振频率，发出频率与该谐振频率一致的交流电压信号，进而RLC串联谐振电路工作在谐振状态，在RLC串联谐振电路工作在谐振状态后，所述电感线圈2和电容5构成的串联支路两端电压为0，当金属颗粒3经过电感线圈2时，由于金属颗粒3的属性，进而影响了电感线圈2的等效电感值，即电感线圈2两引线端之间的电感值发生变化，而我们知道，RLC串联谐振电路的谐振频率为在本发明所述测量装置中，L为电感线圈2两引线端之间的电感值，C为电容5的容值，进而当金属颗粒3经过电感线圈2时，RLC串联谐振电路的谐振频率发生变化，在激励信号源6初始发出的交流电压信号的基础上，所述RLC串联谐振电路偏离谐振状态，进而所述电感线圈2和电容5构成的串联支路两端产生脉冲信号(电压大于0)，每经过腔体1(比如电感线圈2中心)一金属颗粒3时，对应产生一脉冲，再经过一金属颗粒3，再对应产生一脉冲，因此产生脉冲的个数代表金属颗粒3的数量，金属颗粒3的数量越高，磨损越严重，当金属颗粒3的数量高于预设数量阈值时则认为待测油液所在系统发生了故障，所述预设数量阈值在实际应用时可以根据不同的油液系统进行设定，比如可以取值为每100mL油液中4000个金属颗粒；另外，还可以对电感线圈2和电容5构成的串联支路两端产生的脉冲信号的幅值大小进行获取，脉冲幅值越高，则说明金属颗粒3的粒径越大，脉冲幅值越低，则说明金属颗粒3的粒径越小，即脉冲信号的幅值大小与金属颗粒3的粒径大小之间存在线性的对应关系，金属颗粒3的粒径越大，则说明磨损越严重，若某一经过的金属颗粒3所对应的脉冲信号的幅值高于预设幅值阈值，则说明该金属颗粒3的粒径状态超过了允许范围，则认为待测油液所在系统发生了故障，所述预设幅值阈值在实际应用时可以根据不同的油液系统进行设定，比如可以取值为0.1V，当脉冲信号的幅值高于0.1V则认为粒径状态过大；另外，还可以对电感线圈2和电容5构成的串联支路两端产生的脉冲信号的基线电压值进行获取，脉冲信号的基线电压值越高，则说明金属颗粒3的浓度越高，脉冲信号的基线电压值越低，则说明金属颗粒3的浓度越低，这种情况是应用于同时通过腔体1多个微小金属颗粒的情况，实际过程中可能会存在粒径较小的金属颗粒，其对应的脉冲信号的幅值也相对较低，则此时可以通过金属颗粒3的浓度状态得出磨损情况，这里的基线电压值指的是脉冲信号的基线位置与0V之间的距离，金属颗粒3的浓度越高，则说明磨损越严重，若当前经过的金属颗粒3所对应的脉冲信号的基线电压值高于预设基线电压阈值，则说明该金属颗粒3的浓度超过了允许范围，则认为待测油液所在系统发生了故障，所述预设基线电压阈值在实际应用时可以根据不同的油液系统进行设定，比如可以取值为3.5mV，当脉冲信号的基线值偏离0V基线3.5mV，则说明金属颗粒3浓度状态过高，上述的预设幅值阈值和预设基线电压阈值是在激励信号源6的输出电压为2V，未流经油液时的电感线圈2两引线端之间电感值为50μH，电容5的容值为50pF，电阻4的阻值为50Ω的条件下设定的；另外，本发明还可以检测出金属颗粒3的属性，每经过腔体1一金属颗粒3时，对应产生一脉冲，当该脉冲信号为正向脉冲时，则确定经过腔体1的金属颗粒3是铁磁性颗粒，当该脉冲信号为负向脉冲时，则确定经过腔体1的金属颗粒3是非铁磁性颗粒。

本发明所述激励信号源6产生的交流电压信号的幅值也是可变的；所述处理模块8可以为计算机、上位机；所述腔体1采用绝缘注模材料制成，这里的绝缘注模材料可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述电感线圈2具体可以采用螺线管式，实际应用时，可以首先将螺线管紧密缠绕在一个光滑的金属杆上，然后采用绝缘注模材料如聚二甲基硅氧烷或其它透明的高分子材料浇筑包围在金属杆以及呈环绕分布的螺线管上，待固化之后将金属杆抽出，进而形成供油样流过的腔体1，固化后的腔体1内壁形成了与所述电感线圈2相适配的螺旋凹槽，电感线圈2的螺线管固定于所述螺旋凹槽内；螺线管的环绕层数为至少一层，图3示出了电感线圈的螺线管层数为2层时的示意图。

本发明根据RLC串联谐振电路发生谐振时，油液中含有的金属颗粒通过电感线圈，会导致RLC串联谐振电路偏离谐振，此时测量电感线圈和电容构成的串联支路两端，串联支路两端的电信号发生变化，根据串联支路两端的电信号能够测量金属颗粒的数量、粒径和浓度；本发明可用于实时在线监测液压系统、润滑系统或其它相关系统中油液金属颗粒污染度，对系统中的金属颗粒进行计数，实现油液中金属颗粒的定量分析，对液压系统和润滑系统等系统中机械设备的故障诊断和故障预测具有重要意义。本发明所述装置结构简单、可实现模块化设计、成本低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于所述测量装置包括：

供待测油液流过的腔体；

在所述腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈；

分别与所述电感线圈两引线端相连接的电阻和电容；所述电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；

激励信号源；所述激励信号源能够产生不同频率的交流电压信号，该交流电压信号作为激励信号施加在所述RLC串联谐振电路两端；通过改变所述激励信号源输出的交流电压信号的频率能够使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；

以及与所述电感线圈和电容构成的串联支路相连接，用于获取所述串联支路两端电信号的采集模块。

2.根据权利要求1所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于在RLC串联谐振电路工作在谐振状态后，待测油液流过腔体，若流过腔体的待测油液中含有金属颗粒，当所述金属颗粒经过所述电感线圈时，所述串联支路两端产生脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于根据所述采集模块获取的电信号确定脉冲信号为正向或负向，进而获得待测油液中与该脉冲信号相对应的金属颗粒为铁磁性金属颗粒或非铁磁性金属颗粒；根据所述采集模块获取的电信号统计脉冲数量，进而获知待测油液中金属颗粒的数量。

4.根据权利要求2所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于根据所述采集模块获取的电信号得出脉冲幅值，进而获知待测油液中金属颗粒的粒径状态。

5.根据权利要求2所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于根据所述采集模块获取的电信号得出脉冲基线电压值，进而获知待测油液中金属颗粒的浓度状态。

6.根据权利要求2所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于所述测量装置还包括与所述采集模块相连接，用于接收所述采集模块传输过来的电信号的处理模块。

7.根据权利要求6所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于所述处理模块用于根据所述采集模块传输过来的电信号进行脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取。

8.根据权利要求7所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于所述处理模块根据脉冲信号为正向或负向的确定、脉冲数量统计、脉冲幅值获取和/或脉冲基线电压值获取的结果得出待测油液中金属颗粒的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态。

9.根据权利要求6所述的一种串联谐振式油液金属颗粒测量装置，其特征在于所述处理模块将统计出的脉冲数量与预设数量阈值进行比较、将获取的脉冲幅值与预设幅值阈值进行比较、和/或将获取的脉冲基线电压值与预设基线电压阈值进行比较，并当统计出的脉冲数量大于预设数量阈值、获取的脉冲幅值大于预设幅值阈值、和/或将获取的脉冲基线电压值大于预设基线电压阈值时，得出待测油液所在的系统发生故障。

10.一种串联谐振式油液金属颗粒测量方法，其特征在于所述测量方法包括如下步骤：

步骤1：配置测量单元；所述测量单元包括供待测油液流过的腔体、在所述腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈、以及分别与所述电感线圈两引线端相连接的电阻和电容；所述电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；

步骤2：在所述RLC串联谐振电路两端施加交流电压信号作为激励信号，调整交流电压信号的频率使所述RLC串联谐振电路达到谐振状态；

步骤3：待测油液流过腔体，采集所述电感线圈和电容构成的串联支路两端电信号；

步骤4：根据采集的所述电信号确定脉冲信号为正向或负向、统计脉冲数量、得出脉冲幅值、和/或得出脉冲基线电压值；

步骤5：获知待测油液中金属颗粒的属性、数量、粒径状态和/或浓度状态。