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东北大学硕士学位论文摘要 润滑油微量水分在线检测方法研究 摘要 润滑油污染是设备发生故障以及使用寿命降低的主要原因，而润滑油的水污染是最 常见的污染之一。润滑油的水污染可以引起诸多问题，诸如：添加剂损耗、润滑油氧化、 腐蚀、润滑剂薄膜厚度减小以及微生物滋生等。因此，有必要对油液进行不定期的检测， 掌握其污染信息，从而预防和减少设备故障停机的时间。传统的油液检测方法是在实验 室离线的进行，这种检测方法不仅检测周期长、成本高、程序烦琐、过分依赖人来获得 和处理实验数据，不能实时的反映润滑油的污染信息，已经不能满足大型冶金设备的高 速运转需求。 针对上述问题，我们通过对有关油液微量水分检测理论和在线检测方法的深入研究 和分析，以自行设计的微波谐振式水分传感器为传感元件，n i 公司的p c i 6 0 1 4 e 数据采 集卡结合虚拟仪器测试技术，自行开发了一套基于虚拟仪器的润滑油微量水分在线检测 系统。 本文对润滑油微量水分含量在线检测的原理进行了详细的论述。在确定硬件模块设 计方案的基础上，对虚拟仪器技术与有关函数、相关标准进行深入研究，利用面向对象 技术设计了l a b w i n d o w s c v i 软件操作平台。对数据采集和处理技术进行深入研究，充 分考虑数据采集系统的抗干扰设计，设计算法实现数据的数字滤波和最值处理，实现润 滑油含水量的数据采集和存储。根据油液污染度特征参数及其国际标准，利用标准污染 度对油液的微量水分含量进行标定实验，从而确定本系统的水分含量数学模型函数。进 而对实际润滑油液含水量进行在线检测，来验证数学模型函数的正确性。设计超限报警 功能，给出润滑油含水量的检测结果报告，该系统具有较好的适应性、灵活性和可扩充 性，尤其是实现了在线测量。 关键字：微量水分含量：在线检测；l a b w m d o w s c v i ；数据采集；微波谐振腔； 虚拟仪器技术 一一 东北大学硕士学位论文 a b s 慨 t r e s e a r c ho fm e a s u r i n gm e t h o do nt h e t r a c e w a t e ri nl u b r i c a r i n go i l a b s t r a c t l u b r i c a t i n go i lc o n t a m i n a t i o ni so n eo ft h em a i n m a s o n so ff a i l u r e sa n dl i f er e d u c t i o no f m e c h a n i ce q u i p m e n t i tc a na l s oc a u s eal o to f p r o b l e m ss u c ha sa d d i t i v ew a s t i n g ，o i lo x i d a t i o n ， c o r r o s i o n , l u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s sr e d u c t i o na n da n i m a l c u l eg r o w t h t h et r a d i t i o n a lw a yo f t e s t i n gh a st h ed i s a d v a n t a g e so fc h e c kp e r i o dl o n g , c o s th i g h ，c h e c km e t h o db o t h e r , t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gd e p e n d i n go np a s o nt o om u c h s ow es h o u l df i n daw a y t ot e s tt h e l u b r i c a t i n go i lo n - l i n e i nt h i sp a p e r , u n d e rr e l a t i v e0 i lc o n t a m i n a t i o nc o n t r o lt h e o r i e sa n do n - l i n et e s t i n g m e t h o d sb e i n gl u c u b r a t e da n da n a l y z e d , w ed e v e l o pas u i to fo i lc o n t a m i n a t i o no n - l i n et e s t i n g s y s t e mb a s e do nl a b w m d o w s c v lw i t ht h eo w n e dd e s i g n e dm i c r o w a v er e s o n a n c es e n s o r , n i sd a qc a r dp c i - 6 0 1 4 e h p - p ca n do t h e ra c c e s s o r i e s t h ew h o l ed e s i g np r o j e c tw a sc o n f i r m e d a n dt h eb a s i ct h e o r yo fo i lt r a c ew a t e r m o n i t o r i n gw 雒i n v e s t i g a t e d o nb a s i so f h a r d w a r em o d u l ed e s i g n v it e c h n o l o g ya n dr e l a t i v e f u n c t i o na n dr e l a t i v ec r i t e r i o nb e i n gl u c u h m t e d ，l a b b r m d o w s c v lo p e r a t i o ns o f t w a r ev a s d e s i g n e db yu s i n go fo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yb e i n gd e e p l yi n v e s t i g a t e da n da d e q u a t e l yc o n s i d e r i n gi t sa n t i - j a m m i n gd e s i g n , a r i t h m e t i cl a n g u a g ew a sd e s i g n e dt or e a l i z ed i g i t a lf i l t e r i n ga n dm e a np r o c e s s i n g ，t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go f t h es i g n a l o nb a s i so f o i lc o n t a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r a n di t si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，d e m a r c a t ee x p e r i m e n t su s i n gc r i t e r i o nc o n t a m i n a t i o no i lw e r e m a d e ，a n dc o n t a m i n a t i o nm a t h m o d e lf u n c t i o no f t h es y s t e mw a sc o n f i r m e d ，s ot h eo n q i n et e s t o f t h et r a c ew a t e ri no i lw a sg o n eo nt ov a l i d a t em a t h m o d e lf u n c t i o n t h ee x c e e d - l i m i ta l a r m w a sd e s i g n e da n dt h et r a c ew a t e rp e r c e n t a g eg r a d er e p o r tw a sp r e s e n t e d t h es y s t e mh a st h e c a p a b i l i t i e so f a d a p t a b i l i t y , a g i l i t ya n de x p a n s i o n k e y w o r d s ：t r a c ew a t e ri nl u b r i c a t i n go i l ；o n - l i n em o i n t o r i n g ；v t r t u a li n s t r u m e n t ；m i c r o w a v e r e s o n a n c ea n t r u m i 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储硌乏缎伥 日 期： 2 口护舌、多、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 近年来，人们日益认识到润滑系统以及滑动副元件的寿命和润滑油的清洁度有着很 密切的关系，润滑油系统的污染控制技术也已经得到长足的发展，许多方面己形成专门 的科研、生产和应用体系。对于润滑油中的颗粒物污染，现在基本上都比较重视，都采 取了相应的措施进行控制。而对水、空气、微生物等其它污染，目前还没有象对颗粒物 污染那样给予足够的重视。在颗粒物污染得到有效控制后，其他污染物对系统的危害会 更加凸现出来。水对润滑系统的危害正越来越引起人们的重视。 实践证明，磨损和润滑不良是导致机械设备损坏和发生故障的主要原因。有人做过 统计，当润滑油含水量达到o i o 0 0 0 p p m ) 时，油液开始交成白浊状i 当含水量达到 0 4 ( 4 0 0 0 p p m ) 时，轴承将发生严重磨损。实验表明，随着含水量逐渐增加，润滑油的 抗磨性逐渐下降，当含水量超过0 4 达到1 甚至更高的时候，抗磨性急剧下降，润滑 浊的润滑性丧失，总结如下表： 表1 1 含水量对轴承疲劳寿命的影响 t a b l e l 1e f f e c t t ob t 墙曲唔l i f e o f r e a r e r i n l u b r l e a l j l l go i l 润滑油的传统检测方法【5 ，l o j 是抽取待测油液若干，在实验室离线的完成油液检测工 作，然后给出检测结果，这往往需要很长的一段时间，通常需要一周左右。目前普遍采 用的离线油品水分检测方法有：蒸馏法、气相色谱法以及卡尔费休法等等。然而，这些 方法有的测定工序复杂、费时；有的存在不精确、费用高和不适用于在线测量等众多缺 陷，往往隐藏了故障隐患。目前，国内的高速线材厂普遍存在着润滑油含水量偏高的问 题，这给生产带来了极大的不便。含水量超标，能导致润滑油变质、粘度降低、腐蚀等 多种问题。 润滑油在线检测技术【l o 】就是针对这一问题而迅速发展起来的，通过采用智能水分传 感器，实时监测润滑油中的含水量，及时反映含水量的变化，能提前预测设备故障的发 生，起到预维护的作用，提高设备利用率，降低维修费用。 东北大擎硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外润滑油含水量检测的发展动态 目前在我国的润滑油含水量检测【2 i 嘲行业中，普遍使用的仍是传统的定时取样蒸馏 化验的人工方法，这种检测方法取样时间长，无在线性，取样随机性大，且人为误差大， 费时费力，不能满足生产自动化管理的要求。可实现在线测量的方法主要有射线法、短 波吸收法、微波法、电容法和谐振腔微扰法等。射线法【1 s , 2 3 1 是利用润滑油和水对射线的 吸收能力不同，由此计算出润滑油含水量；短波吸收法【1 2 4 3 】是将电能与电磁波的形式辐 射到乳化状态存在的油水介质中，根据油、水对短波吸收能力的不同来检测油水乳化液 中的水分含量；微波法原理l 4 2 4 3 1 是微波可以被物质吸收，而水对微波的吸收最为显著， 润滑油和水对微波的吸收比可以达到l ：7 5 ，因此采用微波水分传感器，将由水分引起 的微波衰减量转化为电流信号输出，建立输出电流与含水量之间的关系来钡4 含水量；电 容法是采用适合测量液态物质含水率的同轴电容传感器，利用原油乳化液的介电常数与 含水量有关的原理来实现含水量的测量；谐振腔微扰法是利用谐振腔的谐振频率随腔内 电介质的介电常数变化发生偏移这一原理来实现对润滑油含水量测量的。 国外的润滑油含水量测试产品也不多，性能指标和适用范围差别也较大。a g a r c o r p 的产品o w 1 0 2p i p e l i n eb s & wm o n i t o r 采用微波法进行测量：美国p i 公司 ( p r e m i e ri n s t r u m e n t s ，i n c 1 的红眼水分测量仪是利用独有的光学传感器技术开发 的一种先进的水分测量仪，这种水分测量仪基于大量红外线照射油水混合物时其光学性 质会发生变化这一原理研制而成的，通过分析近红外线照射过流体后的透射光、反射光 和折射光性质，结合光谱分析进行测量，这种方法造价高，设备使用及维护比较困难； 美国p a l l 公司的w s 0 4 系列便携式水分检测仪采用的介电常数型水分传感器，其原理 就是润滑油中水分含量的变化会改变传感器探测头的介电常数，介电常数的变化会直接 影响传感器探测头的电容，只要找出其介电常数和传感器探头电容之间的变化规律，就 能准确的测出润滑油的含水量大小。 国内的产品如庆仪公司的如口y 5 0 4 2 系列水分含量分析仪，这是一种基于跟踪稳峰 技术和单片机技术的防爆式、智能化在线检测仪器；北京北斗星工业化学研究所石油仪 器部的h b d 4 m 系列石油液体水分检测仪，其传感器探头为电容式，该仪器具有测量 精度高、时间响应快、安装方便、能实现在线测量等优点；j d y 系列润滑油水分检测仪 是河北冀东石油机械有限公司的产品，该产品是利用测量丫射线穿过润滑油液后强度的 变化来测量水分含量的，具有技术先进、测量精度高、性能稳定可靠、非接触自动在线 测量等特点：燕山大学产业集团的油品含水量测试仪是由传感器探头、电缆和电子仪表 等器件组成，具有测量范围大、误差小、稳定性好、成本低。结构灵巧、可在线测量等 一系列优点。 一2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本课题的研究内容 本课题主要针对润滑油微量水分在线检测问题进行深入研究及应用软件的开发与设 计。以微波谐振传感器为传感元件的润滑油微量水分在线检测系统与其他润滑油水分检 测装置相比有显著的优越性。将该方法与计算机技术相结合，可以实现对润滑油含水量 快速、准确的工程应用测量。本课题以微波谐振腔微扰法为测量原理，利用虚拟仪器的 优点，开发的操作平台系统软件可以实现良好的用户交互界面，实现数据的采集、处理 和存储，从而达到本系统的预期功能，其主要研究内容包括： 1 ) 通过查阅大量的国内外文献，了解国内外润滑油微量水分测试技术及产品动态； 2 ) 针对有关润滑油水污染理论和在线检测方法进行分析研究，重点对微波谐振腔微 扰法测进行了深入研究： 3 ) 确定在线监测系统的设计方案，硬件模块传感器、数据采集卡及计算机的虚拟仪 器系统的设计； 4 ) 对虚拟仪器技术与有关函数进行研究，根据虚拟仪器的相关标准，利用面向对象 技术设计了基于虚拟仪器的润滑油微量水分在线检测系统操作平台软件程序； 5 ) 在微机上进行仿真实验。 3 一 东北大学硕士学位论文 第二章润滑油水污染理论及其潮量方法 第二章润滑油水污染理论及其测量方法 2 1 润滑油中的水分 润滑油在使用过程中，由于种种原因可能会被水污染，引发一系列异常的油质衰败， 导致不同程度的润滑系统故障，从而造成经济损失。本章简述了润滑油中水分的来源、 存在形式和危害，同时分析了几种常用的在线检测水分含量的方法并找出最为合理的一 种，在原理以及实现方案上对其进行详细论述，设计出硬件配置方案，并论证了其可行 性。 2 1 1 润滑油中水分的来源 ( 1 ) 大气中的水蒸汽 溶解于润滑油中的水和大气中的水汽之问存在着动态平衡，当润滑油同潮湿空气接 触之后，这种平衡的出现是很快的，在典型的运行温度下，一般吸水可以达到0 0 2 0 0 3 。当气候温暖的时候，空气的绝对湿度很大，润滑油中的水分含量也相应地增大。 当气候变冷时，润滑油中的溶解水f 5 ，羽便过饱和，这些水来不及全部逸出进入空气，便在 润滑油中生成微小水滴。当温度再次上升时，这些微小水滴的一部分便重新变成溶解状 态，而另一部分便会聚结在一起，成为沉淀水，仍呈游离水的状态，因此润滑油还会从 空气中吸收水分以达到饱和状态。这种状态重复多次，就会使润滑油中大量的浸水。 ( 2 ) 保存、运输、抽注和使用过程中的水分浸入 润滑油在保存、运输、抽注和使用过程中由于外部条件的种种不同，或意外事故发 生，如雨水的浸入，水冷系统的渗漏或系统结构的欠缺，都易使水分浸入其内。安装在 油箱中的冷却盘管或挡板由于腐蚀、破裂、摩擦、表面的松动都会产生泄漏，在这种情 况下，水可直接进入润滑油箱。工作环境可能以雨、雪、冰等形式产生水的污染。气侯 的变化能使水、汽通过油桶盖吸入存放在户外的新润滑油中( 油桶应放在室内) 。在潮湿 的气候中，冷却盘管或圆盘给水管“发汗”，凝聚物跑进或掉入油箱时，都会出现更复 杂的水污染形式。 2 1 2 水在润滑油中的状态 润滑油在保管、贮存、运输、抽注和使用过程中会进入水分的。水分在润滑油中会 呈现以下三种不同的状态。 ( 1 ) 溶解水 一4 一 东北大学硕士学位论文 第二章润滑油水污染理论及其测量方法 溶解于润滑油中的水分与润滑油一起为均匀的单相物质。水在润滑油内的溶解度很 低。因为烃类分子比水分子大得多，偶极矩特别低，极化性很弱。水与烃分子之间没有 氢键，它们之间的吸引力仅靠诱导力和分散力。芳香烃和不饱和烃例外，它们的分子能 在一定限度内与水分子缔合。 溶解在润滑油内的水分并不分解为离子，而是处于单个分子状态，位于烃分子之间， 在大多数烃内并不缔合，一直到饱和浓度。水在润滑油中的溶解度主要受外部因素如温 度、掘度以及压力等的影响，水的溶解度一般与以上参数成递增关系。 另外，润滑油的深度对水的溶解也有影响。油箱内润滑油的深度增加，影响水分向 空气中扩散，导致水溶解度的增大。 ( 2 ) 游离水 游离水在润滑油中星现第二相。游离水与油品中的溶解水呈平衡状态。水滴呈不同 粒度大小，状态很不稳定，在各种力的作用下，表现为悬浮、互相缔合或逐渐沉降以及 沉淀水等状态。 ( 3 ) 乳化水 当游离水珠被乳化润滑油膜包围时，就形成了乳化水，乳化水会相对稳定地存在于 润滑油中，乳化水的危害更大，主要是因为乳化水很稳定，极不容易被破坏。 2 1 3 润滑油中水分的危害 润滑油内畲有水分，不仅会对油品本身的物理化学造成很大的影响，而且会影响整 个润滑系统以及设备的正常工作，其主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 生成极难破坏的乳化液 水分在润滑油中能形成极难破坏的乳化液，当有表面活性物质时( 添加剂及烃的氧化 产物) ，乳化液的稳定性特别她得到加强。润滑系统内存在油水乳化液能引起系统工作的 各种故障。粘稠的有机物吸附在微小水滴的表面，乳化液生成油垢，堵塞滤油器、油泵 和润滑管路系统；浸水润滑油能大大恶化润滑系统耦合零件摩擦表面的润滑状况，甚至 引起润滑失效。 ( 2 ) 能船速氧化过程和腐蚀过程 润滑油中存在的水分能大大地加速氧化过程和腐蚀过程，当水分和无机污染物( 金属 颗粒，它们是氧化催化荆) 一起作用时，润滑油液的烃类氧化会极大地加强。 ( 3 ) 使润滑油对金属的腐蚀作用加剧 水的存在能使润滑油对金属的腐蚀作用加剧，其中包括有色金属( 铜、铅) 。当水存 在时，氧化作用加大，极大的增强了润滑油的酸性，从而造成腐蚀。 ( 4 ) 水分的蒸发 一5 一 东北大学硕士学位论文 第二章润滑油水污染理论及其疆l 量方法 在过热的部位，水分会蒸发，这时摩擦表面的油膜断裂，加剧接触面的磨损，恶化 系统耦合零件磨动表面的润滑。 ( 5 ) 不溶的水解产物 水分能使润滑油中生成不溶的水解产物，沉积在系统内，并因此减少了腔孔、导管 等有效断面，引起工作失调。 6 ) 污染物聚集 水滴具有高的表面活性，它的存在往往会成为污染物的聚集核心，加剧污染物的破 坏作用。粘稠的污染物吸附在微小水滴的表面，乳化液生成油垢，堵塞油滤、油泵和调 节设备。 ( 7 ) 生成稳定的泡沫 含水的润滑油遇到空气时，便会生成稳定的泡沫。这种现象会使润滑油的润滑性能 下降，导致磨损增大；润滑油同空气中氧的接触表面增大，金属零件的腐蚀加剧。 ( 8 ) 溶解水对于合成润滑油的使用性能有很大影响 溶解水的存在能将合成润滑油的饱和蒸汽压提高数倍，石油基润滑油提高较少。饱 和蒸汽压的提高会恶化润滑油的传输条件，在系统内产生气阻。 ( 9 ) 水分能促使微生物的污染 多数微生物如霉菌和细菌，它们在有水的情况下能生活在烃介质内。在脱水润滑油 内微生物几乎是不能繁殖的，而在浸水油中它们生产的特别快。微生物在“油一水”界 面上繁殖得极为强烈，并伴随之生成大量的生命活动产物：热解物质，这就大大恶化了 润滑油的理化性能和使用性能。微生物的污染对金属表面的腐蚀加剧，这是因为在微生 物的生命活动中生成了诸如有机酸和矿物酸、氨、硫、二氧化碳、硫化氢等具有腐蚀性 的物质，还可能造成电化学腐蚀等。 2 2 润滑油含水量测量原理分析 目前常用的润滑油微量水分含量的测定方法主要有蒸馏法、卡尔费休微量水份测定 法。蒸馏法所需装置简单，但测定的精确度较低，可测量最小水分的体积含量为0 3 ， 用于定量分析误差较太；卡尔费休水份测定法能测定润滑油中微量水份的含量，可测最 小水的体积百分数为0 0 0 1 ，而且分析速度快，但是仪器昂贵、所用试剂有毒。上述两 种方法都是实验室测量方法，都不能实现在线实时测量。目前能实现在线测量的产晶还 不多，基于的原理主要有射线法、电容法、微波衰减法等。 2 2 _ 1 射线法 通常情况下，润滑油液和水对于低能7 射线的线性吸收系数是不同的，利用两种介 一6 一 东北大学顽士学位论文 第二章润滑油水污染理论及其测量方法 质对同一射线的线性吸收系数的不同来进行润滑油微量水分检测的方法称之为射线法 【1 啦3 1 。当初始强度为0 的，射线束穿过厚度为x 的介质时，它衰减后的强度虬为： n ：nf p x x0 ( 2 1 ) 是反映介质对y 射线吸收能力的一个物理常数，它与y 射线的能量有关，当y 射线的 能量一定时，它取决于介质的性质。称为介质对，射线的吸收系数。介质厚度工一定 时，强度与介质的吸收系数有关。不同的介质对射线的吸收系数不同，润滑油液的 吸收系数风比水的吸收系数肛小，即水对，射线的吸收能力远大于原油对，射线的吸收 能力。对于水和润滑油的混合介质可用等效吸收系数以来表示它对，射线的吸收能力， 而心取决于水和润滑油液的相对比分。由公式( 2 1 ) 可以得出： ：塑坠丝!( 2 一2 )“= i _ = 二_ = 上i 2 ) 工 x 式中o 和x 是已知常数，只要测定虬值，即可求得段，从而得到油和水的相对比分， 也就确定了含水最。 2 2 2 电容法 电容法测量是采用适合测量液态物质含水量的同轴筒型电容传感器【14 ，1 8 1 ，利用润滑 油液的介电常数和润滑油中水分含量有关的原理来实现润滑油含水量的测量。根据传感 器探头的测量原理分主要有阻抗测量法和射频电容法。 2 2 2 1 阻抗测量法 对于一个电容传感器【1 明来说，其电容量的大小取决于传感器的几何尺寸、制造材料 及传感器中被测介质的介电常数f 。当电容传感器的几何尺寸和制造材料一定时，其电 容量的大小就反映了被测介质的介电常数。即c = f ( t r ) ，而被测介质( 润滑油液) 的介电 常数是依赖于含水量的，因此电容传感器输出电容量的大小就反映了被测介质含水量的 多少。实际使用的电容传感器，不可能是一个纯电容器件，它还有一个等效内阻同时存 在，其等效电路如图2 1 所示： c 。 图2 1 电容传感器等效电路 f i g 2 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f c a p a c i t a n c es e n s o r 一1 一 东北大学硕士学位论文第j 章舅置油坐堕i 蜂壁垄! 塑堂! ：! 壁 其中，c 0 为电容传感器固有电容，c 为被测电容，足为电容传感器的等效内阻，互 z x 5 f ( c o ，如) ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) n 见，可以通过铡量互来得出e 。然而，墨的存在真接影响了乙反映e 的真实性。在低含水量的情况下，及“油包水”介质时，介质成高阻抗不导通状态，足教 之1 t o q 大的多，可以忽略墨对忍的主要影响，如果不克服r - x 影响，就不能实现含水 的连续测量。在进行乙的测量过程中，对墨的影响加以修正，则能实现含水的全范围 对传感器输出阻抗的测量f 3 ，可以归结为低品质因素a 的电容测量。为了保证测 量精度，必须使选用的测量方法具有在低q 值条件下有高的分辨能力和足够的抗干扰能 射频电容传感器1 1 8 3 3 】的敏感探头是一个电容器。该探头对被测油品的介电常数敏感， 浆厂专汗釜h 斗赢 1 r _ 一l j 。一一i 一1 射频振荡器 1 8 ，1 9 j 8 】产生稳定的高频振荡电压，经电感耦合到右端谐振电路。敏感探 2 2 。3 微波衰减法 微波衰减法【4 工4 3 删的检澳4 原理就是通过测量微波的功率，找到润滑油含水量和微波功率 东北大学硕士学位论文 第二章润滑油水污染理论厦其测量方法 之间的对应关系，从而达到润滑油含水量测量的目的。微波衰减测量法是对待测油液施 加高频电场，不同的外加电场频率，使物质分子消耗能量的原因不尽相同。从低频到超 短波频段，主要为正负电荷迁移所弓f 起的导电损耗；在微波频段，主要为偶极子的取向 极化损耗，波长为l c m 肘，这种损耗最大。如果物质的分子是极性分子，当电场作用在 这物质上，分子取向极化，使介质上出现极化电荷，从而显示了物质的导电性能，所以 将这种物质成为电介质，用g ，表示物质的介电常数。 水是强极性分子，在外加电场作用下将产生强的取向极化，同时还将产生位移极化， 极化的结果就是将从外电场获得的能量储存起来，可以用s 表示。由于水分子运动的惰 性，转向极化运动相对于外加电场有一定的滞后，滞后的宏观效果就是使水分子产生损 耗，可以用矗表示。水的静介电常数约为8 0 ，当外问电场频率在1 0 g i - i z 时，水的占。值 为6 4 ，矗的值为2 9 。面对于润滑油液和其中的颗粒杂质来说，它们都是弱极性分子， 通常毛 1 0 ，矗 g e n e r a t e 呻1c o d e 命令， 生成仪器的驱动函数文件一e 文件) ，将此文件和h 、u i r 文件加入到工程文件中去，将 工程保存为润滑油含水量在线检测系统州。需要指出的是c 文件只是一个程序框架， 我们要实现具体的任务，还要另外编制相应的子程序。 3 3 5 安装盘的制作 为了方便驱动程序的发布和用户的使用，驱动程序和面板必须被打包生成安装盘1 1 】 的形式，这也是v p p 规范的要求。用户可能在w i n d o w s 9 5 9 8 烈t 2 0 0 0 等各种操作系统 中安装仪器驱动程序，而v p p 规范规定的这些系统平台下仪器驱动程序文件安装的路径 不同，因此通常情况下，我们应该制作两种驱动程序安装盘：w i n 9 5 结构f 供w i n d o w s 9 5 9 8 系统用户使用) 和w i n n t 结构( 供w i n d 删m o o o 系统用户使用) 。在l a b w i n d o w s c v l 6 0 中，制作安装盘的工具中提供了一个选项，可以区分各种系统平台。并根据实际安装系 统确定响应安装路径，太大方便用户制作v p p 仪器驱动程序，并且l a b w i n d o w s c v l 6 0 的安装盘制作工具采用了微软公司最新的安装盘制作技术，制作出来的安装盘安装界面 一】9 东北大学硕士学位论文 第三章虚拟仪器技术及其应用 与市面上大多数流行软件的安装界面相似。 3 4 虚拟仪器软件开发平台简介 l a b w i n d o w s c v i 1 删( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t ) 是n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司( 美国国家 仪器公司，简称n i 公司) 推出的基于c c + + 的交互式软件开发环境，它将功能强大、使 用灵活的c 语言与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机的结合起来，其目的就 在于使熟悉c ，c 十+ 语言的用户方便的建立检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过 程检测系统和虚拟仪器系统。m w i n d o w s c 可以模块化对c c + + 进行编辑、编译、 连接和调试。l a b w i n d o w s c v i 的重要特征就是在w i n d o w s 和s u n 平台上简化了图形用 户接口的设计，我们能够利用简化了的仪器控制方式开发程序，而且这些程序可以在不 同平台上移植。 3 4 1l a b w i n d o w s ，c 软件的特点 m w j n d 伽吲c v i 将源代码编辑、3 2 位a n s i c 编译、链接、调试以及标准a n s i c 库集成在一个交互式开发环境中。用户可以快速方便地编写、调试和修改虚拟仪器应用 程序，形成可执行文件。使用l a b w i n d o w s c v i 设计的虚拟仪器应用程序可脱离 l a b w i n d o w s c v i 开发环境独立运行，用户最终看见的是和实际的硬件仪器相似的操作 面板。和其他虚拟仪器开发工具相比，l a b w i n d o w s c v i 具有如下特点： 1 ) 集成开发平台：将源代码编程、3 2 位标准c 编译、链接、调试及a n s i c 库等集 成在一个交互式开发平台中； 2 ) 交互式编程方法：编程技术采用事件驱动和回调函数方式，对每一个函数都提供 了一个函数面板，我们可以通过函数面板交互式把函数语句嵌入到c 源代码中。大大减 少了源代码语句的输入量，减少了程序语法错误，提高了工程设计的效率和可靠性： 3 ) 简单直观的用户图形设计：支持“所建即所得”的可视化交互技术，通过弹出菜 单式定义界面对象和c 代码的通信属性和自身属性，l a b w i i l d o w v i 自动生成源代码 文件、声明界面对象常量及相关的回调函数； 4 ) 完善的兼容性：借助于l a b w i n d o w s ，c ，c c + + 开发人员可以采用所熟悉的c 编 程环境，如v i s u a l c + + 、b o r l a n d c + + b u i l d e r 、s y m a n t e c c + + 和w a t e o m c 等，开发所需的 软件系统； 5 ) 功能强大的函数库：提供大量的函数库供用户调用； 6 ) 强大的i n t e m e t 功能，支持常用网络协议，方便网络仪器、远程测控仪器的开发。 鉴于上述特点，l a b w i n d o w s c v i 已经成为了测控领域最受欢迎的软件开发平台之 一，在我国得到了非常广泛的应用。利用【矗b w i n d 刚 ，s ，c 进行测试系统开发，可以使 一2 0 一 东北火学硕士学位论文 第三章虚拟仪器技术及其应用 设计的内容更加深入，代码更加优化，执行的效率更为提高。 3 4 2l a b w i n d o w s c v i 的程序结构 l a b w i n d o w s c v i 软件开发平台和大多数工程测试软件一样，利用其开发的程序也 都包含用户面板、程序控制、数据采集和数据分析等四部分，它们之间的关系如图3 4 所示。其中，用户界面、数据采集和数据分析部分将必要的信息输入给程序控制部分进 行处理，每个部分还可再分成若干个子部件。 1 丽i 格式化f 数字信号处理 统计 曲线拟合 数组操作l 【 于 数据采集 g p m v x ，眦 r s 2 3 2 数据采集卡 仪器驱动程序 用户面板 面扳 菜单 对话框 科学圈表 拷贝输出 程序控制 控制逻辑 数组存赌 图3 4l a b w i n d o w s c v i 应用程序各部分的相互关系 f i g 3 4t h er e l a t i o n s h i po f a l lp a r t so f t h el a b w m d o w s c v ia p p l i c a t i o n s ( 1 ) 用户面板 用l a b w i n d o 粥脚i 用户界面编辑器能轻松的建立复杂的交互式丽板。在实际g u i 的过程中，开发人员常常需要确定程序如何获取并显示数据，对菜单、面板、控件和对 话框如何操作等河题，因此用户界面自然成为程序设计的起点。 在用户界面编辑器中完成g u i 设计后，能够使用代码生成器自动生成g u i 组件的 程序框架。代码生成器自动写出所有控件的回调函数的框架。创建主程序，从而在程序 启动时加载并显示o u i 窗体。代码编辑器自动生成w i n d o w s 程序的通用代码，从而节 省了大量的程序开发时间。 ( 2 ) 程序控制 程序控制部分同数据采集、数据分析和用户界面协调工作。它包括管理程序流程的 控制逻辑和用户定义的支持函数。 ( 3 ) 数据采集 通常的测控程序必须对从仪器或者数据采集o ) a q ) 设备的数据采集进行控制，程序的 其它部分是对这些数据进行分析和显示。各种l a b w i n d o w s c v l 库提供用来创建数据采 一2 1 东北大学硕士学位论文 第三章虚拟仪器技术及其应用 集部分的函数，用这些库函数控制g p i b ，r s - 2 3 2 和v x i 设备以及n i 公司的数据采集 设备。此外，l a b w i n d o w s c v i 仪器库包括多种常用的g p b 、r s - 2 3 2 和v x i 仪器的驱 动程序。 ( 4 ) 数据分析 获取数据后就要进行数据分析。这部分主要是对所获取数据进行格式化、归化、 统计和曲线拟合等等。格式化和i o 库、分析和高级分析库提供了完成这些操作的所有 函数。 当完成一个圳h l d o w s ，c v i 的程序设计之后，其完整的程序应包括四种类型的文 件，也就是+ 埘文件、c 文件、+ u i r 文件和+ h 文件，它们的具体关系如下图所示。 件。 图3 5 虚拟仪器程序文件的组成 f i g 3 5t h ec o m p o s i n go f v i r t u a li n s t l l l m e n tp r o g r a m a ) + p 巧文件 是工程文件，主要由1 l i r 文件、+ ，c 文件和山文件组成； b ) c 文件：由头文件( h ) 、主程序文件( m a h ) 和回调函数( c a l l b a c k ) 组成； c ) u i r 文件：是用户界面文件，该文件为虚拟仪器的面板文件； d ) - h 文件：是自动生成的，当设计完u i r 文件后，保存+ a i r 文件时自动生成h 文 3 4 3l a b w i n d o w s c v i 进行程序设计的方法 l a b w i n d o w s c v i 有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码，虚拟仪器执杼它们相 当于编译c 的速度。利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器，就像独立的可执行 程序一样。在本课题设计中，引入了模块化的编程思想，重点介绍了l a b w i n d o w s c v i 的程序结构和各个功能模块之间的关系以及后续软件安装软盘的生成方法，下面按步骤 说明怎样进行程序设计： 1 ) 制定程序的基本框架：根据测量任务确定程序的基本框架、仪器面板及程序中所 需的函数； 2 ) 创建用户界面：根据第一步制定的方案，创建用户界面、设置控件属性和回调函 一2 2 东北大学硕士学位论文 第三章虚拟仪器技术及其应用 数名称； 3 ) 程序源代码的编写：利用计算机自动生成源程序( + c 文件) 代码框架，并在框架中 添加函数代码来完成代码的编写； 4 ) 创建工程文件并运行：将用户界面文件、源代码文件和头文件添加到工程文件中 来完成工程文件的创建，然后编译调试工程文件。 一2 3 东北大学硕士学位论文第四章数据采集系统设计 第四章数据采集系统设计 4 1 数据采集系统设计 数据采集是指将湿度、压力、流量、位移等模拟量采集并转换成数字量后，再由计 算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集和处理系统。随着 计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用 这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本 提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬 间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之。总之，不论在哪个应用领 域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益也就越大。 润滑油微量水分在线检测系统在工作过程中，就需要采用专门设计的微波谐振传感 器来采集润滑油的含水量变化的信息，然后由数据采集卡将这些模拟电量转换成时间和 数值上都离散且量化的数字量，送入计算机，由计算机对这些数字量进行加工处理，判 断装置工作是否正常。因此数据采集与处理是整个润滑油微量水分在线检测系统的关键 技术之一。在系统中，数据采集系统模块用于精确地采集微波谐振水分传感器的频差信 号；数据处理系统用来对采集的信号进行滤波处理，并根据推导出的润滑油微量水分含 量数学模型函数，得出润滑油在线检测的微量水分含量。 4 1 1 系统硬件设计原则 ( 1 ) 经济合理 系统硬件设计中，在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高性能 价格比，这是硬件设计中优先考虑的个因素【1 6 删，也是一个产品争取市场的主要因素 之一。微机和外设是硬件投资中的一个主要部分，在满足速度、存储容量、兼容性和可 靠性的基础之上，合理地选用微机和外设。 ( 2 ) 安全可靠 选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工 作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正 常工作。 ( 3 ) 有足够的抗干扰能力 一个系统需要有完善的抗干扰措施来保证其系统精度、工作正常和不产生错误。采 取强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输入阻抗下的防止漏 一2 4 东北大学硕士学位论文 第四章数据采集系统设计 电等。 4 1 2 系统软件设计原则 ( 1 ) 结构合理 程序采用结构模块化设计，这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的 修改和维护。在程序编写时，尽量利用子程序，使得程序的层次分明，易于阅读和理解， 同时还可以简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常需要加以修改或变 化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。 ( 2 ) 操作性能好 操作性能好是指使用方便，这对数据采集系统来说是很重要的。在开发程序时，应 该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。因此，在程序设计中，应该采用各种图标 或菜单实现人机对话，以提高工作效率私程序的易操作性。 ( 3 ) 具有一定的保护措施 系统设计一定的检测程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位，重要参数定 时存储，以防止因掉电而丢失数据。 ( 4 ) 提高程序的执行速度 采用各种语言混合编程，充分发挥各种软件的特点，提高程序的运行速度。 ( 5 ) 给出必要的程序说明 便于操作人员的熟悉系统的工作原理和工作过程，也有利于用户对程序进行修改和 扩充。 4 2 数据采集系统设计的步骤 4 2 1 分析问题和确定任务 为了确知某一测试对象的各项特征，我们常常要借助各种仪表和各种手段来获得各 种各样的测量数据。但若将得到的这些数据不加任何加工和处理就直接交给用户使用， 是非常不适当的。因为在这些数据中包含有变换误差、设备误差以及在传输过程中引入 的各种干扰所造成的误差等。而且这些数据量通常都很大，有意义的部分和无意义的部 分混杂在一起，如不加取舍她直接交给使用者，必然会造成使用者的极大不便。另外， 很多情况下还需要通过再加工，以便给使用者提供物理意义更明确更直观的数据型式。 这些都要靠数据采集1 2 3 刀j 伽和处理系统加以解决。对于润滑油微量水分在线检测系统 中数据采