新型在线监测润滑油含水率的传感器

新型在线监测润滑油含水率传感器张峰1赵晓2贺嘉聪3（1.深圳先波科技有限公司深圳518057；2.河南机电学校河南郑州，451191；3.武汉理工大学信息学院湖北武汉4300633）摘要：开发了一种电化学阻抗谱在线润滑油含水率传感器。试验测试表明，该传感器可在线准确测定润滑油含水量，监测滑油中水分含量的变化趋势，防止因冷却器泄漏、密封垫漏水等会造成润滑油中水分含量短时间内显著增加这类情况引起设备重大事故的发生。该传感器采用螺纹连接，可直接安装于润滑油通路中，结构简单，使用方便，具有较强的抗电磁干扰性能，在润滑油质量实时监测和机械设备故障诊断中具有广泛应用。关键词:在线监测；润滑油品质；含水率；传感器AAAANovelNovelNovelNovelSensorSensorSensorSensorforforforforOn-lineOn-lineOn-lineOn-lineMeasurementMeasurementMeasurementMeasurementofofofofwaterwaterwaterwatercontentcontentcontentcontentininininOilOilOilOilZhangFeng1，Zhaoxiao2,HeJiacong3,(1FrontwaveTechnologyInc.,Shenzhen,518057,China;2HenanMechanicalElectricalSecondarySchool，Henanzhengzhou，451191China;InformationSchool,WuhanUniversityofTechnology,HubeiWuhan4300633,China)Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:AnovelElectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS)sensorforon-linemeasurementofwatercontentinoilhasbeendeveloped.Testshowsthatthesensorcanbeusedfordetectingthewatercontentintheoil,monitoringwatercontentchangedtrends,avoidingequipmentaccidentsasthewatercontentinthelubricatingoilincreasedquicklyinashorttime,suchasthecoolerleakage,theseatdestroyandsoon.Thesensorusesthreadconnection,canbedirectlyinstalledinthepathwaysofthelubricatingoil.Ithassimplestructure,isconvenienttouse,also.Ithasstronganti-electromagnetismperformance.Duetotheadvantages,thissensorisexpectedtofindwideapplicationsinoilqualitymonitoringandmachinefaultdiagnosis.Keywords:Keywords:Keywords:Keywords:on-linemonitoring;oilquality,watercontent,sensor船舶机械、轧钢机、造纸机、汽轮机等机械设备中，由于循环油系统泄漏，密封元件损坏，引起外部水渗入液压和润滑系统漏水是经常发生的故障。冷却水一旦漏到油中,便造成油品乳化变质，破坏正常的润滑，引起摩擦副异常磨损，导致设备事故发生。因此，在线监测油中是否漏水并及时报警，对保证设备的可靠运转,延长寿命十分必要。目前，常用的在线监测主要有两种方法：一是利用电容测试原理，即应用水和油介电常数明显不同的特性，通过对比被测油液和新油的介电常数来得到润滑油的含水率[1]。二是利用微波衰减原理，即利用油液含水后的介电常数明显增加使得微波在其中传输衰减的特性，通过检验微波的衰减量就可以得到油液的含水率[2]。但这些技术在许多方面有待于进一步完善，目前还普遍存在检测结果精度较低，体积大和使用复杂等不足，故尚未应用在各类大中型动力机械的润滑油含水率的实时监测中。对此，本文介绍一种新型电化学阻抗谱(EIS)在线监测润滑油含水率变化的传感器及其初步测试结果。1111传感器设计本研究采用深圳先波科技有限公司研制的FWD-1型在线润滑油含水率监测传感器。该传感器的探头如图１所示。其基本原理是应用电化学阻抗谱法通过测量润滑油电阻抗参数的变化和内部运算获得所接触润滑油的含水率变化信息。该探头可以通过管螺纹直接安装于被测润滑油的回油通路中，根据设定的采样频率实时测量流过管路的润滑油的含水率的变化。探头通过高频同轴电缆与计算机相连，输出信号的变化由计算机实时采集。图１含水率监测传感器探头Fig1Sensorprobemonitoringwatercontent2222传感器对润滑油含水率的性能试验该传感器被安装在设计的模拟实验装置上，如图2所示，采用润滑油和水混合搅拌循环，通过实时监测，传感器输出信号并对比不同阶段的油液样品实验室分析结果，来反映传感器的优越性能和使用价值。考虑到实际应用的具体环境。我们设计了模拟实验装置，如图2所示。图2含水率监测传感器模拟实验装置示意图Fig2Schematicdiagramofthesensortestingrig2.12.12.12.1响应实验（1）实验方法：传感器被安装在模拟实验装置上，选择16W-40CD型润滑油（运行50小时），保持温度恒定在80±0.1℃，不断搅拌，每次加入微量的水，测定传感器的输出电量变化并取样化验（GB／T260）润滑油的含水率。得出润滑油含水率的响应曲线。（2）实验步骤a取样化验实验油样的实际含水率b取一定量的实验油样置入1L的烧杯，将传感器放入。恒速搅拌均匀，恒温80±0.1℃后读数，c分别向实验油样中加入0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、4%、6%含水率（计算的绝对添加量）的不同重量蒸馏水，恒速搅拌均匀，恒温80±0.1℃后读数，并在每次读数后取样化验润滑油的实际含水率。2.2.2.2.2222温度特性实验选择16W-40CD型润滑油（运行50小时），依次加温到25℃40℃60℃80℃90℃，恒温（±0.1℃）后，记录传感器的输出信号。得出传感器的温度特性曲线2.32.32.32.3稳定性实验实验传感器放入16W-40D型润滑油（运行50小时）中，保持温度恒温在80±0.1℃，监测传感器输出变化24小时。观察传感器输出的稳定性2.42.42.42.4柴油机配机试验传感器安装在190型柴油机上，由于柴油机厂参试人员怕损坏柴油机和测功器，试验过程主要是变换柴油机的运转工况，来观察传感器输出的稳定性和适用性。图8是传感器在190型柴油机安装位置图。试验中190型柴油机采用的是运行50小时左右的16W-40D润滑油，该试验柴油机工作时间为48小时，润滑油温度以及传感器输出信号是由记录仪自动记录的。图3传感器安装位置图Fig3Locationofsensorinstallation3333实验结果及讨论3.13.13.13.1实验室性能实验结果和讨论图4为实验室性能实验被研究传感器的响应过程曲线，，（c）图是润滑油中含蒸馏水和缓蚀阻垢剂情况。（a）是润滑油中混入不同比例(WT%)水情况，可看出该传感器的输出信号对润滑油混入水后的反应很敏感，而且对润滑油混入相同比例水的响应输出稳定。同时，每次添加一定含量的水后，传感器输出在2分种内就趋于稳定，随着水添加量的增加而造成恒温时间加长使得传感器稳定响应时间增长。图4（b）是润滑油中含蒸馏水情况，可以看出，该传感器的输出信号与油品的含水率的变化成正比。线形相关系数R2达到0.99。图(c)所显示是传感器对试验油样中混入不同比例的蒸馏水+缓释阻垢剂（9:1）的响应曲线。可以看出传感器响应结果与图(b)类似。实验证明了润滑油混入不同种类的水，传感器输出对润滑油的含水率响应没有影响。(a)Differentproportionsofwater(b)Distilledwater(c)Distilledwaterandcorrosioninhibitors图4传感器响应过程曲线Fig4Responsecurvesofthesensor以上的实验结果证明：在同一温度下，传感器的输出和机油含水率的关系符合以下线性关系方程。线性相关系数R2达到了0.99。Vt=V0t+K*hVt—待测油液的传感器在温度T时的输出电压（单位V），V0t—常数，新油（含水0%）中在温度T的输出，h—被测油液的含水率%，K—传感器灵敏度系数。不同温度下，V0t的值不同，但K保持一致。因此测出传感器在同一温度下不同含水率的待测油液中传感器输出/0.1V试验时间/min传感器输出/0.2V含水率WT/%传感器输出/0.1V含水率WT/%240的读数即可获得V0t和K完成标定。图5显示被研究传感器的温度特性曲线，从图5的结果可以看出，传感器在润滑油中随着温度的增加而输出降低，线性良好。线形相关系数R2达到0.999。图5传感器的温度特性曲线Fig5Temperaturecharacteristiccurveofthesensor重复实验的测试结果与图5相同，实验证明了同一传感器的温度特性在相同实验油样中规律是相同的。以上的实验结果证明：在不同温度下，传感器的输出和油液温度的关系符合以下线性方程，线性相关系数R2达到了0.999。此方程是传感器的温度补偿方程，V0=V0t+Kt*(T-To)Kt为传感器的温度系数，V0t是传感器在新油（含水0%）温度为T时的输出，V0是传感器在新油（含水0%）温度为To时的输出。相同型号的机油，不同温度下，V0t的值不同，但Kt保持一致。因此测出传感器在不同温度下在被测油液中的读数即可获得V0和Kt完成标定。图6显示的是采样时间为一分钟记录的传感器输出电量变化24小时的变化曲线。从图6的结果可以看出，被研究的传感器输出值的均方差为0.002068。传感器24小时输出稳定性较高，性能较好。图6传感器稳定性曲线图6Sensorstabilityofthesensor3.23.23.23.2柴油机配机试验结果和讨论传感器输出/0.05V温度T/°C传感器输出/0.02V240试验时间/h图7是该型传感器在190型柴油机配机试验整个试验过程机油温度的变化曲线，图8是该试验整个试验过程传感器输出的变化曲线。图9是该试验过程传感器输出相对于温度的变化曲线。由于现场试验过程中经常出现各种问题而导致停机，所以连续运行48小时很难实现，该试验柴油机累计工作时间为48小时。图7传感器在柴油机上试验的温度变化曲线Fig7Temperaturechangecurveofthesensorontheenginetest图8传感器在柴油机上试验的输出变化曲线Fig8Outputchangecurveofthesensorontheenginetest图9传感器在柴油机上试验时输出相对于温度的变化曲线Fig9Outputcurverelativetothetemperatureofthesensorontheenginetest从图7、图8的结果可以看出,传感器输出的变化曲线和机油温度的变化曲线具有同步的异向温度T/°C48试验时间/h传感器输出/0.05V试验时间/h480温度T/°C传感器输出/0.05V变化规律。由于整个试验过程没有水的泄露，且试验时间相对较短，鉴于传感器的温度特性，传感器的输出变化是随着润滑油温度变化而变化的，因此就整个实验数据我们以试验温度为x轴，以传感器的输出变化为Y轴拟合试验曲线如图9所示。从图9的结果可以看出传感器的输出变化随着温度的降低而呈现类似