在線監測液體粘度和顆粒量的壓電傳感器和測量方法
2023-07-31 05:53:36
專利名稱：在線監測液體粘度和顆粒量的壓電傳感器和測量方法
技術領域：
本發明屬於工業測量儀器領域，特別涉及一種在線監測液體粘度和液體中顆粒量的壓電傳感器和測量方法。
背景技術：
粘度是衡量液體抵抗流動能力大小的一個物理參數，液體中的顆粒量則通過液體中固體微顆粒的數量反映液體的汙染程度。同時在線監測液體粘度和液體中顆粒量的變化對許多工業應用都很重要，例如在線監測機械系統的潤滑油粘度和磨損顆粒量變化能優化設備維修周期，減少停機時間，進而延長設備使用壽命，減少重大事故的發生。目前單獨測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器和測量方法很多，在許多工業過程控制和機械設備故障診斷中應用廣泛。但現有的測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器各自存在許多不足，而且兩種傳感器所採用的測量原理互不相同，能夠同時測量液體粘度和液體中顆粒量的傳感器技術未見報導。
實際應用中測量液體粘度的方法主要包括細管方法、旋轉粘度測量方法、錐板粘度測量方法、落球粘度測量方法和振動粘度測量方法等。這些方法中很多隻適用於離線樣品分析，部分可用於在線測量的方法普遍存在體積大，成本高，安裝和使用複雜的缺點。
測定液體中顆粒量有在線實時監測和離線分析測定兩種方式。離線方式由於需要先取樣再分析，不僅費力費時，成本高，而且測定結果的返回具有時間滯後性，在許多應用領域已逐漸被在線監測技術所替代。目前已知的用於在線監測顆粒量的技術包括光學測量、超聲測量、磁場測量以及電感和電容測量方法等。
光學測量顆粒技術的主要優點是能測小顆粒(1微米)，而且能提供顆粒量和顆粒大小兩方面信息。但光學測量方法受液體的汙染程度以及其它雜質含量的影響較大，不能區分液體中的顆粒和氣泡，易誤判，成本高，實際應用受到限制。
超聲測量顆粒的方法主要依靠測定液體中顆粒對入射超聲波束的反射和散射作用實現。其問題是靈敏度低，對小顆粒出現不敏感。這種方法測量的是液體斷面上一個很小的體積內的顆粒量，測量結果代表性小，誤差較大。另外，超聲測量方法需要具有較強數位訊號處理能力的硬體支持，傳感器安裝方式也比較複雜。磁場、電感和電容測量顆粒的方法主要是通過測量顆粒出現所引起的相應物理參數的變化，以獲取液體中顆粒量的信息。這幾種方法的共同優點是操作簡單，安裝方便，成本較低。共同的問題是靈敏度低，對小顆粒和低濃度顆粒量不敏感，一般可以測到的顆粒大小在100微米左右。
發明內容
本發明的目的在於克服已有技術的不足，提供一種基於壓電敏感器件的新型傳感器和測量方法。本發明提出的傳感器不僅能夠同時在線測量液體粘度和液體中的顆粒量，而且可以根據實際情況，單獨作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。本發明提出的傳感器結構簡單，使用方便，響應快，價格低，而且能測量小顆粒(達到1微米)和低濃度樣品。本發明提出的傳感器可以應用到各種液體測量中，其中既包括單一物質成分的液體如水等，也包括具有多種物質成分的液體如溶液、生物體液以及各種化工合成液體如潤滑油、液壓油、切削液、油漆、油墨、塗料等。
本發明提出的傳感器主要包括(1)壓電敏感器件，包括工作於體聲波、聲表面波、剪切波及超聲波的壓電晶體和壓電陶瓷傳感器及換能器。當壓電敏感器件的表面與被測液體接觸時，測量該器件的諧振或波傳輸參數包括頻率、幅值、相位、阻抗或波速等信息，此信息能轉化為反映壓電器件表面附著顆粒量或與之接觸的液體粘度的變化信息。
(2)穿過該壓電敏感器件並進入被測液體中的磁場。該磁場由安裝於壓電敏感器件後的永磁鐵或電磁鐵產生。其磁場強度足夠大，能將與壓電敏感器件接觸的液體中的鐵磁性顆粒吸附到器件表面。
本發明的基本原理是通過測量壓電敏感器件在磁場場強為零(或很小)和很大兩個狀態下的參數變化，來感知液體粘度和液體中顆粒量的變化。當磁場強度很大時，存在於液體中的鐵磁性顆粒會被吸引到壓電敏感器件表面，引起壓電敏感器件的質量效應變化，測量壓電敏感器件此時的諧振和波傳輸參數能夠獲得液體中的鐵磁性顆粒量。當該磁場強度為零或很小時，液體中的顆粒不會附著於壓電敏感器件表面，測量壓電敏感器件此時的諧振或波傳輸參數變化，能夠獲得與之接觸的液體粘度變化信息。實際上，此時壓電敏感器件的諧振或波傳輸參數的變化反映的是液體粘度與密度乘積的變化。但由於在實際應用中，液體密度變化很小，壓電器件諧振或波傳輸參數的變化可以認為主要與粘度變化有關。
穿過壓電敏感器件的磁場強度的變化由相應的測量和控制電路實現。採用電磁鐵時，按照預先設定的時序自動控制電磁鐵輸入電流的開和關，實現對穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關時間控制。採用永磁鐵時，自動或手動改變永磁鐵與壓電敏感器件的距離和方向以控制穿過敏感器件表面的磁場強度變化。
此外，此電路還能檢測壓電敏感器件的諧振或波傳輸參數，包括頻率、幅值、相位、阻抗或波速中的一個或組合，經標定後，輸出與液體粘度或液體中顆粒量成一定關係的信號。本發明所說的測量和控制電路可以採用常規的公知電路，在此不再詳述。
在實際應用中，本發明提出的傳感器有多種結構方式實現對液體粘度和液體中顆粒量的在線測量。例如根據使用的壓電敏感器件數量，傳感器可以設計為兩種結構形式a)雙壓電器件傳感器，採用兩個壓電敏感器件，其中一個敏感器件表面沒有磁場穿過，另一個敏感器件表面有足夠強度的磁場穿過。表面沒有磁場穿過的壓電敏感器件用以測定液體粘度的變化；比較此兩個壓電敏感器件的輸出信號之差以測定液體中的顆粒量。b)單壓電器件傳感器，採用一個壓電敏感器件，按照預先設定的時序控制壓電敏感器件後的電磁鐵的輸入電流以控制穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關時間。測量壓電敏感器件在磁場關閉前後的輸出信號的變化量，以測定液體中顆粒量。測量壓電敏感器件在磁場關閉後的信號以測定液體粘度的變化。
根據不同應用領域的實際情況，本發明提出的傳感器也可以單獨作為測量液體粘度和液體顆粒量的傳感器使用。例如，在傳感器中不安裝磁鐵，本發明提出的傳感器即可單獨作為液體粘度傳感器使用。而如果忽略傳感器的粘度輸出信號，本發明提出的傳感器即可單獨作為測量液體中顆粒量變化的傳感器使用。另外，傳感器也可以預先設定液體粘度和液體中的顆粒量的報警值，在輸出信號超過報警值時發出報警信號。
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
附
圖1為雙壓電器件液體粘度和顆粒量傳感器特徵結構示意圖；附圖2為單壓電器件液體粘度和顆粒量傳感器特徵結構示意圖；附圖3為單壓電器件傳感器的工作和電磁鐵時序控制圖；附圖4為本發明傳感器的安裝和應用方式實施例；如附圖1所示，壓電敏感器件1和3分別安裝於磁鐵2的兩面。磁鐵2嵌入屏蔽金屬4中，從而使得磁鐵2的絕大多數磁力線只通過壓電敏感器件3表面而壓電敏感器件1表面的磁場強度基本為零。傳感器殼體5一般由非鐵磁性材料製成。當此傳感器安裝於液體迴路中時，壓電敏感器件1和3都與被測液體接觸，壓電敏感器件1表面由於沒有磁場穿過，輸出信號只與液體粘度變化有關，因此通過測量其輸出信號即能獲得液體粘度變化信息。壓電敏感器件3表面由於有強磁場穿過，輸出信號既受液體粘度變化影響，也受吸附於表面的顆粒量影響。比較壓電敏感器件3和1的輸出信號，即可獲得液體中的顆粒量變化信息。
附圖2為單壓電器件傳感器結構示意圖。如圖所示，壓電敏感器件6，電磁鐵7及屏蔽金屬8都安裝在傳感器殼體9上。電磁鐵7的輸入電流按照預先設定的時序開啟和關閉，由此實現對壓電敏感器件6表面的磁場的開關控制。當壓電敏感器件6表面的磁場由很強變為零時，吸附於其上的顆粒就會脫離器件表面而被液體帶走，從而引起壓電敏感器件6輸出信號變化。測量壓電敏感器件6在磁場突變時輸出信號的變化即可獲得液體中顆粒量的變化信息。另外，監測壓電敏感器件6在磁場關閉時間段內的信號變化即可獲得液體粘度的變化信息。
附圖2的單壓電器件傳感器的工作方式與電磁鐵的時序控制方式有關，需要根據不同應用的實際情況預先設定電磁鐵的開和關的時間周期，附圖3為其中的一種推薦方式。此方式包括(1)設定電磁鐵的開和關的時間長度分別為T1和T2，即壓電器件表面的磁場每工作T1時間段後關閉一段時間T2，T1遠遠大於T2。
(2)監測傳感器在每次磁場關閉前後的信號變化量來測定液體中的顆粒量。
(3)記錄傳感器在每次磁場關閉後輸出信號穩定後的數值，此數值反映液體的粘度變化。
(4)電磁鐵的開關時序由電路自動控制，傳感器對應的輸出信號由計算機實時存儲。
具體實施例方式
實施例1運用本發明提出的傳感器實時監測機械設備潤滑系統中磨損顆粒量和潤滑油粘度的變化，進而判定設備運轉狀態並提供故障預警信息。
表面磨損和疲勞是旋轉機械設備如汽輪機、車輛變速箱、液壓系統和軸承失效的主要模式。測定潤滑油中的磨損顆粒量特別是鐵磁性磨損顆粒量是一種有效的反映機械部件表面磨損和疲勞狀態的方法並在航空、運輸及動力機械中獲得廣泛應用。同時，粘度是衡量潤滑油潤滑能力的一個重要指標。當潤滑油經過被潤滑的運動副表面時，局部的高溫高壓會使潤滑油氧化，同時各種雜質的摻入也會降低潤滑油的流動性，導致粘度升高。因此，同時在線監測潤滑油粘度和磨損顆粒量變化能及時提供潤滑油質量和設備使用狀態信息，進而減少停機時間，優化設備維修周期，延長使用壽命，減少關鍵設備事故的發生。
利用本發明提出的壓電傳感器和測量方法可以實現對潤滑油粘度和磨損顆粒量的在線監測。採用如附圖2所示的單壓電器件傳感器。其中，壓電敏感器件6為體聲波壓電石英晶體器件，採用AT切型，諧振頻率範圍在1-30MHz，晶體表面鍍有金屬電極，一般是金或銀電極。電磁鐵7為小型標準電磁鐵，傳感器殼體9由不鏽鋼材料製成。此傳感器的安裝位置包括機械系統的回油管，油箱及其它油路部分。附圖4顯示本發明提出的單壓電晶體傳感器12安裝於潤滑油系統的回油管10上，潤滑油11在回油管中流動並與傳感器12的壓電晶體表面接觸。前置電路13控制傳感器中的電磁鐵開和關，並輸出數據到計算機14。計算機14按照設定的採樣頻率記錄傳感器數據，並根據預先設定的報警值，在傳感器輸出信號超出報警值時發出報警信號。設備現場操作人員可根據報警信號採取適當措施。
實施例2在某些應用領域，例如化工、油漆、塗料和食品加工工業，被測液體中的鐵磁性顆粒量變化很小，而且顆粒量的變化信息與粘度變化信息相比不重要，本發明提出的傳感器也可以單獨作為液體粘度傳感器使用。採用如附圖2所示的單壓電器件傳感器。其中，壓電敏感器件與傳感器殼體與實施例1同，但傳感器殼體中不安裝任何磁鐵。將此傳感器安裝於有被測液體通過的管道中，測量壓電晶體的參數變化即可在線測量液體粘度的變化。
權利要求
1.一種在線監測液體粘度和顆粒量的壓電傳感器和測量方法，其特徵在於運用壓電敏感器件與液體接觸，控制穿過該敏感器件表面的磁場以吸附液體中的鐵磁性顆粒，測量壓電器件的參數變化以獲得液體粘度和液體中顆粒量變化的信息。
2.根據權利要求1的傳感器和測量方法，其特徵在於，所述的壓電敏感器件包括工作於體聲波、聲表面波、剪切波及超聲波的壓電晶體和壓電陶瓷傳感器及換能器。
3.根據權利要求1的傳感器和測量方法，其特徵在於，所述的磁場由安裝於壓電敏感器件後的永磁鐵或電磁鐵產生，該磁場強度足夠大，能將與敏感器件接觸的液體中的鐵磁性顆粒吸附到壓電敏感器件表面。
4.根據權利要求1的傳感器和測量方法，其特徵在於，所述的壓電敏感器件的參數包括諧振或波傳輸參數，例如諧振頻率、幅值、相位、阻抗或波速等。
5.根據權利要求1的傳感器和測量方法，其特徵在於，所述的液體既包括單一物質成分的液體如水等，也包括具有多種物質成分的液體如溶液、生物體液以及各種化工合成液體如潤滑油、液壓油、切削液、油漆、油墨、塗料等。
6.根據權利要求1的傳感器，其特徵在於，所述的傳感器對液體粘度和液體中顆粒量測量的方式包括a)採用兩個壓電敏感器件，其中一個敏感器件表面沒有磁場穿過，另一個敏感器件表面有足夠強度的磁場穿過。測量表面沒有磁場穿過的壓電敏感器件的參數變化以獲得液體粘度的變化；比較此兩個壓電敏感器件的輸出信號之差以測定液體中的顆粒量。b)採用一個壓電敏感器件並在其後安裝一個電磁鐵。測量壓電敏感器件在磁場關閉前後的輸出信號的變化量，以測定液體中顆粒量。測量壓電敏感器件在磁場關閉後的信號以測定液體粘度的變化。
7.根據權利要求1-6的傳感器，其特徵在於，所述的電磁鐵的輸入電流由傳感器的控制電路按照預先設定的時序自動控制，以實現對穿過壓電敏感器件表面的磁場的開關時間控制。
8.根據權利要求1-6的傳感器，其特徵在於，自動或手動改變所述的永磁鐵與壓電敏感器件的距離和方向以控制穿過敏感器件表面的磁場強度變化。
9.根據權利要求1-6的傳感器，其特徵在於，所述的傳感器可以根據實際情況，單獨作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。
全文摘要
本發明涉及一種在線監測液體粘度和顆粒量的傳感器和測量方法，其特徵在於運用壓電敏感器件與液體接觸，控制穿過該敏感器件表面的磁場以吸附液體中的鐵磁性顆粒，測量壓電器件的參數變化以獲得液體粘度和液體中顆粒量變化的信息。本發明提出的傳感器不僅結構簡單，使用方便，響應快，價格低，而且能測量小顆粒和低濃度樣品。根據實際應用情況，本發明的傳感器不僅能夠同時在線測量液體粘度和液體中的顆粒量信息，還可以單獨作為測量液體粘度或液體中顆粒量的傳感器使用。
文檔編號G01N15/00GK1815176SQ20061003350
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月10日 優先權日2006年2月10日
發明者張超, 張峰 申請人:張超, 張峰