在线液体颗粒计数器校准方法研究

２００８年１０月　第３６卷第１０期　机床与液压　ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵ　ＬＩＣＳ　Ｏｃｔ．２００８　Ｖ０１．３６　Ｎｏ．１０　在线液体颗粒计数器校准方法研究　郝新友　（国防科技工业颗粒度一级计量站，河南新乡４５３０１９）　摘要：在线液体颗粒计数器在液压润滑系统的污染控制中获得广泛应用，但是，这些仪器在采用传统方法校准时出现　了困难。为此，笔者研究并设计了在线液体颗粒计数器的校准方案，解决了大颗粒尺寸校准误差大和微流量取样时流量不　稳定的问题，分析了校准结果的测量不确定度，得出了在线液体颗粒计数器的校准方法。　关键词：在线液体颗粒计数器；校准；污染控制　中图分类号：ＴＧ１５６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２００８）１０—０８５—４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｏｆ　ｏｎ．１ｉｎｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｃｏｕｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｌｉｑｕｉｄ　ＨＡ０　Ｘｉｎｙｏｕ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｄｅｆｅｎｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｄｕｓｔ￣Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｆｉｒｓｔ－ｏｒｄｅｒ　Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ　Ｈｅｎａｎ　４５３０１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｎｄ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｓｙｓ—　ｔｅｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｒｔ＇ｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　ｌａｒｇｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｂｉｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅｓ　ａｒｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｉｓ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｗｈｅｎ　ｔｉｎｙ　ｆｌｏｗ　ｉｓ　ｓａｍｐｌｅｄ　ｗｅｒｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ，ａｎｄ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｗａｓ　ｇｏｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ；Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　０前言　随着电子技术和污染检测技术的飞速发展，在线　液体颗粒计数器由于成本低、效率高，既无二次污　染，又避免了因取样对油液的无端损耗，测试快速准　确，可随时对系统进行实时监控，降低了系统维护的　成本和停机时间，在液压润滑系统的污染控制中获得　广泛应用。　由于电子电路的漂移、老化和光学元件的位移、　只有在系统压力大于０．７ＭＰａ时才能完全开启，因此　设计的校准方法必须能够提供至少１ＭＰａ的工作压　力；另一方面，在线液体颗粒计数器一般取样流量　大，取样量多，因此设计的校准方法必须能够提供足　够多的校准用颗粒悬浮液，且具有一定的工作流量　（一般应大于１０Ｌ／ｍｉｎ）；其三，应有足够的校准时　间，因此设计的校准方法应在一定的时间内（一般　应大于３０ｍｉｎ）保持校准悬浮液的颗粒尺寸分布均匀　稳定，满足ＩＳＯ１１９４３的技术要求；其四，设计的校　准方法应具有良好的量值溯源性，以保证校准结果准　确可靠。　１．２校准方法原理　按照上述原则，可以设计一个简单的液压系统，　磨损等，液体颗粒计数器的电气参数与光学参数处于　不断变化之中。因此，为了保证测试结果准确可靠，　每隔６个月至１年，必须对液体颗粒计算器进行校　准…。但是，由于在线液体颗粒计数器主要是针对在　线使用设计的，一般都集成有减压装置和取样流量控　制部分，或者内部管路较长，取样量多，或者取样流　量大，在采用传统的瓶装颗粒标准物质校准时出现了　困难，有些甚至根本无法采用瓶装的颗粒标准物质进　行校准，因此必须研究新的校准方法。　１校准方法设计　１．１　校准方法的设计原则　，　校准方法的设计必须考虑在线液体颗粒计数器的　模拟在线液体颗粒计数器的实际工作状态，采用与标　准液体颗粒计数器比对的方法，实现对在线液体颗粒　计数器的校准　。　设计的液压系统如图１所示，主要由净化系统、　校准悬浮液制备系统和校准系统３个部分组成。截止　阀６、高精度过滤器７、单向阀８及相关回路构成了　净化系统，负责在标准固体颗粒加入系统前，将系统　中的本底固体颗粒清除干净。油箱１、泵２、节流阀　５、冷却器１０等构成了校准悬浮液制备系统，以保证　足够的压力和取样流量，同时使添加到系统中的标准　特点。一方面，在线液体颗粒计数器主要在液压润滑　系统中在线使用，其内部一般都装有减压装置，而且　收稿日期：２００８—０８—０８　作者简介：郝新友（１９７１一），男，工程硕士，主要研究方向为液压润滑系统的污染测试、控制与计量。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｋｌｄｚ＠　１６３．ｃｏｎ。　・８６・　机床与液压　第３６卷　固体颗粒悬浮均匀，在校准时间内提供均匀、稳定、　充足的校准用颗粒悬浮液。标准液体颗粒计数器Ｉ、　微流量取样器Ⅱ、被校准在线液体颗粒计数器Ⅲ及相　关回路构成了校准系统，以完成对在线液体颗粒计数　器的校准。　１一油箱　２一泵　３一溢流阀　４压力表　５一节流阀　‘６截止阀　７一过滤器　８一一单向阀　流量计　ｌ　冷却器　Ｉ标准液体颗　粒计数器　ＩＩ一微流量取样器　ＩＩ卜被校在线液体　颗粒计数器　图１　在线液体颗粒计数器的校准原理图　标准液体颗粒计数器可采用测量精度高、功能　全、易校准的采用遮光原理的台式液体颗粒计数器，　并采用激光传感器。一般情况下，台式液体颗粒计数　器无减压装置，不适宜在线使用，因此，在线使用　时，应单独采用微流量取样器，以精确控制其取样流　量和取样体积。为保证校准结果准确，具有良好的可　比性和量值溯源性，标准液体颗粒计数器在使用前，　应定期采用ＮＩＳＴ（美国国家标准技术研究院）标准　物质ＳＲＭ２８０６或国家标准物质ＧＢＷ（Ｅ）１２００１７进行　校准。同时，为了保证系统中颗粒悬浮液的均匀稳　定，设计的液压系统应尽量简单，具有合理的结构，　管路短，无死角，采用的液压元件既耐污染度高，又　不能改变加入系统的固体颗粒的尺寸分布。　校准时，首先把系统内油液的总体积调整到预定　值，开启净化系统进行净化，直到系统的初始污染度　满足要求为止；然后将处理好的标准固体颗粒浓缩液　按照需要量加入到油箱内，启动悬浮液制备系统，直　至标准固体颗粒悬浮均匀；之后将系统压力调整到　１ＭＰａ左右，以完全打开被校在线液体颗粒计数器的　减压阀；最后启动微流量取样器，抑制系统压力和流　量波动对标准液体颗粒计数器测量结果的影响，启动　标准液体颗粒计数器和被校准的在线液体颗粒计数器　同时进行测量，通过与标准液体颗粒计数器的测量结　果相比对的方法，调整被校准仪器的阈值，使其测量　结果与标准液体颗粒计数器的测量结果相一致，在一　定的误差范围内，完成对在线液体颗粒计数器的校　准。　２微流量取样器的设计　微流量取样器的功能主要有３个：一是降低系统　的压力；二是抑制系统压力和流量的波动对颗粒传感　器的影响；三是通过精确控制取样流量来精确控制颗　粒传感器的取样体积。　微流量取样器一般进口　可以采用两种方式实　现：一种是采用带温度　补偿的微流量控制阀实　山Ｈ　銎　：　号　圭詈　妻妻　詈　用　１：　妻　一减压阀２－￣Ｎ　Ｎ　３一　　。电机　流量控制阀进行调节与　　。２取样器　赢　第１０期　郝新友：在线液体颗粒计数器校准方法研究　・８７・　表１　ＡＣＦＴＤ与ＩＳＯ　ＭＴＤ的理论颗粒数量　颗　尺寸　＞２　＞５＞１０＞１５＞２５＞５０＞１００　Ｕｍ　理论数量‘Ⅳ／６（个・１０ｍＬ　）　９　８４４　２５　８３４　７　１９６　２　７６２　６６３　６４　４　葛　４　６　理论数量　Ⅳ／６５　３０４　２５　６６１　５　５０４　ｌ　８２６　４５４　３４　２　（个・ｌＯｍＬ　）　注：　为ＡＣＦＴＤ标准固体颗粒，质量浓度为５ｍｇ／Ｌ；　・为ＩＳＯ　ＭＴＤ标准固体颗粒，质量浓度为３ｍｇ／Ｌ。　从表１可见，无论在系统中单独加入ＡＣＦｒＤ还是　ＩＳＯ　ＭＴＤ，大颗粒的数量均较少，无法满足数据统计　规律的要求，因此，系统中必须加入另外的固体颗粒，　以增加大尺寸颗粒的数量。而在系统中额外加入与　ＡＣ￣ＦＤ或ＩＳＯ　ＭＴＤ性质相近的大颗粒时，一方面将会　增加小颗粒的含量，超出颗粒传感器的浓度极限；另　一方面，从理论分析和实践经验来看，由于液压泵的　磨损，大颗粒的数量将会迅速减少，难以稳定。因此，　额外加入系统中的颗粒，既不能改变小尺寸颗粒的数　量分布，又必须显著增加大尺寸颗粒的数量，同时在　一定时间内保持数量稳定，不被液压泵磨损。　乳胶是一种近似单分散的聚苯乙烯球形固体颗　粒，具有非常窄的尺寸分布，当其与ＡＣＦＴＤ或ＩＳＯ　ＭＴＤ同时加入液压系统时，基本上不会影响小颗粒　的尺寸分布，但同时又能显著增加大尺寸颗粒的数　量，而且聚苯乙烯材料的质地较软，有一定的弹性，　在通过液压泵时，既不易磨损，又能迅速恢复原有的　尺寸；另外，虽然乳胶颗粒与ＡＣＦＴＤ或ＩＳＯ　ＭＴＤ的　折光系数不同，但在校准大于５０　ｍ以上的颗粒尺寸　时，液体自动颗粒计数器检测到的信号，并非主要取　决于颗粒或液体的折光系数，因此，从理论上可以满　足上述的校准要求。此外，ＡＣＦＴＤ的颗粒尺寸是以　最大弦长定义的，ＩＳＯ　ＭＴＤ的颗粒尺寸是以等效投影　圆的直径定义的，二者之问具有一定的关系，即　ＡＣＦＴＤ的５０Ｉｘｍ约相当于ＩＳＯ　ＭＴＤ的３８１．￣ｍ（ｅ），　１００１￣ｍ约相当于ＩＳＯ　ＭＴＤ的６８　ｍ（ｅ），而乳胶是一　种球形颗粒，其尺寸定义与等效投影圆的直径定义基　本相当，因此，在模拟液压系统中加入ＡＣＦＴＤ或　ＩＳＯ　ＭＴＤ的同时，另外加入适量的尺寸略大于６８ｐ￣ｍ　的乳胶颗粒，可以良好地解决在线液体颗粒计数器大　颗粒尺寸的校准问题　。表２是在模拟液压系统中同　时加入５ｍｇ／Ｌ的ＡＣＦＴＤ与适量６８．６１ｘｍ的乳胶颗粒　后，循环３０ｍｉｎ的实际试验验证结果，从试验结果来　看，完全满足预定的校准要求。　一般情况下，乳胶颗粒是以水悬浮液形式供应　的，而液压油中游离水的存在，将会影响液体自动颗　粒计数器的测量结果，因此，在将其加入到液压油中　之前，液压油中必须加入适量的气溶胶ＯＴ（Ａｅｒｏｓｏｌ　ＯＴ）。气溶胶ＯＴ（Ｄｉｏｃｔｙｌ　ｓｕｌｆｏｓｕｅｃｉｎａｔｅ，ｓｏｄｉｕｍ　ｓａｌｔ）　是一种蜡状的吸水性固体，可以良好地溶入液压油　中，并可将乳胶颗粒的水溶液完全吸附，从而使得悬　浮在水中的乳胶颗粒与液压油相容，不影响液体自动　颗粒计数器的测量结果。　表２大颗粒尺寸校准实际验证数据表　时间　颗粒数量　（个・１０ｍＬ　）　ｔ／ｍｉｎ　＞２　＞５　＞１０　＞１５　＞２５　＞５０＞１００　５　７０　８４６　２６　９６８　７　４２２　３　０３４　８７４　２４１　９４　ｌＯ　７ｌ　４４６　２７　１７４　７　７４４　２　９８８　９２２　２３１　９７　ｌ５　７ｌ　３７１　２７　２５１　７　５４４　２　９９８　８６７　２１６　９１　２Ｏ　７１　７８４　２７　３６８　７　６５８　３　０１０　９１０　２１３　８９　２５　７１　３８６　２７　１０８　７　４７０　２　９３２　８６６　２０２　８０　３Ｏ　７１　６４６　２７　１８４　７　４３０　２　９１６　８７０　１８８　８Ｏ　４测量不确定度分析　采用与标准液体颗粒计数器比对的方法校准在线液　体颗粒计数器时，其输出量是单位体积液样中某尺寸颗　粒的数量，属于直接测量，因此其数学模型可简记为　Ｙ＝Ｘ　（Ｉ）　根据校准原理可知，其测量不确定度分量主要来　源于以下４个方面：　（Ｉ）标准液体颗粒计数器引入的测量不确定度　分量。为保证校准结果准确，标准液体颗粒计数器在　使用前，须定期采用标准物质进行校准，由于校准时　标准物质的定值结果、校准环境等因素的影响，将会　使标准液体颗粒计数器复现的量值不绝对准确，所以　在与在线液体颗粒计数器的测量结果比对时，将会对　校准结果引入测量不确定度。　（２）测量重复性引入的测量不确定度分量。由　于随机误差的存在，任何测量结果都有一定的分散　性，所以，在线液体颗粒计数器测量结果的分散性，　将会对校准结果引人测量不确定度。　（３）取样体积引入的测量不确定度分量。液体　颗粒计数器的测量结果与取样体积正相关。校准时，　液压系统压力与流量的脉动、温度变化导致液体粘度　变化等因素的影响，使得通过标准液体颗粒计数器和　被校准仪器的取样流量处于不断变化之中，进而影响　取样体积的稳定，造成测量结果的误差，进而对校准　结果引入测量不确定度。　（４）模拟液压系统引入的测量不确定度分量。　校准过程中，加入到模拟液压系统中的标准固体颗粒　是处于“动态”循环状态的，由于系统自身的污染　生成、液压泵的磨损、外界环境的污染物侵入等，其　颗粒尺寸分布是时间的函数，因此不可避免地会给校　准结果带来不确定度。　（下转第９４页）　・９４・　机床与液压　第３６卷　定状态，并基本消除了滞后现象。　５结论　通过研究可以得出，对于传统的ＰＩＤ控制，系统　输出响应受系统参数变化的影响十分敏感，系统鲁棒　性比较差，这就需要采取适当的措施对系统进行补　偿。对转矩控制系统，在传统的ＰＩＤ控制基础上，应　用动态鲁棒补偿方法，大大提高了系统对参数变化的　不敏感性，使系统控制性能得到了明显改善，仿真结　ｊ　　：ｍ㈦　；：　Ｌ¨…一噩醚　甄舔　壹　果证明了动态鲁棒补偿方法的有效性。　参考文献　图４转矩控制系统的动态鲁棒补偿　【１】史忠科．鲁棒控制理论［Ｍ］．２版．国防工业出版　为了验证上述动态鲁棒补偿控制方法的有效性，　社，２００３．　对图４所示动态鲁棒补偿控制系统，进行与图２所示　【２】李洪人．液压控制系统［Ｍ］．国防工业出版社，　系统相同参数变化条件下的仿真，仿真结果如图５所示。　１９９ｏ．　ｌ　【３】王慧，李洪人，王栋梁．车辆传动桥二次调节模拟加　一　目　昌　Ｚ　Ｚ　载系统的特性分析［Ｊ］．机床与液压，２００３，１８２　（２）：１１１—１１３．　埤　婢　【４】Ｗａｎｇ　Ｈｕｉ，Ｌｉ　Ｈｏｎｇｒｅｎ，Ｌｉｕ　Ｙｕｆｅｎｇ，Ｚｈｏｎｇ　Ｈａｉｂｏ．Ｃｏｕ－　ｐｉｉｎｇ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｒｏｂｕｓｔ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｖｏ　（ａ）　（ｂ）　Ｌｏａｄｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．５ｔｈ　Ｉｎ－　图５　带有动态鲁棒补偿器的单位阶跃响应　ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　图中曲线为转矩控制系统带有动态鲁棒补偿器的　Ｃｏｎｔｒｏ１．Ｊｕｎｅ　６—８，２００７，Ｂｅｉｄａｉｈｅ，Ｃｈｉｎａ．　单位阶跃响应。由曲线可以看出，系统的超调和振荡　【５】苏宏业，等．不确定时滞系统的鲁棒控制理论［Ｍ］．　非常小，系统在参数允许值的很大范围内，都处于稳　科学出版社，２００７．　（上接第８７页）　校准在线液体颗粒计数器时，对校准结果引入的测量　以２ｐ．ｍ为例，经实际测量与分析，　采用比对法　不确定度分量如表３所示。　表３测量不确定度分量一览表　由于引入测量不确定度的各分量独立不相关，因　体颗粒计数器比对的方法，解决了在线液体颗粒计数　此合成标准不确定度为　器的校准问题，减小了大尺寸颗粒的校准误差。对校　ｕ　＝￣／∑Ｍ　：７．１％　（２）　准结果的测量不确定度分析证明，校准结果满足　取ｋ＝２，近似对应于９５％的置信概率，因此其　３０％的技术要求，因此，所提出的新的校准方法可以　扩展不确定度为　完全满足实际的校准需要。　Ｕ＝ｋｕ　１４．２％　（３）　参考文献　其有效自由度为　【ｌ】郝新友，马书根，曹建军，等．怎样用好液体自动颗　粒计数器［Ｊ］．液压与气动，２００３（３）：３９—４２．　ｕ　：丁　ｕ　ｆ　—　——　——　——了　：９１（４）ｑ，　【２】ＩＳＯ１　１９４３，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｌｕｉｄ　ｐ０ｗｅｒ——０ｎ－ｌｉｎｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　＋　＋　＋　ｐａｒｔｉｃｌｅ—ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｌｉｑｕｉｄｓ——Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｃａｌｉ—　ｔ，１　ｔ，２　Ｕ３　４　５结论　ｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ［Ｓ］．　针对在线液体颗粒计数器采用传统的瓶装颗粒标　【３】ＩＳＯ／ＴＲ１６１４４，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｌｆｕｉｄ　ｐｏｗｅｒ——ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｓ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　准物质校准困难的现实，设计了简单实用的模拟在线　ｅｅ￣ｉｆｙ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｅｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ＳＲＭ２８０６［Ｓ］．　校准系统和微流量取样器，通过在模拟校准系统中同　【４】ＩＳＯ１　１　１７１，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｌｆｕｉｄ　ｐｏｗｅｒ—ｃａｌ　ｒａＩｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　时添加标准固体颗粒粉末和乳胶颗粒，采用与标准液　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｓ［Ｓ］．