CN1811402A - 短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法，短沉积距离图像型在线铁谱装置，计算机通过D/A卡与功放相连，功放的一个输出通道与铁谱传感器的线圈相连并为其提供励磁电流，功放的另一个通道与油泵相接，通过计算机控制功放的输出电压调节工作磁场强度和油液流量，铁谱传感器通过USB接口与计算机相连。用计算机控制磁场和流量的变化，在同一测量区域实现不同尺寸磨粒的沉积方法。实现采集区域内大、小磨损磨粒的分别沉积，减小了磨粒在工作气隙上方的沉积距离，只需要一个图像传感器就可以实现磨粒图像采集，自动得到磨粒的粒度分布、浓度和形貌信息，体积小、自动化成度高，易于操作，适合工业现场使用。

Description

短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法

技术领域

本发明涉及设备磨损颗粒监测装置和方法，特别涉及一种短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法。

背景技术

现有铁谱技术是利用高强度和高梯度磁场从油液中将铁磁性磨粒分离出来，并使它们按照尺寸大小实现有序沉积，然后对之进行分析及研究的一种技术。铁谱技术监测磨粒尺寸范围较宽，能够通过观察磨粒形貌特征了解设备的磨损机理和磨损部位，并利用磨粒浓度及粒度分布判断机器的整体磨损水平，是一种进行设备全生命周期状态监测和剩余寿命估计的有效方法。

铁谱技术包括离线铁谱技术和在线铁谱技术两种。离线铁谱技术利用永磁体产生的磁场实现磨粒的采集，按照粒度大小将磨粒有序沉积在谱片或者沉积管上。通过对多个磨粒沉积区进行光密度测量，可以直接推算油液的磨粒浓度和粒度分布，被称之为直读式离线铁谱。如果借助于铁谱显微镜进行磨粒形貌的观察和分析，则被称之为分析式离线铁谱。由于是一种非在线使用的技术，只能对被监测设备进行定期采样，操作过程需要人工干预，比较耗时，而且设备价格昂贵，对操作者的经验要求也较高。在线铁谱技术通过电磁铁产生可控磁场在线自动进行磨粒沉积，不需对油液进行稀释，省去了离线铁谱的人工干预环节，可以实现密集采样，提高了获得故障特征磨粒的概率，消除了离线方法操作过程中的人为影响因素。

西安交通大学分别在1990年和2001年获得两项在线铁谱技术方面的专利，分别为“电磁光电在线式铁谱仪”(专利号：90223714.4)和“在线监测铁谱仪”(专利号：01240347.4)。在前一项专利中采用光电传感器来检测磨粒遮光面积，以此来反映不同粒度磨粒的数量，但是不能获得磨粒的图像信息；后一项专利中采用与前一项专利相同的电磁铁装置，不同之处在于通过传像光纤束将沉积磨粒的信息传递到CMOS图像传感器上，不仅可以测量磨粒的浓度信息，而且可以得到图像信息，但是仅能检测小范围内的磨粒，软硬件系统复杂，安装使用困难。2005年，西安交通大学申请了“在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器”发明专利(专利公开号：CN 1673733A)，公开了一种在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，通过混合励磁方式和CMOS图像传感器的使用，可以大大减小在线铁谱传感器的体积和功耗，并能够实时获取磨损磨粒的铁谱图像信息。

上述三个专利中油液均沿垂直于工作气隙中磁感应强度方向流动，沉积磨粒时，励磁强度恒定，在磁场力、重力、浮力和油液流动的综合作用下，磨粒在整个磁极长度方向上按照粒度大小实现分散有序沉积，依靠在油流方向布置多个传感器件来进行不同粒度磨粒的检测，需要磁极具有较长的长度，从而限制了传感器体积的减小。在成像的光源方面，仅使用了透射光源模式，进行磨粒图像采集时不能反映出磨粒表面的形貌特征。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法，其中铁谱传感器中油流方向平行于工作气隙中磁感应强度方向，通过计算机在线调节铁谱传感器的磁场强度和流量，实现采集区域内大、小磨损磨粒的分别沉积，代替了过去励磁参数固定、通过选择适当磁感应强度的空间位置来沉积不同磨粒的方法，减小了磨粒在工作气隙上方的沉积距离，只需要一个图像传感器就可以实现磨粒图像采集，自动得到磨粒的粒度分布、浓度和形貌信息，体积小、自动化成度高，易于操作，适合工业现场使用。

本发明的技术方案是这样实现的：

短沉积距离图像型在线铁谱装置，包括计算机、D/A卡、功放和油泵，计算机通过D/A卡与功放相连，功放的一个输出通道与铁谱传感器的线圈相连并为其提供励磁电流，功放的另一个通道与油泵相接，通过计算机控制功放的输出电压调节工作磁场强度和油液流量，铁谱传感器通过USB接口与计算机相连。

铁谱传感器中设置流道，流道中油液流动方向平行于磁极在工作气隙中产生的磁感应强度的方向，流道中设置油腔，油腔宽度是油腔高度的3～7倍。

流道的上底面上方安装有反射光源。

短沉积距离图像型在线铁谱方法，用计算机控制磁场和流量的变化，在同一测量区域实现不同尺寸磨粒的沉积方法：首先选择需要采集的磨粒类型：然后，如果需要采集尺寸为20微米～100微米的大磨粒，计算机控制铁谱传感器工作在200安匝～800安匝低强度磁场状态，油泵以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完毕，油泵停止抽油，图像传感器进行尺寸为20微米～100微米的大磨粒的图像采集；如果需要采集尺寸为5微米～20微米的小磨粒，铁谱传感器工作在1000安匝～1600安匝高强度磁场状态，油泵以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油样抽取完毕，油泵停止抽油，图像传感器进行尺寸为5微米～20微米的小磨粒的图像采集；最后，将采集的磨粒图像传送到计算机中进行数据分析；如果继续采集，则返回到采集磨粒类型选择，否则结束。

本发明涉及的在线铁谱装置，铁谱传感器只有一个沉积磨粒的检测区域，该区域具备反射光源和透射光源，通过计算机对磁场和流量的控制，借助单个CMOS图像传感器的使用，就可以实现大、小粒度磨粒图像的在线实时采集，得到磨粒的粒度分布、浓度和形貌信息，即同时具有分析式铁谱和直读铁谱的功能，而且减小了在线铁谱传感器的体积。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是本发明铁谱传感器结构示意图；

图4是本发明图像信号采集部分与流道的装配图；

图5是本发明的流道结构示意图。

具体实施例

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1所示，本发明装置的结构原理和工作原理是：本发明包括计算机1、D/A卡2、功放3和油泵4，计算机1通过D/A卡2控制功放3的输出，功放3与铁谱传感器5相连，进行励磁以及光源控制，同时，计算机1通过D/A卡2和功放3与油泵4相接，进行油泵4的流量控制。这样在计算机1的控制下，通过调节工作磁场强度和油液流量，实现大、小磨粒在同一区域的分别沉积，代替了过去励磁参数固定、通过选择适当磁感应强度的空间位置来沉积不同磨粒的方法。当待测油样在油泵4的作用下进入铁谱传感器5时进行磨粒采集，并将在线铁普图像输出通过USB端口传送到计算机1中进行分析。

参照图2所示，本发明方法的工作流程是：首先选择需要采集的磨粒类型：如果需要采集尺寸为20微米～100微米的大磨粒，计算机1控制铁谱传感器5工作在200安匝～800安匝低强度磁场状态，油泵4以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，在这种条件下只有大磨粒才能沉积，待达到设定的采样量，油泵4停止抽油，进行大磨粒的图像采集；如果需要采集尺寸为5微米～20微米的小磨粒，铁谱传感器5工作在1000安匝～1600安匝高强度磁场状态，油泵4以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，在这种条件下小磨粒会沉积下来，待达到设定的采样量，油泵4停止抽油，进行小磨粒的图像采集；将采集到的磨粒图像传送到计算机1中进行数据分析，如果继续采集，则返回到采集磨粒类型选择，否则结束。

参照图3所示，本发明铁谱传感器包括铁心6、线圈7和磁极8，其中线圈7套在铁心6上，磁极8固定在铁心6上，磁极8上方安装有流道15，流道15中油流方向平行于工作气隙中磁感应强度的方向；流道15上固定有镜头14，镜头14与CMOS图像传感器19相连，CMOS图像传感器19固定在电路板11上，电路板11上有USB数据传输端口12与计算机1相连；磁极8中间有工作气隙，导光玻璃16安装在工作气隙中，并且导光玻璃16的下表面与透射光源17连接。

在进行磨粒采集时，铁心6、线圈7和磁极8共同产生的磁场作用在油腔27中，油液流动方向平行于工作气隙中磁感应强度的方向，油腔27中工作气隙上方区域沉积磨粒的磁场最强，所以当油液从管接头10进入流道油腔27后，磨粒主要在这个区域短距离内沉积，由CMOS图像传感器19对沉积磨粒进行图像采集，经过电路板11上的USB数据传输端口12将磨粒图像传送到计算机1中进行分析。在计算机1的控制下，通过调节线圈7中励磁电流和油泵4流量，在这个磨粒沉积区可以实现大、小粒度磨粒的分别沉积，所以在工作气隙上方只需安装一个CMOS图像传感器19就可以实现大小磨粒图像的采集，大大减小了磁极8的长度，从而减小了铁谱传感器5的体积。由于采用电磁励磁的方式，当图像采集完毕后，将工作磁场降为零，进行流道15中沉积磨粒的冲刷，为下次磨粒采集作准备，实现磨粒的反复沉积。

透射光源17采用平板发光二极管阵列，符合CMOS图像传感器19的光谱响应范围，具有光强分布均匀、安装方便、可靠性高的特点。导光玻璃16采用光学玻璃制作，嵌入到工作气隙中，不仅起到了为CMOS图像传感器19传导透射光的作用，而且还可以防止污染物进入磨粒图像采集区。

参照图4所示，流道15的中部开了一个槽26，嵌入下底面18，在槽26的底面上又开了一个槽24，嵌入上底面21，上下底面共同组成流道15的油腔27；镜头14通过螺纹连接固定在上底面21的上方，并与CMOS图像传感器19相连，CMOS图像传感器19固定在电路板11上，电路板11上有USB数据传输端口12；流道15的两端开有两个通孔25，安装有连接螺钉9用来实现流道15、磁极8和铁心6的连接固定；在通孔25的内侧开有孔22，安装管接头10；在连接孔22的内侧，又开了两个孔23，用于反射光源20电源线的安装。

在上底面21上粘贴有两个反射光源20，在进行磨粒图像采集时，可以提供反射光，这样就可以观察到磨粒的表面形貌特征。考虑到安装空间非常有限，反射光源20可以采用SMD封装形式的发光二极管。

流道15采用不导磁的材料加工而成，为了保证具有一定的连接强度，可以采用黄铜来加工制作流道15。上底面21和下底面18采用高透光率的光学玻璃制作，利于透射光源17和反射光源20作用下CMOS图像传感器19对磨粒图像的采集。上下底面与流道15之间通过环氧树脂进行粘接，保证了油腔27具有良好的密封性。

流道15中油腔27宽度是高度的3～7倍，根据理论分析，在这种参数选择条件下，流道15中的油液流速分布近似是二维的，可以大大简化流道15的设计工作。为了使油腔27中的磁场足够强，下底面18的厚度应该尽可能的减小，同时为了保证下底面18具有一定的强度，下底面18与磁极8的上表面之间留有一定的空隙。

参照图5所示，流道15的中部开了一个槽，嵌入下底面18，在槽26的底面上有开了一个槽24，嵌入上底面21，上下底面共同组成流道15的油腔27；上底面21安装有反射光源20；流道15的两端开有两个通孔25，安装有连接螺钉9用来实现流道15、磁极8和铁心6的连接固定；在通孔25的内侧开有孔22，安装管接头10；在连接孔22的内侧，又开了两个孔23，用于反射光源20电源线的安装。

整个装置在计算机1的控制下进行工作，一方面计算机通过D/A卡2控制功放3的输出，调节线圈7中的励磁电流和油泵4的工作流量；另一方面，在计算机1的控制下，装置中各个部件按照上述流程配合工作，共同完成磨粒的采集：首先选择需要采集的磨粒类型：如果需要采集尺寸为20微米～100微米的大磨粒，计算机1控制铁谱传感器5工作在200安匝～800安匝低强度磁场状态，油泵4以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完毕，油泵4停止抽油，图像传感器19对沉积在下底面18的大磨粒进行图像采集；如果需要采集尺寸为5微米～20微米的小磨粒，铁谱传感器5工作在1000安匝～1600安匝高强度磁场状态，油泵4以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油样抽取完毕，油泵4停止抽油，图像传感器19进行小磨粒的图像采集；将采集到的磨粒图像传送到计算机1中进行数据分析，如果继续采集，则返回到采集磨粒类型选择，否则结束。按照上述方法使用短沉积距离在线铁谱装置，能够实现油液中大、小磨粒的图像采集，可以对设备的磨损程度和磨损部位作出判断，有效地保障了设备的安全、可靠运行。

Claims (4)

1、短沉积距离图像型在线铁谱装置，包括计算机(1)、D/A卡(2)、功放(3)和油泵(4)，其特征在于，计算机(1)通过D/A卡(2)与功放(3)相连，功放(3)的一个输出通道与铁谱传感器(5)的线圈(7)相连并为其提供励磁电流，功放(3)的另一个通道与油泵(4)相接，通过计算机(1)控制功放(3)的输出电压调节工作磁场强度和油液流量，铁谱传感器(5)通过USB接口与计算机(1)相连。

2、根据权利要求1所述的短沉积距离图像型在线铁谱装置，其特征在于，铁谱传感器(5)中设置流道(15)，流道(15)中油液流动方向平行于磁极(8)在工作气隙中产生的磁感应强度的方向，流道(15)中设置油腔(27)，油腔(27)宽度是油腔(27)高度的3～7倍。

3、根据权利要求1所述的短沉积距离图像型在线铁谱装置，其特征在于，流道(15)的上底面(21)上方安装有反射光源(20)。

4、一种短沉积距离图像型在线铁谱方法，其特征在于，用计算机(1)控制磁场和流量的变化，在同一测量区域实现不同尺寸磨粒的沉积方法：首先选择需要采集的磨粒类型：然后，如果需要采集尺寸为20微米～100微米的大磨粒，计算机(1)控制铁谱传感器(5)工作在200安匝～800安匝低强度磁场状态，油泵(4)以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完毕，油泵(4)停止抽油，图像传感器(19)进行尺寸为20微米～100微米的大磨粒的图像采集；如果需要采集尺寸为5微米～20微米的小磨粒，铁谱传感器(5)工作在1000安匝～1600安匝高强度磁场状态，油泵(4)以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油样抽取完毕，油泵(4)停止抽油，图像传感器(19)进行尺寸为5微米～20微米的小磨粒的图像采集；最后，将采集的磨粒图像传送到计算机(1)中进行数据分析；如果继续采集，则返回到采集磨粒类型选择，否则结束。

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