CN105510279A - 基于光散射法的油品水分检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光散射法的油品水分检测装置，包括毛细管，设置在毛细管一侧的光源，设置在毛细管另一侧用以接收穿过毛细管的光信号的传感器，以及与所述的传感器连通的信号处理模块，所述的信号处理模块包括输入端分别经低通滤波器和高通滤波器并接至传感器输出端的除法器，所述的除法器的输出经放大电路后接入处理器。本发明创造性地利用水珠对光线的偏折效应，通过对水珠引起的随机波处理，实现了快速在线油液水分测量，结构简单，构件成本低，易于工业化生产。

Description

基于光散射法的油品水分检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及油液质量检测技术领域，特别是涉及一种基于光散射法的油品水分检测装置。

背景技术

润滑油是机械设备的“血液”，它在机械设备中起着密封、润滑、减磨、冷却、清洗、减振和防腐等重要作用。润滑系统以及润滑副元件的寿命与润滑油的清洁度有着很密切的关系，其中润滑油中的水污染是最常见的污染之一，科学准确的获得水分含量测量结果，是目前润滑油污染度检测的主要目标。

目前对于润滑油含水量检测的方法主要有：蒸馏法、电容法、电磁波法和电导率法等。

蒸馏法，是一种传统的离线检测方法，即将所取的油样品中加无水溶剂，在水分测定仪中蒸馏，最终将油水分离，分别测量油、水的质量，从而得到原油质量含水率，由样品的含水率便可推断出整个油品的含水率情况。这种离线的检测方法不仅检测周期长、成本高、程序繁琐，而且过分依赖实验人员获得和处理实验数据，不能实时地反映润滑油的含水量。

电容法，即利用水和油的介电常数相差很大的原理实现原油含水率检测，含水率的微小变化，会引起润滑油介电常数的较大变化，可将介电常数的变化反映为电容值的变化，通过测量电容值就得到了含水率。但该检测方法易受到温度和杂质积聚等很多因素的影响，容易产生计量漂移，长期稳定性差等缺点。

电磁波法，即根据油和水的物理性质不同，它们对电磁波吸收能力也有很大差别，利用震荡电路，将电能转化为电磁波，并将其辐射到油水混合物中，并对穿过混合流体的电磁波进行接收，含水率不同时，混合流体对电磁波的吸收也不同，通过接收到的电磁波的强度来检测原油含水率。其缺点是油中通常含有其它杂质，不同杂质的吸收能力不同会影响测量精度，且探头制作复杂，成本高，使用和维护困难，所以实际应用比较少。

电导率法，即利用油和水的电导率差异很大的特点，将相互平行且距离固定的两块极板(或圆柱电极)，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势，然后通过电导仪测量极板间电导。该方法有许多限制条件，如测量值与流体流态有关，电导率与液体离子浓度有关等。

综上分析，润滑油含水量实时准确的检测是润滑油污染度检测急需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于光散射法的油品水分检测装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于光散射法的油品水分检测装置，包括毛细管，设置在毛细管一侧的光源，设置在毛细管另一侧用以接收穿过毛细管的光信号的传感器，以及与所述的传感器连通的信号处理模块，所述的信号处理模块包括输入端分别经低通滤波器和高通滤波器并接至传感器输出端的除法器，所述的除法器的输出经放大电路后接入处理器。

所述的放大电路包括串联设置的带通滤波器和放大器，所述的放大器的输出经整形电路和模数转换后输入处理器。

所述的毛细管的截面为方形，所述的光源为平行光输出的激光光源，所述的激光光源的光斑为直径大于所述的毛细管宽度的圆形，在所述的激光光源与毛细管间设置有不透光的板材，所述的板材上设置有其延伸方向与流体流动方向垂直的狭隙，所述的狭隙的长度大于所述的毛细管的宽度

所述的毛细管的截面为正方形，其内径边长为0.5-0.9mm。

所述的狭隙的高度为0.1-0.2mm，所述的板材厚度1-3mm

一种利用所述的基于光散射法的油品水分检测装置的检测方法，包括以下步骤，

1)控制油液通过毛细管，同时光源工作，传感器接收光信号并转化为电信号输出，

2)传感器的输出信号分为两路，其中一路经低通滤波后得到直流参考电平，另一路经高通滤波后得到基线为零的随机波动信号；两路信号输入除法器，进行除法运算；

3)除法器输出的信号经带通滤波后以消除电路可能引入的直流分量、与固体颗粒对应的窄脉冲和高频噪声，接着信号输入放大器放大，整形去掉负信号后再经模数转换后输入处理器；

4)处理器对预定时间内的随机波动信号求平均，该平均信号的波动的幅度即对应油液的含水量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明创造性地利用水珠对光线的偏折效应，通过对水珠引起的随机波处理，实现了快速在线油液水分测量，结构简单，构件成本低，易于工业化生产。

附图说明

图1所示为本发明的基于光散射法的油品水分检测装置的结构示意图；

图2所示为信号处理模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明的基于光散射法的油品水分检测装置包括由支架10竖直地固定的毛细管1，设置在毛细管一侧的光源2，设置在毛细管另一侧用以接收穿过毛细管的光信号的传感器3，如光电二极管，以及与所述的传感器连通的信号处理模块，所述的信号处理模块包括输入端分别经低通滤波器和高通滤波器并接至传感器输出端的除法器，所述的除法器的输出经放大电路后接入处理器，具体来说，所述的放大电路包括串联设置的带通滤波器和放大器，所述的放大器的输出经整形电路和模数转换后输入处理器。其中，所述的支架10包括两个内侧具有凹槽的直角连接件11和14，所述的两个连接件对应固定连接即可借助所述的凹槽将毛细管1定位，同时，所述的毛细管的下端和下端分别设置有进油嘴12和出油嘴13，其中，毛细管与凹槽间设置有防水硅胶以作为贴合和固定之用。

水不溶于油，因此油液中水分会以微小水珠的形式存在，水珠与其周围油液之间会形成不同介质的球形界面。当油品中不含水时，光线直接通过油品，传播方向不偏折，对应的电信号是一个稳定的电平信号。当油品中含水时，水珠可以看成是一个球透镜，会对通过其的光线发生偏折作用。由于水珠的存在，通过含水油品后的光线会变得杂乱无章，其对应的电信号不再是一个稳定的电平信号，而会产生明显的随机波动。本发明基于此通过测量分析这一随机波动的大小来实现判断油品中的含水量。

其中，对于油液中并存的水珠和颗粒，油品中的颗粒不是透明物质，它会对光线形成阻挡作用，而不是偏折作用，因此其对应的电信号是一个窄脉冲。当油品中同时含有水分和颗粒时，其对应的电信号是一个随机波动的基线上叠加有若干窄脉冲。根据水珠和颗粒对光线的作用效果不同，可通过低通滤波消除颗粒对水分检测的干扰。

本发明创造性地利用水珠对光线的偏折效应，通过对水珠引起的随机波处理，实现了快速在线油液水分测量，结构简单，构件成本低，易于工业化生产。

为提高颗粒计数结果，优选地，所述的毛细管的截面为方形，如为正方形，其内径边长为0.5-0.9mm，优选为0.7mm；所述的光源为平行光输出的激光光源，所述的激光光源的光斑为直径大于所述的毛细管宽度的圆形，在所述的激光光源与毛细管间设置有不透光的板材4，所述的板材上设置有其延伸方向与流体流动方向垂直的狭隙，所述的狭隙的长度大于所述的毛细管的宽度,所述的传感器为光电二极管。所述的狭隙的高度为0.1-0.2mm，所述的板材厚度1-3mm。在板材上开一道狭缝,其作用在于将激光器平行输出的圆形光斑变为线光，该线光与毛细管垂直相交形成一个微小的感光区域，油液流经这个感光区域即可引起透射光强的变化,其中,狭缝的加工方法要保证边缘尽可能平整光滑，若边缘粗糙会对颗粒的测量精度造成影响。

利用激光面光源与狭隙配合形成一个平行光式线光源，而不是直接采用线光源式激光光源，提高了光源品质，有效克服毛细管壁对光的影响，保证测量结果的精确有效，同时机械加工难度小，整体实现成本低。

利用本发明的基于光散射法的油品水分检测装置的检测方法，包括以下步骤，

1)处理器控制油液通过毛细管，同时处理器控制光源工作，传感器接收光信号并转化为电信号输出，其中，待检测油液宜经过前期搅拌处理，使水分形成大量水珠，然后再由与所述的处理器可控连接的蠕动泵驱动进入毛细管，

2)传感器的输出信号分为两路，其中一路经低通滤波后得到直流参考电平S1，另一路经高通滤波后得到基线为零的随机波动信号S2；两路信号输入除法器电路，进行除法运算；其中，直流参考电平S1取决于光源输出的光强和油品本身对光的透过率；随机波动信号S2对应于油品中的水珠，叠加在波动信号上的窄脉冲对应于油品中的颗粒，将两个信号输入除法器，可消除由于光源波动以及油品本身对光的透过率不同而引起的误差，

3)除法器输出的信号经带通滤波后消除电路可能引入的直流分量、对应颗粒的窄脉冲和高频噪声，提高信号质量，接着信号输入放大器放大，再经整形电路去除负信号而只保留正信号,以便于后续对一段时间内的信号求平均值，以平均值来反映信号波动的大小,然后将整形后的信号经模数转换后发送至处理器，

4)处理器对预定时间内的随机波动信号求平均，该平均信号的波动的幅度即对应油液的含水量，具体波动的幅度与含水量的对应关系可通过实验进行标定。同时，处理器将含水量计算结果通过触摸器进行显示，同时对这些结果进行数模转换，实现模拟量输出(范围0～5V)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光散射法的油品水分检测装置，其特征在于，包括毛细管，设置在毛细管一侧的光源，设置在毛细管另一侧用以接收穿过毛细管的光信号的传感器，以及与所述的传感器连通的信号处理模块，所述的信号处理模块包括输入端分别经低通滤波器和高通滤波器并接至传感器输出端的除法器，所述的除法器的输出经放大电路后接入处理器。

2.如权利要求1所述的基于光散射法的油品水分检测装置，其特征在于，所述的放大电路包括串联设置的带通滤波器和放大器，所述的放大器的输出经整形电路和模数转换后输入处理器。

3.如权利要求1所述的基于光散射法的油品水分检测装置，其特征在于，所述的毛细管的截面为方形，所述的光源为平行光输出的激光光源，所述的激光光源的光斑为直径大于所述的毛细管宽度的圆形，在所述的激光光源与毛细管间设置有不透光的板材，所述的板材上设置有其延伸方向与流体流动方向垂直的狭隙，所述的狭隙的长度大于所述的毛细管的宽度。

4.如权利要求3所述的基于光散射法的油品水分检测装置，其特征在于，所述的毛细管的截面为正方形，其内径边长为0.5-0.9mm。

5.如权利要求3所述的基于光散射法的油品水分检测装置，其特征在于，所述的狭隙的高度为0.1-0.2mm，所述的板材厚度1-3mm。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的基于光散射法的油品水分检测装置的检测方法，包括以下步骤，

1)控制油液通过毛细管，同时光源工作，传感器接收光信号并转化为电信号输出，

2)传感器的输出信号分为两路，其中一路经低通滤波后得到直流参考电平，另一路经高通滤波后得到基线为零的随机波动信号；两路信号输入除法器，进行除法运算；

3)除法器输出的信号经带通滤波后以消除电路可能引入的直流分量、与固体颗粒对应的窄脉冲和高频噪声，接着信号输入放大器放大，整形去掉负信号后再经模数转换后输入处理器；

4)处理器对预定时间内的随机波动信号求平均，该平均信号的波动的幅度即对应油液的含水量。