电容式油液污染度在线监测传感器的设计

　　0 引 言

　　液压油作为机械装备液压系统的工作介质，除传递动力之外，还兼有润滑、冷却、密封等作用；据统计，液压系统所发生的故障中，有80%以上是由于液压油污染引起的。另外，根据调查表明：离线油样分析的结果有50%没有发现问题，45%显示失效即将发生，仅5%检测出严重问题[1,2]。这样消耗了大量的人力物力，且无法及时地诊断故障，因而，在线油液监测十分必要。对液压油的性能和状态进行在线监测，可以实时掌握液压油污染状况，做到合理换油，并可以及早发现机械装备的故障，从而对液压系统进行有效控制，增加机械装备的使用寿命，确保其安全、高效地工作。因此，对机械装备中的油液进行在线监测，对国民经济建设和国防事业发展都有着重要的意义。

　　1 传感器的设计与改进

　　1.1 传感器的初步设计

　　油液老化或被污染，油液中的极性分子和颗粒物含量发生变化，油液的介电常数也随之改变[3]。通过监测机械装备中油液的介电常数可以反映油液性能和机器状态。

　　为了保证传感器的测量精度和测量数据的准确性，在进行传感器设计时应充分考虑到传感器便于清洗或者污染物不易附着在传感器表面，考虑传感器极板与油液之间通过有机玻璃相隔离。使传感器极板不与油液直接接触。其结构见图1。它分别由厚度为d、内径为R1的圆柱筒和厚度为d、外径为R2的圆柱筒共同组成封闭的环形绝缘管腔，两圆筒形极板紧贴在管腔内外径上，外极板的内表面与内极板的外表面形成电容器，使用时油液由圆筒形管腔流过。为减少电容器的边缘效应的影响，传感器轴向尺寸要远大于内径，且电极做得很簿。为避免外界电磁干扰，电极外面加上金属屏蔽罩。

　　电容传感器的电容为:

　　式中： 为真空介电常数； 为极板间介质总的相对介电常数（包括污染油液介电常数和绝缘材料介电常数）；为极板长度； 为内极板半径； 为外极板半径。

　　当传感器的基本尺寸确定后，可得.

　　式中： 为一常数。由上式知，通过检测电路将监测传感器电容值的变化即可获知油液介电常数的变化，从而可以定性判断油液的状态信息。

　　1.2 传感器的改进设计

　　液压油污染物中，金属磨粒对液压系统的危害最大，同时污染的液压油中金属磨粒含量是进行系统故障诊断的重要信息依据，金属磨粒也是衡量油液污染度的依据。因此，金属磨粒含量是油液污染监测时最为关心的指标。

　　本文改进后的传感器设计见图2，其中一个传感器的进出油口直接接入油路中，另一个传感器的进出油口与油液之间通过滤清器连接。这样一个传感器测得的是污染油液总的介电常数，另一个传感器测得的是除去金属磨粒后的污染油液的介电常数，两者的差值就是污染油液中金属磨粒的介电常数，从而可以确定金属磨粒的含量。若进一步改进，传感器组由若干个传感器组成，每个传感器各外接不同过滤精度的滤?含量，从而可以很容易推算出污染油液的污染度等级。