用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊和消磁模塊依次連接；所述溫控模塊的一端設有油液入口；所述吸附模塊具體為同極相鄰型吸附環。本發明引入基于電容邊緣效應的相鄰電容傳感器技術，實現磨損微粒非侵入、無約束監測；通過起電、電場離心使油液中的磨損微粒聚合成大顆粒并運動到管壁附近并被吸附模塊吸附，以提高相鄰電容傳感器的輸出監測信號強度；通過溫控模塊及合理設計相鄰電容傳感器極板層結構，抑制噪聲并最優化相鄰電容傳感器監測裝置的整體性能。
【專利說明】用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統
[0001]
【技術領域】
本發明涉及一種液壓管路油液中的磨損微粒在線監測系統，具體涉及一種用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，屬于液壓系統技術領域。
[0002]
【【背景技術】】
液壓系統油液中的磨損微粒不但可以使運動副產生磨粒磨損而且可以使運動副的相對運動受阻而導致控制部件動作失靈。國內外的資料統計表明，液壓機械70%故障源自油液的顆粒污染。因此，對油液中的磨損微粒進行在線監測已成為減少磨損及液壓系統故障的重要途徑之一。
[0003]電容傳感器因其制作方便、成本低廉而被應用于機器油液的污染監測。專利文獻I(中國發明專利授權公告號CN101435788B)公開了一種基于介電常數測量的在線油液監測傳感器及其系統，該發明的傳感器包括支座及其固定在內部的三根極柱，三根極柱構成了差動式圓柱電容，能監測傳感器電容值的微小變化，從而反推油液介電常數的微小變化，進而實現對油液污染度的實施監測。該監測方法中的傳感器極柱浸入到油液中，造成了油液流態的改變，影響了測量精度;油液在傳感器極柱表面會形成沉積油膜，不僅造成測量精度下降，同時還帶來傳感器清洗問題。
[0004]文獻2(趙新澤等，武漢水利電力大學(宜昌)學報，1999(3))公開了一種油液污染監測用電容傳感器探頭，該探頭由一圓筒玻璃管與緊貼該管外壁的兩半圓形電極組成，其實質為平行板電容傳感器。該電容傳感器激勵極板與接收極板間距受液壓管道直徑約束，由于液壓管道直徑相對較大，該傳感器靈敏度不夠理想。
[0005]因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，以克服現有技術中的所述缺陷。
[0006]
【
【發明內容】
】
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其采用非侵入的測量方式、對被測量的無約束性、監測信號強且靈敏度高、低成本、環境適應性強。
[0007]為實現上述目的，本發明采取的技術方案為:用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其包括溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊以及消磁模塊;其中，所述溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊和消磁模塊依次連接;所述溫控模塊的一端設有油液入口 ；所述吸附模塊采用同極相鄰型吸附環;所述同極相鄰型吸附環包括鋁質環形管道、正向螺線管、反向螺線管以及鐵質導磁帽;所述正向螺線管和反向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管和反向螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導磁帽布置于鋁質環形管道的內壁上，其位于正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和反向螺線管軸線的中間點。
[0008]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統進一步設置為:所述溫控模塊包括加熱器、冷卻器和溫度傳感器;所述加熱器采用帶溫度檢測的重慶金鴻的潤滑油加熱器;所述冷卻器選用表面蒸發式空冷器，冷卻器的翅片管選KLM型翅片管；溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。
[0009]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統進一步設置為:所述起電模塊包括若干電極以及一電極控制器;所述若干電極分別連接至電極控制器，并由電極控制器控制。
[0010]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統進一步設置為:所述電場離心模塊包括陽極板、陰極板、絕緣帶和極板控制器;其中，所述陽極板和陰極板呈相對設置，所述絕緣帶位于陽極板、陰極板之間，并將陽極板和陰極板電氣隔離;所述極板控制器電性連接至陽極板和陰極板上。
[0011]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統進一步設置為:所述相鄰電容微粒監測模塊包括有機玻璃內壁、接地屏蔽層、接收極板、激勵極板以及外壁;其中，所述機玻璃內壁、接地屏蔽層和外壁呈管狀結構，并依次自內而外設置;所述機玻璃內壁的厚度為0.5mm，介電常數為2.5;所述接地屏蔽層的介電常數為1.5-2.5，厚度為外壁厚度的I到2倍;所述接收極板、激勵極板嵌設在接地屏蔽層上，并位于機玻璃內壁外側;所述接收極板、激勵極板均采用皮亞諾曲線結構極板層，兩者之間設有隔離層;所述隔離層的寬度為有機玻璃內壁厚度的0.8-1倍。
[0012]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統進一步設置為:所述消磁模塊的一端設有油液出口，其由剩磁傳感器和消磁器組成。
[0013]本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統還設置為:其包括一 ECU，所述剩磁傳感器、消磁器、加熱器、冷卻器、溫度傳感器、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊以及相鄰電容微粒監測模塊均電性連接至ECU上，并由ECU控制。
[0014]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
1.本發明引入基于電容邊緣效應的相鄰電容傳感器，通過將磨損微粒起電、聚合成大顆粒并離心吸附磁化到管壁以提高顆粒濃度，增加管壁表面油液的介電常數，極大提高了傳感器輸出信號強度并巧妙解決了信號強度和穿透深度指標沖突的矛盾。
[0015]2.在極板層設計中引入了有效邊緣長且結構復雜的皮亞諾曲線結構。該皮亞諾曲線結構極板層中，激勵極板、接收極板和隔離極板組成的曲線能遍歷正方形極板層中所有的點，得到一條充滿整個正方形極板層空間的曲線。在極板層面積固定的情況下，該結構具有最長有效邊緣、最大極板面積和最復雜結構，以此來獲得最佳信號強度。該技術路線尚未見報道。
[0016]3.溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊相結合的液壓管路磨損微粒監測技術路線，既保證了監測可靠性，同時又使得監測系統的整體性能最優。
[0017]
【【附圖說明】】
圖1是本發明的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統的結構示意圖。
[0018]圖2是圖1中的起電模塊的結構圖。
[0019 ]圖3-1是圖1中的電場離心模塊的結構示意圖。
[0020]圖3-2是圖1中的電場離心模塊的連接示意圖。
[0021]圖4是圖1中的吸附裝置為同極相鄰型吸附環的結構示意圖。
[0022]圖5-1是圖1中的相鄰電容微粒監測模塊的徑向半剖圖。
[0023]圖5-2是圖1中的相鄰電容微粒監測模塊的橫向剖面圖。
[0024]圖5_3是圖5_1中的接收極板和激勵極板的不意圖。
[0025]圖5-4是圖5-3中A處的局部放大圖。
[0026]圖6是E⑶的連接示意圖。
[0027]
【【具體實施方式】】
請參閱說明書附圖1至附圖6所示，本發明為一種用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其由溫控模塊1、起電模塊2、電場離心模塊3、吸附模塊5、相鄰電容微粒監測模塊6以及消磁模塊8以及ECUlO等幾部分組成。其中，所述溫控模塊1、起電模塊2、電場離心模塊3、吸附模塊5、相鄰電容微粒監測模塊6和消磁模塊8依次連接。
[0028]所述溫控模塊I的一端設有油液入口8，用于將液壓油輸人裝置，其由加熱器、冷卻器和溫度傳感器組成。該溫控模塊I主要目的是為磁化裝置提供最佳的磁化溫度約42°C。同時，溫度作為最主要的環境噪聲，不同的溫度會導致液壓管路中的油液介電常數發生顯著變化，保持溫度恒定即可避免相鄰電容傳感器受溫度噪聲的影響。
[0029]所述加熱器為電加熱器，可采用本身帶溫度檢測的重慶金鴻的潤滑油加熱器。冷卻器可選用表面蒸發式空冷器，兼有水冷和空冷的優點，散熱效果好，采用光管，流體阻力小;冷卻器翅片類型為高翅，翅片管選KLM型翅片管，傳熱性能好，接觸熱阻小，翅片與管子接觸面積大，貼合緊密，牢固，承受冷熱急變能力佳，翅片根部抗大氣腐蝕性能高;空冷器的管排數最優為8 ο溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。
[0030]請參閱說明書附圖2所示，所述起電模塊2使磨損微粒帶電，其包括管壁21、若干電極22以及一電極控制器23。其中，所述若干電極22安裝于管壁21上，其分別連接至電極控制器23。被調整到最佳磁化溫度的油液攜帶金屬微粒進入起電模塊2，通過電極控制器23向電極22施加電壓，從而使電極22附近油液中的磨損微粒帶電。
[0031]請參閱說明書附圖3-1和3-2所示，所述電場離心模塊3使液壓油中的磨損顆粒實現初步離心，其包括陽極板31、陰極板32、絕緣帶33和極板控制器34。其中，所述陽極板31和陰極板32呈相對設置，所述絕緣帶33位于陽極板31、陰極板32之間，并將陽極板31和陰極板32電氣隔離;所述極板控制器34電性連接至陽極板31和陰極板34上。
[0032]帶電的磨損微粒隨油液以速度V流入電場消泡模塊3，電場離心模塊3的陽極板31、陰極板32受極板控制器34控制，產生和速度V方向垂直的均勻電場，則帶電磨損微粒在電場離心模塊中3受到垂直于速度方向的電場力的作用，使帶電顆粒在該力的作用下向極板做拋物線運動，帶電微粒沿運動方向吸附其它微粒形成聚合大顆粒。該拋物線運動具體是指帶電微粒在軸向跟隨油液做直線運動，徑向則在電場力作用下做勻速或變速運動，通過極板控制器改變電場強度即可改變運動速度，使帶電聚合大顆粒運動到管壁附近。
[0033]請參閱說明書附圖4所示，所述吸附模塊5用于吸附經機電場離心模塊3離心后聚集在管壁附近的聚合大微粒。所述吸附模塊5采用同極相鄰型吸附環，該同極相鄰型吸附環由鋁質環形管道51、正向螺線管52、反向螺線管53以及鐵質導磁帽54等部件組成。其中，所述正向螺線管52和反向螺線管53分別布置于鋁質環形管道51內并由ECUlO控制，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管52和反向螺線管53相鄰處產生同性磁極。所述鐵質導磁帽54布置于鋁質環形管道51的內壁上，其位于正向螺線管52和反向螺線管53相鄰處、以及正向螺線管52和反向螺線管53軸線的中間點。
[0034]所述同極相鄰型吸附環的設計原理如下:吸附環內部有多個帶鐵芯的通電螺線管，相鄰的螺線管線圈通有方向相反的電流，使得正向螺線管和反向螺線管相鄰處產生同性磁極。同時，正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和反向螺線管軸線中間點的吸附環內壁處設有鐵質導磁帽，呈條狀和吸附環軸線平行，吸附環的外殼為順磁性鋁質外管壁，這種設置有利于改善磁路，加大吸附環內壁處的磁場強度，增強對顆粒的捕獲吸附能力。各螺線管電流由ECU直接控制，可根據顆粒的粒徑大小和濃度不同而變化，以獲得最佳吸附性能。吸附完成后，ECU控制電磁鐵斷電，順磁性鋁質管道失去磁性，附著在管道內壁上磁性聚合大顆粒隨油液沿管壁進入相鄰電容微粒監測模塊。
[0035]請參閱說明書附圖5-1至附圖5-4所示，所述相鄰電容微粒監測模塊6在線監測液壓管路中磨損微粒狀況。所述相鄰電容微粒監測模塊6由有機玻璃內壁61、接地屏蔽層62、接收極板63、激勵極板64以及外壁65等幾部分組成。其中，所述機玻璃內壁61、接地屏蔽層62和外壁65呈管狀結構，并依次自內而外設置。
[0036]所述機玻璃內壁61的厚度為0.5mm，介電常數為2.5(液壓油的介電常數約2.1左右)，和液壓油的介電常數接近，因此邊緣電容為固定值；當有機玻璃內壁表面堆滿磁化聚合大顆粒時，磁化聚合大顆粒、液壓油與有機玻璃內壁形成混合電介質，對傳感器邊緣電容共同作用，磁化聚合大顆粒的介電常數通常大于10，是液壓油和有機玻璃內壁的介電常數的數倍，足夠引起電容傳感器邊緣電容的明顯變化，因此可利用相鄰電容傳感器電容值的變化，從而反推油液介電常數的微小變化，進而實現對磨損微粒的實施監測。
[0037]基于電容邊緣效應的相鄰電容傳感器性能主要取決于穿透深度(電場線的穿透深度)、信號強度(電容值的大小)以及噪聲抑制、測量靈敏度(對電壓變化或電場變化的靈敏度)和傳感器的測量動態范圍。現有的相鄰電容傳感器測量得到的電容值很微弱，通常為PF級甚至更小，對金屬微粒等低介電常數的介質的測量效果則更差，因此提升傳感器輸出信號強度尤為關鍵。同時，信號強度和穿透深度兩個指標是相互沖突的，這也是該傳感器性能提升難點。
[0038]相鄰電容傳感器信號強度與傳感器極板面積，極板間距，以及傳感器與待測物體間的距離，待測物的介電常數都有著很大的關系。經磁化聚合、離心和吸附處理的磨損微粒在有機玻璃內壁表面聚集，顆粒數量的增加導致油液介電常數的增大，顆粒聚合帶來的粒徑增大也使得油液介電常數的增大，同時磁化也有增加介電常數的功能，三者同時作用，大大加強了信號強度;而又由于顆粒緊貼有機玻璃內壁表面，對穿透深度要求幾乎為零，也解決了指標沖關冋題。
[0039]由于相鄰電容傳感器輸出信號強度非常微弱，噪聲對測量結果的影響顯著。通常噪聲主要來源于兩方面，傳感器自身的噪聲和環境噪聲。為此設計了接地屏蔽層來降低傳感器自身噪聲，接地屏蔽層62的介電常數為1.5-2.5，屏蔽層厚度為相鄰電容傳感器外壁65厚度的I到2倍之間為佳，以保證測量靈敏度。
[0040]所述接收極板63、激勵極板64嵌設在接地屏蔽層62上，并位于機玻璃內壁61外側，兩者之間形成間隙磁場66，用于檢測聚合顆粒67。所述接收極板63、激勵極板64均采用有效邊緣長且結構復雜的皮亞諾曲線結構極板層。該皮亞諾曲線結構極板層中，激勵極板63、接收極板64組成的曲線能遍歷正方形極板層中所有的點，得到一條充滿整個正方形極板層空間的曲線。在極板層面積固定的情況下，該結構具有最長有效邊緣、最大極板面積和最復雜結構，增加了有效極板面積與極板邊緣，增加了傳感器邊緣電容值，降低了對外部接口電路靈敏度的要求。由此可獲得最佳信號強度，傳感器激勵極板與接收極板采用弧形邊緣也避免了極板拐角處的高靈敏性與不穩定性。進一步的，所述接收極板63、激勵極板64兩者之間設有隔離層69;所述隔離層69的寬度為有機玻璃內壁厚度的0.8-1倍，其能有效的將接收極板63、激勵極板64隔離。
[0041 ]所述消磁模塊7的一端設有油液出口 9，其由剩磁傳感器和消磁器組成。由于磁滯現象的存在，當鐵磁材料磁化到飽和狀態后，即使撤消外加磁場，材料中的磁感應強度仍回不到零點，需要外加磁場消磁。為了防止磁化微粒進入液壓回路，對污染敏感液壓元件造成損傷，所述消磁模塊7根據消磁器出口處剩磁傳感器的檢測值控制消磁器的消磁強度。此處采用的消磁方法為電磁退磁，方法是通過加一適當的反向磁場，使得材料中的磁感應強度重新回到零點，且磁場強度或電流必須按順序反轉和逐步降低。
[0042]請參閱說明書附圖6所示，所述磨損微粒在線監測裝置進一步包括所述ECU10，其可選擇Microchip公司的PIC16F877。所述剩磁傳感器、消磁器、加熱器、冷卻器、溫度傳感器、起電模塊2、電場離心模塊3、吸附模塊5以及相鄰電容微粒監測模塊6均電性連接至ECUlO上，并由ECUlO控制。
[0043]采用上述磨損微粒在線監測裝置對液壓有中的磨損微粒監測包括如下方法:
I)，液壓管路中的油液攜帶磨損微粒通過溫控模塊，通過溫控模塊控制油液溫度恒定在 42°C;
2 )，被調整到最佳磁化溫度的油液攜帶磨損微粒進入起電模塊2，起電模塊2使油液中的磨損微粒帶電；
3)，帶電磨損微粒在電場離心模塊3中離心，使帶電聚合顆粒運動到管壁附近；
4)，吸附模塊5吸附經電場離心模塊3離心后聚集在管壁附近的磁化聚合微粒;之后吸附模塊5斷電，使附著在管壁上的磁性聚合大顆粒隨油液沿管壁進入相鄰電容微粒監測模塊6;
5)，通過相鄰電容微粒監測模塊6在線監測液壓管路中磨損微粒狀況；
6)，消磁模塊7給磁化顆粒消磁，防止磁化微粒進入液壓回路，對污染敏感液壓元件造成損傷。
[0044]以上的【具體實施方式】僅為本創作的較佳實施例，并不用以限制本創作，凡在本創作的精神及原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護范圍之內。
【主權項】
1.用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:包括溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊以及消磁模塊;其中，所述溫控模塊、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊、相鄰電容微粒監測模塊和消磁模塊依次連接;所述溫控模塊的一端設有油液入口；所述吸附模塊采用同極相鄰型吸附環;所述同極相鄰型吸附環包括鋁質環形管道、正向螺線管、反向螺線管以及鐵質導磁帽;所述正向螺線管和反向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管和反向螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導磁帽布置于鋁質環形管道的內壁上，其位于正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和反向螺線管軸線的中間點。2.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:所述溫控模塊包括加熱器、冷卻器和溫度傳感器;所述加熱器采用帶溫度檢測的重慶金鴻的潤滑油加熱器;所述冷卻器選用表面蒸發式空冷器，冷卻器的翅片管選KLM型翅片管;溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。3.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:所述起電模塊包括若干電極以及一電極控制器;所述若干電極分別連接至電極控制器，并由電極控制器控制。4.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:所述電場離心模塊包括陽極板、陰極板、絕緣帶和極板控制器;其中，所述陽極板和陰極板呈相對設置，所述絕緣帶位于陽極板、陰極板之間，并將陽極板和陰極板電氣隔離；所述極板控制器電性連接至陽極板和陰極板上。5.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:所述相鄰電容微粒監測模塊包括有機玻璃內壁、接地屏蔽層、接收極板、激勵極板以及外壁;其中，所述機玻璃內壁、接地屏蔽層和外壁呈管狀結構，并依次自內而外設置;所述機玻璃內壁的厚度為0.5mm，介電常數為2.5;所述接地屏蔽層的介電常數為1.5-2.5，厚度為外壁厚度的I到2倍;所述接收極板、激勵極板嵌設在接地屏蔽層上，并位于機玻璃內壁外側;所述接收極板、激勵極板均采用皮亞諾曲線結構極板層，兩者之間設有隔離層;所述隔離層的寬度為有機玻璃內壁厚度的0.8-1倍。6.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:所述消磁模塊的一端設有油液出口，其由剩磁傳感器和消磁器組成。7.如權利要求1所述的用起電、電控環吸附和相鄰電容的磨損微粒在線監測系統，其特征在于:其進一步包括一 ECU，所述剩磁傳感器、消磁器、加熱器、冷卻器、溫度傳感器、起電模塊、電場離心模塊、吸附模塊以及相鄰電容微粒監測模塊均電性連接至ECU上，并由ECU控制。
【文檔編號】G01N15/00GK105954155SQ201610310726
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】張華芳
【申請人】紹興文理學院