專利名稱：在線監(jiān)測液體粘度和顆粒量的壓電傳感器和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)測量儀器領(lǐng)域，特別涉及一種在線監(jiān)測液體粘度和液體中顆粒量的壓電傳感器和測量方法。
背景技術(shù)：
粘度是衡量液體抵抗流動(dòng)能力大小的一個(gè)物理參數(shù)，液體中的顆粒量則通過液體中固體微顆粒的數(shù)量反映液體的污染程度。同時(shí)在線監(jiān)測液體粘度和液體中顆粒量的變化對許多工業(yè)應(yīng)用都很重要，例如在線監(jiān)測機(jī)械系統(tǒng)的潤滑油粘度和磨損顆粒量變化能優(yōu)化設(shè)備維修周期，減少停機(jī)時(shí)間，進(jìn)而延長設(shè)備使用壽命，減少重大事故的發(fā)生。目前單獨(dú)測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器和測量方法很多，在許多工業(yè)過程控制和機(jī)械設(shè)備故障診斷中應(yīng)用廣泛。但現(xiàn)有的測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器各自存在許多不足，而且兩種傳感器所采用的測量原理互不相同，能夠同時(shí)測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器技術(shù)未見報(bào)道。
實(shí)際應(yīng)用中測量液體粘度的方法主要包括細(xì)管方法、旋轉(zhuǎn)粘度測量方法、錐板粘度測量方法、落球粘度測量方法和振動(dòng)粘度測量方法等。這些方法中很多只適用于離線樣品分析，部分可用于在線測量的方法普遍存在體積大，成本高，安裝和使用復(fù)雜的缺點(diǎn)。
測定液體中顆粒量有在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和離線分析測定兩種方式。離線方式由于需要先取樣再分析，不僅費(fèi)力費(fèi)時(shí)，成本高，而且測定結(jié)果的返回具有時(shí)間滯后性，在許多應(yīng)用領(lǐng)域已逐漸被在線監(jiān)測技術(shù)所替代。目前已知的用于在線監(jiān)測顆粒量的技術(shù)包括光學(xué)測量、超聲測量、磁場測量以及電感和電容測量方法等。
光學(xué)測量顆粒技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能測小顆粒(1微米)，而且能提供顆粒量和顆粒大小兩方面信息。但光學(xué)測量方法受液體的污染程度以及其它雜質(zhì)含量的影響較大，不能區(qū)分液體中的顆粒和氣泡，易誤判，成本高，實(shí)際應(yīng)用受到限制。
超聲測量顆粒的方法主要依靠測定液體中顆粒對入射超聲波束的反射和散射作用實(shí)現(xiàn)。其問題是靈敏度低，對小顆粒出現(xiàn)不敏感。這種方法測量的是液體斷面上一個(gè)很小的體積內(nèi)的顆粒量，測量結(jié)果代表性小，誤差較大。另外，超聲測量方法需要具有較強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理能力的硬件支持，傳感器安裝方式也比較復(fù)雜。磁場、電感和電容測量顆粒的方法主要是通過測量顆粒出現(xiàn)所引起的相應(yīng)物理參數(shù)的變化，以獲取液體中顆粒量的信息。這幾種方法的共同優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，安裝方便，成本較低。共同的問題是靈敏度低，對小顆粒和低濃度顆粒量不敏感，一般可以測到的顆粒大小在100微米左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種基于壓電敏感器件的新型傳感器和測量方法。本發(fā)明提出的傳感器不僅能夠同時(shí)在線測量液體粘度和液體中的顆粒量，而且可以根據(jù)實(shí)際情況，單獨(dú)作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。本發(fā)明提出的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，響應(yīng)快，價(jià)格低，而且能測量小顆粒(達(dá)到1微米)和低濃度樣品。本發(fā)明提出的傳感器可以應(yīng)用到各種液體測量中，其中既包括單一物質(zhì)成分的液體如水等，也包括具有多種物質(zhì)成分的液體如溶液、生物體液以及各種化工合成液體如潤滑油、液壓油、切削液、油漆、油墨、涂料等。
本發(fā)明提出的傳感器主要包括(1)壓電敏感器件，包括工作于體聲波、聲表面波、剪切波及超聲波的壓電晶體和壓電陶瓷傳感器及換能器。當(dāng)壓電敏感器件的表面與被測液體接觸時(shí)，測量該器件的諧振或波傳輸參數(shù)包括頻率、幅值、相位、阻抗或波速等信息，此信息能轉(zhuǎn)化為反映壓電器件表面附著顆粒量或與之接觸的液體粘度的變化信息。
(2)穿過該壓電敏感器件并進(jìn)入被測液體中的磁場。該磁場由安裝于壓電敏感器件后的永磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生。其磁場強(qiáng)度足夠大，能將與壓電敏感器件接觸的液體中的鐵磁性顆粒吸附到器件表面。
本發(fā)明的基本原理是通過測量壓電敏感器件在磁場場強(qiáng)為零(或很小)和很大兩個(gè)狀態(tài)下的參數(shù)變化，來感知液體粘度和液體中顆粒量的變化。當(dāng)磁場強(qiáng)度很大時(shí)，存在于液體中的鐵磁性顆粒會(huì)被吸引到壓電敏感器件表面，引起壓電敏感器件的質(zhì)量效應(yīng)變化，測量壓電敏感器件此時(shí)的諧振和波傳輸參數(shù)能夠獲得液體中的鐵磁性顆粒量。當(dāng)該磁場強(qiáng)度為零或很小時(shí)，液體中的顆粒不會(huì)附著于壓電敏感器件表面，測量壓電敏感器件此時(shí)的諧振或波傳輸參數(shù)變化，能夠獲得與之接觸的液體粘度變化信息。實(shí)際上，此時(shí)壓電敏感器件的諧振或波傳輸參數(shù)的變化反映的是液體粘度與密度乘積的變化。但由于在實(shí)際應(yīng)用中，液體密度變化很小，壓電器件諧振或波傳輸參數(shù)的變化可以認(rèn)為主要與粘度變化有關(guān)。
穿過壓電敏感器件的磁場強(qiáng)度的變化由相應(yīng)的測量和控制電路實(shí)現(xiàn)。采用電磁鐵時(shí)，按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)序自動(dòng)控制電磁鐵輸入電流的開和關(guān)，實(shí)現(xiàn)對穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關(guān)時(shí)間控制。采用永磁鐵時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)改變永磁鐵與壓電敏感器件的距離和方向以控制穿過敏感器件表面的磁場強(qiáng)度變化。
此外，此電路還能檢測壓電敏感器件的諧振或波傳輸參數(shù)，包括頻率、幅值、相位、阻抗或波速中的一個(gè)或組合，經(jīng)標(biāo)定后，輸出與液體粘度或液體中顆粒量成一定關(guān)系的信號(hào)。本發(fā)明所說的測量和控制電路可以采用常規(guī)的公知電路，在此不再詳述。
在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明提出的傳感器有多種結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)對液體粘度和液體中顆粒量的在線測量。例如根據(jù)使用的壓電敏感器件數(shù)量，傳感器可以設(shè)計(jì)為兩種結(jié)構(gòu)形式a)雙壓電器件傳感器，采用兩個(gè)壓電敏感器件，其中一個(gè)敏感器件表面沒有磁場穿過，另一個(gè)敏感器件表面有足夠強(qiáng)度的磁場穿過。表面沒有磁場穿過的壓電敏感器件用以測定液體粘度的變化；比較此兩個(gè)壓電敏感器件的輸出信號(hào)之差以測定液體中的顆粒量。b)單壓電器件傳感器，采用一個(gè)壓電敏感器件，按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)序控制壓電敏感器件后的電磁鐵的輸入電流以控制穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關(guān)時(shí)間。測量壓電敏感器件在磁場關(guān)閉前后的輸出信號(hào)的變化量，以測定液體中顆粒量。測量壓電敏感器件在磁場關(guān)閉后的信號(hào)以測定液體粘度的變化。
根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際情況，本發(fā)明提出的傳感器也可以單獨(dú)作為測量液體粘度和液體顆粒量的傳感器使用。例如，在傳感器中不安裝磁鐵，本發(fā)明提出的傳感器即可單獨(dú)作為液體粘度傳感器使用。而如果忽略傳感器的粘度輸出信號(hào)，本發(fā)明提出的傳感器即可單獨(dú)作為測量液體中顆粒量變化的傳感器使用。另外，傳感器也可以預(yù)先設(shè)定液體粘度和液體中的顆粒量的報(bào)警值，在輸出信號(hào)超過報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
附

圖1為雙壓電器件液體粘度和顆粒量傳感器特征結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為單壓電器件液體粘度和顆粒量傳感器特征結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為單壓電器件傳感器的工作和電磁鐵時(shí)序控制圖；附圖4為本發(fā)明傳感器的安裝和應(yīng)用方式實(shí)施例；如附圖1所示，壓電敏感器件1和3分別安裝于磁鐵2的兩面。磁鐵2嵌入屏蔽金屬4中，從而使得磁鐵2的絕大多數(shù)磁力線只通過壓電敏感器件3表面而壓電敏感器件1表面的磁場強(qiáng)度基本為零。傳感器殼體5一般由非鐵磁性材料制成。當(dāng)此傳感器安裝于液體回路中時(shí)，壓電敏感器件1和3都與被測液體接觸，壓電敏感器件1表面由于沒有磁場穿過，輸出信號(hào)只與液體粘度變化有關(guān)，因此通過測量其輸出信號(hào)即能獲得液體粘度變化信息。壓電敏感器件3表面由于有強(qiáng)磁場穿過，輸出信號(hào)既受液體粘度變化影響，也受吸附于表面的顆粒量影響。比較壓電敏感器件3和1的輸出信號(hào)，即可獲得液體中的顆粒量變化信息。
附圖2為單壓電器件傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，壓電敏感器件6，電磁鐵7及屏蔽金屬8都安裝在傳感器殼體9上。電磁鐵7的輸入電流按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)序開啟和關(guān)閉，由此實(shí)現(xiàn)對壓電敏感器件6表面的磁場的開關(guān)控制。當(dāng)壓電敏感器件6表面的磁場由很強(qiáng)變?yōu)榱銜r(shí)，吸附于其上的顆粒就會(huì)脫離器件表面而被液體帶走，從而引起壓電敏感器件6輸出信號(hào)變化。測量壓電敏感器件6在磁場突變時(shí)輸出信號(hào)的變化即可獲得液體中顆粒量的變化信息。另外，監(jiān)測壓電敏感器件6在磁場關(guān)閉時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)變化即可獲得液體粘度的變化信息。
附圖2的單壓電器件傳感器的工作方式與電磁鐵的時(shí)序控制方式有關(guān)，需要根據(jù)不同應(yīng)用的實(shí)際情況預(yù)先設(shè)定電磁鐵的開和關(guān)的時(shí)間周期，附圖3為其中的一種推薦方式。此方式包括(1)設(shè)定電磁鐵的開和關(guān)的時(shí)間長度分別為T1和T2，即壓電器件表面的磁場每工作T1時(shí)間段后關(guān)閉一段時(shí)間T2，T1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T2。
(2)監(jiān)測傳感器在每次磁場關(guān)閉前后的信號(hào)變化量來測定液體中的顆粒量。
(3)記錄傳感器在每次磁場關(guān)閉后輸出信號(hào)穩(wěn)定后的數(shù)值，此數(shù)值反映液體的粘度變化。
(4)電磁鐵的開關(guān)時(shí)序由電路自動(dòng)控制，傳感器對應(yīng)的輸出信號(hào)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1運(yùn)用本發(fā)明提出的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)械設(shè)備潤滑系統(tǒng)中磨損顆粒量和潤滑油粘度的變化，進(jìn)而判定設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并提供故障預(yù)警信息。
表面磨損和疲勞是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備如汽輪機(jī)、車輛變速箱、液壓系統(tǒng)和軸承失效的主要模式。測定潤滑油中的磨損顆粒量特別是鐵磁性磨損顆粒量是一種有效的反映機(jī)械部件表面磨損和疲勞狀態(tài)的方法并在航空、運(yùn)輸及動(dòng)力機(jī)械中獲得廣泛應(yīng)用。同時(shí)，粘度是衡量潤滑油潤滑能力的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)潤滑油經(jīng)過被潤滑的運(yùn)動(dòng)副表面時(shí)，局部的高溫高壓會(huì)使?jié)櫥脱趸?，同時(shí)各種雜質(zhì)的摻入也會(huì)降低潤滑油的流動(dòng)性，導(dǎo)致粘度升高。因此，同時(shí)在線監(jiān)測潤滑油粘度和磨損顆粒量變化能及時(shí)提供潤滑油質(zhì)量和設(shè)備使用狀態(tài)信息，進(jìn)而減少停機(jī)時(shí)間，優(yōu)化設(shè)備維修周期，延長使用壽命，減少關(guān)鍵設(shè)備事故的發(fā)生。
利用本發(fā)明提出的壓電傳感器和測量方法可以實(shí)現(xiàn)對潤滑油粘度和磨損顆粒量的在線監(jiān)測。采用如附圖2所示的單壓電器件傳感器。其中，壓電敏感器件6為體聲波壓電石英晶體器件，采用AT切型，諧振頻率范圍在1-30MHz，晶體表面鍍有金屬電極，一般是金或銀電極。電磁鐵7為小型標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵，傳感器殼體9由不銹鋼材料制成。此傳感器的安裝位置包括機(jī)械系統(tǒng)的回油管，油箱及其它油路部分。附圖4顯示本發(fā)明提出的單壓電晶體傳感器12安裝于潤滑油系統(tǒng)的回油管10上，潤滑油11在回油管中流動(dòng)并與傳感器12的壓電晶體表面接觸。前置電路13控制傳感器中的電磁鐵開和關(guān)，并輸出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)14。計(jì)算機(jī)14按照設(shè)定的采樣頻率記錄傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值，在傳感器輸出信號(hào)超出報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。設(shè)備現(xiàn)場操作人員可根據(jù)報(bào)警信號(hào)采取適當(dāng)措施。
實(shí)施例2在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如化工、油漆、涂料和食品加工工業(yè)，被測液體中的鐵磁性顆粒量變化很小，而且顆粒量的變化信息與粘度變化信息相比不重要，本發(fā)明提出的傳感器也可以單獨(dú)作為液體粘度傳感器使用。采用如附圖2所示的單壓電器件傳感器。其中，壓電敏感器件與傳感器殼體與實(shí)施例1同，但傳感器殼體中不安裝任何磁鐵。將此傳感器安裝于有被測液體通過的管道中，測量壓電晶體的參數(shù)變化即可在線測量液體粘度的變化。
權(quán)利要求
1.一種在線監(jiān)測液體粘度和顆粒量的壓電傳感器和測量方法，其特征在于運(yùn)用壓電敏感器件與液體接觸，控制穿過該敏感器件表面的磁場以吸附液體中的鐵磁性顆粒，測量壓電器件的參數(shù)變化以獲得液體粘度和液體中顆粒量變化的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和測量方法，其特征在于，所述的壓電敏感器件包括工作于體聲波、聲表面波、剪切波及超聲波的壓電晶體和壓電陶瓷傳感器及換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和測量方法，其特征在于，所述的磁場由安裝于壓電敏感器件后的永磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生，該磁場強(qiáng)度足夠大，能將與敏感器件接觸的液體中的鐵磁性顆粒吸附到壓電敏感器件表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和測量方法，其特征在于，所述的壓電敏感器件的參數(shù)包括諧振或波傳輸參數(shù)，例如諧振頻率、幅值、相位、阻抗或波速等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和測量方法，其特征在于，所述的液體既包括單一物質(zhì)成分的液體如水等，也包括具有多種物質(zhì)成分的液體如溶液、生物體液以及各種化工合成液體如潤滑油、液壓油、切削液、油漆、油墨、涂料等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于，所述的傳感器對液體粘度和液體中顆粒量測量的方式包括a)采用兩個(gè)壓電敏感器件，其中一個(gè)敏感器件表面沒有磁場穿過，另一個(gè)敏感器件表面有足夠強(qiáng)度的磁場穿過。測量表面沒有磁場穿過的壓電敏感器件的參數(shù)變化以獲得液體粘度的變化；比較此兩個(gè)壓電敏感器件的輸出信號(hào)之差以測定液體中的顆粒量。b)采用一個(gè)壓電敏感器件并在其后安裝一個(gè)電磁鐵。測量壓電敏感器件在磁場關(guān)閉前后的輸出信號(hào)的變化量，以測定液體中顆粒量。測量壓電敏感器件在磁場關(guān)閉后的信號(hào)以測定液體粘度的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的傳感器，其特征在于，所述的電磁鐵的輸入電流由傳感器的控制電路按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)序自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)對穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關(guān)時(shí)間控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6的傳感器，其特征在于，自動(dòng)或手動(dòng)改變所述的永磁鐵與壓電敏感器件的距離和方向以控制穿過敏感器件表面的磁場強(qiáng)度變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6的傳感器，其特征在于，所述的傳感器可以根據(jù)實(shí)際情況，單獨(dú)作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在線監(jiān)測液體粘度和顆粒量的傳感器和測量方法，其特征在于運(yùn)用壓電敏感器件與液體接觸，控制穿過該敏感器件表面的磁場以吸附液體中的鐵磁性顆粒，測量壓電器件的參數(shù)變化以獲得液體粘度和液體中顆粒量變化的信息。本發(fā)明提出的傳感器不僅結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，響應(yīng)快，價(jià)格低，而且能測量小顆粒和低濃度樣品。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，本發(fā)明的傳感器不僅能夠同時(shí)在線測量液體粘度和液體中的顆粒量信息，還可以單獨(dú)作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。
文檔編號(hào)G01N15/00GK1815176SQ20061003350
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者張超, 張峰 申請人:張超, 張峰