基于嵌入式的液质在线监测装置结构设计及应用

时间：2024-08-31

聂朝瑞

(陕西职业技术学院汽车工程与通用航空学院，陕西西安 710100)

0 引言

在工业工程控制领域中，对工作液质杂质的实时监测为主机动力设备的正常安全运转提供了重要的保障，因此各类工业设备中对动力液质的实时参数测量一直是一个重要的研究方向。机械设备故障中除了内部原因外，很多情况下都是由设备之间的润滑不良造成的[1]，但在真实的工业现场运行环境中，由于成本控制或现场环境的问题，常常采用离线取样的分析方法进行测量。外部取样测量方式对工程运行逻辑和生产有着较大的干扰，同时也影响系统状态监测的实时效果和连续运行的品质效率。

润滑油被称为机械设备中的“血液”，在设备内部随处可见，通常在机械设备内部具备润滑、密封、冷却、洗涤和防锈等功能，对机械设备的正常运行起着非常关键的作用[2]。在工业动力传动系统中，如果润滑油被污染，导致润滑油功能下降甚至失效，使得设备磨损程度加剧，甚至最终引发严重设备故障。文献[3]系统性地研究油液污染对重型数控机床液压系统的运行可靠性。润滑油液的状态很大程度上影响着机械设备能否持续正常运行，为了防止因润滑油性能失效而对机械设备造成损坏，需要对润滑油采取科学的防护措施，例如定期清洁设备表面并更换润滑油[4，5]。工程实践和理论研究表明，采用油液检测技术，对不同设备中的润滑油进行检测，可以对油液质量和设备状态进行良好的分析判断，从而为更加合理的油液更换提供参考[6-9]。但是液质的实验室分析方式有多种类型，而面向工程应用的测量方式却较为缺少。本文使用低成本、高可靠性的光电对射传感器组件测量方式对工业现场环境中动力系统管道和容器内的液质进行测量，将被测液体的温度、颗粒度和气泡含量等实时数值通过特定滤波算法进行处理，在保持体参数精确性的同时提升各项参数的实时响应特性。并通过搭建硬件和软件实验平台进行实验，验证了通过快速检测的方式对特殊工况容器内的液质检测是一种可行有效的方式。

1 在线监测装置的结构设计

在真实工业工况环境的液压设备中，液压油的品质等级非常重要。液压系统油品质量作为动力介质和润滑介质直接影响到整个液压回路中的各个重要部件，包括管路中的各种比例阀、伺服阀、单向阀、溢流阀、泵及液压缸等，系统中油品的优劣直接影响到这些部件的运动精度、执行效率和使用寿命。当工业现场一个液压系统工程快要竣工时，都要在整个液压站内注入定量的液压油，然后使整个系统预运行相当长的时间，这其中的一个主要功能和作用是要对所注入的液压油进行循环过滤清洗，当循环过滤清洗一段时间后，取出标本液质送至专业实验室进行化验和分析。通过取样标本和实验室之间来回往复，当达到特定的洁净程度后才可以被回路中的各个液压元件和部件使用，在这一取样化验的过程中耗费了较长的系统正常运行时间。为此本文基于直接在线监测和检测的思路和方案，对系统内部液质进行在线质量区间观测，在系统运行的长寿命周期内发挥区间监测作用。

图1为基于嵌入式的液质在线监测装置。抗污染透明玻璃隔离罩1将内部光电对射传感器组件与外部油液进行隔离，同时与内部的光电传感器组件相配套，具备特定的透光系数。油液浑浊度光电传感器组件2除了集成有光电对射传感器模块之外，还集成有温度传感器模块，能够对实时油液温度进行检测，作为油液污染度监测的辅助数据。在油液污染隔离区域3，抗污染透明玻璃隔离罩1和油液密封区金属紧固件4通过特殊密封圈和密封槽形成密闭区域，起到油液密封隔离的作用。传感器的外部密封圈5将监测设备的玻璃隔离罩1、光电传感器组件2、油液污染隔离区域3、油液密封区金属紧固件4与外部空气进行密封隔离。

1-玻璃隔离罩；2-光电传感器组件；3-油液污染隔离区域；4-油液密封区金属紧固件；5-传感器的外部密封圈；6-嵌入式集成电路和电池组件；7-监测设备的顶盖；8-传感器状态提示LED；9-传感器状态模式选择开关图1 基于嵌入式的液质在线监测装置

在线监测装置的设计目的是为了在需要实时测量液质变化的设备中进行直接在线测量。在线监测设备正常工作时，被测介质填充了玻璃隔离罩外部的空间，使得内部的光电传感器组件2可以正常工作。由于在线监测设备和被测介质为充分接触状态，因此嵌入式集成电路上的温度传感器能够实时监测被测介质的温度状态，温度数据作为介质杂质监测的补偿手段。当在线监测设备的顶盖上集成了低功耗高亮度LED8以及传感器状态模式选择开关9，在线监测设备正常运行时，可以通过对状态模式选择开关9的操作来选择传感器的工作模式，而低功耗高亮度LED8的闪烁状态就实时显示出介质杂质的实时状态。

2 在线监测装置的硬件系统

本设计使用基于STC超低功耗的单片机作为主控芯片，光电传感器将测量的光电变化数据传送给16位高精度ADC变换模块，同时并行测量油液系统温度，最后将处理后的数字信号传送给低功耗芯片进行分类处理。嵌入式低功耗芯片通过算法计算将得出的结果以不同的信号模式送至LED显示端口，显示端口则最终会通过不同的闪烁方式提示当前油品质量等级范围，提示现场工程施工或维修保障人员进行油品质量保障，从而提升和保障整个系统运行的优良品质。液质在线监测装置的嵌入式系统硬件设计原理如图2所示。

本设计的优势在于监测仪器(见图3)可以直接嵌入油箱内或者流体管道内部进行油品质量连续检测，并以嵌入式系统的低功耗程序控制算法进行区间工作。在正常启动工作时域内以发光二极管的闪烁状态来提示工程技术人员或工人师傅当前状况下油品的质量等级，极大地提高了油品连续在线监测的直观和便利性。

3 在线监测装置的测试逻辑和应用方式

在工业现场的机械和液压动力系统中，液质中杂质颗粒的含量往往与机械设备的运行时间存在一定的比例关系。液压系统中液质杂质随时间变化趋势及影响如图4所示，其中，T为系统运行的总时间，N为系统液质中的杂质颗粒含量比例。在常见的工业系统中，0时刻代表一套新设备的建成，t1代表新系统内部机械设备开始初步运行磨合及内部液质的初始清洗时间，在t1时间内系统会完成在正式下线投产工作前的一系列准备运行工作，这些工作内容一般包括动力系统的预生产运行和液压动力系统内部的管道清洗。t～t2区间内则为系统正常运行的时间，在此时间区间内，动力系统油液内的杂质会随着时间的累加逐渐发生变化，但此时油液的污染并不会导致系统运行发生异常状况，区间数值与工业现场的不同动力系统相关。t2以后的时间则为系统磨损加剧状态，在t2以后的区间内动力系统运行的能耗率、精度以及系统可靠性会随时间的延续产生较大的变化，在严重状态下甚至会突然发生宕机事故。本装置由于使用低功耗嵌入式集成电路系统，在对从0～t2区间及t2时间以后的测量，会根据系统运行的寿命和特定工作区间进行分时和分段唤醒，保证了测量设备的长周期使用性能。

图2 液质在线监测装置嵌入式系统硬件设计原理

图3 液质在线监测装置用光电传感器检测元件

图4 液压系统中液质杂质随时间变化趋势及影响

对液压设备所处的具体工况环境而言，需要的是工程技术人员和施工人员可以通过直观观察就能立刻判断系统内部的油品在当前状况的品质状态。本文设计的机电一体化的现场测试装置通过直接嵌入油箱或者低压管道内部进行油品检测，并且在需要的情况下可以一直以高亮LED闪烁状态来提示工程技术人员或工人师傅当前状况下油品的质量等级范围，为工程技术人员判断油品质量时提供参考，辅助提高了油品监测的直观性和便利性。