在线颗粒计数器的研制
更新时间：2012-07-09 浏览次数：6527
应用于液压系统油品污染度监控的有效手段
在线颗粒计数器的研制
薛剑英 王兆武 曲丹丹 王英 曲艳
摘要：本文介绍了在线式颗粒计数器的原理结构，分析了影响颗粒计数准确性的主要原因，介绍了国产KZ-1颗粒计数器*的取样计量泵结构，通过与进口台式颗粒计数器进行数据对比，证明KZ-1的计数准确性达到台式水平。KZ-1的研发成功，为我国的液压油污染度检测提供了一种高性价比的检测手段。
关键词：在线式颗粒计数器 液压油污染度检测
Abstract: In this paper, we briefly introduce the principle structure of online particle counter, analyze the reasons about the accuracy of particle count, and introduce the unique metering pump sampling structure of the homemade particle counter KZ-1. By comparison with the foreign lab particle counter, the accuracy of KZ-1 reaches the standard of the lab. The successful R&D of KZ-1 provides the value and accessibility inspection means for oil pollution detection in our hydraulic industry.
Keywords: online particle counter; hydraulic fluid oil pollution detection
1. 引言
固体颗粒污染物是液压系统中zui普遍，危害作用zui大的污染物。据资料统计，由于固体颗粒污染物引起的液压系统故障占液压系统故障的60%~70%，固体颗粒污染物可加速液压元件的磨损、堵塞元件的间隙和孔口，使控制元件动作失灵而引起系统故障。因此，能够有效的监控液压油的污染状况，对系统中的液压油进行污染控制，对于提高液压设备的可靠性和元件的使用寿命具有重要意义。
监测液压油污染度的主要手段采用是遮光式颗粒计数器，油品等级控制标准NAS1638、ISO4406及我国国军标GJB420等都明确了采用遮光式颗粒计数器进行监测的油品等级划分。目前颗粒计数器按照使用方式可分为台式（实验室）颗粒计数器、便携式颗粒计数器和在线式颗粒计数器三类，其中，在线式颗粒计数器结构小巧，可直接安装於与系统实时监控，具有不可替代的发展前景。
2. 激光遮光式颗粒计数器传感器的原理
遮光式颗粒计数器的核心为遮光式传感器，此项技术起源于20世纪60年代，一直为欧美垄断，天津罗根科技有限公司经多年攻关，于2000年成功研制了激光遮光式传感器，目前已推出国产台式，便携和在线三种颗粒计数器。
遮光式传感器基于颗粒对光遮挡导致的光强减弱这一光学原理，其主要由光源，聚焦系统，传感器探测区，光敏接收管和信号放大电路组成，由光源发出的光，经聚焦系统聚焦后形成平行光束照射到传感器探测区，在探测区没有颗粒物质通过时，光强被光敏接收管接收，为基础光强。，当颗粒物质通过探测区光束时，会产生遮挡消光现象，光敏接收管接收到的光强减弱，信号放大电路会输出一个与光强变化成正比的电脉冲，颗粒物质在光束中遮光的截面积越大，产生的光强变化也越大，电信号越大，因而，电信号的大小直接反映了颗粒投影面积的大小，也就反映了颗粒尺寸的大小。
早期的光源采用白炽光，但是白炽光强度低，均匀性不好，只能够检测出5um以上颗粒，现在大多数采用激光光源，激光为单色光，可很好的聚焦，均匀性好，检测下限度达到1um，可满足目前大多数油品污染度、国内标准的要求。
3. 影响颗粒计数器计数准确的因素
颗粒计数器计数准确性除去与光路、机械、电气的设计、制造、调试等因素有关以外，还有两个重要因素：液体流经传感器的流速和取样体积。 液体中同样粒径的颗粒经过传感器的速度越快，产生的脉冲宽度越窄，脉冲的频谱分量越高，由于光敏接收器件及放大电路的频率响应范围是有限的，随着频率的增高，电路的高频响应越差，导致脉冲幅度减小，图（3）是不同流速下的阈值与粒径曲线。
| （1）——流速10ml/min （2）——流速15ml/min （3）——流速25ml/min （4）——流速40ml/min |
图（3） 不同流速下的阈值与粒径的关系曲线
所以，如果要求颗粒计数器计数准确，就必须保证液流速度稳定。保证流速稳定有两个含义，一是在整个检测过程中，流速始终保持不变；另一含义是检测时的流速要与标定时的流速保持一致。另外，油品的污染度等级都是基于一定的浓度，所采用的体积单位是一般是（ml或100ml），所以当取样体积不准时，所得到的浓度也就不准了，可以看出，取样体积的准确性直接影响到颗粒计数器的准确性。甚至导致对油品污染度等级的判定。所以，如果想让颗粒计数器计数准确，必须保证液流速度稳定同时也要保证取样体积准确。
4. 在线式颗粒计数器的结构
目前，国外的在线式颗粒计数器为了降低成本，结构较为简单，其主要由遮光传感器和流量调节器构成，并联在液压系统的管路上，依靠液压系统的正向压力将液压油导入传感器，根据流速对时间积分，计算出体积，根据所测得的颗粒计数值及体积，算出颗粒的浓度，就可以直接给出液压油的等级，这类仪器一般只有几个数码管显示等级，不能给出具体的颗粒数目及浓度，如需知道这些数据，就需要将仪器与电脑连接，利用电脑软件读出数据。此后，遮光式传感器将粒子转换成光电脉冲，经过多路比较器，送到多路计数器，有几路计数器，颗粒计数器就有几个“通道”。计数器将计数结果送到MPU微处理器，微处理器将计数结果送到数码管显示器，显示器对检测结果加以显示 。同时，微处理器还可以通过RS232接口接到打印机打印出检测结果，微处理器也可以通过此接口与上微机 （PC机）进行通讯，完成PC机对颗粒计数器的操控、编程或存储数据。
这类在线颗粒计数器的弊端是：如果外界液压系统压力不能很好的稳定，会直接影响到流经传感器的液流的速度，从而影响颗粒产生脉冲的幅度和流量，会给计数结果带来较大的偏差。
5. KZ-1在线式颗粒计数器的结构
为了避免以上因素对颗粒计数的影响，我们开发的KZ-1型在线颗粒计数器采用新型双端活塞计量泵实现稳定流速和定量的功能，因而获得了接近台式仪器的精度和重复性。
双缸式活塞泵的工作过程是：当电磁阀A接通传感器与活塞1，电磁阀B接通取样缸2与排液管，活塞1取样定量，活塞2排液；当电磁阀B接通传感器与活塞2，电磁阀A接通取样缸1与排液管，活塞2取样定量，活塞1排液。实际结构中，活塞1、活塞2是一体的，我们称之为双缸式活塞泵。
双缸式活塞泵利用两个缸交替取样、排液的工作原理，实现液流连续不断的流经传感器的工作方式，解决了定量、定速、连续取样的难题。双缸式活塞计量泵可工作的zui大压力为150psi，在0~150psi的压力范围内，活塞具有很好的定量取样和稳定流速的功能，无论外界系统压力如何变化，活塞均能以稳定、准确的流速（流速稳定度优2%），。同时，活塞泵利用活塞位移进行定量取样，因而定量的精度及重复性很高，定量的精度可达到优于2%。
同时，因为活塞泵具有*的自吸功能，可实现低粘度油品的离线检测，可具备台式和便携式颗粒计数器的某些功能。
6. 对比数据
KZ-1在线颗粒计数器安装在滤油机上，可很方便的监控滤油机对油品的过滤效率，以下为KZ-1颗粒计数器安装在某滤油机上进行的计数结果，表（1）中同时列出了与美国太平洋公司HAIC8000型台式颗粒计数器进行的对比数据。
表（1）KZ-1颗粒计数器计数结果 通道单位：um 计数单位：个/ ml
| 时间 | 初始 | 5min | 10min | 15min | 20min | 25min | 30min | zui终结果 | |
| 型号 通道 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | KZ-1 | HAIC8000 |
| 5~15 | 2302 | 1810 | 1348 | 936 | 752 | 613 | 460 | 332 | 458 |
| 15~25 | 73 | 50 | 32 | 25 | 20 | 18 | 15 | 10 | 20 |
| 25~50 | 8 | 5 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 50~50 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 50~100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 级数 | 9 | 9 | 9 | 8 | 8 | 7 | 7 | 7 | 7 |
以上数据表明，KZ-1连接到滤油机上，可很方便直观的观测滤油机过滤的全部过程，其zui终结果与美国太平洋公司台式仪器对比，数据吻合，说明KZ-1在线颗粒计数器计数准确性指标达到台式仪器的水平。
7. 结论与前景
由于受到进口颗粒计数器价格昂贵的制约，我国液压油污染度检测方面还相对落后，很多液压设备由于液压油污染，不能及时更换处理，而出现比较大的经济损失，现在，我国的很多行业如航空、电力、机械、过滤器等也在不断制定新的标准，提高人们对油品污染度检测重要性的意识。
KZ-1在线式颗粒计数器可方便的接入滤油机、清洗机液压油运转管路、大型机械设备等的液压系统上，可以很方便实时地监测液压油的污染度状况，KZ-1内部*的计量泵保证了仪器运转的稳定和精度，受外界影响小，由于是国内自主研发，关键部件为国产自行设计加工，大大降低了成本，为进口仪器的1/2~1/3的价格，为我国广大液压系统用户提供了监测液压油污染度的物美价廉的手段，必将对我国液压油污染度检测起到巨大的促进作用。
参考文献：
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10．中华人民共和国药典 附录ⅨC 注射剂中不溶性微粒检查法 中国药典委员会
11．美国药典 USP24<788>PARTICULATE MATTER IN INJECTION
12．标准化组织标准“ISO 11171：Hydraulic fiuid power-Calibration of liquid automaticle particle counters”
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