在線顆粒計(jì)數(shù)器的研制
更新時(shí)間：2012-07-09 瀏覽次數(shù)：7968
應(yīng)用于液壓系統(tǒng)油品污染度監(jiān)控的有效手段
在線顆粒計(jì)數(shù)器的研制
薛劍英 王兆武 曲丹丹 王英 曲艷
摘要：本文介紹了在線式顆粒計(jì)數(shù)器的原理結(jié)構(gòu)，分析了影響顆粒計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的主要原因，介紹了國(guó)產(chǎn)KZ-1顆粒計(jì)數(shù)器*的取樣計(jì)量泵結(jié)構(gòu)，通過(guò)與進(jìn)口臺(tái)式顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，證明KZ-1的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性達(dá)到臺(tái)式水平。KZ-1的研發(fā)成功，為我國(guó)的液壓油污染度檢測(cè)提供了一種高性價(jià)比的檢測(cè)手段。
關(guān)鍵詞：在線式顆粒計(jì)數(shù)器 液壓油污染度檢測(cè)
Abstract: In this paper, we briefly introduce the principle structure of online particle counter, analyze the reasons about the accuracy of particle count, and introduce the unique metering pump sampling structure of the homemade particle counter KZ-1. By comparison with the foreign lab particle counter, the accuracy of KZ-1 reaches the standard of the lab. The successful R&D of KZ-1 provides the value and accessibility inspection means for oil pollution detection in our hydraulic industry.
Keywords: online particle counter; hydraulic fluid oil pollution detection
1. 引言
固體顆粒污染物是液壓系統(tǒng)中zui普遍，危害作用zui大的污染物。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，由于固體顆粒污染物引起的液壓系統(tǒng)故障占液壓系統(tǒng)故障的60%~70%，固體顆粒污染物可加速液壓元件的磨損、堵塞元件的間隙和孔口，使控制元件動(dòng)作失靈而引起系統(tǒng)故障。因此，能夠有效的監(jiān)控液壓油的污染狀況，對(duì)系統(tǒng)中的液壓油進(jìn)行污染控制，對(duì)于提高液壓設(shè)備的可靠性和元件的使用壽命具有重要意義。
監(jiān)測(cè)液壓油污染度的主要手段采用是遮光式顆粒計(jì)數(shù)器，油品等級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)NAS1638、ISO4406及我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB420等都明確了采用遮光式顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的油品等級(jí)劃分。目前顆粒計(jì)數(shù)器按照使用方式可分為臺(tái)式（實(shí)驗(yàn)室）顆粒計(jì)數(shù)器、便攜式顆粒計(jì)數(shù)器和在線式顆粒計(jì)數(shù)器三類，其中，在線式顆粒計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)小巧，可直接安裝於與系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有不可替代的發(fā)展前景。
2. 激光遮光式顆粒計(jì)數(shù)器傳感器的原理
遮光式顆粒計(jì)數(shù)器的核心為遮光式傳感器，此項(xiàng)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，一直為歐美壟斷，天津羅根科技有限公司經(jīng)多年攻關(guān)，于2000年成功研制了激光遮光式傳感器，目前已推出國(guó)產(chǎn)臺(tái)式，便攜和在線三種顆粒計(jì)數(shù)器。
遮光式傳感器基于顆粒對(duì)光遮擋導(dǎo)致的光強(qiáng)減弱這一光學(xué)原理，其主要由光源，聚焦系統(tǒng)，傳感器探測(cè)區(qū)，光敏接收管和信號(hào)放大電路組成，由光源發(fā)出的光，經(jīng)聚焦系統(tǒng)聚焦后形成平行光束照射到傳感器探測(cè)區(qū)，在探測(cè)區(qū)沒(méi)有顆粒物質(zhì)通過(guò)時(shí)，光強(qiáng)被光敏接收管接收，為基礎(chǔ)光強(qiáng)。，當(dāng)顆粒物質(zhì)通過(guò)探測(cè)區(qū)光束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生遮擋消光現(xiàn)象，光敏接收管接收到的光強(qiáng)減弱，信號(hào)放大電路會(huì)輸出一個(gè)與光強(qiáng)變化成正比的電脈沖，顆粒物質(zhì)在光束中遮光的截面積越大，產(chǎn)生的光強(qiáng)變化也越大，電信號(hào)越大，因而，電信號(hào)的大小直接反映了顆粒投影面積的大小，也就反映了顆粒尺寸的大小。
早期的光源采用白熾光，但是白熾光強(qiáng)度低，均勻性不好，只能夠檢測(cè)出5um以上顆粒，現(xiàn)在大多數(shù)采用激光光源，激光為單色光，可很好的聚焦，均勻性好，檢測(cè)下限度達(dá)到1um，可滿足目前大多數(shù)油品污染度、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3. 影響顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確的因素
顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性除去與光路、機(jī)械、電氣的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試等因素有關(guān)以外，還有兩個(gè)重要因素：液體流經(jīng)傳感器的流速和取樣體積。 液體中同樣粒徑的顆粒經(jīng)過(guò)傳感器的速度越快，產(chǎn)生的脈沖寬度越窄，脈沖的頻譜分量越高，由于光敏接收器件及放大電路的頻率響應(yīng)范圍是有限的，隨著頻率的增高，電路的高頻響應(yīng)越差，導(dǎo)致脈沖幅度減小，圖（3）是不同流速下的閾值與粒徑曲線。
| （1）——流速10ml/min （2）——流速15ml/min （3）——流速25ml/min （4）——流速40ml/min |
圖（3） 不同流速下的閾值與粒徑的關(guān)系曲線
所以，如果要求顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，就必須保證液流速度穩(wěn)定。保證流速穩(wěn)定有兩個(gè)含義，一是在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，流速始終保持不變；另一含義是檢測(cè)時(shí)的流速要與標(biāo)定時(shí)的流速保持一致。另外，油品的污染度等級(jí)都是基于一定的濃度，所采用的體積單位是一般是（ml或100ml），所以當(dāng)取樣體積不準(zhǔn)時(shí)，所得到的濃度也就不準(zhǔn)了，可以看出，取樣體積的準(zhǔn)確性直接影響到顆粒計(jì)數(shù)器的準(zhǔn)確性。甚至導(dǎo)致對(duì)油品污染度等級(jí)的判定。所以，如果想讓顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，必須保證液流速度穩(wěn)定同時(shí)也要保證取樣體積準(zhǔn)確。
4. 在線式顆粒計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)
目前，國(guó)外的在線式顆粒計(jì)數(shù)器為了降低成本，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，其主要由遮光傳感器和流量調(diào)節(jié)器構(gòu)成，并聯(lián)在液壓系統(tǒng)的管路上，依靠液壓系統(tǒng)的正向壓力將液壓油導(dǎo)入傳感器，根據(jù)流速對(duì)時(shí)間積分，計(jì)算出體積，根據(jù)所測(cè)得的顆粒計(jì)數(shù)值及體積，算出顆粒的濃度，就可以直接給出液壓油的等級(jí)，這類儀器一般只有幾個(gè)數(shù)碼管顯示等級(jí)，不能給出具體的顆粒數(shù)目及濃度，如需知道這些數(shù)據(jù)，就需要將儀器與電腦連接，利用電腦軟件讀出數(shù)據(jù)。此后，遮光式傳感器將粒子轉(zhuǎn)換成光電脈沖，經(jīng)過(guò)多路比較器，送到多路計(jì)數(shù)器，有幾路計(jì)數(shù)器，顆粒計(jì)數(shù)器就有幾個(gè)“通道”。計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)結(jié)果送到MPU微處理器，微處理器將計(jì)數(shù)結(jié)果送到數(shù)碼管顯示器，顯示器對(duì)檢測(cè)結(jié)果加以顯示 。同時(shí)，微處理器還可以通過(guò)RS232接口接到打印機(jī)打印出檢測(cè)結(jié)果，微處理器也可以通過(guò)此接口與上微機(jī) （PC機(jī)）進(jìn)行通訊，完成PC機(jī)對(duì)顆粒計(jì)數(shù)器的操控、編程或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
這類在線顆粒計(jì)數(shù)器的弊端是：如果外界液壓系統(tǒng)壓力不能很好的穩(wěn)定，會(huì)直接影響到流經(jīng)傳感器的液流的速度，從而影響顆粒產(chǎn)生脈沖的幅度和流量，會(huì)給計(jì)數(shù)結(jié)果帶來(lái)較大的偏差。
5. KZ-1在線式顆粒計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)
為了避免以上因素對(duì)顆粒計(jì)數(shù)的影響，我們開(kāi)發(fā)的KZ-1型在線顆粒計(jì)數(shù)器采用新型雙端活塞計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流速和定量的功能，因而獲得了接近臺(tái)式儀器的精度和重復(fù)性。
雙缸式活塞泵的工作過(guò)程是：當(dāng)電磁閥A接通傳感器與活塞1，電磁閥B接通取樣缸2與排液管，活塞1取樣定量，活塞2排液；當(dāng)電磁閥B接通傳感器與活塞2，電磁閥A接通取樣缸1與排液管，活塞2取樣定量，活塞1排液。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，活塞1、活塞2是一體的，我們稱之為雙缸式活塞泵。
雙缸式活塞泵利用兩個(gè)缸交替取樣、排液的工作原理，實(shí)現(xiàn)液流連續(xù)不斷的流經(jīng)傳感器的工作方式，解決了定量、定速、連續(xù)取樣的難題。雙缸式活塞計(jì)量泵可工作的zui大壓力為150psi，在0~150psi的壓力范圍內(nèi)，活塞具有很好的定量取樣和穩(wěn)定流速的功能，無(wú)論外界系統(tǒng)壓力如何變化，活塞均能以穩(wěn)定、準(zhǔn)確的流速（流速穩(wěn)定度優(yōu)2%），。同時(shí)，活塞泵利用活塞位移進(jìn)行定量取樣，因而定量的精度及重復(fù)性很高，定量的精度可達(dá)到優(yōu)于2%。
同時(shí)，因?yàn)榛钊镁哂?的自吸功能，可實(shí)現(xiàn)低粘度油品的離線檢測(cè)，可具備臺(tái)式和便攜式顆粒計(jì)數(shù)器的某些功能。
6. 對(duì)比數(shù)據(jù)
KZ-1在線顆粒計(jì)數(shù)器安裝在濾油機(jī)上，可很方便的監(jiān)控濾油機(jī)對(duì)油品的過(guò)濾效率，以下為KZ-1顆粒計(jì)數(shù)器安裝在某濾油機(jī)上進(jìn)行的計(jì)數(shù)結(jié)果，表（1）中同時(shí)列出了與美國(guó)太平洋公司HAIC8000型臺(tái)式顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行的對(duì)比數(shù)據(jù)。
表（1）KZ-1顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果 通道單位：um 計(jì)數(shù)單位：個(gè)/ ml
| 時(shí)間 | 初始 | 5min | 10min | 15min | 20min | 25min | 30min | zui終結(jié)果 | |
| 型號(hào) 通道 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | HAIC8000 |
| 5~15 | 2302 | 1810 | 1348 | 936 | 752 | 613 | 460 | 332 | 458 |
| 15~25 | 73 | 50 | 32 | 25 | 20 | 18 | 15 | 10 | 20 |
| 25~50 | 8 | 5 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 50~50 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 50~100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 級(jí)數(shù) | 9 | 9 | 9 | 8 | 8 | 7 | 7 | 7 | 7 |
以上數(shù)據(jù)表明，KZ-1連接到濾油機(jī)上，可很方便直觀的觀測(cè)濾油機(jī)過(guò)濾的全部過(guò)程，其zui終結(jié)果與美國(guó)太平洋公司臺(tái)式儀器對(duì)比，數(shù)據(jù)吻合，說(shuō)明KZ-1在線顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性指標(biāo)達(dá)到臺(tái)式儀器的水平。
7. 結(jié)論與前景
由于受到進(jìn)口顆粒計(jì)數(shù)器價(jià)格昂貴的制約，我國(guó)液壓油污染度檢測(cè)方面還相對(duì)落后，很多液壓設(shè)備由于液壓油污染，不能及時(shí)更換處理，而出現(xiàn)比較大的經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)在，我國(guó)的很多行業(yè)如航空、電力、機(jī)械、過(guò)濾器等也在不斷制定新的標(biāo)準(zhǔn)，提高人們對(duì)油品污染度檢測(cè)重要性的意識(shí)。
KZ-1在線式顆粒計(jì)數(shù)器可方便的接入濾油機(jī)、清洗機(jī)液壓油運(yùn)轉(zhuǎn)管路、大型機(jī)械設(shè)備等的液壓系統(tǒng)上，可以很方便實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)液壓油的污染度狀況，KZ-1內(nèi)部*的計(jì)量泵保證了儀器運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定和精度，受外界影響小，由于是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，關(guān)鍵部件為國(guó)產(chǎn)自行設(shè)計(jì)加工，大大降低了成本，為進(jìn)口儀器的1/2~1/3的價(jià)格，為我國(guó)廣大液壓系統(tǒng)用戶提供了監(jiān)測(cè)液壓油污染度的物美價(jià)廉的手段，必將對(duì)我國(guó)液壓油污染度檢測(cè)起到巨大的促進(jìn)作用。
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