油液颗粒污染检测仪的研制

2015-12-24 05:21朱春阳朱子新乔玉林

化学分析计量 2015年3期

朱春阳，朱子新，乔玉林

(1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.空军航空仪器设备计量总站，北京 100070)

固体颗粒污染物是机械液压系统中危害最大的污染物，它是液压元件磨损、卡滞及失效的主要原因。70%以上的液压系统故障是由油液污染引起的［1］。实践证明，采用油液颗粒污染检测技术和有效的污染控制措施能显著提高装备液压系统工作寿命和可靠性。笔者以国际通用的遮光原理颗粒计数传感器为核心，研制了油液颗粒污染检测仪，实现了对被测油样的精确取样和准确分析。

1 系统构成

油液颗粒污染检测仪主要由油液取样系统、颗粒计数传感器系统、信号采集与处理系统、操作与控制系统等4部分组成，可实现油液中固体颗粒尺寸及数量分布自动分析，并给出油液污染度评级。其结构组成框图如图1所示。

图1 油液颗粒污染检测仪的组成框图

2 工作原理

油液颗粒污染检测仪采用遮光原理，当液体中的微粒通过一个窄小的检测区时，与液体流向垂直的入射光被固体颗粒所阻挡，从而使传感器输出信号发生变化，进而形成电脉冲信号［2］。信号采集系统采集并传送电脉冲信号至信号处理系统，信号处理系统对这些脉冲进行放大、比较后转变成颗粒尺寸和数量分布信息输出。

2.1 取样系统

油品的污染度等级都是基于一定的浓度，采用的体积单位是一般是mL或100 mL，取样体积的准确性直接影响到颗粒计数器的准确性［3］。笔者设计的取样系统能够精确确定取样体积，该系统由取样系统和加压系统两部分组成，主要是使样品以稳定的流速、精确的流量通过传感器，产生计数信号。取样系统主要由取样控制系统、控制电机、高压注射器和三通阀组成，加压系统则由气压泵和气压舱组成。由于油液在单纯气压条件下的流动不均匀且不能计量，故借用高压注射泵来控制取样速度及精度，采用的高压注射泵取样系统，测量体积精确到0.1 mL，且可以自由设置体积，最小测试体积可达0.2 mL，能够确保取样体积的精确性，从而完成一次精密的取样过程［4］。图2是高压注射泵取样系统工作原理图。

图2 高压注射泵取样系统工作原理图

粘度较大的油液采用正压辅助取样，正压辅助取样是将被测油液置于具有一定压力的密闭容器中，使作用在油液表面的气压大于标准大气压。在高压注射泵取样时，油液表面的气压辅助其取样。高压注射泵取样系统主要由气压泵、空气过滤组合、调压阀、密闭压力舱和高压注射泵组成。正压辅助取样工作原理是气压差使液体流动，即液体在高气压环境下通过连通管路流向低气压环境，将被测油液置于密闭压力舱中，并根据油液粘度，通过气压泵向密闭压力舱内注入一定量压缩空气，使作用在油液表面的气压大于标准大气压。调压阀用于调节作用在油液表面气压的大小。空气过滤组合安装于气压泵与密闭压力舱之间，用于确保进入压力舱的空气洁净度，防止进入气压舱的压缩空气污染油液，从而造成测试结果的不准确。取样时，高压注射泵活塞向下运动，注射泵内部瞬间形成真空环境，气压远小于密闭压力舱中被测油液所处环境的气压，被测油液在高压气体的作用下被缓缓压入高压注射泵中，完成辅助取样。

2.2 颗粒计数传感器

遮光式传感器主要由半导体激光器、一组准直透镜、流通室毛细管和具有高灵敏度的光电接收器组成［5］。激光光源具有准直性好、亮度高的特点，通过光学系统的汇聚，可以形成一束准直均匀的强光束。流通室的光阑形成一个狭小的检测窗口，保证颗粒个数的准确测量。当被测液体在取样系统负压作用下流经检测区时，激光光束通过检测区照在光电接收器件上，检测区内油液流动的方向与光束垂直［6］。当流动的油液中含有颗粒时，由于颗粒通过检测区时遮挡了部分光线，光电接收器件上接收到的光强减弱，经光电转换后得到电压负脉冲（脉冲的幅值与颗粒的投影面积成正比），进入信号采集与处理系统。

笔者设计的激光电源恒流控制电路配合性能稳定的激光二极管为传感器提供稳定的光源，使激光二极管具有良好的抗干扰能力，可保障仪器测量的准确性和稳定性。

如图3所示，LD为激光二极管提供恒定的电源，PD为光强度反馈引脚。当环境因素引起激光光强发生改变的时候，PD会返回光强变化的反馈信号，这时激光电源恒流控制电路会相应地调节LD电流，使激光二极管发出的光强度维持稳定。光学镜片组为激光二极管发出的激光提供了高效稳定的路径，减少了激光功率的损失，并起到对激光进行准直的作用。光电接收器是主要信号采集元器件，通过判断接收到的光功率变化，产生不同的电流信号。

图3 激光电源恒流控制电路示意图

前置放大器的作用是将微弱的光电流信号转换成为可由信号采集电路识别的信号，如图4所示，从光电接收器接收到的信号经过一系列前置放大器调整输出至信号采集与处理系统。将以上部件组合，并通过选取不同的配件和电路，组成传感器。

图4 前置放大电路示意图

2.3 信号采集与处理系统

图5是信号采集与处理系统的工作原理图。

信号采集与处理系统由设定通道、放大电路、比较电路和计数电路等组成。其主要作用是将被测油液中固体颗粒的遮光效应转变成相应的电脉冲信号并传送至信号处理系统，信号处理系统对这些脉冲进行放大、比较后转变成颗粒尺寸和数量分布信息输出。

图5 信号采集与处理系统工作原理图

2.4 操作与控制系统

操作与控制系统主要由微处理器、触摸屏、打印机和可移动存储器组成，完成对油液取样系统、颗粒计数传感器系统、信号采集与处理系统的控制，采集并输出数据。操作与控制系统采用嵌入式结构，无需额外配置计算机，提供简单快捷的操作界面，实现样品标识、测试控制、操作提示、数据存储与打印及系统设置等功能。

仪器软件内置GJB 420，ISO 4406，NAS 1638，ГOCT 17216-71 4种标准，用户还可以自定义所需要的标准，从而使产品应用范围更加广泛，适应更多的标准。由于油液测试领域各行业使用的标准不尽相同，而且不同标准使用的标准品也不一样，为此产品设计了两条校准曲线，可支持ACFTD和ISO MTD双重校准。使用者可根据需要校准ACFTD和ISO MTD其中的任意一条或两条曲线。如果只校准其中一条曲线，仪器内部软件会自动计算出另一条曲线。也可以校准ACFTD和ISO MTD两条曲线，测试时仪器根据选择使用所需要的曲线。仪器的设置界面中，仪器按照标准要求选用了不同的校准曲线，使用者不能自行更改，避免选择错误。而在自定义标准设置中，使用者可根据不同标准的需要选择使用不同的校准曲线，以适应更多的需求。

3 仪器测试

3.1 仪器校准

依据JJG 1061-2010 《液体颗粒计数器检定规程》和GB／T 18854-2002 《液压传动液体自动颗粒计数器的校准》规定的内容，对所研制的油液颗粒污染检测仪的阈值噪声水平、取样体积误差、重合误差极限、分辨力、准确度和重复性等主要技术参数进行校准［7］。仪器主要技术参数校准结果见表1。仪器的准确度、重复性校准结果见表2。