CN114034745B - 一种电容式油液污染物变频区分装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式油液污染物变频区分装置及方法，包括用于为多激励电容式传感芯片提供不同频率激励信号的信号变频激励模块、用于检测油液污染物，并将污染物信息转换为电信号输出的多激励电容式传感芯片、用于采集输出的电信号，并将电信号转换成数字信号输出的信号采集模块、用于获取输出的数字信号的信号传输模块、用于分析多激励电容式传感芯片输出的电信号结果，预测液体污染物含量以及识别污染物的材质和尺寸的数据分析模块、用于显示液体污染物含量以及识别的污染物材质和尺寸的显示模块。本发明实现了对油液中含有的污染物材质和尺寸的识别以及液体污染物含量的确定。

Description

一种电容式油液污染物变频区分装置及方法

技术领域

本发明涉及油液污染物检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种电容式油液污染物变频区分装置及方法。

背景技术

滑油系统和液压系统机械设备中发挥着润滑、冷却、清洁、防腐等重要作用，在汽车工业、航空工业、船舶制造业、矿业、农业及冶金业等领域中，都是机械设备正常运行的重要保障。而机械设备的故障诊断，是通过监测机械设备运行过程中的各种状态，如管路气压、介质温度、油液污染情况等，判断设备出现的异常状况，并分析异常来源、受损部件和危害范围，据此预测故障发展趋势的过程。尤其当微量水分通过各种途径的引入润滑油时，会造成润滑油物理化学性质变化从而威胁设备运行安全。油液监测技术是一种精准高效的故障诊断手段，其凭借信息集成度高、精确实用等优点被广泛应用于各类机械系统工况检测中，也因而成为了机械设备故障诊断，尤其是磨损类故障诊断的重要方式。

现有的油液污染物监测方法主要有：铁谱分析、光谱分析、光学显微技术、污染物计数法。而其中油液的光谱分析能够直接鉴别油液污染物的组成成分，据此来监测设备状态和油液污染情况。电容法通过检测介电常数的变化，能够灵敏地反映出物体内部物质组成的变化。目前，电容式传感器大多通过检测油液介电常数，间接地来对油液的相对水分含量进行估算。然而，少有学者对电容式传感器所得结果进一步处理并分析，并且使用传感器检测物质组成成分的研究亦鲜有进行。本方法针对这种情况，基于传感器的检测结果设计一种能够对油液污染物材质进行区分的方法。

在诸多液体混合物检测方法中，目前国内有应用蒸馏法和库伦法用以润滑油水分检测。其中蒸馏法对加入无水溶剂的待测油样进行加热蒸馏，实现油水分离，再分别对油和水进行测量。但是该方法耗时长，而且检测结果受温度影响明显。光谱检测能够显示出油液中的各元素含量。但是光谱分析检测时间周期较长，不能及时进行信息反馈。因此，针对这些缺陷，有必要设计开发一种精度高、环境适应性强并且实时快速的液体污染物检测方法。

发明内容

为实现对油液中含有的液体污染物进行检测并确定其中含量，本发明基于电容检测的工作原理提出了一种变频式油液污染物区分装置及方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种电容式油液污染物变频区分装置，包括：信号变频激励模块、多激励电容式传感芯片、信号采集模块、信号传输模块、数据分析模块以及显示模块；

所述信号变频激励模块，连接多激励电容式传感芯片，用于为多激励电容式传感芯片提供不同频率的激励信号；

所述多激励电容式传感芯片，用于检测油液污染物，并将污染物信息转换为电信号输出；

所述信号采集模块，连接所述多激励电容式传感芯片，用于采集所述多激励电容式传感芯片输出的电信号，并采用模数转化将电信号转换成数字信号输出；

所述信号传输模块，连接所述信号采集模块，用于获取所述数据采集模块输出的数字信号，并对数字信号进行降噪处理；

所述数据分析模块，连接所述多激励电容式传感芯片，用于分析所述多激励电容式传感芯片输出的电信号结果，预测液体污染物含量以及识别污染物的材质和尺寸；

所述显示模块，连接所述数据分析模块，用于显示所述数据分析模块预测的液体污染物含量以及识别的污染物材质和尺寸。

进一步地，所述多激励电容式传感芯片包括多个检测单元、进样口、主流道以及出样口；

所述多激励电容式传感芯片设置在玻璃基底上，一端设置有进样口，另一端设置有出样口，进样口和出样口之间通过主流道连通，主流道从多个检测单元中心穿过。

进一步地，多个所述检测单元均采用结构参数完全相同的检测电容器，包括双电极电容器、三电极电容器，多电容组合式电容器。

进一步地，所述检测电容器实时获取自身的阻抗变化，且检测电容器输出的电信号为电容信号。

进一步地，所述信号变频激励模块分别向多个所述检测单元提供不同频率的激励源。

进一步地，所述数据分析模块通过获取液体污染物多次不同频率下检测电容输出的电信号结合电信号与液体污染物含量特征曲线，得出该类液体污染物的百分比含量，进而判断该液体混合物的状态。

进一步地，所述特征曲线包括电信号与激励频率关系特征曲线和电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线；其中：

所述电信号与激励频率关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与激励频率关系的特征曲线；

所述电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与水分百分比含量关系的特征曲线。

进一步地，所述数据分析模块基于获取的液体污染物通过多次不同频率下检测电容输出的电信号，查询相关数据库，得到不同频率下电容脉冲值与污染物尺寸的对应关系，识别污染物的材质和尺寸。

本发明还提供了一种基于上述电容式油液污染物变频区分装置的区分方法，包括：

S1、初步辨别待检测溶液的组成成分；

S2、将待测溶液通入所述电容式液体污染物变频区分装置，并确保溶液均匀平缓的通过所有检测单元；

S3、根据所有检测单元检测到的检测信号，与污染物在不同频率下检测电容输出的电信号，查询相关数据库，得到不同频率下电容脉冲值与污染物尺寸的对应关系，识别污染物的材质和尺寸。

S4、根据所有检测单元检测到的检测信号，与液体污染物在不同频率下的电容-液体污染物百分比含量特征曲线进行对比，得到液体污染物在溶剂当中的百分比含量；

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的电容式液体污染物变频区分装置及方法，实现了液体污染物含量以及固体污染物材质和尺寸的区分，从而能够获取详细的液体混合物内部物质状态信息，为电容式传感器实现油液污染物材质（空气，铁，铜，铝，合金等）区分提供一种方案。

2、本发明提供的电容式液体污染物变频区分装置及方法，可用于水域环境监测、食品安全监测、机械设备油液水分检测以及工业废水污染物测定等方面。

3、本发明提供的电容式液体污染物变频区分装置及方法，优化了传感器数据结果处理方法，有助于推动油液监测技术自动化和智能化，对机械设备故障诊断技术和实时监控技术的发展具有深远意义。

基于上述理由本发明可在液体污染物检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明实施例提供的四激励电容式传感芯片结构示意图。

图3为本发明实施例提供的含有微量水分且充分混合的润滑油的检测电容脉冲幅值-激励频率特征曲线图。

图4为本发明实施例提供的含有微量水分且充分混合的润滑油分别在1MHz 、1.5MHz和2MHz频率交流电激励下的电容变化-水分含量信号特征曲线图。

图5为本发明实施例提供的油液污染物通过电容传感器的检测原理图。

图6为本发明实施例提供的某金属污染物的电容脉冲幅值-激励频率特征曲线图。

图7为本发明实施例提供的不同材质（铜，铁，空气）分别再1MHz和2MHz激励频率交流电下的电容变化值-粒径特征曲线图。

图中：1、信号变频激励模块；2、多激励电容式传感芯片；3、信号采集模块；4、信号传输模块；5、数据分析模块；6、显示模块；7、进样口；8、主流道；9、第一检测电容器；10、第二检测电容器；11、第三检测电容器；12、第四检测电容器；13、出样口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明对油液中污染物材质和尺寸的识别机理如下：

对于相对介电常数ε除了与所通过污染物的材料相关外，还和激励频率f相关，即当改变激励频率f时，电容式传感器所得到的电容变化值ΔC会有所不同。因此，通过改变传感器激励频率会得到不同的电容变化值ΔC这一特点，能够有助于克服在同一激励频率下无法进行金属材质的辨别的问题。

根据相对介电常数的定义式：

上式中，ε为复相对介电常数；ε’为实相对介电常数；σ为电导率；ω为电容激励频率。

在交变电场中，由于介质中存在松弛极化导致相对介电常数为复数。即被测的金属污染物的复相对介电常数不仅与其材料和形状有关，还与施加给电容器的激励频率相关，则可以将被测污染物的相对介电常数看作粒径和激励频率的函数：

这一特征会使检测污染物时的电容改变值ΔC与正常状态或简谐频率下有所不同，进而影响传感器的输出特性。

综上所述，在实际检测过程中，如果利用多个激励频率所测电容值的差异，就能够间接地检测出各类金属、水分及气泡等材料的介电常数的差异。运用这一特征来改变激励频率以检测油液中的污染物，所得到的d ₀ -ΔC曲线不同，能够进行材质的区分。

本发明对油液中液体污染物含量的测定机理如下：

本发明设计的电容式液体污染物测量装置主要包括一个检测区域和多个电容检测单元。待测含有液体污染物的油液在检测区域中接受多个检测电容的测量，且其中各检测单元的电容都具有相同的结构参数，而差异在于每个检测单元的电容将接受不同频率的交流激励电信号。电容式传感器在应用于液体两相混合物各组分的测量时，根据电容能够检测出介质内部相对介电常数变化的原理，可以通过测量介质的阻抗特性来确定液体其中一相的体积分数。例如，利用水与油的介电常数相差较大的特性，可借助电容传感器来测量油液中的含水率。在交变电场中，由于介质中存在松弛极化导致相对介电常数为复数。即被测物质的复相对介电常数不仅与其成分有关，还与施加给电容器的激励频率相关。在电容传感检测过程中，同一液体物质在不同激励频率下产生的电容信号的幅值不同，进而所获得的电容脉冲幅值-污染物含量的信号特征曲线不同。根据这一特征，本发明通过比较各个检测单元所测量的电容脉冲信号幅值，实现对液体污染物相对含量的测定，进而根据污染物的多少对相关系统做出进一步判断和决策。

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

如图1所示，本发明提供了一种电容式液体污染物变频区分装置，包括：信号变频激励模块1、多激励电容式传感芯片2、信号采集模块3、信号传输模块4、数据分析模块5以及显示模块6；

所述信号变频激励模块1，连接多激励电容式传感芯片2，用于为多激励电容式传感芯片2提供不同频率的激励信号；

所述多激励电容式传感芯片2，用于检测液体及其污染物，并将液态混合物的信息转换为电信号输出；

所述信号采集模块3，连接所述多激励电容式传感芯片2，用于采集所述多激励电容式传感芯片2输出的电信号，并采用模数转化将电信号转换成数字信号输出；

所述信号传输模块4，连接所述信号采集模块3，用于获取所述数据采集模块3输出的数字信号，并对数字信号进行降噪处理；

所述数据分析模块5，连接所述多激励电容式传感芯片2，用于分析所述多激励电容式传感芯片2输出的电信号结果，预测液体污染物含量以及识别污染物的材质和尺寸；

所述显示模块6，连接所述数据分析模块5，用于显示所述数据分析模块5预测的液体污染物含量以及识别的污染物材质和尺寸。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述多激励电容式传感芯片包括多个检测单元、进样口7、主流道8以及出样口13；

所述多激励电容式传感芯片设置在玻璃基底上，一端设置有进样口7，另一端设置有出样口13，进样口7和出样口13之间通过主流道8连通，主流道8从多个检测单元中心穿过。在本实施例中，为四激励电容式传感芯片，包括4个检测电容器，分别为第一检测电容器9、第二检测电容器10、第三检测电容器11以及第四检测电容器12；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，多个所述检测单元均采用结构参数完全相同的检测电容器，包括双电极电容器、三电极电容器，多电容组合式电容器。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述检测电容器实时获取自身的阻抗变化，且检测电容器输出的电信号为电容信号。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述信号变频激励模块1分别向多个所述第一检测电容器9、第二检测电容器10、第三检测电容器11以及第四检测电容器12提供不同频率的激励源。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述数据分析模块5基于获取的液体污染物通过多次不同频率下检测电容输出的电信号，查询已建立的数据库，即不同种类材质和已知粒径大小的污染物（铁、铜等金属物质以及水分、气泡等非金属物质）在多种频率下电容输出的电信号与粒径关系的特征曲线，识别污染物的材质和尺寸；其中：

所述的电信号与各类污染物关系特征曲线为不同种类材质和已知粒径大小的污染物（铁、铜等金属物质以及水分、气泡等非金属物质）在多种频率下电容输出的电信号与粒径关系的特征曲线。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述数据分析模块5通过获取液体污染物多次不同频率下检测电容输出的电信号结合电信号与液体污染物含量特征曲线，得出该类液体污染物的百分比含量，进而判断该液体混合物的状态所述特征曲线包括电信号与激励频率关系特征曲线和电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线；其中：

所述电信号与激励频率关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与激励频率关系的特征曲线；

所述电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与水分百分比含量关系的特征曲线。

本发明还提供了一种基于上述电容式液体污染物变频区分装置的区分方法，包括：

S1、初步辨别待检测溶液的组成成分；

S2、将待测溶液通入所述电容式液体污染物变频区分装置，并确保溶液均匀平缓的通过所有检测单元；

S3、根据所有检测单元检测到的检测信号，与污染物在不同频率下检测电容输出的电信号，查询相关数据库，得到不同频率下电容脉冲值与污染物尺寸的对应关系，识别污染物的材质和尺寸。

在步骤S3中，根据污染物通过每个检测单元时所产生的电容脉冲信号的方向及大小则可实现污染物的材质区分。气泡会产生负向的电容脉冲，金属磨粒、水滴以及一些固态非金属会产生正向电容脉冲。且在每个检测单元所对应的电容变化值-粒径特征曲线差异显著，从而可实现污染物材质的区分。

S4、根据所有检测单元检测到的检测信号，与液体污染物在不同频率下的电容-液体污染物百分比含量特征曲线进行对比，得到液体污染物在溶剂当中的百分比含量。

在步骤S4中，首先，获取一个检测单元的脉冲信号，通过电信号与液体污染物含量关系特征曲线可得一组污染物含量数据；然后，再获取另一个检测单元的脉冲信号，通过电信号与液体污染物含量关系特征曲线可得另一组污染物含量数据；多次结果相对比，存在唯一液体污染物含量值在不同频率下相等，最后，可确定其在以某溶液作为主要成分中的相对含量。

实施例

如图3所示，为含有微量水分且充分混合的润滑油的检测电容脉冲幅值-激励频率特征曲线图。任取三个不同的激励频率对同一含有微量水分的油液进行电容检测，发现三次电容器所得结果都不相同，但是都可转换为同一水分含量值，可为实现综合性油液水分测量提供充分依据。

如图4所示，为含有微量水分且充分混合的润滑油分别在1MHz 、1.5MHz和2MHz频率交流电激励下的电容-水分含量信号特征曲线图。该油水混合物经过激励频率为1MHz检测单元时产生208fF的电容信号，通过激励频率为1.5MHz检测单元时产生246fF的电容信号，通过激励频率为2MHz检测单元时产生295fF的电容信号，根据特征曲线综合三个检测结果可判断该油液中的水分含量为0.6%。

如图5所示，为油液污染物通过电容传感器的检测原理图，污染物将改变电容器两极板间的介质，导致电容变化。污染物的介电常数大于油液介电常数时会增强电容值，产生正向电容脉冲。污染物的介电常数小于于油液介电常数时会减弱电容值，产生负向电容脉冲。

如图6所示，为某金属污染物的电容脉冲幅值-激励频率特征曲线图，其表明了同一颗粒污染物所导致的电容脉冲幅值是随激励频率而变化的。

如图7所示，为不同材质（铜，铁，空气）分别在1MHz和2MHz激励频率交流电下的电容变化值-粒径特征曲线图。数据分析模块5依靠该数据曲线可识别出所检测污染物的材质和尺寸。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种电容式油液污染物变频区分装置，其特征在于，包括：信号变频激励模块、多激励电容式传感芯片、信号采集模块、信号传输模块、数据分析模块以及显示模块；

所述信号变频激励模块，连接多激励电容式传感芯片，用于为多激励电容式传感芯片提供不同频率的激励信号；

所述多激励电容式传感芯片，用于检测油液污染物，并将污染物信息转换为电信号输出；所述多激励电容式传感芯片包括多个检测单元、进样口、主流道以及出样口；

所述多激励电容式传感芯片设置在玻璃基底上，一端设置有进样口，另一端设置有出样口，进样口和出样口之间通过主流道连通，主流道从多个检测单元中心穿过；

所述信号变频激励模块分别向多个所述检测单元提供不同频率的激励源；

所述信号采集模块，连接所述多激励电容式传感芯片，用于采集所述多激励电容式传感芯片输出的电信号，并采用模数转化将电信号转换成数字信号输出；

所述信号传输模块，连接所述信号采集模块，用于获取所述信号采集模块输出的数字信号，并对数字信号进行降噪处理；

所述数据分析模块，连接所述多激励电容式传感芯片，用于分析所述多激励电容式传感芯片输出的电信号结果，预测液体污染物含量、识别气泡的尺寸以及金属磨粒的材质和尺寸；所述数据分析模块通过获取液体污染物不同频率下检测电容输出的电信号结合电信号与液体污染物含量特征曲线，得出该类液体污染物的百分比含量，进而判断该液体混合物的状态；特征曲线包括电信号与激励频率关系特征曲线和电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线；其中：

所述电信号与激励频率关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与激励频率关系的特征曲线；

所述电信号与油液中水分百分比含量关系特征曲线为已知水分含量的油水混合液体在多种频率下电容输出的电信号与水分百分比含量关系的特征曲线；

所述数据分析模块基于获取的气泡或金属磨粒通过不同频率下检测电容输出的电信号，查询相关数据库，得到不同频率下电容脉冲值与气泡尺寸或金属磨粒尺寸的对应关系，识别气泡尺寸或金属磨粒的材质和尺寸；气泡产生负向的电容脉冲，金属磨粒产生正向电容脉冲；

所述显示模块，连接所述数据分析模块，用于显示所述数据分析模块预测的液体污染物含量、识别气泡的尺寸和识别金属磨粒的材质和尺寸。

2.根据权利要求1所述的电容式油液污染物变频区分装置，其特征在于，多个所述检测单元均采用结构参数完全相同的检测电容器，包括双电极电容器或三电极电容器。

3.根据权利要求2所述的电容式油液污染物变频区分装置，其特征在于，所述检测电容器实时获取自身的阻抗变化，且检测电容器输出的电信号为电容信号。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述电容式油液污染物变频区分装置的区分方法，其特征在于，包括：

S1、初步辨别待检测溶液的组成成分；

S2、将待测溶液通入所述电容式液体污染物变频区分装置，并确保溶液均匀平缓的通过所有检测单元；

S3、根据所有检测单元检测到的检测信号，与气泡或金属磨粒在不同频率下检测电容输出的电信号，查询相关数据库，得到不同频率下电容脉冲值与气泡尺寸或金属磨粒尺寸的对应关系，识别气泡尺寸或金属磨粒的材质和尺寸；气泡产生负向的电容脉冲，金属磨粒产生正向电容脉冲；

S4、根据所有检测单元检测到的检测信号，与液体污染物在不同频率下的电容-液体污染物百分比含量特征曲线进行对比，得到液体污染物在溶剂当中的百分比含量。