朱春陽，朱子新，喬玉林

(1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.空軍航空儀器設(shè)備計(jì)量總站，北京 100070)

固體顆粒污染物是機(jī)械液壓系統(tǒng)中危害最大的污染物，它是液壓元件磨損、卡滯及失效的主要原因。70%以上的液壓系統(tǒng)故障是由油液污染引起的［1］。實(shí)踐證明，采用油液顆粒污染檢測(cè)技術(shù)和有效的污染控制措施能顯著提高裝備液壓系統(tǒng)工作壽命和可靠性。筆者以國(guó)際通用的遮光原理顆粒計(jì)數(shù)傳感器為核心，研制了油液顆粒污染檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)油樣的精確取樣和準(zhǔn)確分析。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

油液顆粒污染檢測(cè)儀主要由油液取樣系統(tǒng)、顆粒計(jì)數(shù)傳感器系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、操作與控制系統(tǒng)等4部分組成，可實(shí)現(xiàn)油液中固體顆粒尺寸及數(shù)量分布自動(dòng)分析，并給出油液污染度評(píng)級(jí)。其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 油液顆粒污染檢測(cè)儀的組成框圖

2 工作原理

油液顆粒污染檢測(cè)儀采用遮光原理，當(dāng)液體中的微粒通過一個(gè)窄小的檢測(cè)區(qū)時(shí)，與液體流向垂直的入射光被固體顆粒所阻擋，從而使傳感器輸出信號(hào)發(fā)生變化，進(jìn)而形成電脈沖信號(hào)［2］。信號(hào)采集系統(tǒng)采集并傳送電脈沖信號(hào)至信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)這些脈沖進(jìn)行放大、比較后轉(zhuǎn)變成顆粒尺寸和數(shù)量分布信息輸出。

2.1 取樣系統(tǒng)

油品的污染度等級(jí)都是基于一定的濃度，采用的體積單位是一般是mL或100 mL，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［3］。筆者設(shè)計(jì)的取樣系統(tǒng)能夠精確確定取樣體積，該系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成，主要是使樣品以穩(wěn)定的流速、精確的流量通過傳感器，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。取樣系統(tǒng)主要由取樣控制系統(tǒng)、控制電機(jī)、高壓注射器和三通閥組成，加壓系統(tǒng)則由氣壓泵和氣壓艙組成。由于油液在單純氣壓條件下的流動(dòng)不均勻且不能計(jì)量，故借用高壓注射泵來控制取樣速度及精度，采用的高壓注射泵取樣系統(tǒng)，測(cè)量體積精確到0.1 mL，且可以自由設(shè)置體積，最小測(cè)試體積可達(dá)0.2 mL，能夠確保取樣體積的精確性，從而完成一次精密的取樣過程［4］。圖2是高壓注射泵取樣系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 高壓注射泵取樣系統(tǒng)工作原理圖

粘度較大的油液采用正壓輔助取樣，正壓輔助取樣是將被測(cè)油液置于具有一定壓力的密閉容器中，使作用在油液表面的氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在高壓注射泵取樣時(shí)，油液表面的氣壓輔助其取樣。高壓注射泵取樣系統(tǒng)主要由氣壓泵、空氣過濾組合、調(diào)壓閥、密閉壓力艙和高壓注射泵組成。正壓輔助取樣工作原理是氣壓差使液體流動(dòng)，即液體在高氣壓環(huán)境下通過連通管路流向低氣壓環(huán)境，將被測(cè)油液置于密閉壓力艙中，并根據(jù)油液粘度，通過氣壓泵向密閉壓力艙內(nèi)注入一定量壓縮空氣，使作用在油液表面的氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)作用在油液表面氣壓的大小?？諝膺^濾組合安裝于氣壓泵與密閉壓力艙之間，用于確保進(jìn)入壓力艙的空氣潔凈度，防止進(jìn)入氣壓艙的壓縮空氣污染油液，從而造成測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確。取樣時(shí)，高壓注射泵活塞向下運(yùn)動(dòng)，注射泵內(nèi)部瞬間形成真空環(huán)境，氣壓遠(yuǎn)小于密閉壓力艙中被測(cè)油液所處環(huán)境的氣壓，被測(cè)油液在高壓氣體的作用下被緩緩壓入高壓注射泵中，完成輔助取樣。

2.2 顆粒計(jì)數(shù)傳感器

遮光式傳感器主要由半導(dǎo)體激光器、一組準(zhǔn)直透鏡、流通室毛細(xì)管和具有高靈敏度的光電接收器組成［5］。激光光源具有準(zhǔn)直性好、亮度高的特點(diǎn)，通過光學(xué)系統(tǒng)的匯聚，可以形成一束準(zhǔn)直均勻的強(qiáng)光束。流通室的光闌形成一個(gè)狹小的檢測(cè)窗口，保證顆粒個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)被測(cè)液體在取樣系統(tǒng)負(fù)壓作用下流經(jīng)檢測(cè)區(qū)時(shí)，激光光束通過檢測(cè)區(qū)照在光電接收器件上，檢測(cè)區(qū)內(nèi)油液流動(dòng)的方向與光束垂直［6］。當(dāng)流動(dòng)的油液中含有顆粒時(shí)，由于顆粒通過檢測(cè)區(qū)時(shí)遮擋了部分光線，光電接收器件上接收到的光強(qiáng)減弱，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到電壓負(fù)脈沖（脈沖的幅值與顆粒的投影面積成正比），進(jìn)入信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。

筆者設(shè)計(jì)的激光電源恒流控制電路配合性能穩(wěn)定的激光二極管為傳感器提供穩(wěn)定的光源，使激光二極管具有良好的抗干擾能力，可保障儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

如圖3所示，LD為激光二極管提供恒定的電源，PD為光強(qiáng)度反饋引腳。當(dāng)環(huán)境因素引起激光光強(qiáng)發(fā)生改變的時(shí)候，PD會(huì)返回光強(qiáng)變化的反饋信號(hào)，這時(shí)激光電源恒流控制電路會(huì)相應(yīng)地調(diào)節(jié)LD電流，使激光二極管發(fā)出的光強(qiáng)度維持穩(wěn)定。光學(xué)鏡片組為激光二極管發(fā)出的激光提供了高效穩(wěn)定的路徑，減少了激光功率的損失，并起到對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直的作用。光電接收器是主要信號(hào)采集元器件，通過判斷接收到的光功率變化，產(chǎn)生不同的電流信號(hào)。

圖3 激光電源恒流控制電路示意圖

前置放大器的作用是將微弱的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為可由信號(hào)采集電路識(shí)別的信號(hào)，如圖4所示，從光電接收器接收到的信號(hào)經(jīng)過一系列前置放大器調(diào)整輸出至信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。將以上部件組合，并通過選取不同的配件和電路，組成傳感器。

圖4 前置放大電路示意圖

2.3 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

圖5是信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的工作原理圖。

信號(hào)采集與處理系統(tǒng)由設(shè)定通道、放大電路、比較電路和計(jì)數(shù)電路等組成。其主要作用是將被測(cè)油液中固體顆粒的遮光效應(yīng)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)并傳送至信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)這些脈沖進(jìn)行放大、比較后轉(zhuǎn)變成顆粒尺寸和數(shù)量分布信息輸出。

圖5 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)工作原理圖

2.4 操作與控制系統(tǒng)

操作與控制系統(tǒng)主要由微處理器、觸摸屏、打印機(jī)和可移動(dòng)存儲(chǔ)器組成，完成對(duì)油液取樣系統(tǒng)、顆粒計(jì)數(shù)傳感器系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的控制，采集并輸出數(shù)據(jù)。操作與控制系統(tǒng)采用嵌入式結(jié)構(gòu)，無需額外配置計(jì)算機(jī)，提供簡(jiǎn)單快捷的操作界面，實(shí)現(xiàn)樣品標(biāo)識(shí)、測(cè)試控制、操作提示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與打印及系統(tǒng)設(shè)置等功能。

儀器軟件內(nèi)置GJB 420，ISO 4406，NAS 1638，ГOCT 17216-71 4種標(biāo)準(zhǔn)，用戶還可以自定義所需要的標(biāo)準(zhǔn)，從而使產(chǎn)品應(yīng)用范圍更加廣泛，適應(yīng)更多的標(biāo)準(zhǔn)。由于油液測(cè)試領(lǐng)域各行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，而且不同標(biāo)準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)品也不一樣，為此產(chǎn)品設(shè)計(jì)了兩條校準(zhǔn)曲線，可支持ACFTD和ISO MTD雙重校準(zhǔn)。使用者可根據(jù)需要校準(zhǔn)ACFTD和ISO MTD其中的任意一條或兩條曲線。如果只校準(zhǔn)其中一條曲線，儀器內(nèi)部軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出另一條曲線。也可以校準(zhǔn)ACFTD和ISO MTD兩條曲線，測(cè)試時(shí)儀器根據(jù)選擇使用所需要的曲線。儀器的設(shè)置界面中，儀器按照標(biāo)準(zhǔn)要求選用了不同的校準(zhǔn)曲線，使用者不能自行更改，避免選擇錯(cuò)誤。而在自定義標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中，使用者可根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的需要選擇使用不同的校準(zhǔn)曲線，以適應(yīng)更多的需求。

3 儀器測(cè)試

3.1 儀器校準(zhǔn)

依據(jù)JJG 1061-2010 《液體顆粒計(jì)數(shù)器檢定規(guī)程》和GB／T 18854-2002 《液壓傳動(dòng)液體自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器的校準(zhǔn)》規(guī)定的內(nèi)容，對(duì)所研制的油液顆粒污染檢測(cè)儀的閾值噪聲水平、取樣體積誤差、重合誤差極限、分辨力、準(zhǔn)確度和重復(fù)性等主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)［7］。儀器主要技術(shù)參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果見表1。儀器的準(zhǔn)確度、重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果見表2。

表1 儀器主要技術(shù)參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果

表2 儀器準(zhǔn)確度和重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果

儀器校準(zhǔn)結(jié)果表明，其主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到國(guó)外同類儀器水平。

3.2 比對(duì)測(cè)試結(jié)果

使用GWB(E)120115油基顆粒計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（標(biāo)稱值見表3）對(duì)研制的油液顆粒污染檢測(cè)儀與PAMAS-S40型油液顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，比對(duì)測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 油基顆粒計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)稱值

表4 比對(duì)測(cè)試結(jié)果

由表4可知，所研制的油液顆粒污染檢測(cè)儀測(cè)試重復(fù)性和測(cè)試準(zhǔn)確性均與PAMAS-S40型油液顆粒計(jì)數(shù)器相當(dāng)。

4 結(jié)語

研制的油液顆粒污染檢測(cè)儀，采用高壓注射泵取樣系統(tǒng)控制取樣精度，并通過激光電源恒流控制電路設(shè)計(jì)提高了遮光原理顆粒計(jì)數(shù)傳感器的穩(wěn)定性。使用油基顆粒計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)和比對(duì)結(jié)果表明，所研制的油液顆粒污染檢測(cè)儀的測(cè)試重復(fù)性和準(zhǔn)確性達(dá)到國(guó)外同類儀器水平。

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