便携式油液监测装置的设计

易 鸣,盛晨兴,曾 卓,潘小飞

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.广州机械科学研究院有限公司,广东 广州 510663)

便携式油液监测装置的设计

易 鸣1,盛晨兴1,曾 卓2,潘小飞1

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.广州机械科学研究院有限公司,广东 广州 510663)

柴油机是船舶的心脏，其运行是否正常直接关系到船舶的航行和船员的安全。润滑油的理化性能指标和磨损磨粒的浓度可以有效的反映柴油机的工作状况。对润滑油的黏度、水分等理化性能和磨损磨粒的信息进行实施监测，可以对柴油机中重要摩擦副的磨损状况作出评价，能够一定程度上避免事故的发生。通常，对润滑油的监测是采取定期抽取油样的方法，但是采用这种方法不仅不能准确掌握设备运行的磨损状况，还会徒增人力物力的投入。基于上述情况，文章介绍了一种便携式油液监测装置的开发和应用。

柴油机；润滑油；便携式油液监测装置

随着计算机技术、图像识别技术和信号处理技术的发展，面对油液监测的技术要求和离线检测方法的不足，油液监测技术自身所具有的特点吸引了许多国内外机构对其进行研究。起初油液监测只是对油液污染度进行分析[1]，主要是分析润滑油的理化性能指标如水分、黏度、闪点、酸值、机械杂质等[2]。之后，油液监测技术开始对油液中磨粒进行分析[3-4]，进入21世纪，在线油液监测技术飞速发展，特别是在线油液监测技术已在船舶上的广泛应用，武汉理工大学的曹永开发出一套基于多方法综合的船舶动力设备在线监测智能故障诊断系统，并将其应用于实船运行中[5]。在机舱监测系统的各个子系统中，动力系统的在线油液监测系统是其不可或缺的组成部分，也是船用柴油机最为重要的监测手段之一。但是由于船用柴油机发生故障的型式很多，而且一种故障的发生常常伴随着多种原因，因此在油液监测过程中依靠单一参数常常不能精确地检测到故障发生的部位以及原因，同时离线油液监测送检周期长，花费成本较高，不能实时在线获取润滑油理化状态和携带磨粒信息。

为了实现油液监测的便捷化、功能多样化以及智能化，设计一套比较实用的便携式油液监测装置，对油液采集数据进行分析，通过监测数据的变化情况检测到故障发生的原因并排除故障。

1 传感器介绍

1.1 图像可视的铁谱传感器

系统通过电磁铁将润滑油流道中的磨粒沉积在光学玻璃上，利用显微摄像头获得沉积磨粒的静态图像，然后利用图像处理技术获取磨粒的浓度、颗粒度以及磨粒类型等特征。计算机控制主油路旁路电磁阀开启；油液在回油压力作用下进入铁谱传感器的流道；计算机通过RS232/485接口与单片机连接，控制电磁铁供电电压吸附铁磁性磨粒。当采集完成，计算机控制透射光源开启，图像光信息经过光学镜头放大后投射到CMOS图像传感器， 并通过USB串行通信将图像信号送入计算机，并以24位的BMP格式存储。

事物都有自己的表现形式和发生发展的轨迹，它的出现和发展都有一定的迹象可循，人们可以因此对事物进行精准的了解和判断。对事物进行了解和判断的能力就是觉察力。所谓觉察力，就是洞悉彻悟事物的发展规律、方向的高度预见性的一种本领和能力，是能够以小见大、以心见性、见微知著、敏捷独到的一种超前的感悟能力。[1]具有较强觉察力的人，能运用心理、思维的力量去了解事物，解开事物之间的因果关系。父母对家庭教育问题的觉察力，即父母发现家庭教育问题的能力，包括对家庭教育的状况、存在的问题和产生原因等都能有所发现和认识，并洞察影响家庭教育的诸因素之间的相关关系，明察家庭教育的成效。

1.2 其他传感器介绍

选用L-HM46抗磨液压油，分别由传统黏度仪和本文所设计的便携式油液监测装置测量其黏度。便携式油液监测装置测得的2组数据取均值与黏度仪所测的数据进行记录对比。记录的数据如表1所示。

2 便携式油液监测装置的集成设计

临床护理路径(Clinical nursing pathway，CNP)是指医院里一组成员共同针对某一病种的监测、治疗、康复和护理所制定的一个有严格工作程序、准确时间要求的照顾计划，以减少康复的延迟及资源的浪费，使服务对象获得最佳的医疗护理服务质量［1］。它强调以服务对象为中心，以人为本的理念，使患者积极参与配合到整个医疗计划中来，调动患者的主动性。我院泌尿外科采用临床护理路径方法在前列腺增生症患者围手术期中的应用，取得了较好的效果。现报道如下。

监测系统是采用离线取样及主油路循环的方式来实现对柴油机润滑油的状态监测及短时间连续性在线监测。监测系统包括取样部分、信号采集控制部分和数据分析部分。监测系统整体结构流程如图1所示。

2.1 系统集成的组成

2.2 集成装置的整个监测系统

系统集成包括监测动力、油样恒温处理、传感器集成协调、数据采集RAM(一种微处理器)开发、数据的传输存储及解析显示。实现了对设备磨损状态的实时监测,得到其在运行过程中的润滑摩擦的相关数据；整个监测过程采用闭路循环，监测过的油样重新返回系统，对油品不进行任何破坏性检测；采用嵌入式RAM芯片组作为数据采集控制模块的核心，完成采集、控制和传输等功能。数据以图片的形式对异常磨损进行采集和分析，为摩擦故障分析提供更为直观的判断依据。

数据传输和管理部分主要是将下位机、单板机采集到的传感器信号通过计算机网络传输到上位机PC，并将其存入上位机的数据库供分析使用，同时实时显示各个传感器对油液的监测数据的变化情况以及实时数据。在数据管理软件部分，需要对当前采集到的数据进行判断，判断其是否超过了设备要求的使用指标。主要通过2方面来判断当前数据是否超过设备所要求的指标。一方面设定平均值阈值，另一方面设定实时数据峰值阈值。平均值阈值是判断在多次测量过程中，数据变化的总体趋势是否超过了被监测的汽轮机油的运行指标要求；实时数据峰值阈值反映的是当前测量出的数据的变化幅度是否超过被监测的汽轮机油的运行指标要求，因为实时测量的数据会是一个波动的过程，实时数据峰值阈值能够保证波动的峰值不超过运行指标的要求。另外，数据传输和管理部分还要对各个传感器采集到的历史数据进行分析，从历史数据中分析出汽轮机油变化的发展趋势，预测汽轮机油的使用状态和换油时间。

我国行政事业单位国有资产规模巨大，且以每年10%左右的速度增长，如何更加科学合理地管理这些“家底”非常重要。发达国家将公共资产称为公共部门资产，由国家授予公共权力，并以社会的公共利益为组织目标，以法制化管理来规范程序，以严格制度执行来确保公共资产的安全。21世纪以来为提高公共资产管理质量，国外开始了一系列公共资产共享的研究，这对我国行政事业单位国有资产共享机制有着一定的借鉴意义。

在数据管理软件部分，需要对当前采集到的数据进行判断，判断是否超过了设备的使用指标，主要通过两方面来判断当前数据是否超过了设备所要求的指标。一方面设定平均阈值，另一方面设定实时数据峰值阈值。平均阈值是判断在多次测量过程中，数据变化的总体趋势是否超过了被监测设备润滑油的运行指标要求；实时数据峰值阈值反映的是当前测量出的数据变化幅度是否超过被监测设备润滑油的运行指标要求，因为实时监测的数据会是一个波动的过程，实时数据峰值阈值可以保证波动的峰值不超过运行指标的要求。另外，数据传输和管理部分还要对各个传感器采集到的历史数据进行分析，从历史数据中预测设备油液变化的发展趋势，预测设备油液的使用状态和换油时间。

图1 监测系统整体结构流程图

取样部分由润滑油主输油管，输油齿轮泵，在线监测系统进油支管，缓冲油池，水分和温度联合传感器，在线铁磁传感器，在线铁谱传感器和黏度、密度、介电常数、温度四合一传感器构成。其中，监测系统所实时监测的油液通过在线监测系统进油支管和在线监测系统回油支管从润滑油主输油管流入到在线监测系统中并流回。在线监测系统中，润滑油被分为两路，其中一路进入到缓冲油池，另外一路直接与在线铁磁和铁谱传感器相连。在缓冲油池中安装有2个油液特性的传感器，一个是水分和温度联合传感器，另一个是黏度、密度、介电常数、温度四合一传感器。水分和温度联合传感器用于测量润滑油液中含水量的大小，四合一传感器用于测量润滑油的流体特性参数，主要用来监测润滑油的黏度、密度和介电常数等。

信号采集控制部分由ADC数据采集卡、齿轮泵、声光报警装置、硬盘和下位机、单板机构成。前述的各种传感器中水分传感器输出的信号为模拟信号，通过ADC数据采集卡采集到下位机、单板机，四合一传感器通过CAN2.0接口采集到下位机、单板机，铁磁传感器的数据通过RS232串行接口输入到下位机、单板机，当铁磁传感器发现金属颗粒数目异常时，RAM芯片组反馈给在线铁谱传感器供电，下位机、单板机通过RS232/485接口与单片机连接，控制电磁铁供电电压吸附铁磁性磨粒。当采集完成，下位机、单板机控制透射光源开启，图像光信息经过光学镜头放大后投射到CMOS图像传感器，并通过USB串行通信将图像信号送入下位机、单板机，并以24位的BMP格式存储。下位机、单板机根据获取传感器信号的分析结果做出相应的控制，主要是根据测量的需求调整和控制齿轮泵的流量，以及根据监测的油液指标是否超过设定的阈值来决定声光报警装置是否执行报警动作。

以高集成SOC处理器RAM Cortex-M4及DSP双内核STM32F407VCT6为主控系统，实现磨粒显微图像、电压、电流信号的接收和采集，并通过TCP/IP无线协议将异构信号同步传输至控制室数据中心。液晶显示屏给出用户界面信息，包括金属颗粒污染量、黏度变化曲线、水分超标报警、磨损量曲线，以及实时磨粒图像。其中实时数据可同时输入DS证据模型，给出故障或者异常发生源，而磨粒图像则存储或者通过以太网输送至专家诊断终端。

3 试验验证

便携式油液监测装置中还包含LubCosH2O+Ⅱ在线水分传感器、OPCom FerroS铁磁传感器和FPS2802ULC4型号的四合一传感器，分别可以实现油液湿度和温度的变化、磁性磨损颗粒浓度和油液的温度、黏度、介电常数以及密度的测量。

表1 L-HM46抗磨液压油黏度数据

将上述试验所记录的平均黏度和温度数据用数据拟合软件进行曲线拟合得出不同温度下所测油品黏度的拟合曲线如图2所示。

电源结构得到优化。火电装机占比由2015年约75%下降至2030年的66%，新能源装机占比由2015年的3%大幅提高至10.5%。

图2 不同温度下所测油液黏度的拟合曲线图

结果显示：便携式油液监测装置所测黏度与黏度计实测黏度之间有一定的误差，考虑到运动黏度测定仪测量油液黏度过程中，油样的温度会偏高或者偏低，导致黏度计实测的油液黏度会相比装置所测的油液黏度偏小或偏大。综合外界环境等各方面的因素，实验所记录的装置所测黏度与黏度计实测黏度之间的误差在允许范围之内。

码头拆除前，施工船舶在码头附近开挖抛锚较为困难，可采用抛设备用锚的方式：乘高潮时用锚艇将备用锚抛至码头后方，将锚上的钢丝绳引至码头海侧放置，并设置浮标标示，抓斗船抛锚时，将船上锚缆与已抛备用锚锚缆对接即可。在码头沉箱拆除一段后，锚艇可正常出入码头后方，此时可直接采用锚艇将锚抛至码头后方，不再需要抛设备用锚。

4 结束语

便携式油液监测装置是一款检测快速的小型化、轻量化油液检测设备。设备是工程机箱型式，可方便进行数据综合查询、数据USB传输、系统升级等；能以数字、图表等方式彩显NASISO污染度等级数，适合于现场油液检测使用。装置能够及时获得油液温度、密度、黏度、水分、铁磁含量和磨粒图像信息，帮助工作人员正确分析油液污染情况，及时判断机械零件的工作状况。

[1] Prabhakaran Anand, Jagga C.R .Condition monitoring of steam turbine-generator through contamination analysis of used lubrication oil[J].Tribology International ,1999,32(3):145-152.

[2] 李柱国. 机械润滑与诊断[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3] 严宏志，张亦军. 一种磨粒在线监测传感器的设计及其特性分析[J].传感技术学报，2002(4)：333-338.

[4] 张小刚. 面向在线油液监测的微量水分和磨粒传感器研究[D].西安：西安交通大学，2013.

[5] 曹永. 船舶柴油机综合在线监测诊断系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

Through viscosity of lubricating oil, water, some other physical & chemical properties and the wear of abrasive implementation of monitoring information, comment can be made on equipment wear, to a certain extent, to avoid accidents. Under normal circumstances, oil-sampling should be taken periodically for detecting abnormal wear, but the use of this approach can' t grasp the state of the wear in equipment operation accurately with investment of energy consumption, manpower and material resources increased.Based on this, the portable oil monitoring device introduced in its development and application.

diesel engine; lubricating oil; portable oil monitoring device

易鸣(1992-)，男，湖北荆门人，在读硕士研究生，研究方向为船舶油液在线监测。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.009

2017-03-28