油液在线监测传感器技术

油液在线监测传感器技术冯伟1、2陈闽杰1贺石中1（1.广州机械科学研究院设备状态检测研究所广州510700；2.华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640）摘要：油液在线监测是设备润滑磨损状态监测与实时诊断技术的重要发展方向，而监测仪器的开发与选择是这一故障诊断技术实现准确监测应用的关键。在对当前国内外油液磨损颗粒在线监测传感器、油质在线监测传感器、油液多信息集成在线监测仪器及应用技术介绍基础上，给予了当前油液在线监测传感器技术的相关评述，为油液在线监测技术的研究、应用及推广提供一定帮助。关键词：在线监测；润滑；磨损；传感器技术中图分类号：TH117;TP212文献标识码：A文章编号：OilOn-lineMonitoringSensorTechnologyFengWei1、2ChenMinjie1HeShizhong1(1.InstituteofEquipmentConditionDetection,GuangzhouMechanicalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD,Guangzhou510700,China;2.SchoolofMechanical&AutomobileEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:Oilon-linemonitoringtechniqueisnowanimportantdevelopmentdirectionoftheequipmentlubricationandwearconditionmonitoringandreal-timediagnosistechnology,however,developmentandchoiceofmonitoringinstrumentsisthekeyforrealizingaccuratemonitoringapplications.Atthebasisofintroductionofthecurrentdomesticandinternationaloilon-linemonitoringwearparticlesensors,oilqualityon-linemonitoringsensorsandintegratedoilmoreinformationon-linemonitoringdevicesandapplications,therelevantcommentstothecurrentoil-linemonitoringsensortechnologyaregiven,helpisprovidedfortheoilon-linetechnologyresearch,applicationandspread.Keywords:Keywords:Keywords:Keywords:on-linemonitoring;lubrication;wear;sensortechnology针对摩擦学系统油液监测多年来采用离线监测为主、远不能满足现代设备长周期连续监测需要问题，设备油液在线监测技术已成为当前设备润滑磨损失效诊断技术重要发展热点和趋势之一[1、2]。该技术通过对设备摩擦学系统实时、连续监测并及时动态地获取被监测对象的润滑磨损等信息实现设备状态监测与实时故障诊断，保障装备安全可靠、连续作业需要。油液在线监测消除了人为不确定性因素，取样和检测几乎同时进行，并能及时为企业提供装备的工作状态，因此设备油液在线监测及诊断技术研究及运用具有重要的现实意义。2011年6月，在武汉理工大学召开的在线油液监测技术专题研讨会上，与会的专家学者一致认为在线监测将成为油液监测技术的主要发展方向与设备运行状态监测不可或缺的组成部分，并对今后的油液在线监测技术发展给予展望[3]。开展在线油液监测基础理论研究、研发在线油液监测传感器、开发设备综合诊断分析系统以及多信息融合技术研究仍是今后油液监测技术领域研究的主题。对此，结合课题相关技术研究情况，对当前国内外先进的润滑磨损在线监测传感器技术做一评述，从而指导其应用。1111磨损颗粒在线监测传感器技术磨损颗粒在线监测是采用安装在设备润滑系统上的监测传感器实时采集流经摩擦副后的油液中所含磨损颗粒量信息并提供超限报警功能的一门油液在线监测技术。针对磨损金属颗粒具有铁磁性的特点开发的磁电型磨粒在线监测传感器是比较成功的一种。它是利用油液流经传感器具有磁场的待检区域时金属颗粒所产生的扰动，使检测区与磨粒数量相关的磁力线或磁通量发生改变，并进行标定而检测出磨粒数量的原理进行工作的。由于润滑油中不可避免会进入一些非铁磁性颗粒以及气泡等，正确区分磨损颗粒是这类传感器的关键技术。国外比较成功的这类传感器是美国MACOMTechnologies公司开发的TechAlertTM10型（如图1）、加拿大GasTops公司开发的MetalSCAN磨粒传感器（如图2）[4]和英国Kittiwake开发的FG型在线磨粒量传感器（如图3）[5]。TechAlertTM10型磨粒传感器能提供机器不同失效阶段的磨粒尺寸分布与图像信息，并具有消除因水泡和气泡引起的误报警的筛选专利技术，其铁颗粒监测范围为50µm以上，非铁颗粒为150µm以上。安装时需要从润滑系统旁通连接。MetalSCAN磨粒传感器能根据非铁磁性颗粒的信号相位与铁磁性颗粒信息相位相反的特征区分颗粒种类，并根据信号的振幅确定磨粒的尺寸，可监测金属颗粒尺寸为100µm以上，非金属为250µm以上，并能统计出各个尺寸范围内的颗粒数量和质量，累积数据进行趋势分析。安装时，根据油路的管径尺寸选用不同尺寸的传感器直接接在油路上。FG型在线磨粒量传感器可监测的铁颗粒为40µm以上,、非铁金属颗粒为135µm以上，安装时直接接入油路。目前，三种传感器已经实现了军民两用，具有高灵敏度、高可靠性和快速检测特点，能及时发现并预报机械摩擦学系统突发性磨损故障。图1TechAlertTM10型磨粒传感器图2MetalSCAN磨粒传感器图3FG型磨粒传感器Fig1TechAlertTM10debrissensorFig2MetalSCANdebrissensorFig3FGdebrissensor近年来，深圳先波科技有限公司也专注于油液在线监测传感器的研发，其开发的基于石英晶体微天平（QCM）技术的磨粒量监测传感器（如图5）[8]对油液中的磨损颗粒量的变化具有高的线性响应和灵敏度，目前已进入商业化应用。图4图像可视铁谱传感器图5PQM-1型颗粒传感器Fig4On-lineVisualFerrographFig5On-lineparticlesensor2222油质在线监测传感器技术2.12.12.12.1油液黏度在线监测传感器技术黏度是衡量油品润滑能力的一个重要指标。对油品黏度监测，是判断设备润滑磨损状态、确定是否换油的重要依据。当润滑油经过被润滑的摩擦副表面时，局部的高温高压会使在用润滑油氧化，同时各种氧化产物的生成和外界污染杂质的掺入，如油泥、积碳、漆膜片、粉尘、泥沙等，也会降低润滑油的流动性，导致黏度升高。因此，实时监测设备润滑油黏度变化能及时反映在用油品质量状态及剩余寿命。目前，基于不同的专利技术的在线黏度监测传感器均已投入市场，具有代表性的是美国CambridgeViscosity公司生产的多款在线式工业用黏度传感器[9]，如图6为其中一款。该在线监测传感器技术采用基于简单和稳定的电子式概念，探头内两组线圈在一个连续电磁力的作用下来回移动一个微型活塞，电路分析活塞来回移动行程的时间，从而测量油液的绝对黏度。同时，位于活塞上方的导流装置，将液体导入测量室，活塞持续运动以不断更新样品，同时机械摩擦不断擦洗测量室。一个内置的RTD温度测量探头，实时测量测量室的温度。其次，美国精量MEAS推出的一款新型油液在线监测黏度传感器如图7所示[10]，该传感器利用了音叉的机械谐振，可同时测量流体的黏度，密度、介电常数和温度参数。另外，美国TRWConekt公司研制的采用测量油液吸收与之接触的材料产生的剪切波能量是该液体黏度的函数原理技术开发的一款新型嵌入式油液黏度传感器，应用到了汽车发动机油在线监测。在国内，深圳先波科技有限公司也开发了两款工业级的油液在线监测检测传感器，一种是基于QCM敏感器件的润滑油黏度的在线测量传感器FWS-2型（如图8）。当被测油液与探头敏感器件接触时，通过测量压电超声敏感器件的参数变化，来感知液体黏度的变化。另一款是基于超声波振动技术开发的FWS-3型在线黏度传感器（如图9）[11]，该传感器技术达到国际先进水平，测试精度高，长期稳定，无运动部件，无维护。图6SPC/L311黏度传感器图7FPS黏度传感器图8FWS-2型黏度传感器图9FWS-3型黏度传感器Fig6SPC/L311viscositysensorFig7FPSviscositysensorFig8FWS-2viscositysensorFig9FWS-3viscositysensor2.22.22.22.2油液水分在线监测传感器技术水分是指油品中水含量的多少。润滑油中的水分会促使油品乳化、氧化，降低油品黏度和油膜强度，增加油泥，加速有机酸对金属的腐蚀，使润滑、绝缘等效果变差。实验表明，随着含水量逐渐增加，润滑油的抗磨性逐渐下降，当含水量超过0.4%达到1%甚至更高的时候，抗磨性急剧下降，润滑油的润滑性丧失[12]。因此，实时监测滑油中的含水率，能提前预测设备故障的发生。国内外开发的油液在线水分监测传感器技术主要采用电学方法，其原理就是利用油液的电化学性能如介电常数能反映油品污染状况，而水分污染对油的电化学性能参数又特别敏感这一特性实现。传感器采用的电学方法主要分为电容法和电阻法。电容法将油液及其中的污染物作为一个特别构造的电容器电介质，水分等存在及数量引起介电常数变化，从而改变这个电容器的电容量。传感器通过对电容量变化大小的检测实现对油液中水分的状态监测。Kittiwake公司开发的在线水分传感器（如图10）[13]、美国迪沃森公司开发的EASZ-1型在线水份监测传感器（如图11）[14]、Lubrigard公司开发的油质在线监测传感器（如图12）[4]，国内先波科技开发的FWD-1在线监测润滑油含水率的传感器（如图13）[15]以及西安交通大学润滑理论与轴承研究开发的润滑油液微量水分传感器探头，都通过测量油液中的介电常数来反映油液含水率的变化。国外先进的传感器应用都具有选择性，量程范围可以根据客户需要设定选择，如EASZ-1型在线水分监测就分0-1wt%、0-3wt%、0-10wt%、0-25wt%等系列，并可以通过标准信号输出实现远程监控。图10Kittiwake水分传感器图11EASZ-1水份传感器图12Lubrigard油质传感器Fig10MoisturesensorofKittiwakeFig11EASZ-1moisturesensorFig12OilqualitysensorofLubrigard电阻式在线监测传感器主要是通过测量油液的电阻率来实现对水分及其它污染物的监测。油液电阻率的大小与其中的水分、磨粒等其它污染质含量有关，在一定条件下测出油液电阻率的变化，便可分析出润滑油品质的变化程度。如OCEI-A型油液污染状态快速分析仪器就是可用于在线监测的电阻型仪器。先波科技研发的一款在线油液水分监测传感器（图14）也是采用测量油质电阻抗变化实现的。图13FWD-1水分传感器图14FWD-2水分传感器Fig13FWD-1moisturesensorFig14FWD-2moisturesensor2.32.32.32.3油液污染度在线监测传感器技术机械设备润滑和液压系统中油液污染的程度可用油液污染度定量表示。油液污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量，而固体颗粒，如磨损颗粒、氧化物、粉尘等，是油液中最主要、