CN105927613A - 一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其依次通过温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块和消磁模块进行磨损微粒在线监测；所述温控模块的一端设有油液入口；所述吸附模块具体为同极相邻型吸附环。本发明引入基于电容边缘效应的相邻电容传感器技术，实现磨损微粒非侵入、无约束监测；通过磁化模块使油液中的磨损微粒磁化，并被吸附模块吸附，以提高相邻电容传感器的输出监测信号强度；通过温控模块及合理设计相邻电容传感器极板层结构，抑制噪声并最优化相邻电容传感器监测装置的整体性能。

Description

一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法

【技术领域】

本发明涉及一种液压管路油液中的磨损微粒在线监测方法，具体涉及一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，属于液压系统技术领域。

【背景技术】

液压系统油液中的磨损微粒不但可以使运动副产生磨粒磨损而且可以使运动副的相对运动受阻而导致控制部件动作失灵。国内外的资料统计表明，液压机械70％故障源自油液的颗粒污染。因此，对油液中的磨损微粒进行在线监测已成为减少磨损及液压系统故障的重要途径之一。

电容传感器因其制作方便、成本低廉而被应用于机器油液的污染监测。专利文献1（中国发明专利授权公告号CN101435788B）公开了一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统，该发明的传感器包括支座及其固定在内部的三根极柱，三根极柱构成了差动式圆柱电容，能监测传感器电容值的微小变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而实现对油液污染度的实施监测。该监测方法中的传感器极柱浸入到油液中，造成了油液流态的改变，影响了测量精度；油液在传感器极柱表面会形成沉积油膜，不仅造成测量精度下降，同时还带来传感器清洗问题。

文献2（赵新泽等，武汉水利电力大学（宜昌）学报，1999（3））公开了一种油液污染监测用电容传感器探头，该探头由一圆筒玻璃管与紧贴该管外壁的两半圆形电极组成，其实质为平行板电容传感器。该电容传感器激励极板与接收极板间距受液压管道直径约束，由于液压管道直径相对较大，该传感器灵敏度不够理想。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其采用非侵入的测量方式、对被测量的无约束性、监测信号强且灵敏度高、低成本、环境适应性强。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其采用一种磨损微粒在线监测装置，该装置包括温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块以及消磁模块；其中，所述温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块和消磁模块依次连接；所述温控模块的一端设有油液入口；所述吸附模块采用同极相邻型吸附环；所述同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点；

其包括如下步骤：

1），液压管路中的油液携带磨损微粒通过温控模块，通过温控模块控制油液温度恒定在42℃；

2），磁化模块将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成磁性大颗粒；

3），吸附模块吸附经磁化模块磁化后的磁化聚合大微粒；

4），通过相邻电容微粒监测模块在线监测液压管路中磨损微粒状况；

5），消磁模块7给磁化颗粒消磁。

本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法进一步为：所述温控模块包括加热器、冷却器和温度传感器；所述加热器采用带温度检测的重庆金鸿的润滑油加热器；所述冷却器选用表面蒸发式空冷器，冷却器的翅片管选KLM型翅片管；温度传感器采用铂电阻温度传感器。

本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法进一步为：所述磁化装置包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干磁化电流输出模块；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外，各绕组由正绕组和逆绕组组成，正绕组和逆绕组内的电流大小相等；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端；每一磁化电流输出模块连接至一绕组。

本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法进一步为：所述相邻电容微粒监测模块包括有机玻璃内壁、接地屏蔽层、接收极板、激励极板以及外壁；其中，所述机玻璃内壁、接地屏蔽层和外壁呈管状结构，并依次自内而外设置；所述机玻璃内壁的厚度为0.5mm，介电常数为2.5；所述接地屏蔽层的介电常数为1.5-2.5，厚度为外壁厚度的1到2倍；所述接收极板、激励极板嵌设在接地屏蔽层上，并位于机玻璃内壁外侧；所述接收极板、激励极板均采用皮亚诺曲线结构极板层，两者之间设有隔离层；所述隔离层的宽度为有机玻璃内壁厚度的0.8-1倍。

本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法进一步为：所述消磁模块的一端设有油液出口，其由剩磁传感器和消磁器组成。

本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法还为：其包括一ECU，所述剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却器、温度传感器、磁化电流输出模块、吸附模块和相邻电容微粒监测模块均电性连接至ECU上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1. 本发明的多对正逆线圈结构的磁化模块，线圈电流可在线数字设定，以产生磁化需要的非均匀磁场，使油液中的磨损微粒强力磁化并聚合成大颗粒，同时使胶质颗粒分解消融并抑制气泡生长；通过吸附模块捕获管壁表面磁化颗粒。

2. 在液压管路磨损微粒监测装置中引入基于电容边缘效应的相邻电容传感器，通过将磨损微粒磁化聚合成大颗粒，增加管壁表面油液的介电常数，极大提高了传感器输出信号强度并巧妙解决了信号强度和穿透深度指标冲突的矛盾。

3. 在极板层设计中引入了有效边缘长且结构复杂的皮亚诺曲线结构。该皮亚诺曲线结构极板层中，激励极板、接收极板和隔离极板组成的曲线能遍历正方形极板层中所有的点，得到一条充满整个正方形极板层空间的曲线。在极板层面积固定的情况下，该结构具有最长有效边缘、最大极板面积和最复杂结构，以此来获得最佳信号强度。

4. 温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块相结合的液压管路磨损微粒监测技术路线，既保证了监测可靠性，同时又使得监测系统的整体性能最优。

【附图说明】

图1是本发明的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测装置的结构示意图。

图2是图1中的磁化模块的结构图。

图3是图2中的磁化线圈的结构图。

图4是图2中的磁化电流输出模块的结构图。

图5是图1中的吸附装置为同极相邻型吸附环的结构示意图。

图6-1是图1中的相邻电容微粒监测模块的径向半剖图。

图6-2是图1中的相邻电容微粒监测模块的横向剖面图。

图6-3是图6-1中的接收极板和激励极板的示意图。

图6-4是图6-3中A处的局部放大图。

图7是ECU的连接示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图7所示，本发明为一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测装置，其由温控模块1、磁化模块2、吸附模块5、相邻电容微粒监测模块6、消磁模块7以及ECU10等几部分组成。其中，所述温控模块1、磁化模块2、吸附模块5、相邻电容微粒监测模块6和消磁模块7依次连接。

所述温控模块1的一端设有油液入口8，用于将液压油输人装置，其由加热器、冷却器和温度传感器组成。该温控模块1主要目的是为磁化装置提供最佳的磁化温度约42℃。同时，温度作为最主要的环境噪声，不同的温度会导致液压管路中的油液介电常数发生显著变化，保持温度恒定即可避免相邻电容传感器受温度噪声的影响。

所述加热器为电加热器，可采用本身带温度检测的重庆金鸿的润滑油加热器。冷却器可选用表面蒸发式空冷器，兼有水冷和空冷的优点，散热效果好，采用光管，流体阻力小；冷却器翅片类型为高翅，翅片管选KLM型翅片管，传热性能好，接触热阻小，翅片与管子接触面积大，贴合紧密，牢固，承受冷热急变能力佳，翅片根部抗大气腐蚀性能高；空冷器的管排数最优为8。温度传感器采用铂电阻温度传感器。

所述磁化装置2能将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，并使微米级的磨损微粒聚合成大颗粒，可提高相邻电容传感器的输出信号强度。同时，由电磁学理论可知，磁场强度越大，对铁磁性颗粒的吸引力也就越大，大尺寸的铁微粒移动速度比小尺寸的铁微粒快得多，将磨损微粒聚合成大颗粒也便于后续分离。

油液中携带的胶质颗粒和气泡的介电常数和液压油以及磨损颗粒的介电常数都不相同，为了避免对后面的相邻电容传感器监测造成影响，需要设计非均匀磁场分解或去除胶质颗粒和气泡。

根据磁场使分子取向排列论，当油液流过磁场时，磁场对油液中的胶质颗粒的运动会产生一定的影响，使得胶质颗粒在管路中作有序流动，减少了胶质颗粒的相互连接，从而起到分离胶质颗粒的降粘作用。同时，磁化的颗粒之间存在着内聚力，此力限制了气泡的形成和长大。无气泡时油液中的磁力线分布均匀，处于磁稳状态。当油液中有气泡时，气泡局部的磁力线发生弯由，弯曲的磁力线有恢复成原来均匀、平行、稳定状态的趋势，因而产生指向气泡中心的磁张力，此力能限制气泡的长大。

但磁场太强或太弱都很难取得好的磁处理效果。当磁感应强度在某一值附近时，磁处理具有最佳效果。同样，温度太高和太低降粘效果都不好。液压油中的胶质颗粒的分解降粘需要一定的温度和磁场强度，典型值为磁场强度在200mT左右，温度约42℃。设计非均匀磁场时要考虑到磁场的边缘效应所造成的影响，磁感应强度应设计为在油液流入的一端较强，而在油液流出的一端较弱，满足油液流出端，降低磁场、减轻边缘效应影响的要求，同时保证在油液的流入端的磁化效果。

本发明的磁化装置由铝质管道21、若干绕组22、铁质外壳23、法兰24以及若干磁化电流输出模块25组成。其中，所述铝质管道21使油液从其中流过而受到磁化处理，且铝的磁导率很低，可以使管道21中获得较高的磁场强度。

所述若干绕组22分别绕在铝质管道21外，由直径为1.0mm左右的铜丝涂覆绝缘漆制成。各绕组22都是相互独立设置的，分别由相应的磁化电流输出模块25控制，其中电流根据系统需要各不相同。由于每圈绕组22相互独立，其引出端会造成该线圈组成的电流环不是真正的“圆”，而是有个缺口，这会造成铝质管道21内磁场的径向分布不均匀，从而影响磁化效果。为解决此问题，本创作的每圈绕组22都由正绕组26和逆绕组27组成，目的是为了产生同极性方向的磁场并同时弥补缺口造成的磁场不均衡。正绕组和逆绕组内的电流大小相等。在铝质管道21轴线方向上排列有多对正逆绕组，通过不同的电流，用以形成前述要求的非均匀磁场。

所述铁质外壳23包覆于铝质管道21上，铁质的材料会屏蔽掉大部分的磁通。所述法兰24焊接在铝质管道21的两端。

每一磁化电流输出模块25连接至一绕组22，并由ECU10控制，其利用数字电位计具有和ECU10实时通讯并实时修改阻值的特点，实现非均匀磁场的实时控制。所述磁化电流输出模块25使用的数字电位计为AD5206，具有6通道的输出，可以和ECU之间实现单总线数据传输。ECU通过单总线实现对磁化绕组的多块磁化电流输出模块的电流设定和恒定输出。运放AD8601和MOS管2N7002通过负反馈实现了高精度的电压跟随输出。恒定大电流输出采用了德州仪器(TI)的高电压、大电流的运放OPA 549。

所述吸附模块5用于吸附经磁化装置2磁化后的磁化聚合大微粒。请参阅说明书附图5所示，所述吸附模块5采用同极相邻型吸附环时，该同极相邻型吸附环由铝质环形管道51、正向螺线管52、反向螺线管53以及铁质导磁帽54等部件组成。其中，所述正向螺线管52和反向螺线管53分别布置于铝质环形管道51内并由ECU10控制，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管52和反向螺线管53相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽54布置于铝质环形管道51的内壁上，其位于正向螺线管52和反向螺线管53相邻处、以及正向螺线管52和反向螺线管53轴线的中间点。

所述同极相邻型吸附环的设计原理如下：吸附环内部有多个带铁芯的通电螺线管，相邻的螺线管线圈通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极。同时，正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线中间点的吸附环内壁处设有铁质导磁帽，呈条状和吸附环轴线平行，吸附环的外壳为顺磁性铝质外管壁，这种设置有利于改善磁路，加大吸附环内壁处的磁场强度，增强对颗粒的捕获吸附能力。各螺线管电流由ECU直接控制，可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最佳吸附性能。吸附完成后，ECU控制电磁铁断电，顺磁性铝质管道失去磁性，附着在管道内壁上磁性聚合大颗粒随油液沿管壁进入相邻电容微粒监测模块。

请参阅说明书附图6-1至附图6-4所示，所述相邻电容微粒监测模块6在线监测液压管路中磨损微粒状况。所述相邻电容微粒监测模块6由有机玻璃内壁61、接地屏蔽层62、接收极板63、激励极板64以及外壁65等几部分组成。其中，所述机玻璃内壁61、接地屏蔽层62和外壁65呈管状结构，并依次自内而外设置。

所述机玻璃内壁61的厚度为0.5mm，介电常数为2.5（液压油的介电常数约2.1左右），和液压油的介电常数接近，因此边缘电容为固定值；当有机玻璃内壁表面堆满磁化颗粒时，磁化颗粒、液压油与有机玻璃内壁形成混合电介质，对传感器边缘电容共同作用，磁化颗粒的介电常数通常大于10，是液压油和有机玻璃内壁的介电常数的数倍，足够引起电容传感器边缘电容的明显变化，因此可利用相邻电容传感器电容值的变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而实现对磨损微粒的实施监测。

基于电容边缘效应的相邻电容传感器性能主要取决于穿透深度(电场线的穿透深度)、信号强度(电容值的大小)以及噪声抑制、测量灵敏度(对电压变化或电场变化的灵敏度)和传感器的测量动态范围。现有的相邻电容传感器测量得到的电容值很微弱，通常为pF级甚至更小，对金属微粒等低介电常数的介质的测量效果则更差，因此提升传感器输出信号强度尤为关键。同时，信号强度和穿透深度两个指标是相互冲突的，这也是该传感器性能提升难点。

相邻电容传感器信号强度与传感器极板面积，极板间距，以及传感器与待测物体间的距离，待测物的介电常数都有着很大的关系。经磁化聚合、离心和吸附处理的磨损微粒在有机玻璃内壁表面聚集，颗粒数量的增加导致油液介电常数的增大，颗粒聚合带来的粒径增大也使得油液介电常数的增大，同时磁化也有增加介电常数的功能，三者同时作用，大大加强了信号强度；而又由于颗粒紧贴有机玻璃内壁表面，对穿透深度要求几乎为零，也解决了指标冲突问题。

由于相邻电容传感器输出信号强度非常微弱，噪声对测量结果的影响显著。通常噪声主要来源于两方面，传感器自身的噪声和环境噪声。为此设计了接地屏蔽层来降低传感器自身噪声，接地屏蔽层62的介电常数为1.5-2.5，屏蔽层厚度为相邻电容传感器外壁65厚度的1到2倍之间为佳，以保证测量灵敏度。

所述接收极板63、激励极板64嵌设在接地屏蔽层62上，并位于机玻璃内壁61外侧，两者之间形成间隙磁场66，用于检测聚合颗粒67。所述接收极板63、激励极板64均采用有效边缘长且结构复杂的皮亚诺曲线结构极板层。该皮亚诺曲线结构极板层中，激励极板63、接收极板64组成的曲线能遍历正方形极板层中所有的点，得到一条充满整个正方形极板层空间的曲线。在极板层面积固定的情况下，该结构具有最长有效边缘、最大极板面积和最复杂结构，增加了有效极板面积与极板边缘，增加了传感器边缘电容值，降低了对外部接口电路灵敏度的要求。由此可获得最佳信号强度，传感器激励极板与接收极板采用弧形边缘也避免了极板拐角处的高灵敏性与不稳定性。进一步的，所述接收极板63、激励极板64两者之间设有隔离层69；所述隔离层69的宽度为有机玻璃内壁厚度的0.8-1倍，其能有效的将接收极板63、激励极板64隔离。

所述消磁模块7的一端设有油液出口9，其由剩磁传感器和消磁器组成。由于磁滞现象的存在，当铁磁材料磁化到饱和状态后，即使撤消外加磁场，材料中的磁感应强度仍回不到零点，需要外加磁场消磁。为了防止磁化微粒进入液压回路，对污染敏感液压元件造成损伤，所述消磁模块7根据消磁器出口处剩磁传感器的检测值控制消磁器的消磁强度。此处采用的消磁方法为电磁退磁，方法是通过加一适当的反向磁场，使得材料中的磁感应强度重新回到零点，且磁场强度或电流必须按顺序反转和逐步降低。

请参阅说明书附图7所示，所述磨损微粒在线监测装置进一步包括所述ECU10，其可选择Microchip公司的PIC16F877。所述剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却器、温度传感器、磁化电流输出模块25、吸附模块5、相邻电容微粒监测模块6均电性连接至ECU上，并受ECU控制。

采用上述磨损微粒在线监测装置对液压有中的磨损微粒监测包括如下方法：

1），液压管路中的油液携带磨损微粒通过温控模块1，通过温控模块1控制油液温度恒定在42℃；

2），磁化模块2将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成磁性大颗粒；

3），吸附模块5吸附经磁化模块2磁化后的磁化聚合大微粒；

4），通过相邻电容微粒监测模块6在线监测液压管路中磨损微粒状况；

5），消磁模块7给磁化颗粒消磁，防止磁化微粒进入液压回路，对污染敏感液压元件造成损伤。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：其采用一种磨损微粒在线监测装置，该装置包括温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块以及消磁模块；其中，所述温控模块、磁化模块、吸附模块、相邻电容微粒监测模块和消磁模块依次连接；所述温控模块的一端设有油液入口；所述吸附模块采用同极相邻型吸附环；所述同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点；

其包括如下步骤：

1），液压管路中的油液携带磨损微粒通过温控模块，通过温控模块控制油液温度恒定在42℃；

2），磁化模块将油液中携带的磨损微粒的强力磁化，使微米级的磨损微粒聚合成磁性大颗粒；

3），吸附模块吸附经磁化模块磁化后的磁化聚合大微粒；

4），通过相邻电容微粒监测模块在线监测液压管路中磨损微粒状况；

5），消磁模块7给磁化颗粒消磁。

2.如权利要求1所述的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：所述温控模块包括加热器、冷却器和温度传感器；所述加热器采用带温度检测的重庆金鸿的润滑油加热器；所述冷却器选用表面蒸发式空冷器，冷却器的翅片管选KLM型翅片管；温度传感器采用铂电阻温度传感器。

3.如权利要求1所述的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：所述磁化装置包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干磁化电流输出模块；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外，各绕组由正绕组和逆绕组组成，正绕组和逆绕组内的电流大小相等；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端；每一磁化电流输出模块连接至一绕组。

4.如权利要求1所述的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：所述相邻电容微粒监测装置包括有机玻璃内壁、接地屏蔽层、接收极板、激励极板以及外壁；其中，所述机玻璃内壁、接地屏蔽层和外壁呈管状结构，并依次自内而外设置；所述机玻璃内壁的厚度为0.5mm，介电常数为2.5；所述接地屏蔽层的介电常数为1.5-2.5，厚度为外壁厚度的1到2倍；所述接收极板、激励极板嵌设在接地屏蔽层上，并位于机玻璃内壁外侧；所述接收极板、激励极板均采用皮亚诺曲线结构极板层，两者之间设有隔离层；所述隔离层的宽度为有机玻璃内壁厚度的0.8-1倍。

5.如权利要求1所述的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：所述消磁模块的一端设有油液出口，其由剩磁传感器和消磁器组成。

6.如权利要求1所述的采用电控环吸附和相邻电容的磨损微粒在线监测方法，其特征在于：其进一步包括一ECU，所述剩磁传感器、消磁器、加热器、冷却器、温度传感器、磁化电流输出模块、吸附模块和相邻电容微粒监测模块均电性连接至ECU上。