基于嵌入式的液質在線監測裝置結構設計及應用

聶朝瑞

(陜西職業技術學院 汽車工程與通用航空學院，陜西 西安 710100)

0 引言

在工業工程控制領域中，對工作液質雜質的實時監測為主機動力設備的正常安全運轉提供了重要的保障，因此各類工業設備中對動力液質的實時參數測量一直是一個重要的研究方向。機械設備故障中除了內部原因外，很多情況下都是由設備之間的潤滑不良造成的[1]，但在真實的工業現場運行環境中，由于成本控制或現場環境的問題，常常采用離線取樣的分析方法進行測量。外部取樣測量方式對工程運行邏輯和生產有著較大的干擾，同時也影響系統狀態監測的實時效果和連續運行的品質效率。

潤滑油被稱為機械設備中的“血液”，在設備內部隨處可見，通常在機械設備內部具備潤滑、密封、冷卻、洗滌和防銹等功能，對機械設備的正常運行起著非常關鍵的作用[2]。在工業動力傳動系統中，如果潤滑油被污染，導致潤滑油功能下降甚至失效，使得設備磨損程度加劇，甚至最終引發嚴重設備故障。文獻[3]系統性地研究油液污染對重型數控機床液壓系統的運行可靠性。潤滑油液的狀態很大程度上影響著機械設備能否持續正常運行，為了防止因潤滑油性能失效而對機械設備造成損壞，需要對潤滑油采取科學的防護措施，例如定期清潔設備表面并更換潤滑油[4，5]。工程實踐和理論研究表明，采用油液檢測技術，對不同設備中的潤滑油進行檢測，可以對油液質量和設備狀態進行良好的分析判斷，從而為更加合理的油液更換提供參考[6-9]。但是液質的實驗室分析方式有多種類型，而面向工程應用的測量方式卻較為缺少。本文使用低成本、高可靠性的光電對射傳感器組件測量方式對工業現場環境中動力系統管道和容器內的液質進行測量，將被測液體的溫度、顆粒度和氣泡含量等實時數值通過特定濾波算法進行處理，在保持體參數精確性的同時提升各項參數的實時響應特性。并通過搭建硬件和軟件實驗平臺進行實驗，驗證了通過快速檢測的方式對特殊工況容器內的液質檢測是一種可行有效的方式。

1 在線監測裝置的結構設計

在真實工業工況環境的液壓設備中，液壓油的品質等級非常重要。液壓系統油品質量作為動力介質和潤滑介質直接影響到整個液壓回路中的各個重要部件，包括管路中的各種比例閥、伺服閥、單向閥、溢流閥、泵及液壓缸等，系統中油品的優劣直接影響到這些部件的運動精度、執行效率和使用壽命。當工業現場一個液壓系統工程快要竣工時，都要在整個液壓站內注入定量的液壓油，然后使整個系統預運行相當長的時間，這其中的一個主要功能和作用是要對所注入的液壓油進行循環過濾清洗，當循環過濾清洗一段時間后，取出標本液質送至專業實驗室進行化驗和分析。通過取樣標本和實驗室之間來回往復，當達到特定的潔凈程度后才可以被回路中的各個液壓元件和部件使用，在這一取樣化驗的過程中耗費了較長的系統正常運行時間。為此本文基于直接在線監測和檢測的思路和方案，對系統內部液質進行在線質量區間觀測，在系統運行的長壽命周期內發揮區間監測作用。

圖1為基于嵌入式的液質在線監測裝置?？刮廴就该鞑ＡЦ綦x罩1將內部光電對射傳感器組件與外部油液進行隔離，同時與內部的光電傳感器組件相配套，具備特定的透光系數。油液渾濁度光電傳感器組件2除了集成有光電對射傳感器模塊之外，還集成有溫度傳感器模塊，能夠對實時油液溫度進行檢測，作為油液污染度監測的輔助數據。在油液污染隔離區域3，抗污染透明玻璃隔離罩1和油液密封區金屬緊固件4通過特殊密封圈和密封槽形成密閉區域，起到油液密封隔離的作用。傳感器的外部密封圈5將監測設備的玻璃隔離罩1、光電傳感器組件2、油液污染隔離區域3、油液密封區金屬緊固件4與外部空氣進行密封隔離。

1-玻璃隔離罩；2-光電傳感器組件；3-油液污染隔離區域；4-油液密封區金屬緊固件；5-傳感器的外部密封圈；6-嵌入式集成電路和電池組件；7-監測設備的頂蓋；8-傳感器狀態提示LED；9-傳感器狀態模式選擇開關圖1 基于嵌入式的液質在線監測裝置

在線監測裝置的設計目的是為了在需要實時測量液質變化的設備中進行直接在線測量。在線監測設備正常工作時，被測介質填充了玻璃隔離罩外部的空間，使得內部的光電傳感器組件2可以正常工作。由于在線監測設備和被測介質為充分接觸狀態，因此嵌入式集成電路上的溫度傳感器能夠實時監測被測介質的溫度狀態，溫度數據作為介質雜質監測的補償手段。當在線監測設備的頂蓋上集成了低功耗高亮度LED8以及傳感器狀態模式選擇開關9，在線監測設備正常運行時，可以通過對狀態模式選擇開關9的操作來選擇傳感器的工作模式，而低功耗高亮度LED8的閃爍狀態就實時顯示出介質雜質的實時狀態。

2 在線監測裝置的硬件系統

本設計使用基于STC超低功耗的單片機作為主控芯片，光電傳感器將測量的光電變化數據傳送給16位高精度ADC變換模塊，同時并行測量油液系統溫度，最后將處理后的數字信號傳送給低功耗芯片進行分類處理。嵌入式低功耗芯片通過算法計算將得出的結果以不同的信號模式送至LED顯示端口，顯示端口則最終會通過不同的閃爍方式提示當前油品質量等級范圍，提示現場工程施工或維修保障人員進行油品質量保障，從而提升和保障整個系統運行的優良品質。液質在線監測裝置的嵌入式系統硬件設計原理如圖2所示。

本設計的優勢在于監測儀器(見圖3)可以直接嵌入油箱內或者流體管道內部進行油品質量連續檢測，并以嵌入式系統的低功耗程序控制算法進行區間工作。在正常啟動工作時域內以發光二極管的閃爍狀態來提示工程技術人員或工人師傅當前狀況下油品的質量等級，極大地提高了油品連續在線監測的直觀和便利性。

3 在線監測裝置的測試邏輯和應用方式

在工業現場的機械和液壓動力系統中，液質中雜質顆粒的含量往往與機械設備的運行時間存在一定的比例關系。液壓系統中液質雜質隨時間變化趨勢及影響如圖4所示，其中，T為系統運行的總時間，N為系統液質中的雜質顆粒含量比例。在常見的工業系統中，0時刻代表一套新設備的建成，t1代表新系統內部機械設備開始初步運行磨合及內部液質的初始清洗時間，在t1時間內系統會完成在正式下線投產工作前的一系列準備運行工作，這些工作內容一般包括動力系統的預生產運行和液壓動力系統內部的管道清洗。t～t2區間內則為系統正常運行的時間，在此時間區間內，動力系統油液內的雜質會隨著時間的累加逐漸發生變化，但此時油液的污染并不會導致系統運行發生異常狀況，區間數值與工業現場的不同動力系統相關。t2以后的時間則為系統磨損加劇狀態，在t2以后的區間內動力系統運行的能耗率、精度以及系統可靠性會隨時間的延續產生較大的變化，在嚴重狀態下甚至會突然發生宕機事故。本裝置由于使用低功耗嵌入式集成電路系統，在對從0～t2區間及t2時間以后的測量，會根據系統運行的壽命和特定工作區間進行分時和分段喚醒，保證了測量設備的長周期使用性能。

圖2 液質在線監測裝置嵌入式系統硬件設計原理

圖3 液質在線監測裝置用光電傳感器檢測元件

圖4 液壓系統中液質雜質隨時間變化趨勢及影響

對液壓設備所處的具體工況環境而言，需要的是工程技術人員和施工人員可以通過直觀觀察就能立刻判斷系統內部的油品在當前狀況的品質狀態。本文設計的機電一體化的現場測試裝置通過直接嵌入油箱或者低壓管道內部進行油品檢測，并且在需要的情況下可以一直以高亮LED閃爍狀態來提示工程技術人員或工人師傅當前狀況下油品的質量等級范圍，為工程技術人員判斷油品質量時提供參考，輔助提高了油品監測的直觀性和便利性。

4 結論

本文設計的機電一體化的現場測試裝置的應用，使得工業設備系統內部液壓油品可以通過LED指示快速直觀地顯示，在實際工業工程中為一般工程技術人員判別當前狀態下油的品質提供快速和準確的參考，提升了油質監測的實時性和便利性。同時為液壓工業控制系統領域的集成化、智能化和節能化的機電一體化設備研究設計提供參考。