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  • 油液污染度检测仪的研制
  • 点击次数:2686 发布时间:2009-06-21
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  • 【论文摘要】本检测仪所用的原理是微孔堵塞法,这种检测仪即可用于在线检测又可用于实验室对油液污染度的检测。本文从检测仪的原理、主要组成部分来进行说明。
    油液是工业的“血液”,在国民经济中具有重要的地位。随着科学技术的发展及生产实践的不断深入,人们日益认识到油液污染控制的重要性,油液的清洁度可以决定机械设备的工作性能、可靠性及寿命。要对油液的污染进行控制,首先应该对实际油液的污染情况有一个真实的了解,这就涉及到对油液污染程度的检测。检测是油液污染控制的先决条件,控制是通过检测到的信息进行的。据资料统计表明,在液压系统的故障中有75%以上是由于油液的污染造成的,在油液的污染中,固体颗粒污染物引起的液压系统故障占总污染故障的60%~70%这不仅严重影响了液压设备的正常运转,而且造成很大的人力浪费和经济损失。油液污染不仅导致机械及润滑油的性能劣化,降低机械设备和油液的使用寿命,还将使设备处于危险的状态,因此对液压油液的污染程度进行检测具有极其重要的意义。
    油液污染度是指单位容积油液中固体颗粒污染物的含量,即油液中所含固体颗粒污染物的浓度。目前对油液污染度的检测方法有重量分析法、颗粒分析法和半定量分析法,本检测仪对油液污染度的检测原理是利用半定量分析法中的滤膜堵塞法,结合传感器、控制技术、通信技术、计算机来确定液体试样中某些特定尺寸颗粒的浓度,显示出相应的油液污染度等级。对油液污染度等级标准的显示,可通过对软件的编制显示出不同的油液污染度等级如显示:NAS 1638污染度等级、ISO 4406污染度等级等。
    本文主要是对该型油液污染度检测仪的工作原理、结构主要组成部分进行介绍。
    1检测仪的工作原理:
     该检测仪的工作原理示意图如图1所示。

    1―计算机;2―电路板;3―编码器组件;4―活塞缸;
    5―压力腔;6―方向控制阀;7―调压阀;8―过滤器;9―压力源
    检测时,先取所需检测的油液,放入专用的取样试瓶;将取样试瓶装入压力腔5,压力腔通过取样接头、测试探头与活塞缸4连接;压力源通过压力回路对压力腔5施加压力,测试探头与压力腔对接,检测油液在一定压力的作用下,通过标准滤膜进入缸推动活塞运动,活塞带动编码器组件3中的旋转编码器旋转,编码器将活塞的位移量转换为电信号,电路板2中的信号处理电路将处理过的信号送入单片机,通过信号转换芯片将信号转换为计算机1能接受的信号,计算机通过编制的专用软件对信号进行分析,zui后显示出对检测油液的测试结果。
    2 主要组成:
    由工作原理可看出本检测仪的主要结构,它的整体结构外观如图2所示。

    1―外框架;2―控制阀;3―编码器组件;
    4―反推框架;5―调压阀;6―压力表;7―压力腔
    图中有两个编码器组件3,双点划线表示的编码器组件是在检测油液时的位置,编码器的输出线与外框架1的一接口连接,实线表示的编码器组件是在另一种状态――反冲时的位置,反冲的作用有两个:一方面是使检测后的油液经过油液回路到达废油池,另一方面可对放置在编码器组件中的标准率膜起到清洁的作用。
    从整体上可将此油液污染检测仪的组成分为检测数据的采集、检测数据的传输和检测数据的分析三个部分。
    (1)数据采集部分
    数据采集部分是解决怎样将放置在压力腔中的检测油液送入编码器组件3的油缸,使油缸中活塞组件的位移量由旋转编码器的输出信号来反映,既怎样才能使得油液的污染度、活塞的位移、与旋转编码器的输出信号—脉冲之间建立起相应的。滤膜堵塞法是将油液的污染度与活塞的位移建立起。具体来说就是:不同污染程度的油液经过标准滤膜进入编码器组件的活塞缸油液的体积不一样,污染程度轻的油液进入活塞缸的油液多,推动活塞杆的移动量大;污染程度重是油液进入活塞缸的油液少,推动活塞的移动量小;当污染的油液将标准滤膜完全堵塞后,活塞的位移也就随之停止;这样一定污染程度的油液就对应一定的活塞位移量。利用旋转编码器的工作原理,将活塞缸的位移通过旋转编码器转换为脉冲信号。编码器经过一定的机械结构与活塞缸连接,使得活塞杆的位移可由旋转编码器的输出信号—脉冲量显示出,从而建立起位移与脉冲信号的对应关系。
    这一部分主要是由提供整个系统工作压力的气液回路、压力腔、编码器组件的构成。
    气液系统一方面是为整个系统提供一定的压力,从而使检测油液能够稳定的到达编码器器组件;另一方面是起到对编码器组件中活塞缸的反冲作用,使油液从整个检测系统中流出。总的来讲就是起到提供检测油液污染度时所需的进油压力、反冲作用时所需的压力以及回油管路。
    根据所起作用的不同,可将气液系分为两部分既进气系统和回油系统,如图3和4所示。
    带有压力的气体经过分水滤气器的清洁、干燥作用形成两条支路进入系统:一条支路是通过压力控制阀的调压作用到达控制阀和压力表,压力表显示值符合系统的工作压力时通过控制阀的方向控制作用使气流进入到压力腔中进行工作,排气时通过控制阀的控制作用使油液从消音器(减少排气时的噪声)排除;另一条支路是通过速度控制阀(又叫做节流阀,控制反冲装置的速度)、方向控制阀进入反冲气缸和消音器。
    回油系统的作用是在检测后使压力腔和编码器组件中油液经过方向控制阀(控制油液的流向)流入废油池。
    压力腔一方面使所取到的检测油样不会出现二次污染,另一方面是引入气压使检测油液从压力腔进入编码器组件,其主要由取样液的密封装置、测试接头、压力腔组成。检测时通过方向控制阀和接头使气压进入压力腔组件,在气压的作用下使取样瓶中的样液通过压力腔组件上面的测试接头进入到传感器(编码器)组件。
    编码器组件的外观结构如图5所示:
    编码器组件是信号输入通到的*道环节也是决定整个检测系统性能的关键环节之一,主要解决怎样将油液的位移信号转换为脉冲信号。本系统编码器组件一方面通过包含标准滤膜的探测头组件1与压力腔上面的测试接头相连接,使油液经过标准滤膜的过滤作用进入编码器组件下面的活塞缸2推动活塞运动,活塞杆通过一定的机械连接将位移信号送入到旋转编码器4中,旋转编码器将输入的位移信号转化为脉冲信号输入检测系统的后面环节;另一方面在反冲过程中,通过反冲缸的作用使编码器组件中的活塞杆回位,并清洗滤膜。
    (2)数据传输部分
    数据传输部分解决怎样将传感器输出的脉冲信号送入计算机中进行对检测数据的分析。这一部分主要是对有关电路的设计、单片机的确定、电平转换芯片的选择,此检测仪是将其设计为一整体电路板封装在框架中,留出三个接口,一个是用来为整个电路板提供电源电压,一个是整个电路板与旋转编码器相连的接口,另一个就是将数据送入后面进行分析的与计算机相连的接口。
       在本检测仪的电路中主要用到的电器元件有变压器、稳压器、施密特触发器、开关和继电器。
       变压器和稳压器构成直流电路,它的作用是解决怎样将频率为50Hz、有效值为220V的交流电压转换为幅值稳定、符合单片机、通信芯片等要求的直流电压,一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。变压器是将220V电压变为系统所需要的电压幅值;整流电路将交流电压转换为直流电压,即将正弦波电压变为单一方向的脉动电压;滤波电路是为了减少电压的脉动,使输出电压平滑;稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响,从而获得足够高的稳定性。本检测仪选择的集成芯片7805集成了整流电路、滤波电路和稳压电路,它的输出电压5V可满足检测仪系统的要求。
       施密特触发器是信号处理电路的一部分。在检测系统中,信号处理电路是对传感器的输出信号进行处理,常用的电路有:放大电路、滤波电路、信号变换电路、整形电路等。结合旋转编码器的输出信号和单片机的输入信号,在此系统中选择施密特整形器来满足系统的要求。利用施密特触发器的特点,来保证送入单片机中的脉冲信号是为理想的矩形波,抵抗整个传输系统中对矩形波形的影响。
    开关和继电器结合完成对单片机中计数器的清零功能。单片机对旋转编码器的输出脉冲信号进行计数,脉冲数与相应的位移、油液污染度等级对应,所以在每次检测前要对单片机的计数器进行清零。开关和继电器组成的输出信号线与单片机的RESET引脚连接,通过单片机中的程序来实现对记数器的清零。
     单片机在此检测仪系统的作用是对旋转编码器输出的、经过信号处理电路处理的脉冲信号通过后面的信号转换芯片送入计算机。单片机在检测仪系统中的作用有接收旋转编码器的脉冲信号、对脉冲信号的计数功能、数据的存储、与后面信号转换芯片的数据传输、为通信产生波特滤以及通信协议。根据所起作用可选择单片机芯片、确定其中的程序以及在整个系统中的连接。选择AT89C52芯片,其中程序的流程图如图6所示。
    常用的通信方式有两种既并行通信和串行通信。并行通信是指数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通信方式,其优点是传送速度快,缺点是数据有多少位就需要多少根传送线;串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式,它的突出优点是只需一对传输线,这样大大降低了传送成本。根据系统工作方式,结合两种通信方式的优缺点确定此系统具体的通信方式为串行通信。
    利用单片机的全双工串行口和计算机上面的标准串行口COM1或COM2,实现单片机和计算机之间的数据的传送,但由于单片机输出信号电平(TTL电平)与RS-232标准规定的逻辑电平不一致,需要在单片机与计算机之间增加电平转换芯片。
    选MAX232作为电平转换芯片,其内部有一个电源电压转换器,可以把输入的+5V电压变换为RS-232输出电平所需要的电压。MAX2332是特别为满足EIA的标准而设计的,它在EIA标准串行通信接口中日益得到广泛的应用,它具有功耗低、工作电源为单电源,可与单片机一起使用前面提到的7805提供的+5V。MAX232实现将单片机采集到的数据传送到计算机,由计算机的语言对数据进行处理。
    (3)数据分析
    数据分析部分是在计算机中进行,通过编制的软件分析得出zui终的检测结果―油液的污染等级。
    本检测仪的软件部分采用VB进行编制。软件要实现的功能:数据传输实现单片机和计算机之间的数据传输;数据分析实现脉冲数与油液污染度等级标准的对应;数据报告显示、打印符合实际需要的数据报告;检测数据的存储和查询使对检测数据的结果有存储查看的功能。根据软件要实现的功能来进行编程,编程中涉及到数据通信的编程、许多数据库的建立、与EXCEL的连接等等。进行检测的主程序的流程图如图7。
    此系统主要用于在实验室检测油液的污染度等级。经过简单的改制可做成便携式的,用于现场的油液污染的检测,也可用于故障检测,不用知道油液的具体污染等级,只要显示出油液是否能够继续使用即可。总的说来此型油液污染度检测仪的应用范围比较广泛。
    参考文献
    [1] 贾瑞清. 液压过滤技术及抗磨设计理论. 北京: 矿业大学出版社, 2000
    [2] 孙传友,孙晓斌,李胜玉,张 一.  测控电路及装置. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002
    [3] 孙传友,孙晓斌,汉泽西,张 欣. 测控系统原理与设计. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002
    [4] 何立民. 单片机应用与设计.  北京: 北京航空航天大学出版社, 2000

     

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