CN111677846B - 一种矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿用刮板输送机减速器润滑油油品监测传感器，其由主电路板、显示单元、键盘、测量电极、温度传感器和风扇组成；其中，以传感器聚四氟乙烯外壳为基础，主电路板设置于外壳内，显示单元、键盘均安装在外壳上，测量电极的一段固定于传感器聚四氟乙烯外壳上；所述温度传感器的探头置于润滑油中，温度传感器引出线与CPU的模拟量采集通道连接；所述风扇置于润滑油中。本发明将CPU、通信单元、电机驱动单元、模拟量调理、继电器、正弦信号发生器、显示单元、键盘、测量电极、温度传感器和风扇组成润滑油油品传感器，测量矿用刮板输送机减速器润滑油品质，评估润滑油当前状态，提高了刮板输送机减速器润滑油品质检测自动化水平。

Description

一种矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器

技术领域

本发明专利涉及一种刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，尤其适用于煤矿井下综采工作面刮板输送机减速器润滑油油品质在线监测。

背景技术

刮板输送机是煤矿井下综采工作面唯一的输煤设备，它的安全可靠是采煤的关键。而减速器是刮板输送机的核心设备，其主要作用是提高输出转矩、降低转速，并将电机和刮板链条连接。减速器的齿轮和轴承在运转过程中承受着来自电机的巨大作用力矩和轴承传动时的反作用力矩。因此，为了保护齿轮在高强度负荷工作下不受损害，减速器齿轮箱设计有润滑油箱，通过润滑油为齿轮提供良好的润滑，同时通过齿轮的转动带动润滑油为齿轮散热，因此良好可靠的润滑油是减速器正常运行的保障。

目前对于矿用刮板输送机润滑油品质的分析仍然需要专业技术人员定期进行基于时间的监测，即：在规定时间对减速器进行内窥检查，然后采集减速器润滑油样本，送入实验室进行分析，整个过程工作周期长，工作量大，工作效率低，且需要对刮板输送机长时间停机，降低了刮板输送机的利用率，影响了工作面的采煤效率。

刮板输送机减速器用润滑油为相对静止状态，所设计的传感器需要能够保证传感器探头两极板间测量的润滑油与油箱中油一致，以便准确、实时地反映润滑油的变质过程，实现润滑油变质过程的线监测。

现在已有一些文献报道了关于润滑油监测传感器的研究，如国防科技大学肖建伟等人发表的“基于介电常数的新型在线油液监测传感器”文中介绍了微小电容检测的硬件系统，并以此为基础开发了油液在线监测实验系统，但未具体阐述传感器的设计；南京理工大学韩婷婷等人公布的“基于介电常数的电容式油品传感器设计”的文章中介绍了基于AD7745数字电容转换的电容传感器，而AD7745的缺点是测量范围小，需要增加扩容电路，否则不能够满足矿用刮板输送机减速器润滑油品质测量过程中的测量需要。

现有公开号为CN102621195A“一种含铁量在线监测新型传感器及其监测方法”的专利，提供了一种基于电容测量润滑油铁含量的传感器实现对润滑油铁含量的监测，但是在减速器运行过程中，影响润滑油油品的因素很多，只监测其中一种不能反应润滑油变质的问题。公开号为CN204044101U“一种具有自动补偿功能的在线监测润滑油品质电容传感器”的专利，提供了一种基于油介电常数变化结合温度补偿测量油液品质的传感器，专利内容详细介绍了传感器探头的设计结构，所提到的传感器探头适用于流动性的油液环境，刮板输送机减速器用润滑油为相对静止状态，该传感器不能用于监测刮板输送机减速器油箱润滑油品质，且该专利未给出电容值与油液相对介电常数之间的转换关系以及相对介电常数和润滑油品质之间的联系。

发明内容

为了解决背景技术中减速器润滑油状态监测、检查和维护过程中的诸多不足和缺陷，本发明的目的在于：提供一种矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，在线监测矿用刮板输送机减速器润滑油品质的变化，摒弃传统的基于时间的维护计划，转而采用一种基于状态的维护计划，进一步提高工作效率，减少不必要的繁琐的工作，提高煤矿综采工作面刮板输送机减速器的运行可靠性。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种矿用刮板输送机减速器润滑油油品监测传感器，其特征在于：所述传感器由主电路板、显示单元、键盘、测量电极、温度传感器和风扇组成；其中，以传感器聚四氟乙烯外壳为基础，主电路板设置于外壳内，显示单元、键盘均安装在外壳上，测量电极的一段固定于传感器聚四氟乙烯外壳上；所述温度传感器的探头置于润滑油中，温度传感器引出线与CPU的模拟量采集通道连接；所述风扇置于润滑油中。

所述主电路板安装在传感器聚四氟乙烯外壳内，由CPU、通信单元、电机驱动单元、模拟量调理、继电器和正弦信号发生器组成。CPU用于计算润滑油相对介电常数和温度、切换测量电极、标定润滑油初始使用时的相对介电常数、判断润滑油当前品质、输出测量数据和控制正弦信号频率。通信单元与CPU的USART接口连接，通信单元由1路RS-485接口组成，用于向外部传输采集到的数据。电机驱动单元与CPU通过SPI方式连接，用于控制电机带动风扇转动。模拟量调理电路与CPU通过模拟量采集通道连接，用于将润滑油相对介电常数转换为标准模拟量信号。继电器与CPU的I/O连接，用于选择接入模拟量调理电路的不锈钢内电极。正弦信号发生器与CPU通过I/O口连接，用于发出输出幅值为1V和频率为10Hz到1kHz的可调的正弦信号。

所述CPU为8051F040型单片机。

所述显示单元采用1.8寸TFT液晶屏，安装在传感器聚四氟乙烯外壳上，与CPU的USART接口连接，用于显示测试得到的润滑油介电常数值、润滑油品质状态、参数设定值。

所述键盘为4×4按键，安装在传感器聚四氟乙烯外壳上，与CPU的通用I/O口连接，用于整定参数的输入和屏幕翻页控制。

所述测量电极置于润滑油中，一端固定在传感器聚四氟乙烯外壳上。测量电极包括通油孔、不锈钢外电极、不锈钢内电极I、不锈钢内电极II、不锈钢内电极III、聚四氟乙烯环形支架、电极引线及定位销；其中通油孔为润滑油在电极之间流动提供通道；不锈钢外电极和内电极分别与一根电极引线的一端连接，每根电极引线的另一端经密封套穿过传感器聚四氟乙烯外壳与模拟量调理电路连接，密封套用于防止润滑油漏出；定位销用于将不锈钢电极固定在聚四氟乙烯环形支架上。

所述温度传感器的探头置于润滑油中，温度传感器引出线与CPU的模拟量采集通道连接，用于测量润滑油的温度，修正由于温度改变带来的介电常数测量偏差。

所述风扇置于润滑油中，风扇包括电机和叶片，电机安装于聚乙烯外壳内，与主电路板的电机驱动单元连接；叶片置于润滑油中，与电机的转轴连接；风扇用于使润滑油在测量电极间流动，保证测量电极间的润滑油与减速器油箱中的油一致。

所述主电路板的模拟量调理电路由电桥电路、相位控制电路和交-直信号转换电路组成；其中，电桥电路和相位控制电路的相连；电桥电路和相位控制电路的另一端与交-直信号转换电路进行连接。

所述电桥电路由主测量电路和参考电容测量电路组成，主测量电路由相位补偿电路、测量电极、运算放大器、反馈电容和高通滤波器F₁组成，相位补偿电路输入端与参考电容测量电路输入端连接，相位补偿电路的输出端与测量电极连接一端连接，测量电极的另一端与运算放大器输入端和反馈电容的一端连接，运算放大器输出端和反馈电容的另一端与高通滤波器F₁的输入端连接；参考电容测量电路的输出端与高通滤波器F₂的输入端连接。

所述相位控制电路用于控制相位补偿电路中补偿电容大小，其由方波发生器、鉴相器、差分放大器和积分电路组成，方波发生器U₁和U₂的输入端与电桥电路的高通滤波器F₁和F₂的输出端连接，方波发生器U₁和U₂的输出端与鉴相器的输入端连接，鉴相器的输出端与差分放大器的输入端连接，差分放大器的输出端与积分电路的输入端连接，积分电路的输出端与电桥电路的相位补偿电路输入端连接。

所述交-直信号转换电路对电桥电路测试得到的两个电压信号进行差分，并通过整流和低通滤波电路将其转换为直流信号输出，其由差分放大器和整流低通滤波电路组成，差分放大器的输入端分别于高通滤波器F₁和F₂的输出端连接，差分放大器的输出端与整流低通滤波电路的输入端连接，整流低通滤波电路的输出端与CPU模拟量采集通道连接。

本发明的具体实现过程为：在刮板输送机减速器底部安装润滑油油品监测传感器，通过不锈钢外电极和内电极测量构成的测量电极，经模拟量调理电路测量两电极之间润滑油的电容，并将电容值转换为标准模拟量信号传输到CPU，CPU根据所测量信号实时选择所使用的内电极，并由CPU计算得出润滑油的品质，即相对介电常数。CPU测量润滑油的温度，对测得的润滑油相对介电常数值进行修正。每次使用润滑油油品监测传感器前，先测量新的润滑油相对介电常数，然后实时测量润滑油的变化过程，结合润滑油到达报废时的相对介电常数，评估当前润滑油所处的状态。通过显示单元显示测量结果和评估状态，通过CPU单元将测量结果和评估状态传输到刮板输送机监控保护系统。

本发明所述的刮板输送机减速器润滑油油品评估方法为：根据润滑油从新油相对介电常数ε₀到报废相对介电常数ε_s的变化，先将润滑油变质过程分为：新油ε₀～ε₁、良好ε₁～ε₂、较好ε₂～ε₃、一般ε₃～ε₄、较差ε₄～ε₅、接近报废ε₅～ε₆和报废ε₆～ε_s共7个阶段。然后，判断润滑油的相对介电常数所处阶段，即可得出当前润滑油的品质为新油、良好、较好、一般、较差、接近报废或报废。

本发明的有益效果是：采用可变电极结构，将CPU、通信单元、电机驱动单元、模拟量调理、继电器、正弦信号发生器、显示单元、键盘、测量电极、温度传感器和风扇组成润滑油油品传感器，测量矿用刮板输送机减速器润滑油品质，评估润滑油当前状态，提高了刮板输送机减速器润滑油品质检测自动化水平。

附图说明

图1本发明专利传感器的结构图；

图2本发明专利传感器的组成框图；

图3本发明专利传感器的模拟量调理电路图；

图中：1、传感器聚四氟乙烯外壳；2、密封套；3、定位销；4、不锈钢外电极；5、不锈钢内电极I；6、不锈钢内电极II；7、聚四氟乙烯环形支架I；8、不锈钢内电极III；9、聚四氟乙烯环形支架II；10、不锈钢内电极III引线；11、不锈钢内电极II引线；12、不锈钢内电极I引线；13、不锈钢外电极引线；14、叶片；15、电机；16、主电路板；17、显示单元；18、温度传感器；19、键盘；20、通油孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

如图1、2所示，本发明所提供的矿用刮板输送机减速器润滑油监测传感器，是在现有技术的基础上，针对矿用刮板输送机减速器润滑油状态实现在线监测所设计的传感器，其结构主要包括：主电路板16、显示单元17、键盘19、测量电极、温度传感器18和风扇组成，均安装在传感器聚四氟乙烯外壳1上，外壳上有M30×1.5的标准螺纹，可以直接安装在减速器上。其中，主电路板16安装在传感器聚四氟乙烯外壳1内，包括CPU、通信单元、电机驱动单元、模拟量调理电路、继电器和正弦信号发生器；其中通信单元与CPU的USART接口连接，电机驱动单元与CPU通过SPI方式连接，模拟量调理电路与CPU通过模拟量采集通道连接，继电器与CPU的I/O连接，正弦信号发生器与CPU通过I/O口连接。键盘19为4×4按键，安装在传感器聚四氟乙烯外壳1上，与CPU的通用I/O口连接，用于整定参数的输入和屏幕翻页控制；温度传感器18探头置于润滑油中，温度传感器18引出线与CPU的模拟量采集通道连接，用于测量润滑油的温度，修正由于温度改变带来的介电常数测量偏差。风扇包括电机15和叶片14，电机15安装于聚乙烯外壳1内，与主电路板16的电机驱动单元连接；叶片14置于润滑油中，与电机15的转轴连接；风扇用于使润滑油在测量电极间流动，保证测量电极间的润滑油与减速器油箱中的油一致。

如附图3所示，所述模拟量调理电路由电桥电路、相位控制电路和交-直信号转换电路组成。其中电桥电路由主测量电路和参考电容测量电路组成。主测量电路由相位补偿电路、测量电极、运算放大器、反馈电容和高通滤波器组成。在模拟量调理电路中，将测量电极等效为C_s。相位补偿电路用于补偿传感器探头电容连接线路上的电感影响，其由运算放大器Q₁、电阻R₁、电阻R₂和压控型电阻U_R1组成，相位补偿电路输入端与正弦信号发生器输出V_in端连接，输出端连接等效电容C_s一端。等效电容C_s另外一端与运算放大器Q₂的负输入连接，反馈电容C_f1连接于运算放大器Q₂的输出端和负输入端，运算放大器Q₂的正输入接地，运算放大器Q₂的输出端与高通滤波器F₁的输入端连接，高通滤波器F₁的输出端与差分放大器Q₄的正输入连接；参考电容测量电路由参考电容C_ref、运算放大器Q₃、反馈电容C_f2和高通滤波器F₂组成。参考电容C_ref的一端与正弦信号发生器输出V_in端连接，参考电容C_ref的另一端与运算放大器Q₃反向端连接，反馈电容C_f2连接于运算放大器Q₃的输出端和负输入端，运算放大器Q₃输出端与高通滤波器F₂的输入端连接，高通滤波器F₂的输出端与差分放大器Q₄的负输入端连接。

相位控制电路用于控制相位补偿电路中补偿电容大小，其由方波发生器U₁和U₂、鉴相器U₃、差分放大器Q₅和积分电路组成。其中方波发生器将主测量电路和参考测量电路的输出电压V_s转化为用于相位判别的方波，通过鉴相器得到主测量电路和参考测量电路两个输出电压之间的相位差。方波发生器U₁输入端连接高通滤波器F₁的V_s输出端，方波发生器U₂输入端连接高通滤波器F₂的V_ref输出端，方波发生器U₁和U₂输出端连接鉴相器U₃输入端，鉴相器U₃输出端连接差分放大器Q₅的输入端。积分电路由Q₅和C₁组成，差分放大器Q₅输出端与积分电路的Q₆输入端以及C₁的一端连接，积分电路的Q₆输出端以及C₁的另一端与UR₁控制端连接。

交-直信号转换电路对电桥电路测试得到的两个电压信号进行差分，并通过整流和低通滤波电路F₃将其转换为直流信号输出。其由差分放大器Q₄、整流低通滤波电路F₃组成。整流低通滤波电路F₃为单相全波整流电路和低通滤波电路。差分放大器的输入端分别连接到高通滤波器F₁和F₂的V_s和V_ref输出端，差分放大器的输出端连接低通滤波电路F₃的输入端，低通滤波电路F₃输出端V_d与CPU的模拟量输入口连接。

如附图3所示，测量电极置于润滑油中，一端固定在传感器聚四氟乙烯外壳上。测量电极包括：通油孔20、不锈钢外电极4、不锈钢内电极I5、不锈钢内电极II6和不锈钢内电极III8、聚四氟乙烯环形支架7、不锈钢外电极引线13、不锈钢内电极I引线12、不锈钢内电极II引线11、不锈钢内电极III引线10及定位销3；通油孔20为润滑油在电极之间流动提供通道，不锈钢外电极引线13、不锈钢内电极I引线12、不锈钢内电极II引线11和不锈钢内电极III引线10均镀银导线，不锈钢外电极4、不锈钢内电极I5、不锈钢内电极II6、不锈钢内电极III8分别与不锈钢外电极引线13、不锈钢内电极I引线12、不锈钢内电极II引线11和不锈钢内电极III引线10的一端连接，每根电极引线的另一端经密封套2穿过传感器聚四氟乙烯外壳1与模拟量调理电路连接，密封套2用于防止润滑油漏出。定位销3用于将不锈钢外电极4固定在聚四氟乙烯外壳1上，并将不锈钢内电极5固定在聚四氟乙烯外壳1和聚四氟乙烯环形支架II9上，将不锈钢内电极6固定在聚四氟乙烯环形支架II9和聚四氟乙烯环形支架I7上，将不锈钢内电极8固定在聚四氟乙烯环形支架I7上。不锈钢外电极4、不锈钢内电极I5、不锈钢内电极II6、不锈钢内电极III8均为厚度为d的不锈钢管；不锈钢外电极4的内半径为R₂，不锈钢内电极I5、不锈钢内电极II6和不锈钢内电极III8的外半径分别为R₁₁>R₁₂>R₁₃。因为实际测量时仅将一个不锈钢内电极接入模拟量调理电路，所以计算时将此电极的外半径记为R₁，可得传感器电极间等效电容C_s与电极尺寸满足以下关系：

式中：R₁为内电极的外半径，R₂为外电极的内半径。

由此可知，当传感器测量电极长度L一定时，内电极的外半径R₁与外电极的内半径R₂之间差值越小，传感器的灵敏度越高。然而，当测量值太大或太小时，其会超出模拟量调理电路的测量范围。因此，本发明设计三种尺寸的内电极。在测量过程中，根据润滑油品质变化时相对介电常数的变化，切换内电极，使测量结果保持在模拟量调理电路测量范围之内。根据设计的模拟量调理电路，当润滑油为新油时，选用不锈钢内电极I5与不锈钢外电极4测量；当润滑油相对介电常数达到ε₁时，选用不锈钢内电极II6与不锈钢外电极4测量；当润滑油相对介电常数达到ε₂时，选用不锈钢内电极III8与不锈钢外电极4测量。

所述传感器测量原理为：输入正弦波V_in在主测量电路中，通过补偿电路、传感器电极间等效电容C_s、运算放大器Q₂、补偿电容C_f1和高通滤波器F₁得到一个相位超前的正弦波V_s，输入正弦波V_in在参考测量电路中，通过参考电容C_ref、运算放大器Q₃、补偿电容C_f2和高通滤波器F₂得到一个相位超前的正弦波V_ref，将得到的V_s和V_ref经过Q₄差分得到V_out，将V_out经过整流，滤波最终得到直流信号V_d，其中转换关系如式(2)～(6)：

V_in＝Asin(ωt) (2)

由差分放大电路特性转换得到电压差值V_out与待测电容之间的关系式为：

由整流电路的转换关系得出V_d与传感器电容值之间的关系如式为

式中：A为输入正弦信号的幅值，ω为频率；G为差分放大器Q₄的放大增益，S为测量电路得灵敏度，ΔC为参考电容与待测传感器探头之间的电容值。

由于得到的ΔC为一差值，不能准确判断出参考电容和待测电容的大小，因此通过相位控制回路中鉴相器判断V_s和V_ref的相位，得到浸入润滑油中待测传感器探头的电容值与参考电容之间的大小，计算得到V_d与C_s之间的函数关系为：

结合公式1，可以得出润滑油的相对介电常数如下式：

随着润滑油品质的恶化，润滑油的相对介电常数值逐渐增大。由于刮板输送机减速器润滑油为L-CKD闭式齿轮箱用润滑油，根据NB/SH/T0586-2010中对L-CKD闭式齿轮箱用润滑油规定，当润滑油的相对介电常数变为ε_s时，润滑油达到报废，需要及时更换。因为润滑油报废不是由新油直接变为报废，而是需要一个过程，所以为了对润滑油变质过程进行评定，根据润滑油从新油相对介电常数ε₀到报废相对介电常数ε_s的变化，将润滑油变质过程分为：新油ε₀～ε₁、良好ε₁～ε₂、较好ε₂～ε₃、一般ε₃～ε₄、较差ε₄～ε₅、接近报废ε₅～ε₆和报废ε₆～ε_s7个阶段。

Claims (4)

1.一种矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，其特征在于：所述传感器结构包括：主电路板、显示单元、键盘、测量电极、温度传感器和风扇；其中，以传感器聚四氟乙烯外壳为基础，主电路板设置于外壳内，显示单元、键盘均安装在外壳上，测量电极的一段固定于传感器聚四氟乙烯外壳上；所述温度传感器的探头置于润滑油中，温度传感器引出线与CPU的模拟量采集通道连接；

所述主电路板安装在传感器聚四氟乙烯外壳内，包括CPU、通信单元、电机驱动单元、模拟量调理电路、继电器和正弦信号发生器；其中通信单元与CPU的USART接口连接，电机驱动单元与CPU通过SPI方式连接，模拟量调理电路与CPU通过模拟量采集通道连接，继电器与CPU的I/O连接，正弦信号发生器与CPU通过I/O口连接；

所述显示单元采用1.8寸TFT液晶屏，安装在传感器聚四氟乙烯外壳上，与CPU的USART接口连接；

所述键盘为4×4按键，安装在传感器聚四氟乙烯外壳上，与CPU的通用I/O口连接；

所述测量电极置于润滑油中，一端固定在传感器聚四氟乙烯外壳上；测量电极包括通油孔、不锈钢外电极、不锈钢内电极I、II和III、聚四氟乙烯环形支架、电极引线、定位销；其中，不锈钢外电极和内电极分别与一根电极引线的一端连接，每根电极引线的另一端经密封套穿过传感器聚四氟乙烯外壳与模拟量调理电路连接，定位销用于将不锈钢电极固定在聚四氟乙烯环形支架上；根据设计的模拟量调理电路，当润滑油为新油时，选用不锈钢内电极I与不锈钢外电极测量；当润滑油相对介电常数达到ε ₁时，选用不锈钢内电极II与不锈钢外电极测量；当润滑油相对介电常数达到ε ₂时，选用不锈钢内电极III与不锈钢外电极测量；

所述风扇结构包括电机和叶片，电机安装于聚乙烯外壳内，与主电路板的电机驱动单元连接；叶片置于润滑油中，与电机的转轴连接。

2.根据权利要求1所述矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，其特征在于：所述CPU为8051F040型单片机。

3.根据权利要求1所述矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，其特征在于：所述通信单元由1路RS-485接口组成。

4.根据权利要求1所述矿用刮板输送机减速器润滑油品质监测传感器，其特征在于：所述主电路板的模拟量调理电路由电桥电路、相位控制电路和交-直信号转换电路组成；其中，电桥电路和相位控制电路的相连；电桥电路和相位控制电路的另一端与交-直信号转换电路进行连接。

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