余斌,王昭-基于光散射法油雾探测器的设计

基于光散射法油雾探测器的设计余斌，王昭（西安交通大学机械工程学院激光与红外应用研究所，陕西西安710049）摘要：大型柴油机曲轴箱内的润滑油油雾浓度过高，有可能引起爆炸事故。本文给出了基于光散射法自行研制的一种油雾探测器，响应时间≤2S，引用误差≤10%，有相应的声光报警、减速及停机等功能。详细阐述了油雾探测器光机电系统的设计原理、温度补偿措施、信号处理技术。关键词：润滑油；油雾浓度；光散射；油雾探测DesignofOilMistDetectorBasedonLightScatteringYUBin,WANGZhao(InstituteofLaser&IRApplications,SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)Abstract:Thickoilmistinthecrankcasesoflargedieselenginewouldresultinexplosion.Basedonlightscatteringtheory,anewoilmistdetectorhasbeendevelopedwithaquickresponseandahighaccuracy.Thefunctionofthedetectorincludegivinganalarmbyacoustoopticalmethod,slowdownandstopoftheengine.Accordingtotheexperimentresults,theresponsetimeislessthan2sandthecitationerrorislessthan10%.Theoptical-electromechanicalsystemofoilmistdetectoraredescribedindetail,andthetechniqueoftemperaturecompensationandsignalprocessingisalsogiven.Keywords:Lubricationoil;Oilmistconcentration;Lightscattering;Oilmistdetection在正常情况下,大型柴油机曲柄箱内的润滑油油雾浓度总保持在正常值范围。当柴油机主轴承、导板及滑块间或传动机构等发生异常磨损，产生高温或烧焙时,会引起局部或总体曲柄箱内油雾浓度高于正常值，此时往往伴随有高温热源存在,可能引起爆炸事故。如2003年4月昆山柴油机电力公司3号机组在正常发电运行过程中,突然发生的曲轴箱爆炸事故，造成了巨大的财产损失。因而开发出大型柴油机曲轴箱油雾探测器及监控仪，实现对油雾浓度的准确、实时监控不仅必要而且很迫切。图1为运行中油雾浓度安全级别。通常情况下,曲轴箱内油雾爆炸极限为50mg/L，但油雾探测器的报警值往往设定在10mg/L，这主要是从系统灵敏性、安全性角度考虑的。图1运行中油雾浓度安全级别1.检测原理当光线通过不均匀的介质时，将偏离其原来的传播方向，散开到空间4立体角，发生光散射现象。将光探测器布置于油雾气室空间中某一角度，其光电信号大小与光探测器安装位置及气体浓度有关。通过探测出光电信号大小即可反演出油雾气体浓度。图2是Mie理论散射光角度分布曲线,z轴正向为光传播方向，为散射光与入射光夹角。由图可见，前向(=0°)散射光强比后向(=180°)散射光强大的多，侧向散射光强也较大。图2Mie理论散射光角度分布曲线本文开发的船用油雾探测器采用正前向散射单光路法亦称消光度法，即将光探测器放置在与光源主光线成0°位置。当强度为0I的平行光通过厚度为L油雾时，油雾中分子和气溶胶的吸收和散射，使出射光的强度I减弱。图3平行光透过厚度为L的油雾0I与I的关系可以由Beer-Lambert定律推导出：220000extextNQrLLkQrLCKCIIeIeIeIe其中，I为入射光强，0I为出射光强，为颗粒的平均消光度，r为颗粒的平均半径，extQ为颗粒的平均消光效率因子，N为单位体积内颗粒个数，而N=kC，k为比例系数，C为油雾浓度，2KkQrLext。在同一稳定的油雾探测系统中，K为一常数。因而通过测量入射光强0I与出射光强I（分别以光电信号电压值U0、U表示），即可求出油雾浓度C。由于光路长期工作在油雾环境中，窗口与透镜容易被污染。当污染相当严重，超过自补偿范围时，油雾探测器发出声光信号，表示要清洁或更换相关光学元件。通过测量通入新鲜空气后光电池电压信号值即可判断油污严重程度。另外，油雾探测器亦可采用正前向散射双光路法和侧向散射法。英国GRAVINER公司MK-4型曲柄箱油雾浓度探测器采用的即是正前向散射双光路法，该系统引入了参比光路，对被测光路加以补偿及校正零点，参比气体通常是空气或者是依次抽取的曲轴箱各缸的混合气,结构复杂。美国QMI公司的产品则采用了侧向散射法。这种方法所采用的光路系统包括一个光源、两个探测器。其中一个探测器放在与LED轴线成0度位置，作为补偿探测器。另一个探测器放在与LED轴线成某一角度位置，一般放在90度位置处[10]。示意图如图4所示：这两种方法成本较高，油污补偿能力一般。图4侧向散射法示意图2.系统构成和结构设计光散射法油雾探测器一般由辐射光源、分光滤光等光学元件、光探测器、气室、外围电路组成。我们采用正前向散射单光路法，系统框图如图5。图5气体传感器系统框图光源、气室、光探测器是油雾探测器中的三个主要部件，其选用和设计影响着系统的测量范围、灵敏度等各项指标。光源选用峰值波长约为650nm、直径3mm的高亮高脚聚光型GaAsP窄带LED。光探测器选用光电池，其响应峰值波长为920nm，响应波长范围为320—1100nm。气室含有G1螺纹接口的气体入口和出口，气室与传感器箱体设计为一体，整个机械装置结构简单（如图6），安装可靠，抗震性好。图6油雾探测器结构设计3.油雾浓度标定实验为了获得一系列浓度的油雾气体，设计了体积为1m3油雾气体发生装置。向其滴入定量体积V（单位为ml，润滑油密度取0.85g/ml）的润滑油，可将其完全雾化，以配置一系列浓度C=0.85Vmg/L的油雾进行浓度标定实验。表1为一系列浓度梯度下光电池电压值变化量△U与用油量V的数据关系表。△U=U0-U，U0为通入新鲜空气即油雾浓度为零时的电压值，代表着入射光强I0，U为油雾时的电压值，代表着出射光强I。U0和U是经过后续放大滤波电路处理后的电压值，单位为mV。由于油污和温漂对U0、U影响大约相同，可见△U对一定范围内油污和温漂不敏感。V00.311.534△U01755657784V5791113△U91105125149.2161.8表1油雾浓度标定数据表采用最小二乘法线性拟合电压变化量△U与用油量V，结果如图7所示，图中Y表示△U，X表示V，对前几个数据拟合结果较差，后几个数据线性度较好。(a)△U与V线性拟合图(b)△U与V线性拟合残差图图7线性拟合△U与V及残差观察数据点分布，它具有幂函数曲线特征。于是，采用f(x)=axb（b0）最小二乘拟合△U与V，如图8，函数方程为△U=44.31V0.488，残差分布均匀，最大残差小于13，与线性拟合相比，效果较好。可得浓度C与电压变化量△U的关系式为：C=3.596X10-4△U2.049（1）(a)△U与V幂函数拟合图(b)△U与V幂函数拟合残差图图8幂函数拟合△U与V及残差图9C与△U三次样条插值曲线最小二乘拟合是基于方差最小原理，而采用样条插值能保证已知数据各点的准确性。图9为C与△U三次样条插值曲线（X代表△U，Y代表C）。由于每个插值区间都有一个三次插值方程，因而样条插值法程序编写代码多，计算量大。4.系统软件设计及信号处理4.1温度的影响由于发光二极管的发射强度和峰值波长具有温度特性，其峰值波长漂移约为0.2-0.3nm/K，发光强度与温度变化又有对应关系，GaAsPLED发光强度的温度系数约为-0.8%/K。所选用的光电池的开路电压VOC亦有-2.0mV/K的温漂。所以有必要对整个油雾探测器进行温度补偿。下表是油雾探测器电信号初始值U0与温度的数据表。表2U0与t关系数据表采用最小二乘法拟合U0与t，如图10所示，线性方程：U0=1819-15.174t（2）相关系数高达-0.9969。说明探测器系统温漂具有良好的线性，有利于软件处理。（具体算法见4.3）图10最小二乘线性拟合U0与t图11油雾探测器系统主程序流程图4.2压力波动的处理实际工作中，由于活塞周期性上下往复运动，导致曲轴箱内气压是变化的，造成气室内真空度的不同，影响气流速度，对探测结果有影响。采用时间平均法可温度-0.23.419.8252831电压184817811570142313841345温度34.53740434650电压129212551220117511301062以消除其影响。由于气流脉动有周期性，采集的AD电压信号在一段时间内（取数十个曲轴转动周期）做时间平均，消除波动。4.3软件设计嵌入式硬件系统是基于单片机MSP430和CPLDMAX3000系列的双片系统，它具有稳定高速、性能可靠的特点。主程序流程图如图11所示。图12信号处理算法流程图图12为信号处理子程序流程图。采用时间平均法，在△T开始前，读入温度值，利用(2)式得初始值U0。在△T时间内，采样N个电压值Ui，取其平均值U，计算得到△U=U0-U。带入（1）式或按表1三次样条插值（（如图9）即可得到油雾浓度值。5.结论表3两种方法探测器显示的数据表3是分别采用公式法和三次样条插值所获得实验数据，可见插值法具有较高的精度，引用误差≤10%（仪器量程15mg/L）。实验测定，从通入油雾到仪表显示正确数据，响应时间≤2s。设计精度更高的标准油雾浓度发生装置和采用更优的信号处理算法可以提高探测器精度，如采用多传感器数据技术减弱或消除温漂和压力波动的影响，但相应的会提高探测器的成本。参考文献：[1]高晓明,李晓云.近红外二极管激光气体光学传感器发展现状及其应用[J].量子电子学报,2005,(04)[2]袁玉燕,白华萍,李凤生.激光光散射法的原理及其在超细粉体粒度测试中的应用[j].兵器材料科学与工程.2001,(09):59-62.[3]BrianJ.Smith.oilmistdetectionasanaidtomonitoringanengine’scondition..[4]FrutosJ,RodriguezJM,etal.Electro-opticalIRcompactgassensor[J].SensorsandActuators,1993,A37:502-506.[5]J.V.Winstanley,M.J.Adams.Aforwardscatterinstrumentforthemeasurementof真实值2.54.27.09.3公式法1.83.65.910.6插值法2.35.47.310.0aerosolextinctioncoefficient[J].APPLIEDOPTICS.1975,14(09):2151-2157.[6]陈明.柴油主机曲拐箱油雾浓度探测器的发展及VISATRONVN215/87型油雾浓度检测器的基本工作原理和特点[j].航海技术,2000,(02):45-48.[7]Z.ElHelou,B.Erba,S.Designandperformanceofalow-temperature-multi-pass-cellforabsorbancemeasurementsofatmosphericgases[J].JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer,2006,101:119-128[8]王庆有.光电技术[M].北京:电子工业出版社,2005:125