专利名称：智能油品质量监测仪的制作方法
技术领域：
一、所属领域本实用新型涉及一种仪器设备，具体地说是一种用于润滑油或液压油油品质量检测和评价的智能油品质量监测仪。
因此，油的品质监测是很有必要的，通过一定的监测数据来评定油质的劣化程度，进行合理的更换，这样做，一方面可以适当延长油的使用寿命，节约换油成本；另一方面，可以减少因油品变质引起的系统的故障。
对润滑油的状态进行评估主要有两种方式在线和离线两种。目前，在工程使用中，大多使用离线检测技术对油品的性能、状态进行监测，现场采集的油样送到监测中心后进行理化性能的测试，常用的仪器有运动粘度测定仪、闪点测定仪、机械杂质测定仪、水分测定仪等分析仪器，这些仪器具有测试精度高、测试方法符合标准的优点，但是存在以下不足(1)体积庞大，只适合在实验室环境中进行离线分析，不适合现场测试；(2)从现场采样到实验室分析的过程需要花费很长时间，不能满足实时性的要求；(3)仪器成本高，维护和操作要求的技术较高，不可能在现场广泛的应用。
在线使用的润滑油品监测方法主要有光测法、恒流量分析法和电容法等。光测法利用污染物的遮光特性可对油液中的固体颗粒进行直接监测，具有代表性的是美国HIAC/ROYCO公司推出的多通道自动磨粒计数器，光测法只适合分析颜色较浅的和污染度较低的油。中国专利[审定公告号2454774一种透平油污染度检测仪，授权日期2001年10月17日]，介绍了一种透平油污染度检测仪，该检测仪基于光电原理，在被检测的透平油经由平行透明薄板之间的间隙通过，光束经过小孔穿透薄板之间的油层，在薄板的另一侧安放一个光电转换元件，在光束经过油层照射在光电转换元件上时，会产生一定的电信号，信号电平与颗粒大小成正比，经微机检测分类后，可以判断油质的污染程度恒流量分析法利用油在恒定流量流过滤膜，通过监测滤膜两端的压差达到某一预定值的时间或监测预定时间内滤膜两端的压差的变化来确定油液的污染度，如美国DIGNETICS公司推出的DCA便携式污染监测仪等。电容法根据电容的变化推算出油液的污染程度。例如赵方等人运用容栅式电容传感器对油品的质量进行估计，所设计的容栅形电容传感器对润滑油中的水分比较敏感，而对金属磨粒的敏感性较差。
中国专利92226404[新型油品品质测定仪器，授权日期1993年7月3日]，介绍了一种油品品质测定仪器，该检测仪用一个自适应的锁相环反馈电路将振荡器始终锁定在一上标准频率上，其锁相环路的反馈信号就可直接反映被测油品品质的变化。
以上所介绍的这些仪器仅能监测油品的单项指标，能进行多种参数综合分析的监测设备很少，这些利用单一信源信息对油品质量进行监测的方法，缺乏对多源信息的协同利用、综合处理，因而在可靠性、准确性和实用性方面都存在着不同程度的缺陷。
在施工现场，由于环境的恶劣经常使传感器发生损坏，以单个传感器的信息进行判断，会造成虚警和漏报。因此，通过多种传感器数据的综合(集成和融合)，以获得比每一个单一传感器更多的信息，使资源获得共享，并可在某一传感器出现故障时，利用其它传感器以及冗余信号处理器来补偿，实现传感器之间信息互补，即使某个传感器失效，系统仍能得到正确的结果，大大提高了系统的容错能力。
为满足准确性、可靠性的需要，必须把传感器技术、微电子技术及计算机技术等有机地结合在一起，研制出一套智能监测仪器，这种装置应有以下特点a.测量过程自动化具有自动巡检、自动诊断、自动报警功能。也就是说在监测过程中，能监测和显示检测油品在40℃下的粘度值，油的介电常数值和油温，并且显示故障代码等数据。
b.实现多参数检测与信息融合在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，实现检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测的可靠性和容错性，将测得的粘度、温度、介电常数等信息进行融合得出油品的状态。
c.智能化数据处理在连续测试时对随时出现的油体过粘和环境温度过低等工况能补偿和调整，具有适应环境温度变化的能力，不会因上述原因产生误报和漏报现象。
d.通讯功能在线监测仪应具有与PC机进行通讯的能力，将测量的参数值或故障信息及时送入上位机，为实现油液监测系统的远程监测和诊断提供基础。
为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是一种智能油品质量监测仪，包括，一仪器壳体和壳体内设置的电路；电路部分包括以一单片机1为核心的微处理器，其特征在于，单片机1连接有振荡电路5、电容频率转换电路6、温度传感器7、监控电路8、键盘输入模块9、串行LED驱动器10、通讯模块12和存储器13；振荡电路5连接有测量用粘度传感器2和参考用石英晶体3，电容频率转换电路6连接有电容传感器4，串行LED驱动器10连接有LED显示器11。
本实用新型的其它一些特点是，所述测量用粘度传感器2为石英晶体微天平，结构形式采用单面触液型；所述振荡电路5采用MAX913，其输出是TTL电平信号，便于单片机的采集。
所述通讯模块12的型号为MAX232；所述存储器13的型号为24C04。
所述温度传感器8的型号为DS1820；所述串行LED驱动器的型号为Max7219。
本实用新型不但可以监测油液粘度、介电常数和油温的变化，还利用多传感器的信息融合技术，将测到的粘度、温度、介电常数进行融合得出油品的状态，判断油质的污染程度，大大提高了油品质量检测的准确性。能将监测数据通过串口传入上位机，以便进一步分析处理。
参见
图1，图1所示的是本实用新型智能油品质量监测仪的系统总体框图，在图1中，1是AT89C52单片机，2是测量用粘度传感器，3是参考用石英晶体传感器，4是电容传感器，5是振荡电路，6是电容频率转换电路，7是DS1820温度传感器，8是Max813监控电路，9是键盘输入模块，10是Max7219串行LED驱动器，11是LED驱动器，12是MAX232通讯模块。
本实用新型的智能油品质量在线监测仪可以分为以下几部分(1)单片机系统；(2)粘度测量模块；(3)介电常数测量模块；(4)温度测量模块；(5)人机对话模块(包括键盘输入模块、显示模块及报警电路)；(6)通讯模块。充分采用集成电路的最新成果和低功耗设计思想，使电路板体积小，功耗低。
该智能油品质量监测仪，包括，一仪器壳体和壳体内设置的电路；电路部分包括以一单片机1为核心的微处理器，其特点是，单片机1连接有振荡电路5、电容频率转换电路6、温度传感器7、监控电路8、键盘输入模块9、串行LED驱动器10、型号为MAX232的通讯模块12和型号为24C04的存储器13；振荡电路5连接有测量用粘度传感器2和参考用石英晶体3，电容频率转换电路6连接有电容传感器4，串行LED驱动器10连接有LED显示器11。
智能油品质量监测仪的工作流程如图2所示。首先，仪器进行自检，再从存储器24C04中读出设定参数并进行初始化，然后监测仪处于待机状态，等待命令，根据不同的命令分别进入不同的程序流程，包括温度监测、粘度监测、介电常数监测、融合以及复位流程，在进行每一个散转流程后，本监测仪通过串行通讯方式将采集到的相关参数及时送入上位机，进行入库工作，然后继续执行原来的散转程序，直到有新的命令为止。
1单片机系统监测仪的CPU采用自带8k字节电可擦除式程序存储器的89C52控制器，性能价格比高；为了保证长期稳定可靠的工作，本系统采用了性能优异的μP监控芯片Max813，它集复位控制器，看门狗定时器于一身，增强了系统的集成度和可靠性；另外，存储器24C04用于模型参数的存储。
2显示及报警电路该系统选用了集成度很高的Max7219显示器驱动模块，它是一种新型的、多位LED显示驱动模块，采用简单的三线SPI接口、内部自带时钟电路、无需任何外围元件、显示功能多样化等特点，与以往系统的显示驱动电路相比较，它使硬件结构简化，节省了单片机系统的资源，系统功能也得到了提高；报警电路主要由蜂鸣器及发光二极管组成，用于系统参数越界报警。
3通讯模块为了将所测到的油品的温度、粘度以及介电常数值存入上位机数据库中，本系统采用MAX232实现AT89C52单片机系统与工控机之间的通讯。
4粘度测量模块(1)测量原理目前最常用的粘度计有圆筒旋转式粘度计，超声波粘度计，毛细管压差式粘度计，落球式粘度计等，它们结构复杂，并且从油品采样到得出结论所花费的时间很长，实时性较差，只适合于实验室分析，很难对油品的粘度进行有效的在线监测。为了克服传统方法的不足，本实用新型提出了一种基于QCM(石英晶体微天平)进行在线油品粘度监测的新方法，这种方法结构并不复杂，并且实时性很强，满足油品的在线粘度分析的要求。
QCM是在石英晶体白片的两面镀上一层金属作为两极，由外部的一个电子振荡电路来驱动，当在两极加上一定的电场时，会引起QCM以一定的频率振荡，这个频率是由电极上的质量及液体的粘度和密度决定的。Kanazawa和Gordon推导出石英晶体与液体单面接触时，液体粘度和密度与晶体振荡频率偏移的基本关系式如下Δf=-f01.5(ρlηl/ρqμq)0.5---(1)]]>这里ηl是液体的绝对粘度，ρl是液体的密度。Δf是晶体的振荡频率偏移，ρq和μq分别是石英晶体的密度和弹性模量。因此Δf与(ρlηl)的平方根成线性关系。利用这个关系，我们可以得到油的粘度。在现场进行安装时，必须选择油速较缓的位置，避免油对传感探头的冲击。
(2)QCM传感器及其振荡电路的设计具有AT切型的石英晶体振荡片具有低的零温度系数，因此我们选用了2.4M的AT切石英晶体振荡片来制作传感器的探头，为了延缓电极在油中氧化，采用了镀金电极，使晶片与油单面接触，探头示意图如图3和图4所示。本系统开发的以Max913芯片为核心的振荡器，其输出是TTL电平信号，便于单片机的采集。采用这种电路，解决了以往振荡电路驱动能力差的缺点，使QCM在液体中能够稳定的起振，具体振荡电路如图5所示。
石英晶体及其振荡电路在使用过程中都有温漂、时漂的现象，在使用一段时间后，由于传感器及其电路自身引起的测量值发生变化，这是测量系统中不可忽视的误差，本实用新型采用了参比石英振荡片的方法来消除传感器以及放大电路的自身参数发生变化所带来的误差，确保数据的准确和可靠。从测量用QCM振荡电路和参考用QCM振荡电路输出的两路方波信号分别进入差频器74LS74的D端和CLK端，得到的差频信号进入单片机的TO口进行计数。
5介电常数测量(1)传感原理忽略油中所含杂质的影响，含水油可以近似看作纯油和纯水两种介质的混合，其有效的介电常数可用式(2)表示ϵr=Dϵ1+(1-D)ϵ2---(2)]]>式中，εr为混合介质的有效介电常数，ε1为纯水的介电常数，ε2为纯油的介电常数。由于油和水的介电常数相差很大，纯油介电常数大都在2～7之间，而水的介电常数为80，比油高一个数量级，油中含水量的变化将显著地影响油品的介电常数值，因此通过介电常数的测量可以间接反映油中水的含量是否超标。在机器的运行过程中，由于某种原因使润滑油中混入水分等情况下都会使润滑油的介电常数发生明显的变化，从而导致传感器电容的变化。换句话说，传感器电容的变化实际上反映了油液中含水量的变化。针对润滑油在线监测的要求，油的介电常数的测量采用低成本的容栅式传感器。
容栅式传感器结构如图6所示，它是由处于同一平面上的一组平行电极构成，其中S为发射电极，R为接收电极。当电容传感器的结构以及外形尺寸一定时，电容量为C＝k×ε (3)式中，ε为介质的介电常数，k为常数，由电容器的结构、形状、尺寸决定。
当在发射电极与接收电极之间加载电压时，检测电路便将润滑油介电常数的变化转变为电容的变化，进而再转变为频率的变化。通过分析频率的大小及其变化即可获得油品劣化的情况。
(2)测量电路的检测原理油的介电常数的变化通过容栅式传感器转换为电容的改变量，再利用电容频率转换电路将电容的变换转换为频率的改变，频率的采集可通过89C52单片机的计数器进行采集。容栅式传感器的测量电路有电桥式、运算放大器式和脉冲调宽式等，本监测仪采用脉冲调宽式，测量运算电路由脉冲发生器、单稳态电路、脉冲检测电路和单片机计数器构成。脉冲调宽式测量介电常数电路原理框图如图7所示。
其中脉冲发生器和单稳态电路由时基电路NE556构成，电路原理图如图8，内含两个相同的集成定时器IC1a，IC1b。由外接元件R1，R2，C1和定时器IC1a构成一个无稳态多谐振荡器，它的振荡器频率为f＝1.44/[(R1+2R2)C1] (4)根据式4计算得到IC1a的5脚输出的振荡频率是60Hz，构成一个脉冲发生器，输出接IC1b的8脚。由外接元件R3，Cx和定时器IC1b构成一个单稳态多谐振荡器，Cx就是检测用的容栅式传感器，由于电容的变化，电路的单稳延时不同，脉冲的占空比取决于传感器的电容值，它的输出的振荡器频率为
f＝1.1/(R3Cx) (5)R4，C4对输出信号进行低通滤波后，频率信号进入单片机89C52的计数器口进行处理。因此油的介电常数为ε＝Cx/k＝1.1/(R3fk)＝K/f (6)6温度测量在大型设备的液压系统或润滑系统中，只进行单点温度测量是不够的，应该检测多点油液的温度，因此选用多个DS1820构成温度测控网络是很方便的。本实用新型在油品质量智能分析仪中油品的温度实时监测中，采用了新型数字温度传感器DS1820。它是一种单总线式数字温度传感器，单总线式系统是指在一条总线上可以挂接一个主机、多个从机，DS1820传感器就是单总线系统中的从机。DS1820组成的系统抛弃了以往温度传感器需加ADC转换成数字量的由一大堆元器件组成的形式，构成一种性价比高的单总线接口。
7多源信息融合在油品质量监测的参数中，温度对油的粘度和介电常数都有较大影响，因此使用多传感器的数据融合技术，可以减少系统对传感器缺陷的敏感性，不需要过高的精度，也不需要复杂的信号处理，还可以提高判断的准确性。
本实用新型将测得的传感器的数据进行融合，分为两个过程第一级是对影响输出信号的特征参数进行融合处理，得出最能反映诊断对象的指标，并作为后续处理的基础。第二级是信息融合诊断，它是对多个不同类型传感器信号进行信息融合，从多个信息角度判断诊断对象的状态，提高了信息的利用率和状态识别的准确性，融合结构图如图9所示。
(1)第一级融合油液的粘度以及介电常数均会随油温的变化而变化，因此，要提高测量精度，必须进行介质温度补偿和多参数的非线性校正。通常的检测油品粘度是在恒温下进行的，但是，若增加恒温装置，必然会增加仪器的复杂性和成本。理论研究结果表明任意复杂函数的输入输出关系均可以用一个三层或三层以上的多层感知机网络来逼近。因此，可以利用神经网络作为工具建立相应的网络模型，经过训练找出油的粘度与温度、介电常数与温度之间的关系，送入神经网络训练。第一级融合采用两个3层前馈型ANN网络，每一个网络的网络结构是2-8-1，两个网络的输出分别是是40℃下油的粘度值和介电常数值(归一化值)，其学习算法采用误差反向传播算法。
(2)第二级融合在得出40℃下油的粘度值、油温、介电常数后，利用BP网络对油品的运行状态进行分类，可得出油品目前的状态(正常、轻微污染、报警和报废)。本实用新型采用离线训练，在线运行的方式，神经网络的训练在微机上进行，使用工程上常用的Matlab神经网络工具箱对样本数据进行训练，当训练结束后，将得到的网络参数存入智能油品质量在线监测仪的24C04中，利用单片机进行实时监测。
本实用新型使用了石英晶体微天平(QCM)作为粘度测量传感器，这种方法从原理上讲，结构并不复杂，并且实时性很强，满足油品的在线粘度分析的要求。引入了数据融合技术，建立了油品质量综合分析的神经网络模型，大大地提高了智能油品质量监测仪的测量可靠性。随着样本数据的不断增加以及油品劣化机理的研究，该模型将更加完善，对今后油液质量分析进一步实现自动化有着重要的意义。
为了能够实施本实用新型，发明人给出了以下的实施例。
图3、图4是本实用新型粘度探头的两种具体的实施实例。
QCM探头的设计必须满足在油液环境中稳定振荡的要求。传感器探头的结构对振荡器的性能影响很大，对探头的设计要遵循以下原则a.力求传感器具有较小的体积和质量，并且便于现场安装。
b.减少晶片受到的液体阻尼，使晶体易于起振。
c.在保证油不渗入晶片的另一表面的前提下，应尽可能的减少封装形式对晶体振荡参数的影响，减少封装应力。
为了减少阻尼，本实施例设计的QCM探头采用单面触液型，探头的结构根据晶片安装位置的不同可以有两种，分别如图3、图4所示，其中，14是端盖，15是石英晶体振荡片，16是电极，17是接线柱，18是胶木壳体。探头壳体采用耐油的胶木材料制作，采用胶接的方法将晶片用环氧树脂固定在壳体上，注意树脂一定要均匀涂抹在晶片和壳体之间，接线柱与导线焊接在一起后，必须用环氧树脂进行密封，防止油浸入导线内。采用这种单面触液型结构，不但可以使QCM传感器的两个电极在电气上相互隔离，而且因为晶片只有一面与油液接触，减少了油液对石英振荡片的阻尼，使晶体容易起振。因为石英晶体振荡片较薄，所以在安装时应保证石英晶体与胶木壳体相互垂直，并且使晶片的电极处于圆柱体外壳的中心位置。
权利要求1.一种智能油品质量监测仪，包括，一仪器壳体和壳体内设置的电路；电路部分包括以一单片机[1]为核心的微处理器，其特征在于，单片机[1]连接有振荡电路[5]、电容频率转换电路[6]、温度传感器[7]、监控电路[8]、键盘输入模块[9]、串行LED驱动器[10]、通讯模块[12]和存储器[13]；振荡电路[5]连接有测量用粘度传感器[2]和参考用石英晶体[3]，电容频率转换电路[6]连接有电容传感器[4]，串行LED驱动器[10]连接有LED显示器[11]。
2.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述测量用粘度传感器[2]为石英晶体微天平，结构形式采用单面触液型；所述振荡电路[5]的型号采用MAX913，其输出是TTL电平信号，便于单片机的采集。
3.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述电容传感器[4]为容栅式传感器。
4.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述通讯模块[12]的型号为MAX232。
5.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述存储器[13]的型号为24C04。
6.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述温度传感器[7]的型号为DS1820。
7.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述串行LED驱动器[10]的型号为Max7219。
8.根据权利要求1所述的智能油品质量监测仪，其特征在于所述监控电路[8]的型号为Max813。
专利摘要本实用新型公开了一种油品质量状态监测仪，用于润滑油或液压油的评价。它由粘度探测器、温度传感器、容栅式电容及其传感器电路、89C52单片机、通讯接口电路、人机对话模块(包括键盘输入模块、显示模块及报警电路)等部分组成，它不但可以监测油液粘度、介电常数和油温的变化，还利用多传感器的信息融合技术，将测到的粘度、温度、介电常数进行融合得出油品的状态，判断油质的污染程度，大大提高了油品质量检测的准确性。能将监测数据通过串口传入上位机，以便进一步分析处理。
文档编号G01N35/00GK2554632SQ02261839
公开日2003年6月4日 申请日期2002年6月19日 优先权日2002年6月19日
发明者张优云, 张剑锋 申请人:西安交通大学