基于嵌入式的液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

聶朝瑞

(陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程與通用航空學(xué)院，陜西 西安 710100)

0 引言

在工業(yè)工程控制領(lǐng)域中，對(duì)工作液質(zhì)雜質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為主機(jī)動(dòng)力設(shè)備的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了重要的保障，因此各類工業(yè)設(shè)備中對(duì)動(dòng)力液質(zhì)的實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量一直是一個(gè)重要的研究方向。機(jī)械設(shè)備故障中除了內(nèi)部原因外，很多情況下都是由設(shè)備之間的潤(rùn)滑不良造成的[1]，但在真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境中，由于成本控制或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的問(wèn)題，常常采用離線取樣的分析方法進(jìn)行測(cè)量。外部取樣測(cè)量方式對(duì)工程運(yùn)行邏輯和生產(chǎn)有著較大的干擾，同時(shí)也影響系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)效果和連續(xù)運(yùn)行的品質(zhì)效率。

潤(rùn)滑油被稱為機(jī)械設(shè)備中的“血液”，在設(shè)備內(nèi)部隨處可見(jiàn)，通常在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部具備潤(rùn)滑、密封、冷卻、洗滌和防銹等功能，對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用[2]。在工業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，如果潤(rùn)滑油被污染，導(dǎo)致潤(rùn)滑油功能下降甚至失效，使得設(shè)備磨損程度加劇，甚至最終引發(fā)嚴(yán)重設(shè)備故障。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)性地研究油液污染對(duì)重型數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。潤(rùn)滑油液的狀態(tài)很大程度上影響著機(jī)械設(shè)備能否持續(xù)正常運(yùn)行，為了防止因潤(rùn)滑油性能失效而對(duì)機(jī)械設(shè)備造成損壞，需要對(duì)潤(rùn)滑油采取科學(xué)的防護(hù)措施，例如定期清潔設(shè)備表面并更換潤(rùn)滑油[4，5]。工程實(shí)踐和理論研究表明，采用油液檢測(cè)技術(shù)，對(duì)不同設(shè)備中的潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)油液質(zhì)量和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)室分析方式有多種類型，而面向工程應(yīng)用的測(cè)量方式卻較為缺少。本文使用低成本、高可靠性的光電對(duì)射傳感器組件測(cè)量方式對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中動(dòng)力系統(tǒng)管道和容器內(nèi)的液質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，將被測(cè)液體的溫度、顆粒度和氣泡含量等實(shí)時(shí)數(shù)值通過(guò)特定濾波算法進(jìn)行處理，在保持體參數(shù)精確性的同時(shí)提升各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。并通過(guò)搭建硬件和軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了通過(guò)快速檢測(cè)的方式對(duì)特殊工況容器內(nèi)的液質(zhì)檢測(cè)是一種可行有效的方式。

1 在線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在真實(shí)工業(yè)工況環(huán)境的液壓設(shè)備中，液壓油的品質(zhì)等級(jí)非常重要。液壓系統(tǒng)油品質(zhì)量作為動(dòng)力介質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)直接影響到整個(gè)液壓回路中的各個(gè)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(tǒng)中油品的優(yōu)劣直接影響到這些部件的運(yùn)動(dòng)精度、執(zhí)行效率和使用壽命。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)液壓系統(tǒng)工程快要竣工時(shí)，都要在整個(gè)液壓站內(nèi)注入定量的液壓油，然后使整個(gè)系統(tǒng)預(yù)運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，這其中的一個(gè)主要功能和作用是要對(duì)所注入的液壓油進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾清洗，當(dāng)循環(huán)過(guò)濾清洗一段時(shí)間后，取出標(biāo)本液質(zhì)送至專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)和分析。通過(guò)取樣標(biāo)本和實(shí)驗(yàn)室之間來(lái)回往復(fù)，當(dāng)達(dá)到特定的潔凈程度后才可以被回路中的各個(gè)液壓元件和部件使用，在這一取樣化驗(yàn)的過(guò)程中耗費(fèi)了較長(zhǎng)的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。為此本文基于直接在線監(jiān)測(cè)和檢測(cè)的思路和方案，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部液質(zhì)進(jìn)行在線質(zhì)量區(qū)間觀測(cè)，在系統(tǒng)運(yùn)行的長(zhǎng)壽命周期內(nèi)發(fā)揮區(qū)間監(jiān)測(cè)作用。

圖1為基于嵌入式的液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置?？刮廴就该鞑ＡЦ綦x罩1將內(nèi)部光電對(duì)射傳感器組件與外部油液進(jìn)行隔離，同時(shí)與內(nèi)部的光電傳感器組件相配套，具備特定的透光系數(shù)。油液渾濁度光電傳感器組件2除了集成有光電對(duì)射傳感器模塊之外，還集成有溫度傳感器模塊，能夠?qū)?shí)時(shí)油液溫度進(jìn)行檢測(cè)，作為油液污染度監(jiān)測(cè)的輔助數(shù)據(jù)。在油液污染隔離區(qū)域3，抗污染透明玻璃隔離罩1和油液密封區(qū)金屬緊固件4通過(guò)特殊密封圈和密封槽形成密閉區(qū)域，起到油液密封隔離的作用。傳感器的外部密封圈5將監(jiān)測(cè)設(shè)備的玻璃隔離罩1、光電傳感器組件2、油液污染隔離區(qū)域3、油液密封區(qū)金屬緊固件4與外部空氣進(jìn)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(qū)域；4-油液密封區(qū)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(jiān)測(cè)設(shè)備的頂蓋；8-傳感器狀態(tài)提示LED；9-傳感器狀態(tài)模式選擇開關(guān)圖1 基于嵌入式的液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置

在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)目的是為了在需要實(shí)時(shí)測(cè)量液質(zhì)變化的設(shè)備中進(jìn)行直接在線測(cè)量。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備正常工作時(shí)，被測(cè)介質(zhì)填充了玻璃隔離罩外部的空間，使得內(nèi)部的光電傳感器組件2可以正常工作。由于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和被測(cè)介質(zhì)為充分接觸狀態(tài)，因此嵌入式集成電路上的溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)介質(zhì)的溫度狀態(tài)，溫度數(shù)據(jù)作為介質(zhì)雜質(zhì)監(jiān)測(cè)的補(bǔ)償手段。當(dāng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的頂蓋上集成了低功耗高亮度LED8以及傳感器狀態(tài)模式選擇開關(guān)9，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)對(duì)狀態(tài)模式選擇開關(guān)9的操作來(lái)選擇傳感器的工作模式，而低功耗高亮度LED8的閃爍狀態(tài)就實(shí)時(shí)顯示出介質(zhì)雜質(zhì)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2 在線監(jiān)測(cè)裝置的硬件系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)使用基于STC超低功耗的單片機(jī)作為主控芯片，光電傳感器將測(cè)量的光電變化數(shù)據(jù)傳送給16位高精度ADC變換模塊，同時(shí)并行測(cè)量油液系統(tǒng)溫度，最后將處理后的數(shù)字信號(hào)傳送給低功耗芯片進(jìn)行分類處理。嵌入式低功耗芯片通過(guò)算法計(jì)算將得出的結(jié)果以不同的信號(hào)模式送至LED顯示端口，顯示端口則最終會(huì)通過(guò)不同的閃爍方式提示當(dāng)前油品質(zhì)量等級(jí)范圍，提示現(xiàn)場(chǎng)工程施工或維修保障人員進(jìn)行油品質(zhì)量保障，從而提升和保障整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)良品質(zhì)。液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于監(jiān)測(cè)儀器(見(jiàn)圖3)可以直接嵌入油箱內(nèi)或者流體管道內(nèi)部進(jìn)行油品質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)，并以嵌入式系統(tǒng)的低功耗程序控制算法進(jìn)行區(qū)間工作。在正常啟動(dòng)工作時(shí)域內(nèi)以發(fā)光二極管的閃爍狀態(tài)來(lái)提示工程技術(shù)人員或工人師傅當(dāng)前狀況下油品的質(zhì)量等級(jí)，極大地提高了油品連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的直觀和便利性。

3 在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試邏輯和應(yīng)用方式

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械和液壓動(dòng)力系統(tǒng)中，液質(zhì)中雜質(zhì)顆粒的含量往往與機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間存在一定的比例關(guān)系。液壓系統(tǒng)中液質(zhì)雜質(zhì)隨時(shí)間變化趨勢(shì)及影響如圖4所示，其中，T為系統(tǒng)運(yùn)行的總時(shí)間，N為系統(tǒng)液質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒含量比例。在常見(jiàn)的工業(yè)系統(tǒng)中，0時(shí)刻代表一套新設(shè)備的建成，t1代表新系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械設(shè)備開始初步運(yùn)行磨合及內(nèi)部液質(zhì)的初始清洗時(shí)間，在t1時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)會(huì)完成在正式下線投產(chǎn)工作前的一系列準(zhǔn)備運(yùn)行工作，這些工作內(nèi)容一般包括動(dòng)力系統(tǒng)的預(yù)生產(chǎn)運(yùn)行和液壓動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部的管道清洗。t～t2區(qū)間內(nèi)則為系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)間，在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)，動(dòng)力系統(tǒng)油液內(nèi)的雜質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的累加逐漸發(fā)生變化，但此時(shí)油液的污染并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生異常狀況，區(qū)間數(shù)值與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不同動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)。t2以后的時(shí)間則為系統(tǒng)磨損加劇狀態(tài)，在t2以后的區(qū)間內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的能耗率、精度以及系統(tǒng)可靠性會(huì)隨時(shí)間的延續(xù)產(chǎn)生較大的變化，在嚴(yán)重狀態(tài)下甚至?xí)蝗话l(fā)生宕機(jī)事故。本裝置由于使用低功耗嵌入式集成電路系統(tǒng)，在對(duì)從0～t2區(qū)間及t2時(shí)間以后的測(cè)量，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和特定工作區(qū)間進(jìn)行分時(shí)和分段喚醒，保證了測(cè)量設(shè)備的長(zhǎng)周期使用性能。

圖2 液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

圖3 液質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置用光電傳感器檢測(cè)元件

圖4 液壓系統(tǒng)中液質(zhì)雜質(zhì)隨時(shí)間變化趨勢(shì)及影響

對(duì)液壓設(shè)備所處的具體工況環(huán)境而言，需要的是工程技術(shù)人員和施工人員可以通過(guò)直觀觀察就能立刻判斷系統(tǒng)內(nèi)部的油品在當(dāng)前狀況的品質(zhì)狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置通過(guò)直接嵌入油箱或者低壓管道內(nèi)部進(jìn)行油品檢測(cè)，并且在需要的情況下可以一直以高亮LED閃爍狀態(tài)來(lái)提示工程技術(shù)人員或工人師傅當(dāng)前狀況下油品的質(zhì)量等級(jí)范圍，為工程技術(shù)人員判斷油品質(zhì)量時(shí)提供參考，輔助提高了油品監(jiān)測(cè)的直觀性和便利性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置的應(yīng)用，使得工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部液壓油品可以通過(guò)LED指示快速直觀地顯示，在實(shí)際工業(yè)工程中為一般工程技術(shù)人員判別當(dāng)前狀態(tài)下油的品質(zhì)提供快速和準(zhǔn)確的參考，提升了油質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和便利性。同時(shí)為液壓工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的集成化、智能化和節(jié)能化的機(jī)電一體化設(shè)備研究設(shè)計(jì)提供參考。