CN107831143B - 一种流体透明度检测装置和检测方法 - Google Patents

一种流体透明度检测装置和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流体透明度检测装置和检测方法。所述检测装置包括：检测管道，其允许光束实现对其管内流体的入射和出射；激光管，用于输出入射光束；光电探测器，用于检测流体出射光束；所述光电探测器包括散射探测器和透射探测器；所述检测方法包括获取设备的散射底噪值和透射底噪值，获取所述散射探测器得到的散射光强I散射、所述散射探测器得到的透射光强I透射，并计算颗粒物的吸收光强I吸收；获取激光总光强I总光强；得到流体透明度T。通过本检测装置与检测方法，能够有效提高流体透明度检测的准确度。

Description

一种流体透明度检测装置和检测方法
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，尤其涉及一种流体透明度检测装置，以及利用该装置进行检测的方法。
背景技术
在发动机、轴承、齿轮等的运转过程中，为降低磨损损耗，往往需要配置滑油系统，而滑油的纯度不够、带有碎屑等因素将带来巨大的灾难。在大型机械设备失效的运转过程中，往往是由于磨粒碎屑在滑油中不断积累造成的恶性循环。在磨损故障诊断系统中，磨损部件(如发动机、滚动轴承、齿轮等)的损伤程度与润滑系统里的颗粒物之间具有强烈的关联性。为实现对滑油颗粒物的检测，先通常会在滑油管道中加装颗粒物形态检测装置，例如流体透明度检测装置，实时在线监测滑油品质，为发动机、轴承、齿轮等的故障诊断提供有效的依据，并能快速准确判断设备的磨损状态及故障原因。
在原先的液体颗粒物检测方法中，往往使用的是引导一束激光光束照射装有液体的透明装置，通过测得被散射的光强来测得液体中的颗粒物。在此方法中，存在如下不足：(1)散射光的获取方式比较单一，无法准确的获取各个方向散射的总光强，使得总光强获得准确度不高；(2)未考虑流体自身固有的影响杂质，即纯净流体的底噪值，而简单将计算空气中透明度的方法直接应用到流体透明度的计算当中；这两方面均会导致影响流体透明度计算的准确度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是：(1)一种能够通过散射和透射光强的检测，更准确测量流体透明度的检测装置；(2)提供利用该装置进行检测的方法，提高透明度检测准确度。
为解决上述第一个技术问题和技术目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种流体透明度检测装置，其包括：检测管道，其允许光束实现对其管内流体的入射和出射；激光管，用于输出入射光束；光电探测器，用于检测流体出射光束；所述光电探测器包括散射探测器和透射探测器。
在现有的技术中，往往采用引导一束激光光束照射装有液体的透明装置，通过测得被散射的光强来测得液体中的颗粒物，这种技术会导致如上背景技术中所提到的技术缺陷。因此，发明人创新性地提出在该装置中同时设置透射探测器和散射探测器的技术方案，能够有效解决上述技术问题，能够达到，在获取散射光的同时获取透过液体后的透射光强；通过获取透射、散射光强以及颗粒吸收光强，获取总光强，从而更准确获得流体透明度。
需要说明的是，本专利以滑油作为流体的其中一种适用场景举例说明，并不代表本装置及方法仅适用于滑油的应用场景，其余流体也可适用。
需要说明的是，散射探测器主要用于获取激光管的散射光信息。
需要说明的是，透射探测器主要用于获取激光管的透射光强。
优选地，所述散射探测器设置位置与所述激光管输出光束不在同一直线上。
散射探测器用于识别颗粒物的大小和形状。在优选的实施方式中，所述散射探测器的设置位置与所述激光管输出光束不在同一直线上。因为当散射探测器设置位置与所述激光管输出光束在同一直线上时，所述散射探测器接收光束的灵敏度较低，而且很容易受到直射光束的干扰。而不在同一直线上，可以降低光束的干扰，使得散射光束检测更为准确。
更优选地，所述散射探测器设置于所述激光管输出光束的垂直面位置，所述散射探测器、所述检测管道、所述激光管三点形成一个直角形状。
经实验表明，通过上述位置关系的设置，可以在更大程度上避免直射光束的干扰，保证散射光束检测准确。
优选地，所述透射探测器设置位置与所述激光管输出光束在同一直线上，所述检测管道设于所述透射探测器与所述激光管之间。
优选地，所述检测装置还包括用于驱动所述激光管移动的驱动装置。
在现有的流体透明度检测装置中，激光管是固定的，而所输出的光束也固定在某一位置上，故其检测的颗粒物仅局限于该位置上的颗粒物。由于颗粒物的质量不同，会导致颗粒物根据质量大小在流体中形成分层，现有装置会导致检测范围较窄，检测到的颗粒物相对局部，从而导致所检测出的流体透明度也不够精确。因此发明人创新性地提出将之前固定的激光管设置为可移动的，所述驱动装置用于驱动所述激光管移动，使得其输出的光束可以覆盖检测管道，从而对整个检测管道的流经的颗粒物进行检测，使得获取的光强更具准确度，从而进一步达到提高检测精度和准确度的技术效果。
又或者，在另一种实施方式中，可以通过一次固定激光器进行上述测量后，再在下一次的测量中将激光管进行移动，在另一层进行测量。亦即，在此优选实施方式中，并非在一次测量中移动激光管，而是一次测量中固定激光管，而再移动激光管，在另外一次测量中继续固定激光管进行透明度的测量。最后记录下每一次的测量结果，再通过加权平均的算法得到测量结果，使得测量结果更为准确。
优选地，所述驱动装置是电机。
作为其中一种实施方式，可以在检测装置中设置有电机，用于驱动所述激光管进行移动，进而导致输出的入射光束的移动。
更优选地，所述激光管的移动方式是丝杆移动或齿轮移动。
所述丝杆移动是指，在其中一种实施方式中，将螺母设置在激光器上，所述电机驱动螺杆与所述螺母配合实现移动。
所述齿轮移动是指，电机和激光管均设有齿轮状结构部件相互配合实现移动。
优选地，所述激光管的移动范围是所述检测管道横截面的直径距离。
将激光管的移动范围设定为检测管道横截面的直径距离，可以在更大程度上覆盖检测管道，使得管道内的流体能够被光束充分覆盖，从而达到对各层颗粒物的充分检测，提高检测的精度。
优选地，所述激光管的移动是匀速移动的。
在匀速运动的过程中，采集微粒物的信号会比较平稳，使得检测、分析的结果精度更高。
为解决上述第二个技术问题和技术目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种应用如上所述装置检测流体透明度的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：往设备中通入纯净的流体，获取设备的散射底噪值和透射底噪值，并转化为相应的散射光强底噪值I散射底噪和透射光强底噪值I透射底噪；
S2：往设备中通入待测的流体，激光管输出激光光束，然后分别获取散射探测器和透射探测器所得的散射光和透射光电压信号，并转换得到所述散射探测器得到的散射光强I散射、所述散射探测器得到的透射光强I透射，并得到颗粒物的吸收光强I吸收；
S3：根据S2所得结果，输出激光总光强I总光强，所述激光总光强的计算公式为：I总光强＝I散射+I透射+I吸收-I散射底噪-I透射底噪；
S4：根据S3所得I总光强和I透射，输出流体透明度T，所述流体透明度T的计算公式为：
T＝(I透射-I透射底噪)/I总光强*100％。
需要说明的是，现有的流体透明度测量方法通常是直接获得激光总光强和透射光强数值，再进行直接相除，得到流体的透明度。但是这种方法中的总光强不易获得且直接获得准确度不高，因此发明人创新性地将总光强的获取进行分步进行，即分别获取激光的散射光强，透射光强，以及颗粒物的吸收光强，再通过三者的相加得到总光强。另一方面，该方法通常应用于空气测量中，但是在流体中相对于空气来说，会存在较多影响散射和透射的杂质，因此无法简单将计算空气透明度的方法直接应用到流体透明度计算当中去。通过这种方法能够提高总光强的检测精度，从而提高透明度的计算准确度。
优选地，所述S2的激光管是移动的；
更优选地，所述激光管在检测过程中是移动的；
更优选地，所述激光管在检测过程前是移动的。
激光管是移动的，可有两种优选方案，其均能达到激光不限于再某一点或层射入检测管道，从而使得探测器所获取的各个光强的准确度会有所提高的有益效果。
其中，在检测过程中移动指的是在S2获取信号的过程中是移动的，即能实时检测在管道中可能形成的多层颗粒物，在获取的过程中即检测到各层的颗粒物形态，提高信号的准确度。
另外，在检测过程前移动指的是在S2获取信号的过程中激光管是固定的，在某一层颗粒物中进行检测，在下一次检测开始前移动激光管，再检测另外一层的颗粒物形态。这种方式可以通过多次检测结果的加权平均而获得更高的信号准确度。
优选地，所述S3后还包括如下步骤：重复S2和S3得到在一定时间内激光总光强的最大值Imax；此时流体透明度T＝(I透射-I透射底噪)/Imax*100％。
需要说明的是，滑油在实际的使用过程中，由于数据采集精度、滑油流速等一系列问题，会导致第一次选取的光强并不一定就是准确的总光强。为避免总光强的计算误差，在算法上每次都计算总光强，并与之前的总光强进行对比，选取在一定时间内最大的总光强为实际总光强，使得测得的总光强更接近于实际总光强，检测结果更为准确。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的流体透明度检测装置，同时设置有散射探测器和透射探测器；同时设置两种光电探测器可在一个装置中同时检测两个数据，可进一步探测检测管道流体的透明度，提升检测效率，即能够达到在获取散射光的同时获取透过液体后的透射光强；提高透明度的检测准确度；
2、本发明的流体透明度检测装置，将激光管设置为可移动的，使得其输出的光束可以覆盖检测管道，从而对整个检测管道的流经的颗粒物进行检测，进一步达到提高检测精度和准确度的技术效果；
3、本发明的流体透明度检测装置，优选将装置还包括电机，所述电机与所述激光管连接，从而驱动所述激光管进行移动，可实现激光管的可移动；
4、本发明的流体透明度检测装置，将激光管的移动范围设定为检测管道横截面的直径距离，可以在更大程度上覆盖检测管道，使得管道内的流体能够被光束充分覆盖，从而达到对各层颗粒物的充分检测，提高检测的精度；
5、本发明的流体透明度检测装置，所述激光管的移动是匀速移动的，在匀速运动的过程中，采集微粒物的信号会比较平稳，使得检测、分析的结果精度更高；
6、本发明的流体透明度检测方法，首先测量纯净流体内散射和透射的底噪值，测得流体内固有的情况，以作为对后续测量的比较，提高后续测量的准确度；
7、本发明的流体透明度检测方法，将总光强的获取进行分步进行，即分别获取激光的散射光强，透射光强，以及颗粒物的吸收光强，再通过三者的相加并去噪的算式得到总光强。通过这种方法能够提高总光强的检测精度，从而提高透明度的计算准确度；
8、本发明的流体透明度检测方法，重复所述S2和S3得到在一定时间内激光总光强的最大值Imax为总光强，使得测得的总光强更为准确。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的流体透明度检测装置一种较优选实施方式的结构示意图；
其中，各附图标记为：1、检测管道；2、散射探测器；3、透射探测器；4、激光管；5、电机；51、齿轮；52、齿条；a、颗粒；b、颗粒。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
实施例1(一种流体透明度检测装置)
如图1所示是本发明的流体透明度检测装置的一种较优选实施方式的结构示意图，其包括：检测管道1，其允许光束实现对其管内流体的入射和出射；激光管4，用于输出入射光束；光电探测器，用于检测流体出射光束。
所述光电探测器包括：散射探测器2，用于检测散射光束；透射探测器3，用于检测透射光束；所述散射探测器设置于所述激光管输出光束的垂直面位置，所述散射探测器、所述检测管道、所述激光管三点形成一个直角形状；所述透射探测器设置位置与所述激光管输出光束在同一直线上，所述检测管道设于所述透射探测器与所述激光管之间。
所述检测装置还包括作为驱动装置的电机5，所述电机与所述激光管相连接以带动所述激光管的移动。所述电机通过与齿轮51和齿条52带动所述激光管的移动。
本检测装置的具体工作过程如下：
装置初始时，通过电机、齿轮、齿条控制激光管位于行程的最下端，检测管道的最下层的液体，分析最下层的微粒物分布情况；然后通过控制电机驱动程序，匀速的移动激光管，使激光光路在管道中呈移动扫描状，同时采集光电探测器的输出信号，分析微粒物在管道中不同层时的情况，实现动态分析管道微粒物分布的功能。对于不同大小的颗粒，如图中的相对较小的颗粒a和相对较大的颗粒b，由于质量不同会导致颗粒的分层，通过本装置可以移动地将光束覆盖入射到检测管道内的流体中，使得不同颗粒物进行不同的散射和透射，使得光电探测器检测的结果更为全面和准确，为探测流体的透明度和颗粒物浓度提高检测精度。
在本实施例中，所述光电探测器包括散射探测器和透射探测器；同时设置两种光电探测器可在一个装置中同时检测两个数据，可进一步探测检测管道流体的透明度，提升检测效率，即能够达到在获取散射光的同时获取透过液体后的透射光强；提高透明度的检测准确度。
在本实施例中，为降低光束的干扰，使得散射光束检测更为准确，所述散射探测器设置于所述激光管的垂直面位置，所述散射探测器、所述检测管道、所述激光管三点形成一个直角形状。在其他优选实施方式中，所述散射探测器设置位置与所述激光管输出光束不在同一直线上也可达到上述技术效果。
在本实施例中，将激光管设置为可移动的，使得其输出的光束可以覆盖检测管道，从而对整个检测管道的流经的颗粒物进行检测，进一步达到提高检测精度和准确度的技术效果。
在本实施例中，所述激光管的移动方式是齿轮移动，在其他的实施方式中，移动方式还可以是丝杆移动等。
在本实施例中，所述激光管的移动范围是所述检测管道横截面的直径距离。将激光管的移动范围设定为检测管道横截面的直径距离，可以在更大程度上覆盖检测管道，使得管道内的流体能够被光束充分覆盖，从而达到对各层颗粒物的充分检测，提高检测的精度。在其他的实施方式中，移动范围可以试具体情况而定，不限于本实施例的优选实施方式。
在本实施例中，所述激光管的移动是匀速移动的。在匀速运动的过程中，采集微粒物的信号会比较平稳，使得检测、分析的结果精度更高。
实施例2(一种流体透明度检测方法)
本实施例是本发明提供的一种应用如上所述装置检测流体透明度的方法的第一种优选实施方式，所述方法包括以下步骤：
S1：往设备中通入纯净的流体，获取设备的散射底噪值和透射底噪值，并转化为相应的散射光强底噪值I散射底噪和透射光强底噪值I透射底噪；
S2：往设备中通入待测的流体，激光管输出激光光束，然后分别获取散射探测器和透射探测器所得的散射光和透射光电压信号，并转换得到所述散射探测器得到的散射光强I散射、所述散射探测器得到的透射光强I透射，并得到颗粒物的吸收光强I吸收；
S3：根据S2所得结果，输出激光总光强I总光强，所述激光总光强的计算公式为：I总光强＝I散射+I透射+I吸收-I散射底噪-I透射底噪；
S4：根据S3所得I总光强和I透射，输出流体透明度T，所述流体透明度T的计算公式为：
T＝(I透射-I透射底噪)/I总光强*100％；
具体而言，在滑油透明度分析的过程中，首先先测量纯净流体内的底噪值，方便去除流体内自身固有的影响测量参数的因子。之后，采用散射探测器和透射探测器，分别获取散射光强I散射和透射光强I透射。根据光学信号调理电路，能将微弱的光强转换为电压脉冲信号；经过处理后的光散射信号中包含了滑油中颗粒物个数和大小相关的信息；经过处理后的透射光信号则包含了滑油的透射光强度。依据结构设计、电路转换，在透射探测器上能够接收到透过滑油后的电压信号U透射，信号的幅值代表着光强的大小。而在光学颗粒度分析中，获取散射光强度电压信号U散射。
通过上述步骤可获取到微粒物的散射光强度电压信号U散射，计算颗粒物的大小，并通过微粒物的吸光系数进行分析，可获取微粒物吸收的光强电压信号U吸收，两者间存在一定的比例关系：U吸收＝k*U散射。其中K与微粒物的材料、吸光系数等有关，可进行修正，在实际中通过标定完成。
之后根据上述电压信号分别得出散射光强I散射、透射光强I透射，颗粒物的吸收光强I吸收。再通过相加，并减去纯净流体固有的底噪值，进而得到测量中的总光强I总光强。
将总光强的获取进行分步进行，即分别获取激光的散射光强，透射光强，以及颗粒物的吸收光强，再通过三者的相加并减去底噪值后得到总光强。通过这种方法能够提高总光强的检测精度，从而提高透明度的计算准确度。
实施例3(一种流体透明度检测方法)
本实施例是本发明一种流体透明度检测方法的第二种优选的实施方式，本实施例与上述实施例2的区别在于：所述S2的激光管是移动的。激光管是移动的，激光不限于再某一点或层射入检测管道，从而使得探测器所获取的各个光强的准确度会有所提高。
另外，激光管移动还有另一种进一步的有益效果。在另外一种优选的实施方式中，可以通过一次固定激光器进行上述测量后，再在下一次的测量中将激光管进行移动，在另一层进行测量。亦即，在此优选实施方式中，并非在一次测量中移动激光管，而是一次测量中固定激光管，而再移动激光管，在另外一次测量中继续固定激光管进行透明度的测量。最后记录下每一次的测量结果，再通过加权平均的算法得到测量结果，使得测量结果更为准确。
具体步骤如下：
(1)在初始时，控制激光灯位于行程的最底层(检测管道横截面的直径距离内最下层)时，并对光电探测器进行采样，同时进行滑油颗粒物和透明度的分析，记录当前位置的分析结果x0。
(2)控制激光管匀速的向上移动，并对光电探测器进行采样，同时进行滑油颗粒物和透明度的分析，记录当前位置的分析结果xi。
(3)当激光管移动到行程的最高层(检测管道横截面的直径距离内最上层)时，对光电探测器进行采样，同时进行滑油颗粒物和透明度的分析，记录当前位置的分析结果
Figure BDA0001495061370000091
(4)控制激光管匀速的向下移动，并对光电探测器进行采样，同时进行滑油颗粒物和透明度的分析，记录当前位置的分析结果
Figure BDA0001495061370000092
(5)同理，当激光管移动到行程的初始位置时，获得分析结果xmax-1，结束一次分层分析。
(6)对整个分层分析的结果进行二次分析，从而分析获得整体管路中的微粒分布和流体透明度。这里认为短时间内管内流体的形态变化不大，而激光管的移动是相对匀速的来回运动，故认为来回分层扫描的结果是一致的，在此取平均值即可获取每一处的微粒分布于流体透明度。
Figure BDA0001495061370000093
其余实施方式与上述实施例2相同，在此不再累述。
实施例4(一种流体透明度检测方法)
本实施例是本发明一种流体透明度检测方法的第三种优选的实施方式，本实施例与上述实施例2的区别在于，所述S3后还包括如下步骤：重复S2和S3得到在一定时间内激光总光强的最大值Imax；此时流体透明度T＝(I透射-I透射底噪)/I总光强*100％；。
滑油在实际的使用过程中，由于数据采集精度、滑油流速等一系列问题，会导致第一次选取的光强并不一定就是准确的总光强。为避免总光强的计算误差，在算法上每次都计算总光强，并与之前的总光强进行对比，选取在一定时间内最大的总光强为实际总光强，使得测得的总光强更接近于实际总光强，检测结果更为准确。
总光强的选取是一个反复进行的操作，算法上在选取总光强时和上一次的总光强进行对比。由于从开始到最终选取的总光强都是选取最大的，所以每次测量只进行一次总光强计算，一次比较即可得到最大总光强。
其余实施方式与上述实施例2、3相同，在此不再累述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种应用流体透明度检测装置检测流体透明度的方法，其特征在于，
流体透明度检测装置，其包括：检测管道，其允许光束实现对其管内流体的入射和出射；激光管，用于输出入射光束；光电探测器，用于检测流体出射光束；所述光电探测器包括散射探测器和透射探测器；
所述方法包括以下步骤：
S1：往流体透明度检测装置中通入纯净的流体，获取流体透明度检测装置的散射底噪值和透射底噪值，并转化为相应的散射光强底噪值I散射底噪和透射光强底噪值I透射底噪；
S2：往流体透明度检测装置中通入待测的流体，激光管输出激光光束，然后分别获取散射探测器和透射探测器所得的散射光和透射光电压信号，并转换得到所述散射探测器得到的散射光强I散射、所述透射探测器得到的透射光强I透射，并得到颗粒物的吸收光强I吸收；
S3：根据S2所得结果，输出激光总光强I总光强，所述激光总光强的计算公式为：I总光强＝I散射+I透射+I吸收-I散射底噪-I透射底噪；
所述S2的激光管是移动的；所述S3后还包括如下步骤：重复S2和S3得到在一定时间内激光总光强的最大值Imax；此时流体透明度T＝(I透射-I透射底噪)/Imax*100％。
2.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述检测装置还包括用于驱动所述激光管移动的驱动装置。
3.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述散射探测器设置位置与所述激光管输出光束不在同一直线上。
4.如权利要求3所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述散射探测器设置于所述激光管输出光束的垂直面位置，所述散射探测器、所述检测管道、所述激光管三点形成一个直角形状。
5.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述透射探测器设置位置与所述激光管输出光束在同一直线上，所述检测管道设于所述透射探测器与所述激光管之间。
6.如权利要求2所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述驱动装置是电机。
7.如权利要求6所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述激光管的移动方式是丝杆移动或齿轮移动。
8.如权利要求2所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述激光管的移动是匀速移动的。
9.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述激光管在检测过程中是移动的。
10.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述激光管在检测过程前是移动的。
11.如权利要求1所述的检测流体透明度的方法，其特征在于，所述激光管的移动范围是所述检测管道横截面的直径距离。
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