航空油液在線監測技術綜述

郭毅斐 張曉鐘 孟凡芹

(空軍勤務學院 a.學員一大隊；b.航空油料物資系)

航空油液在線監測技術綜述

郭毅斐a張曉鐘b孟凡芹b

(空軍勤務學院 a.學員一大隊；b.航空油料物資系)

綜合闡述了國內外航空油液污染、品質在線監測傳感器技術以及集成油液監測系統，為日后在線監測技術的研究、推廣提供借鑒。

在線監測 航空油液 顆粒污染度 傳感器技術

以往，對航空油液品質的監測主要采用離線式方法，主要包括鐵譜分析法、光譜分析法、顆粒計數法、光學顯微鏡和稱重法以及油品理化性質分析等[1]。傳統的離線式監測反映的信息量大，具有測量準確、檢測精度高等優點，但卻有一定滯后性，不能實時反映系統的工作狀態[2]，同時檢測周期冗長，設備昂貴等缺點也很突出。因此，研究油液在線監測技術顯得很有必要。

油液在線監測技術通過在油液或者管路中直接加裝傳感器，可以實時、動態、連續獲取油液信息，消除人為取樣誤差，克服離線式監測缺點，尤其用在航空領域對液壓油、潤滑油以及燃料油的監測。

1 油液顆粒污染度在線監測技術

固體顆粒物是衡量油液污染度的重要指標。在線監測技術方法主要有電測法、光學測量法、電磁測量法及超聲波測量法[3]等。

1.1電測法

陳世明等根據油液顆粒污染度會影響電容介電常數的變化，設計出基于電容傳感器的油液顆粒在線監測裝置(圖1)[4]，可以直接讀出油液污染度等級。

進出油口分別接入m+1個傳感器，傳感器0未接濾清器，可以直接測出油液介電常數；另外m路傳感器前后均接精度不同的濾清器，可以測出濾掉固體顆粒物后油液的介電常數。任取差值可得固體顆粒物的數值，進而獲得污染等級。該裝置可直讀取污染度等級，具體監測原理如圖2所示。

圖1 基于電容傳感器的油液顆粒在線監測裝置結構示意圖

圖2 電容式油液顆粒在線監測原理示意圖

張曉飛等設計了基于電介質介電常數的油液在線監測系統[5]，實驗表明系統可以較為精確地反映油液介電常數的數值變化，判斷油液的污染度水平進而判斷發動機的磨損情況，對視情維修具有重要的參考價值。該測量系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 基于電介質介電常數的油液在線監測系統結構框圖

該系統對電容和溫度數據進行采集，通過USB將數據傳輸到電腦并進行處理，數據走向如圖4所示。根據不同階段滑油介電常數曲線的不同反映出系統不同工況，并可設置安全值實現報警。

圖4 基于電介質介電常數的油液在線監測系統采集的數據走向

1.2光測法

光測法原理基于Beer-Lambert定律[6](I=I0e-τL)，入射光I0經過含顆粒物的油液后，光會被散射和吸收，光強減弱到I，且衰減指數τ與油液中顆粒物的尺寸、濃度等有關，根據光強度的變化可反映出油液顆粒的污染程度。

基于這一原理，殷勇輝等設計了基于光散射法光纖油液污染監測傳感器[7]，其結構如圖5所示。

傳感器探頭主要由樣品池和以透鏡體為核心的光路系統組成。入射光經透鏡體到待測油液樣品池，未經顆粒物散射的光經出射探頭到達光敏表面放大得透光量。光幅值、均方根等參數可反映顆粒污染度。該傳感器適用性較好，但溫度、水分會造成誤差，只適用于低流速測量，但基于光纖技術的傳感器應用前景廣闊。

圖5 基于光散射法的光纖油液污染監測傳感器結構

張慶良設計出基于光散射法的油液雙監控系統[8]，采用清潔油液和已知濃度的污染油液對比，監測出光強并判斷油液污染度，并可判斷差值實現報警，其結構如圖6所示。

圖6 基于光散射法的油液雙監控系統結構框圖

1.3超聲波測量法

超聲波的分辨力強，在油液介質中衰減少、透過率高[9]，利用超聲波遇到油液中固體顆粒物發生散射的原理，可實現在線監測。

呂純等設計了基于超聲波傳感器的油液磨粒在線監測系統[10]，系統主要由齒輪泵、超聲波傳感器、超聲波檢測卡和工控機組成，其結構如圖7所示。該系統可識別水分、氣泡大小，降低了誤差，能檢測出不同尺寸顆粒物數量并可預測報警。

李一寧等也利用超聲測量技術設計了油液磨粒超聲在線監測系統[11]，其結構如圖8所示。數據采集模塊通過管路中的超聲波傳感器實現數據采集，并分析處理，實時顯示顆粒物特征參數。

圖7 基于超聲波傳感器的油液磨粒在線監測系統結構簡圖

圖8 油液磨粒超聲在線監測系統結構簡圖

1.4其他方法

此外，張齊生等利用基于濾膜淤積的恒功率測量法設計出油液污染在線監測系統[12]，可正確有效監測油液ISO、NAS、SAE污染等級，但精度不高，自制濾膜的分辨率也不夠高。基于液體過濾技術原理[13]，陳彬等設計了油液污染在線監測系統[14]，利用不同精度濾網產生壓差使活塞產生的位移與污染度的關系，可實時測出油液的污染等級。

2 油液磨粒在線監測傳感器技術

傳感器很大程度上決定了監測系統的精度和可靠性[15]，對磨損顆粒在線監測是通過安裝在油液系統中的傳感器來完成的，傳感器實時監測油液中所含的磨粒信息，反映油液狀態并判斷系統的工況，達到視情維修的目的[16]。目前，磨粒在線監測傳感技術主要有電磁法、電感法、靜電法、光散射法及超聲波法[17]等。

國外磨粒在線監測傳感器主要有美國MACOM Technologies公司的TechAlertTM10型和TechAlertTM20型、加拿大GasTOPS公司的MetalSCAN傳感器、VickersTedeco公司開發的QDM、RancoControls公司的CDM及英國Kittiwake公司的產品[18]等。TechAlertTM10型在線油液傳感器可圖像顯示超過50鐵磁性磨粒和超過150非鐵磁性磨粒的尺寸和大小，利用獨有專利技術可對造成誤差的水分、氣泡等選擇性消除，大幅提高精度。TechAlertTM20型傳感器可對油液中幾乎所有尺寸的顆粒物進行檢測，顆粒測量率較高。MetalSCAN嵌入式油液傳感器直接安裝在油路中，可確定不同顆粒物的尺寸和質量，實現數據累計并報警，已預測多起事故，現已用在美軍五代猛禽戰機、先進直升機等航空、油氣、電力及海洋等其他領域。該公司FerroSCAN可對鐵磁性顆粒進行檢測。QDM和CDM在線油液磨粒傳感器均具有較好的檢測性能。日本Takuso Sato和美國Liner M利用激光對旋轉磁場的散射作用[19]，實現油液磨粒尺寸、形狀的檢測。美國Foxboro公司早前研制出在線式鐵譜儀，可在線不停機對磨粒監測，保證系統安全。英國Fulmer公司的WDM[20]，基于兩片金屬膜的阻抗率變化來反映磨粒的濃度大小。美國海軍研究所和洛馬公司分別利用光學技術和激光成像技術，研制LNF(Laser Net Fines)磨粒監測儀器[21,22]，均可實現在線檢測磨粒信息。

國內，郭海林和王曉蕾基于電磁原理利用鐵磁性顆粒引起線圈電感變化設計平面線圈磨粒傳感器[23]，采用新工藝制作，尺寸小、靈敏度高。中南大學陳書涵和嚴珩志運用電磁學原理設計反向雙激勵螺旋管式磨粒傳感器[24]。西安交通大學設計出在線式圖像鐵譜傳感器[25]，利用電磁永磁混合勵磁技術和光學原理，可判定磨粒尺寸范圍和各項指標，已得到推廣。OLF-4在線鐵譜儀的傳感器[26]利用磁場，根據透光率實現磨粒在線監測。深圳先波科技有限公司的PQM-1型潤滑油粘度/顆粒度復合傳感器，可對滑油中尺寸大于1的顆粒進行監測，體積小，響應快。基于超聲波技術，張永祥等設計了超聲磨粒監測傳感器[27]，徐超等研制了新型在線超聲磨粒傳感器[28]，可有效檢測45～220的磨粒。基于電感原理，殷勇輝等設計了磨粒監測電感式傳感器[29]，可區分磨粒大小、材質。范紅波等基于滑油中磨粒與電感線圈間的耦合關系設計了一種新型磨粒在線監測傳感器[30,31]，可對油液中粒度大于500的銅磨粒和大于100的鐵磨粒進行檢測。西安交通大學設計的在線磨粒傳感器測量精度較高，可檢測粒度大于30的鐵磨粒；該校早前研制出國內第1臺在線式鐵譜儀，一直走在油液在線監測領域的前列。

3 油液品質在線監測技術

3.1油液粘度在線監測傳感器技術

國外多種粘度在線監測傳感器已投向市場并成功運用，主要有美國Cambridge Viscosity公司研制的多種在線粘度傳感器：SenGenuity公司研制的ViSmart， MEAS公司開發的FPS2800B12C4及Kittiwake公司生產的ViscoSCAN等。Cambridge Viscosity利用線圈的電磁力使活塞移動，通過位移變化以測得粘度，其專利技術可測實時溫度，檢測精度高，創新性較好。ViSmart傳感器利用石英晶體諧振器實現油液粘度的實時在線測量，也可測實時溫度。FPS2800B12C4可測包括粘度在內的多項參數。ViscoSCAN也可實現油液粘度的在線測量。此外，美國Conekt開發了新型直插式粘度在線監測傳感器。英國TRW Conket公司研制的新型可嵌入式粘度傳感器[32]，利用剪切波吸收的能量與粘度間函數關系，間接測得油液的粘度。

國內深圳先波科技公司的FWS系列在線粘度傳感器可較準確地測出油液粘度值。孫振東等利用石英晶體特性組成石英探頭傳感器，設計的石英粘度測量儀可精準測量粘度，該技術潛力巨大但只適用于低粘度油液。劉衛國和孫振東考慮等效電阻雙重影響[33]，設計了激勵響應式石英晶體粘度傳感器。唐為義等設計了智能應變式在線粘度傳感器[34]，實驗表明可實時在線監測油液的粘度，精度較高。郭紹兵等設計了基于電磁學原理的油液在線粘度傳感裝置，原理類似于Cambridge Viscosity傳感器，體積小、環境適應性強。

3.2油液水分在線監測傳感器技術

水分會極大影響油液的品質，影響潤滑油的粘度，降低潤滑性能，造成液壓油、燃料油在低溫下結冰，堵塞動力、液壓系統等精密部件，造成嚴重后果。

目前，油液水分在線傳感器主要基于電學技術、光學技術等[35]。電容式傳感器是利用油液中水分的變化會引起介電常數改變。美國EESIFLO公司的EASZ-1型水分傳感器可實現不同質量分數油液中水分的在線監測，HYDAC公司的AS系列產品有優異的水分和溫度測量性能，均被廣泛用在液壓和潤滑系統中。Kavlico公司研制的油品質傳感器[36]，利用介電常數隨油品質變化特性實時定量分析油中水分。Kavlico、Lubrigard和Kittiwake公司的水分監測傳感器都是利用電容式原理設計。美國Pall公司的新型電容傳感器[37]，利用薄膜聚合體電容器測量水分的相對含量。

國內深圳先波科技公司FWD-1型在線介電常數傳感器，基于微量水引起介電常數變化實時在線測量滑油、液壓油中的水分；FWD-2型水分傳感器則基于電阻式方法，利用水分與油液電阻率的變化關系實現對水分的測量。陳新崗等將溫度和濕度傳感器置于變壓器油路[38]，測得微量水含量。Zhang C等利用光學傳感器和光柵傳感器[39]，研究通過光柵的激光與油中水分含量關系，可測出噴氣燃料中游離水含量，但易受環境濕度的影響。Gan D G和Liu F利用水分和溫度傳感器研究并修正了測得水分與真實油中水分含量的關系[40]，可測變壓器油中的水分含量。

4 油液集成在線監測系統

美國波音飛機發動機的磨粒監測系統直接置于油箱上，對777型客機的GE90發動機磨粒實時在線顯示并自動報警，捕捉效率高、維修簡便。美國海軍在艦船上運用TELAS系統、AUTOLab系統等在線監控系統。前者用在船用渦輪燃氣機上，綜合監測磨粒數量、濃度、水分含量及添加劑變化量等多參數；后者用于柴油機，監測粘度、磨粒及污染物等參數。二者均具有較高的檢測精度，且已推廣到民用機械的監測上。

我軍正探索使用新型航空燃料顆粒污染監測儀，該儀器基于透光檢測法可實現在線監測燃料油不同等級下的顆粒污染度，可通過RS232接口連接計算機。廣州機械科學研究院研制出集成油液在線監測儀，集成了磨粒、水分及溫度等檢測單元，下位機實時采集數據，上位機多參數集成顯示并分析判斷報警，用于船舶發動機。武漢理工大學綜合運用油液在線檢測技術，實現對船舶動力機械固體顆粒物、水分的監測，系統由在線監測裝置、信息采集器、無線發射與接收模塊集分析診斷中心等部分組成(圖9)。在線顆粒、鐵譜、水分監測儀分別檢測固體顆粒物、磨粒、水分含量，所采數據傳到顯示終端并可通過服務器發至互聯網，分析診斷中心可判斷動力系統的實時工況，避免事故的發生。

5 結束語

油液在線監測技術目前向集成化、自動化、智能化方向發展，研究熱點集中于基礎理論的研究、新型在線油液傳感器以及綜合集成在線監測技術融合等方面。在線監測技術仍取代不了傳統的“離線式抽樣、在線式測量”模式。通過使用油液在線監測技術，實時在線監測油液品質，如若發現問題，采樣后進一步使用離線監測設備判斷，以確保油品質量和系統的工作安全。

圖9 集成油液在線監測系統結構框圖

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TechnicalReviewofOn-lineMonitoringTechnologiesforAviationOil

GUO Yi-feia, ZHANG Xiao-zhongb, MENG Fan-qinb

(a.CadetBrigade1; b.DepartmentofAviationOilandMaterials,AirForceLogisticsCollege)

The technologies of on-line monitoring of aviation oil pollution, oil quality and the integrated fluid monitoring system were elaborated to provide some references for the research and popularization of on-line monitoring technologies in days to come.

on-line monitoring, aviation oil,degree ofparticle contamination, sensor technology

空軍后勤部項目(BKJ12J002)。

郭毅斐(1994-)，碩士研究生，從事油品質量在線監測技術研究。

聯系人孟凡芹(1965-)，教授，從事工業過程控制、油料儲運自動化及智能儀表等的研究，mengfanqin@sohu.com。

TH865

A

1000-3932(2017)11-1013-06

2017-06-28，

2017-09-12)