油液監(jiān)測黏度傳感器的誤差補(bǔ)償校正

王普健,蘇會杰,曹澤輝,林強(qiáng),王凱

(1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司,江蘇 徐州 221004；2.高端工程機(jī)械智能制造國家重點實驗室,江蘇 徐州 221004；3.徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221004)

0 引言

油液在線監(jiān)測是對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行原位實時體檢的技術(shù)[1]，借助于傳感器、油路及數(shù)據(jù)傳輸、處理、診斷模塊，對油液性能指標(biāo)、污染和磨損進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷，提出維護(hù)決策[2-3]。傳感器作為在線監(jiān)測的核心，能夠采集可靠性數(shù)據(jù)，針對不同監(jiān)測對象，可以分為黏度、水分、污染度和磨粒在線監(jiān)測傳感器[4-8]。由于設(shè)備潤滑主要靠潤滑油膜起到抗磨、減摩的作用，潤滑油黏度過大或過小都將導(dǎo)致潤滑油性能下降[9-10]。黏度是能夠反映油品內(nèi)部分子間摩擦力，衡量油品潤滑能力的重要指標(biāo)，通過監(jiān)測油液黏度能夠及時反映油液質(zhì)量狀態(tài)及剩余壽命。

油液黏度在線監(jiān)測傳感器能夠?qū)崟r采集黏度數(shù)據(jù)，主要通過監(jiān)控油液的黏度變化進(jìn)行診斷。但在實際使用過程中，其準(zhǔn)確性會受到諸多因素的影響，如傳感器自身材質(zhì)、工藝，標(biāo)定傳感器設(shè)置的場所并非理想環(huán)境，傳感器測試位置的壓力、振動等，仍然與離線式實驗室分析設(shè)備存在偏差，無法準(zhǔn)確反映實時的油液狀態(tài)，也會影響對油液實時狀態(tài)的診斷。針對于傳感器存在的測量誤差，通?？梢詮挠布蛙浖煞矫孢M(jìn)行優(yōu)化：硬件方面，對傳感器的結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)[11-12]；軟件方面，借助于數(shù)據(jù)處理進(jìn)行校正，如誤差補(bǔ)償法、曲線擬合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[13-15]。軟件補(bǔ)償法比硬件補(bǔ)償法校正精度更高，成本更低，且簡單實用。本文采用誤差補(bǔ)償模型對黏度傳感器進(jìn)行研究。

1 黏度傳感器試驗設(shè)計

1.1 傳感器選型

為保證實驗的準(zhǔn)確可靠，選擇兩種不同型號黏度在線監(jiān)測傳感器A和B。A型傳感器內(nèi)置壓電諧振MEMS傳感器單元，金屬彈片結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器置于勻強(qiáng)磁場中并且激勵線圈中通入交流電時，金屬彈片受到交變的電磁力，并以交流電的頻率開始發(fā)生往復(fù)振動，改變交流電的頻率至某一頻率時，金屬彈片在待測油液中發(fā)生諧振，根據(jù)此諧振頻率和品質(zhì)因子，即可計算出待測油液的黏度[16]。B型傳感器同樣采用壓電諧振原理，但是為音叉結(jié)構(gòu)。測量音叉在待測油液中的諧振頻率和等效電阻，在獲得精確的油品密度后即可求得油液黏度[17]。其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下表1所示。

表1 黏度在線監(jiān)測傳感器技術(shù)指標(biāo)對比

1.2 油液實驗室分析測試

為了對兩種型號黏度在線監(jiān)測傳感器進(jìn)行驗證，本文選用SAE 10W液壓傳動油作為實驗對象，分別采用實驗室離線式檢測設(shè)備及黏度在線監(jiān)測傳感器對同一種油液進(jìn)行黏度測試，對比分析測試結(jié)果，并對黏度傳感器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正，解決目前存在的問題。

結(jié)合實際工況下油液的工作溫度為20～85 ℃，借助實驗室黏度儀對SAE 10W液壓傳動油新油進(jìn)行梯度升溫黏度測試，溫度梯度為5 ℃，采用NB/SH/T 0870-2013標(biāo)準(zhǔn)測試油液在不同溫度點下的黏度值，并通過曲線擬合得到油液黏溫曲線。

1.3 黏度傳感器測試

為驗證黏度在線監(jiān)測傳感器油液測試情況，搭建試驗測試系統(tǒng)，包括黏度傳感器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集裝置、恒溫水浴加熱裝置、盛油杯等，黏度傳感器測試裝置圖如圖1所示。通過對油液進(jìn)行水浴加熱試驗，利用傳感器采集油液不同溫度下黏度數(shù)據(jù)，并將黏度在線監(jiān)測傳感器測試結(jié)果與黏度儀測試結(jié)果進(jìn)行對比。

圖1 黏度傳感器測試裝置圖

2 油液黏度測試結(jié)果

2.1 實驗室測試分析結(jié)果

對測試結(jié)果進(jìn)行計算可得到SAE 10W液壓傳動油黏溫方程為：

lglg(v+0.6)=9.331192-3.65865×lg(T+273)

(1)

式(1)中v(mm2/s)為油液在溫度T(℃)下的運動黏度。

SAE 10W液壓傳動油黏溫曲線如圖2所示。

圖2 SAE 10W液壓傳動油黏溫曲線

2.2 黏度傳感器測試結(jié)果

黏度傳感器與黏溫曲線對比如圖3所示。

圖3 黏度傳感器與黏溫曲線測試對比

3 黏度傳感器測試誤差分析及校正

從圖3可以看出兩種型號傳感器對SAE 10W液壓傳動油進(jìn)行監(jiān)測，油液黏度均存在較好響應(yīng)性，但均與油液實際黏溫特性存在一定偏差。為進(jìn)一步驗證傳感器測試準(zhǔn)確度，對偏差進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種型號傳感器測試誤差曲線

從圖4可以看出，A型傳感器的絕對誤差相對較小，且穩(wěn)定在2.25 mm2/s，B型傳感器的百分比誤差在較大溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在10%左右，針對上述誤差曲線對比圖，考慮對傳感器黏度測試結(jié)果進(jìn)行誤差校正，針對兩種檢測原理有差異的傳感器的不同測試偏差結(jié)果，采用不同的誤差補(bǔ)償模型進(jìn)行校正，具體方法如下：

(1)A型傳感器

結(jié)合誤差曲線，對A型傳感器黏度測試結(jié)果進(jìn)行絕對誤差補(bǔ)償，利用如下補(bǔ)償模型：

KV=kv+MAE

(2)

式(2)中KV為A型傳感校正后在各溫度點下的運動黏度，kv為傳感器在各溫度點下測試的運動黏度實測值，MAE為傳感器與黏度儀測試結(jié)果平均絕對誤差，其中A型傳感器平均絕對誤差為2.25 mm2/s。

(2)B型傳感器

結(jié)合誤差曲線，對B型傳感器黏度測試結(jié)果進(jìn)行百分比誤差補(bǔ)償，利用如下補(bǔ)償模型：

KV=kv×(1-MAPE)

(3)

式(3)中KV為B型傳感校正后在各溫度點下的運動黏度，MAPE為傳感器與黏度儀測試結(jié)果平均百分比誤差，其中B型傳感器平均百分比誤差為15.89%。

采用上述兩種不用誤差校正模型對兩種型號傳感器進(jìn)行校正，校正后的黏度測試曲線如圖5所示。

圖5 校正后黏度傳感器與黏溫曲線測試對比

從圖5可以看出經(jīng)過誤差補(bǔ)償后兩種型號傳感器測試準(zhǔn)確性明顯提升，與實驗室密度儀測試結(jié)果更加接近，校正前后誤差對比結(jié)果如表2所示。

表2 黏度傳感器校正前后誤差對比表

經(jīng)過誤差校正后，A型黏度傳感器測試運動黏度平均絕對誤差降低至0.48 mm2/s，平均絕對百分比誤差降低至1.93%，B型黏度傳感器測試平均絕對百分比誤差降低至4.49%，運動黏度平均絕對誤差降低至2.36 mm2/s，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過誤差校正后兩種型號黏度傳感器測試結(jié)果與離線式檢測結(jié)果誤差可以控制在5%以內(nèi)，該誤差校正模型對于提高傳感器測試準(zhǔn)確度行之有效。

4 結(jié)論

(1)兩種檢測原理有差異的黏度在線監(jiān)測傳感器的運動黏度測試結(jié)果與離線式實驗室檢測結(jié)果存在一定偏差，A型黏度傳感器的平均絕對百分比誤差為9.55%，B型黏度傳感器的平均絕對百分比誤差為15.89%；

(2)通過不同的誤差補(bǔ)償模型對黏度測試結(jié)果進(jìn)行誤差校正，校正后A型黏度傳感器的平均絕對百分比誤差降低為1.93%，B型黏度傳感器的平均絕對百分比誤差降低為4.49%，使黏度在線監(jiān)測傳感器測試結(jié)果與離線式實驗室測試結(jié)果誤差縮小至5%以內(nèi)。通過不同的誤差補(bǔ)償模型校正可以有效提升在線監(jiān)測傳感器測試準(zhǔn)確度，能夠更加準(zhǔn)確判斷設(shè)備是否存在故障并預(yù)估油液剩余使用壽命，實現(xiàn)更好的維護(hù)計劃、調(diào)度和早期干預(yù)，可以有效降低維護(hù)成本。