冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置及方法与流程

本发明属于工业设备状态监测领域，尤其是一种冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置及方法。

背景技术：

1、冷却塔减速机运行环境恶劣，需要在高温差（冬季-20℃至夏季60℃）和高湿度（相对湿度常年85%以上）下连续运转。润滑油是冷却塔减速机上齿轮和轴承的唯一保护介质，其状态的三个核心指标通常为：

2、（1）液位。因为油池泄漏或飞溅消耗，会导致油位下降。以设计油位50mm的减速机为例，当液位降至30mm以下时，上部轴承和齿轮啮合面会润滑不足，持续运转数小时即容易产生不可逆磨损。

3、（2）温度。正常油温应该为40℃～65℃，超过75℃即预示轴承预紧力异常或齿轮啮合偏差；超过85℃后，润滑油粘度会急剧下降，导致油膜破裂风险骤升。

4、（3）振动。现有iso 10816-3标准规定了该类设备振动速度rms报警阈值为4.5mm/s。而且，振动升高是齿轮点蚀、轴承剥落、轴弯曲等故障的早期唯一表征。

5、目前，为了避免这些问题，相关工厂通常采用人工定期巡检的模式来避免，如采用目视油位镜判读液位，手持红外点温枪测量油温，手持测振仪采集振动。但是，毫无疑问地，该模式存在实时性差、人工判读风险大、极端天气不容易做到正常巡检等问题，导致实际监测效果大打折扣。现也有一些具有在线监测能力的方案，但多数依然存在如下根本性缺陷：

6、（1）多传感器分立设置，导致集成度低。油位、温度、振动各自用独立传感器，需要三个以上安装孔位，但是现实的问题是冷却塔减速机油池可用的空间通常仅有一个预留的螺纹孔。

7、（2）电容式液位传感器因为有介电常数漂移的问题，这也成为行业公认的容易影响监测结果的难题，电容液位探头的基本物理模型为 c = ε·k·h，其中ε为油液相对介电常数，k为电极几何常数，h为浸没高度。矿物油的ε在25℃时约为2.2，温度每升高10℃下降约0.7%～1.5%；长期运行3～6个月后因氧化产物积累，ε可漂移5%～15%；若因轴封泄漏导致微量水分侵入（0.5%～2%含水量），有效ε可跳变10%～30%。对于50mm小量程电容液位计（满量程电容变化δc通常仅8～15pf），仅温度一项即可引入9%～18%满量程误差。这个电容式液位传感器在减速机油位监测中一直未能规模应用的核心技术障碍，一直是人们希望破除但没有很好地破除的问题。

8、（3）现有的对ε漂移的补偿方案也还是各有致命缺陷：纯温度系数补偿法（ccomp =craw / (1+α·δt)）仅对单一油品的纯温度变化有效，完全无法应对氧化老化和含水造成的ε变化；而差分电容法又需要两套独立安装的传感器或罐体两侧开孔，不适于紧凑结构，故都不够好。

9、（4）测量这三个参数后，不能实时地进行融合诊断：即使分别安装了三种传感器，因各系统独立运行，无法进行跨参数关联推理，例如：振动正常+温度正常+液位缓降的泄漏模式与振动升高+温度升高+液位正常的轴承磨损模式，需人工综合分析才能区分，系统本身无法给出实时诊断，由此大大影响了设备使用的稳定性和安全性。

10、为此，人们希望找到一种对冷却塔减速机更适用的测量结果精确、结构更紧凑、具有更好的预警能力的润滑油监测装置。

技术实现思路

1、为了克服上述现有问题的不足，本发明提供了一种结构巧妙、安装使用方便、测量数据可靠、制造成本低的冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置，以便于在单一探头中集成液位、温度、振动三参数测量，将安装接口缩减至一个，同时使电容液位测量不受油品介电常数因温度变化、氧化老化和含水乳化等而会产生变化的影响，且在50mm以下小量程中实现稳定可靠的液位测量。

2、对于现有技术存在的电容液位测量时因油品介电常数漂移导致测量误差大的问题，发明人经过长时间的研究，终于想到了解决的办法，即利用参考电容比值法消除介电常数漂移，让电容液位测量不再受油品介电常数因温度变化、氧化老化和含水乳化等而会产生变化的影响，具体地，在传统的作为测量电极的内电极下方再设置一个足够短的参考电极，让测量电极和参考电极形成两个共用外管的同轴电容：

3、测量电容的测量值cmeas = ε · kmeas · h

4、参考电容的测量值cref  = ε · kref  · href

5、其中h为液位浸没测量电极段的高度，href为参考电极段高度（固定值），ε为油液介电常数。

6、本发明不依赖电容绝对值计算液位，而是采用比值法：

7、ratio = cmeas / cref = (kmeas / (kref · href)) · h

8、因测量电容和参考电容的介质为同一油液、接地极为同一外管，且ε同时出现在分子分母中，故可被精确消去，即无论ε因温度变化、氧化老化或含水乳化如何改变，只要变化后的油液在轴向均匀分布，比值保持不变，即液位测量结果不再受ε的变化影响，测量误差大大下降。

9、本发明运行前的标定过程中，需记录两个基准点：空罐比值rempty（测量段全空、参考段浸油时的比值）和满罐比值rfull（测量段全浸时的比值）。运行时液位计算公式如下：

10、h = h · (ratio - rempty) / (rfull - rempty)

11、其中h为测量段物理高度。

12、为了进一步提高液位测量精度，发明人还想到了对上述空罐标定比值的温度修正，以减少温度变化的影响，具体地：

13、利用温度传感器修正零位比值：

14、通过分析比值公式可以发现，rfull的分子分母均含ε，自消，不受温度影响。但rempty的分子为空气介电常数（≈1，常数），分母为εoil——标定时刻记录的rempty_cal与标定时的εoil相关。长期运行后标定温度与当前油温不同时，εoil差异导致零位基线漂移。

15、由此，发明人想到，利用探头内置温度传感器实测的油温，对rempty实施动态修正：

16、rempty(t) = rempty_cal / [1 + α · (tcurrent - tcal)]

17、其中α为可配置的油品介电常数温度系数（负值，典型-0.0008～-0.0015/℃）。将修正后的rempty(t)代入液位公式即可消除零位温漂。

18、由此，本发明通过双重补偿机制，即利用比值法消除运行时ε的主体漂移，又利用温度修正消除标定残差，二者互补，最终使得电容液位测量不再受油品介电常数因温度变化、氧化老化和含水乳化等而会产生变化的影响，且测量数值精确，而且还无需外接参考油样或其他辅助传感器，由此达到了精简测量设备的效果。

19、而正因为有这样的结构基础，让发明人有了将液位、温度、振动三参数测量集成到一个单探头的可能性，最终经过设计，有了本发明的集成方案。

20、为了进一步优化设计，发明人决定采用单芯片多通道采集架构，即采用一片电容数字转换器集成电路，该芯片内部集成两个电容测量前端和一个电阻测量前端，支持spi通信接口。三个通道的接线为：

21、第一电容通道连接测量电极；第二电容通道连接参考电极；电阻测量通道连接铂电阻温度传感器，并外接一只与铂电阻标称值匹配的精密基准电阻，采用比例法测量。

22、由此，芯片上电后自动从内部非易失存储器加载配置，运行过程中微控制器仅需发送启动转换指令并读取结果寄存器，一次转换即可同步获取两个电容值和一个电阻值三个测量数据。控制电容测量分辨率为24-bit，在基准电容1pf条件下等效分辨率约0.06ff，足以分辨50mm量程下10pf满量程变化的千分之一。

23、本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：

24、冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置，所述装置为单探头结构，所述单探头结构包含：

25、外管，所述外管为一根连续的作为共用接地电极及安装结构件使用的导电管，其上部设有一法兰盘，所述法兰盘的底部上设有外螺纹，并通过所述外螺纹通过内外螺纹配合安装于所述减速机的油池预留孔上；其下部设有一金属端盖，所述金属端盖上的底部上，设有一用于油液进入的进油孔，以防止减速机转动时将润滑液甩出外管，影响测量。以前，进油孔通常设置在外管底部的侧壁上，但是，在转动时，可能出现虹吸现象，将润滑液甩出外管。

26、同轴置于所述外管内部的中空的非金属的内管，所述内管的下部，通过在外表面分段贴覆铜箔，在轴向上形成有位于上侧的测量电极和位于下侧的参考电极，段间绝缘隔离一定距离，如1-2mm，所述测量电极的高度对应设计量程；所述参考电极的安装位置确保始终浸没在最低油位以下；所述测量电极与所述外管构成测量电容，所述参考电极与所述外管构成参考电容；

27、温度传感器，安装于所述外管的底部，设置在外管下端的金属端盖与内管的下端之间通过双头连接螺栓通过螺纹配合连接在一起，所述双头连接螺栓的位于上部的螺栓头的上表面上设有盲孔，所述温度传感器设置于所述盲孔中，所述温度传感器与油液通过双头连接螺栓壁实现热传导；

28、振动传感器，安装于所述外管上部的法兰盘内；

29、所述装置中，还包括微处理器和与之配合的电容数字转换器；

30、所述电容数字转换器，包含第一电容通道、第二电容通道和电阻测量通道，其第一电容通道连接所述测量电容，第二电容通道连接所述参考电容，电阻测量通道连接所述温度传感器；

31、所述微控制器，与电容数字转换器和振动传感器连接，用于读取电容数字转换器和振动传感器测量的数据，计算液位、温度和振动速度，并输出结果。

32、作为优选，所述微控制器计算液位时采用比值法，并按以下公式计算：

33、ratio = cmeas / cref

34、h = h × (ratio - rempty) / (rfull - rempty)

35、其中cmeas为所述测量电容的测量值，cref为所述参考电容的测量值，h为测量电极段的物理高度，rempty为空罐标定比值，rfull为满罐标定比值。

36、更优地，所述微控制器还对所述空罐标定比值进行温度修正，修正公式为：

37、rempty(t) = rempty_cal / [1 + α · (tcurrent - tcal)]

38、其中α为预设的油品介电常数温度系数，rempty_cal为标定温度tcal下的空罐比值，tcurrent为所述温度传感器测得的当前油温。

39、作为优选，用于安装温度传感器的盲孔中，在空隙处填充有导热硅脂。

40、作为优选，所述微控制器将液位、温度、振动速度分别映射至三路独立的4～20ma电流输出通道。

41、更优地，所述电流输出通道采用脉宽调制驱动，经低通滤波转换为模拟电流，每个通道支持两点校准且校准系数持久化存储。

42、作为优选，所述参考电极的高度为3～5mm。

43、作为优选，所述外管的材质为不锈钢。

44、作为优选，所述温度传感器为铂电阻，且所述温度传感器与所述电容数字转换器的电阻测量通道通过比例法连接，具体地，电阻测量通道连接铂电阻温度传感器，并外接一只与铂电阻标称值匹配的精密基准电阻，采用比例法测量。

45、作为优选，所述振动传感器为安装于外管上部的法兰盘内的加速度计。

46、作为优选，所述装置还包括一串行通信接口，用于输出测量数据和接收参数配置；全部可配置参数存储于微控制器内部非易失存储区，以校验机制保护数据完整性。

47、本发明还公开了一种利用上述装置进行液位测量的方法，采用所述微控制器依次执行如下步骤：

48、(a) 读取所述测量电容的测量值cmeas和所述参考电容的测量值cref；

49、(b) 计算比值ratio = cmeas / cref；

50、(c) 根据预设的空罐标定比值rempty和满罐标定比值rfull，计算液位h = h ×(ratio - rempty) / (rfull - rempty)，其中h为测量电极段的物理高度。

51、作为优选，所述方法还包括对所述空罐标定比值的温度修正，修正的方法为：

52、(d) 读取所述温度传感器测得的当前油温tcurrent；

53、(e) 计算温度修正后的空罐比值rempty(t) = rempty_cal / [1 + α × (tcurrent -tcal)]，其中α为预设的油品介电常数温度系数，rempty_cal为标定温度tcal下的空罐比值；

54、(f) 以rempty(t)替代步骤(c)中的rempty参与液位计算。

55、作为优选，所述电容数字转换器通过单次转换指令同步获取测量电容值、参考电容值和温度传感器电阻值三个测量数据。

56、本发明还公开了一种冷却塔减速机润滑油状态在线监测与故障预警方法，采用上述的冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置，根据液位、温度、振动速度三个参数的组合变化模式进行故障类型判别：

57、当出现液位稳定、温度与振动同步上升的情况时，即判定为机械磨损故障；

58、当出现液位下降、温度与振动无显著变化的情况时，即判定为泄漏或消耗故障。

59、本发明的有益效果是:

60、本发明的冷却塔减速机润滑油液位、温度、振动三参数集成监测装置，结构巧妙，使用一个单探头即完成了液位、温度、振动三个参数的测量，安装时仅需一个安装孔位，且探头外径可控制在15mm以内，对于冷却塔减速机油池这种预留孔位极为有限的实际工况，适配性极强；而且，该装置实现了对油液相对介电常数全因素免疫的效果，使得测量的液位误差极小，克服了传统纯温补法对于温度变化、油品氧化、含水乳化等问题对油液相对介电常数存在影响时无法补偿或误差很大的问题，是单探头条件下同步应对温度、老化、含水三类ε变化的唯一方法；且该装置通过使用比值法，将充裕的信噪比转化为了稳定测量值，而非在ε漂移中消耗，使50mm以下这种小量程在恶劣工业环境中可实际使用，实用性极强；另外，该装置只使用一片电容数字转换器芯片就完成了电容和电阻的全部高精度测量，无需外部模数转换器、多路复用器和仪表放大器，物料清单简洁，成本控制得非常好；最后，基于同步测量到的液位、温度、振动三个参数的数据，还可在设备端实现故障模式识别，如：液位稳定而温度与振动同步上升，则说明存在机械磨损情况；液位下降而温度与振动无显著变化，则说明存在泄漏或消耗，这是独立传感器方案无法提供的，实用性强，值得推广。