專(zhuān)利名稱(chēng)：電磁光電在線(xiàn)式鐵譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種用于摩擦磨損機(jī)理研究，機(jī)械設(shè)備工況及磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、潤(rùn)滑油評(píng)價(jià)等目的的測(cè)量?jī)x器。
所謂鐵譜技術(shù)，是利用磁場(chǎng)作用，將機(jī)器潤(rùn)滑油或其它工質(zhì)中的鐵質(zhì)磨屑粒子和沾染物微粒分離出來(lái)，并分析其沉積分離物的形態(tài)、尺寸、數(shù)量及微粒分布情況，從而獲取磨損狀況的有關(guān)信息。
鐵譜儀是應(yīng)用鐵譜技術(shù)的重要工具，目前使用的鐵譜儀可分為三類(lèi)分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀和在線(xiàn)式鐵譜儀。分析式鐵譜儀可以分析磨屑含量，還可分析磨屑的尺寸、形貌等，分析精度比較高。但取樣、制樣程序繁雜，需要貴重儀器及輔助設(shè)備，只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)比較困難。直讀式鐵譜儀雖然比分析式鐵譜儀簡(jiǎn)便、快捷些，但只能給出大、小磨粒的尺寸分布，采樣參數(shù)較少，在取樣、制樣及使用上仍存在上述問(wèn)題。而在線(xiàn)式鐵譜儀則安裝在現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)需人工取樣、制樣和其它實(shí)驗(yàn)室精密設(shè)備，便能自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，并可發(fā)出故障早期預(yù)報(bào)。
美國(guó)Foxboro公司于1980年推出了第一臺(tái)在線(xiàn)式鐵譜儀，它是由兩個(gè)主要部件組成，一個(gè)是裝在油循環(huán)系統(tǒng)回路中的探測(cè)傳感器，另一個(gè)是顯示傳感器傳送測(cè)量值的磨屑分析器，兩者是分離的。儀器本身沒(méi)有油泵，依靠循環(huán)油的壓力使一部分油通過(guò)傳感器，經(jīng)磁場(chǎng)將磨屑從潤(rùn)滑油中分離出來(lái)，通過(guò)表面效應(yīng)的電容傳感器，對(duì)大小磨屑分二級(jí)進(jìn)行測(cè)量，利用大小磨屑讀數(shù)之和與試樣體積的關(guān)系，測(cè)定出總的磨屑濃度和大于5μm的磨屑的百分比讀數(shù)。加拿大原子能研究有限公司1988年研制出一種在線(xiàn)鐵譜裝置，其原理是預(yù)先用磁場(chǎng)將鐵磁粒子濃縮104倍，然后使高濃縮油從通有30MHZ采樣振蕩電流的電感線(xiàn)圈中流過(guò)，采樣振蕩電流與29.95MHZ的參考振蕩電流混頻，產(chǎn)生50KHZ的頻率差，經(jīng)調(diào)制后的輸出信號(hào)送微處理機(jī)，將由于油流中含有鐵質(zhì)粒子而產(chǎn)生的頻率偏移對(duì)時(shí)間積分，可得出正比于鐵粒子數(shù)量的數(shù)值。另外，國(guó)外用于在線(xiàn)測(cè)量的探測(cè)裝置的原理還有采用光學(xué)原理測(cè)量油樣的混濁度；采用導(dǎo)電過(guò)濾器原理測(cè)量金屬粒子的數(shù)量，采用電感原理探測(cè)鐵磁性粒子(參閱“Direct debris detection methods”P(pán)108)。國(guó)外同類(lèi)儀器各有不同的特點(diǎn)，但也有許多不足1、沒(méi)有油泵，取樣要靠外來(lái)動(dòng)力，這樣對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備有一定的要求；2、采用永久磁鐵產(chǎn)生不可調(diào)磁場(chǎng)，有些無(wú)磁場(chǎng)。采用的磁場(chǎng)的磁極結(jié)構(gòu)均不同分析式鐵譜儀，不能造成從大到小的磨粒均勻分布；3、探測(cè)點(diǎn)少，一般只給出油中磨粒的濃度，少數(shù)能給出大磨粒和小磨粒兩種指標(biāo)。這樣，其結(jié)果無(wú)法與分析式鐵譜儀的結(jié)果對(duì)應(yīng)，不能充分發(fā)揮在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室分析的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)；4、不能人機(jī)對(duì)話(huà)，使用的靈活性不大；5、只能給出當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，而不能儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)加以比較、判斷；6、只能單機(jī)測(cè)試，不能與多功能故障診斷系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，可自動(dòng)抽取潤(rùn)滑油的在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)報(bào)的電磁光電在線(xiàn)式鐵譜儀。
本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是充分利用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，使在線(xiàn)式鐵譜儀成為具有人機(jī)對(duì)話(huà)，軟件模型判斷，建立內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)功能的智能化儀器，其數(shù)據(jù)結(jié)果能夠與分析式鐵譜儀相對(duì)應(yīng)。
本實(shí)用新型的再一個(gè)目的是提供一種可與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，形成多功能故障診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電磁光電在線(xiàn)式鐵譜儀。
本實(shí)用新型由電磁鐵、光電傳感式探頭、油泵總成、電磁閥、光電流放大及電流電壓變換電路、溫度計(jì)電路、單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)、采樣動(dòng)作控制電路等組成。本裝置安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)中，自動(dòng)抽取潤(rùn)滑油樣，經(jīng)過(guò)測(cè)試儀后再輸回循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)油流經(jīng)探頭時(shí)，電磁鐵形成的高強(qiáng)度、高發(fā)散的磁場(chǎng)使油中含有的鐵質(zhì)磨損微粒按尺寸大小從入口端到出口端依次沉積到探頭內(nèi)下部(即磁極上部)，入口處微粒較大，出口處較小。磁極上方的探頭內(nèi)裝有6對(duì)光電傳感器，其位置沿磁極長(zhǎng)度范圍內(nèi)彼此相隔10mm。各點(diǎn)的光電傳感器將該區(qū)域內(nèi)由于磨粒沉積面積不同造成的光通量變化轉(zhuǎn)化為光電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光電流放大及電流電壓變換電路變?yōu)楸阌贏／D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。溫度計(jì)電路通過(guò)安裝在探頭內(nèi)溫度傳感器測(cè)得與溫度成正比的電壓信號(hào)。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)對(duì)各電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)磨粒沉積量、尺寸分布、油溫等參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型判斷，以確定當(dāng)時(shí)的磨損狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)異常，可通過(guò)喇叭和燈發(fā)出聲、光報(bào)警。本裝置與微型智能打印機(jī)相連即可實(shí)時(shí)打印數(shù)據(jù)結(jié)果。本裝置還可通過(guò)RS232C串行口與上級(jí)機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，參與大型多功能故障診斷系統(tǒng)。另外，本裝置可顯示當(dāng)時(shí)的時(shí)、分、秒時(shí)鐘和數(shù)據(jù)結(jié)果，還可以從鍵盤(pán)輸入采樣間隔時(shí)間、磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間等參數(shù)以控制采樣間隔和每次采樣時(shí)磁場(chǎng)持續(xù)建立的時(shí)間。本裝置還可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)光電傳感器件的自檢功能。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述。


圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2是本實(shí)用新型的取樣控制流程圖。
圖3是本實(shí)用新型的電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型的磁極結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本實(shí)用新型的探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本實(shí)用新型單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)的電路圖。
圖7是本實(shí)用新型光電流放大及電流電壓變換電路圖。
本裝置將所有元器件均安裝在一個(gè)箱體內(nèi)，箱體前面板裝有8位LED顯示器和3×6的鍵盤(pán)及電源開(kāi)關(guān)、復(fù)位鍵等。后面板裝有進(jìn)、出油管接口和打印機(jī)及RS232C接口。本裝置取樣油路中裝有油泵〔1〕，油泵為1l／min的齒輪泵，用25W功率的交流電機(jī)〔2〕帶動(dòng)，油泵〔1〕和〔2〕組成油泵總成。油泵〔1〕安裝在探頭〔3〕的后面，以抽油方式使設(shè)備主油管〔4〕中的油經(jīng)進(jìn)油管〔5〕進(jìn)入探頭〔3〕，然后由出油管〔6〕送回設(shè)備主油管〔4〕。這樣，油樣中的磨粒就不會(huì)在被探測(cè)前遭到油泵的破壞。探頭〔3〕前端裝有電磁閥〔7〕，在不采樣時(shí)，電磁閥〔7〕處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣油管中的油不會(huì)自行流入探頭〔3〕。探頭〔3〕安裝在電磁鐵〔8〕的上部，探頭〔3〕有6路光電信號(hào)進(jìn)入光電流放大及電流電壓變換電路〔10〕，有一路溫度信號(hào)進(jìn)入攝氏溫度計(jì)電路〔11〕(《電子與微電腦實(shí)用電路133例》，王懋慶等編譯，電子工業(yè)出版社，1990，P150)。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)〔12〕對(duì)各信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)可以從GP－16智能微型打印機(jī)〔13〕輸出，也可通過(guò)RS－232C串行口送往上級(jí)機(jī)(IBMPC等)〔14〕。采樣動(dòng)作控制是由單片機(jī)向8155I／O口發(fā)出開(kāi)關(guān)量控制指令，經(jīng)控制電路〔9〕中的MC1413驅(qū)動(dòng)4個(gè)繼電器(JZC－1M)分別控制油泵〔1〕、電磁閥〔7〕、電磁鐵〔8〕、探頭〔3〕中的發(fā)光二極管〔20〕實(shí)現(xiàn)的。
由于從設(shè)備進(jìn)來(lái)的油流的復(fù)雜性，必須有特殊的動(dòng)作程序以保證取樣的正確。首先由單片機(jī)通過(guò)繼電器控制油泵〔1〕打開(kāi)，電磁閥〔7〕打開(kāi)，抽油90秒鐘，使電磁閥〔7〕前端的舊存油被抽走，進(jìn)入探頭的是設(shè)備油管〔4〕中的新油。然后將電磁閥〔7〕關(guān)閉，這樣油泵就將探頭〔3〕內(nèi)的油抽空，1分鐘后，關(guān)閉油泵，將發(fā)光二極管〔20〕接通，進(jìn)行6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的6路A／D轉(zhuǎn)換，從而測(cè)得6個(gè)位置的本底采樣值。然后將油泵〔1〕、電磁閥〔7〕和電磁鐵〔8〕同時(shí)接通，使油流在有磁場(chǎng)的情況下流過(guò)探頭〔3〕，抽油的時(shí)間由從鍵盤(pán)輸入的磁場(chǎng)保持時(shí)間定，范圍由1分鐘至99分鐘。時(shí)間到后，測(cè)量油溫，再將電磁閥〔7〕關(guān)閉，抽空1分鐘后，關(guān)閉油泵，接通發(fā)光二極管〔20〕進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，取得兩次采樣的數(shù)據(jù)后，由單片機(jī)做實(shí)時(shí)采樣值與本底采樣值的減法運(yùn)算，其結(jié)果就是標(biāo)志對(duì)應(yīng)點(diǎn)上磨粒沉積量的數(shù)值。如實(shí)時(shí)采樣值小于本底采樣值，其結(jié)果以零計(jì)。這樣做可以減少油中非鐵磁性顆粒和污物對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。然后單片機(jī)將采樣結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型判斷等數(shù)據(jù)處理，顯示采樣結(jié)果。軟件判斷測(cè)試儀是否接有GP－16智能微型打印機(jī)〔13〕，如接有，則打印結(jié)果。接著關(guān)閉電磁鐵〔8〕，最后打開(kāi)油泵〔1〕和電磁閥〔7〕，使油流將探頭〔3〕內(nèi)的殘屑沖掉。沖洗5分鐘后，采樣過(guò)程結(jié)束。待單片機(jī)判斷由鍵盤(pán)輸入的采樣間隔時(shí)間到后，進(jìn)行下一個(gè)采樣過(guò)程，這期間，面板上的LED顯示器顯示當(dāng)時(shí)的時(shí)鐘。
電磁鐵〔8〕由磁極〔15〕、鐵芯〔17〕和線(xiàn)圈〔16〕組成。磁極〔15〕有兩條，長(zhǎng)度均為65mm，材料為DT1電工純鐵，鐵芯〔17〕的材料為A3鋼。線(xiàn)圈〔16〕為兩個(gè)互相串聯(lián)、直徑為φ0.69mm的漆包線(xiàn)繞制而成。在通有30V直流電的情況下，兩磁極〔15〕的氣隙中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.85(T)。磁極〔15〕與鐵芯〔17〕以螺栓聯(lián)接。探頭〔3〕直接安裝在磁極〔15〕的表面，探頭〔3〕中油流方向與兩磁極〔15〕形成的氣隙方向一致。兩磁極〔15〕安裝時(shí)使氣隙形成一個(gè)夾角，夾角為2.5度，以使磁極〔15〕的表面形成入口磁場(chǎng)較弱，出口處較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度分布。
探頭〔3〕的探頭主體〔18〕為銅材，上下表面用環(huán)氧樹(shù)脂粘有0.1mm厚的塑料薄膜〔24〕，這樣形成的內(nèi)腔供油通過(guò)。主體〔18〕上方裝有燈架〔21〕，燈架〔21〕上裝有6個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管〔20〕，燈架〔21〕上方裝有蔽光蓋〔19〕?！?8〕、〔19〕、〔21〕之間用螺釘連接，下塑料薄膜外表面用502膠貼有6片RC3×8硅光電池〔23〕，位置與上方的6只發(fā)光二極管〔20〕對(duì)應(yīng)，即兩兩相隔10mm。硅光電池〔23〕的位置與電磁鐵磁極的氣隙對(duì)中。主體〔18〕側(cè)面裝有LM335精密溫度傳感器IC〔22〕，用于測(cè)量油溫。
單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)是以8031單片機(jī)為中心，擴(kuò)展了8K ROM、8K RAM、ADCO8O9、8155 I／O口、RS232C串行口和鍵盤(pán)顯示板(SCB31－Ⅲ鍵盤(pán)顯示板，帶有8位LED顯示器和18個(gè)鍵的鍵盤(pán))。8K ROM采用2764EPROM芯片，其中固化有鍵盤(pán)管理模塊、采樣動(dòng)作控制模塊、浮點(diǎn)運(yùn)算模塊、串行通訊模塊和自檢模塊等五個(gè)模塊的程序。8KRAM采用6264RAM芯片，開(kāi)機(jī)后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。
本實(shí)用新型應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)的在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)報(bào)。目前國(guó)內(nèi)許多應(yīng)用單位的設(shè)備急需在線(xiàn)式鐵譜儀進(jìn)行磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)，比如石化企業(yè)、汽車(chē)制造廠(chǎng)、礦山等大型設(shè)備，中小型發(fā)電廠(chǎng)、海軍艦艇及船運(yùn)公司的動(dòng)力設(shè)備等。由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)沒(méi)有合適的在線(xiàn)式鐵譜儀，磨損分析只能通過(guò)定期取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析的方式，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。而且由于取樣間隔時(shí)間太長(zhǎng)造成漏報(bào)。本實(shí)用新型將提供一種實(shí)時(shí)、可靠的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。它可使目前大部分設(shè)備的離線(xiàn)監(jiān)測(cè)狀況逐步改變?yōu)樵诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)報(bào)更為及時(shí)。
權(quán)利要求1.一種電磁光電在線(xiàn)式鐵譜儀，它包括由磁鐵、探頭及信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于本裝置取樣油路中的油泵[1]由電機(jī)[2]帶動(dòng)，油泵[1]安裝在探頭[3]的后面，以抽油方式使設(shè)備主油管[4]中的油經(jīng)油管[5]進(jìn)入探頭[3]，然后由出油管[6]送回設(shè)備主油管[4]，探頭[3]前端裝有電磁閥[7]；探頭[3]安裝在電磁鐵[8]的上部，磁極[15]的表面，探頭[3]內(nèi)裝有6只光電傳感器，這6只傳感器沿磁極長(zhǎng)度范圍內(nèi)彼此相隔10mm；電磁鐵[8]由磁極[15]、鐵芯[17]和線(xiàn)圈[16]組成，磁極[15]為兩條電工純鐵，線(xiàn)圈[16]用漆包線(xiàn)繞制，串連聯(lián)接，磁極[15]與鐵芯[17]以螺栓聯(lián)接，探頭[3]中油流方向與兩磁極[15]形成的氣隙方向一致；兩磁極[15]安裝時(shí)夾角為2.5度；探頭[3]的探頭主體[18]上下表面粘有塑料薄膜[24]；主體[18]上方裝有燈架[21]，燈架[21]上裝有發(fā)光二極管[20]，燈架[21]上方裝有蔽光蓋[19]；[18]、[19]、[21]之間用螺釘連接；塑料薄膜[24]的下片上貼有6片硅光電池[23]，硅光電池[23]的位置與電磁鐵磁極的氣隙對(duì)中，主體[18]側(cè)面裝有溫度傳感器[22]；單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)以8031單片機(jī)為中心，擴(kuò)展了8KROM、8KRAM、ADCO809、8155I/O口、RS232C串行口和鍵盤(pán)顯示板，8KROM中固化有鍵盤(pán)管理模塊、采樣動(dòng)作控制模塊、浮點(diǎn)運(yùn)算模塊、串行通訊模塊和自檢模塊的程序。
專(zhuān)利摘要一種用于摩擦磨損機(jī)理研究，機(jī)械設(shè)備工況及磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、潤(rùn)滑油評(píng)價(jià)的電磁光電在線(xiàn)式鐵譜儀，它由電磁鐵、光電傳感式探頭、油泵總成、電磁閥、光電流放大及電流電壓變換電路、溫度計(jì)電路。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)、采樣動(dòng)作控制電路等組成。本裝置安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，可自動(dòng)抽取潤(rùn)滑油，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)采集、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)學(xué)模型判斷以確定磨損狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常即有聲光報(bào)警。
文檔編號(hào)G01N27/72GK2080672SQ9022371
公開(kāi)日1991年7月10日 申請(qǐng)日期1990年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月11日
發(fā)明者謝友柏, 劉巖, 袁崇軍, 李祖元 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)