一种基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置 |
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| 申请号 | CN202321057466.6 | 申请日 | 2023-05-05 | 公开(公告)号 | CN220380998U | 公开(公告)日 | 2024-01-23 |
| 申请人 | 大生科技(北京)有限公司; 深能南京能源控股有限公司; | 发明人 | 姚鹏; 徐经纬; 王宁; 曾梓恒; 陈涛; 王金生; 孙尧; 郭志杰; 张永辉; 邢吉山; | ||||
| 摘要 | 本实用新型提供了一种基于高 光谱 的 齿轮 箱 润滑油 元素离线监测装置，涉及 风 电机 组状态监测技术领域，为解决现有风电机组齿轮箱润滑油检测耗时长的问题而设计。该装置包括壳体、储油器、 光源 、分光器和 探头 ，壳体开设有进油口和出油口，进油口被配置为将齿轮箱中的待检油液引入，储油器、光源和分光器均设置在壳体的内部，且储油器设置有与进油口连通的进油端以及与出油口连通的出油端；光源被配置为向储油器发射光线，分光器位于光源与储油器之间，分光器被配置为将 波长 为400‑1000nm的光谱投射至储油器；探头被配置为收集经储油器的油液反射的光谱，且探头通过无线传输模 块 与 云 平台电连接。本实用新型能够实现对风电机组齿轮箱润滑油的高效检测。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置，其特征在于，包括壳体(100)、储油器(200)、光源(300)、分光器(400)和探头，所述壳体(100)开设有进油口(110)和出油口(120)，所述进油口(110)被配置为将齿轮箱(010)中的待检油液引入，所述储油器(200)、所述光源(300)和所述分光器(400)均设置在所述壳体(100)的内部，且所述储油器(200)设置有与所述进油口(110)连通的进油端以及与所述出油口(120)连通的出油端；所述光源(300)被配置为向所述储油器(200)发射光线，所述分光器(400)位于所述光源(300)与所述储油器(200)之间，所述分光器(400)被配置为将波长为400‑1000nm的光谱投射至所述储油器(200)；所述探头被配置为收集经所述储油器(200)的油液反射的光谱，且所述探头通过无线传输模块(700)与云平台(030)电连接。 |
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| 说明书全文 | 一种基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置技术领域背景技术[0002] 风电机组中设置有齿轮箱，齿轮箱的功能包括传递动力、调速、调扭矩等。通常，齿轮箱内装有润滑油，以实现对齿轮箱部件的良好润滑。为了保证齿轮箱始终处于较佳的工作状态，需要定期对齿轮箱内的润滑油进行检测。 [0003] 目前，针对齿轮箱润滑油元素检测多采用ICP‑AES法进行测定，通过对润滑油中磨损和污染元素的浓度来判断和预警润滑油机械故障。润滑油中微量元素的测定分析常采用的方法有：原子吸收光谱法、X‑射线荧光光谱法、紫外可见光光度法等。虽然，ICP‑AES法具有精密度好、快速准确等优点，但是，其便携性差、设备成本高、操作复杂，造成其检测成本较高。例如：现有对风力发电机齿轮箱润滑油检测采用的是人员定期登塔将油液抽出，送检至专业的检测机构进行油液测定，一次测定周期约为1个月(风电机组多建于山区、草原或海上，海上风电送检时间更长)，无法提供高时效的检验数据，严重影响风力发电机组的安全、健康运行。同时，检测价格昂贵，使得每年业主花费在油液检测的费用高达数十万元。实用新型内容 [0004] 本实用新型的第一个目的在于提供一种基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置，以解决现有风电机组齿轮箱润滑油检测耗时长的技术问题。 [0005] 本实用新型提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置，包括壳体、储油器、光源、分光器和探头，所述壳体开设有进油口和出油口，所述进油口被配置为将齿轮箱中的待检油液引入，所述储油器、所述光源和所述分光器均设置在所述壳体的内部，且所述储油器设置有与所述进油口连通的进油端以及与所述出油口连通的出油端；所述光源被配置为向所述储油器发射光线，所述分光器位于所述光源与所述储油器之间，所述分光器被配置为将波长为400‑1000nm的光谱投射至所述储油器；所述探头被配置为收集经所述储油器的油液反射的光谱，且所述探头通过无线传输模块与云平台电连接。 [0006] 进一步地，所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置还包括进油管和出油管，所述进油管的一端与齿轮箱连通，所述进油管的另一端与所述进油口连通；所述出油管的一端与所述出油口连通，所述出油管的另一端连通至所述齿轮箱的回油口；所述进油管安装有进油阀，所述进油阀被配置为控制所述进油管的通断；所述出油管安装有出油阀，所述出油阀被配置为控制所述出油管的通断。 [0008] 进一步地，所述出油管还安装有流量监测器，所述流量监测器被配置为监测所述出油管的油液流量，且所述流量监测器通过所述无线传输模块与所述云平台电连接。 [0009] 进一步地，所述无线传输模块包括无线网卡，所述无线网卡安装于所述壳体。 [0010] 进一步地，所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置还包括触摸控制面屏和电源开关，所述触摸控制面屏安装于所述壳体，所述电源开关设置于所述壳体，所述触摸控制面屏和所述电源开关均与所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置的控制系统电连接。 [0011] 进一步地，所述进油阀为球阀。 [0012] 进一步地，所述出油阀为球阀。 [0013] 进一步地，所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置还包括电动油泵，所述电动油泵位于所述壳体的内部，且所述电动油泵连通所述储油器与所述出油管，所述电动油泵被配置为提供油液流动动力。 [0014] 进一步地，所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置的外表面涂覆有敷型涂料，所述敷型涂料被配置为使所述齿轮箱润滑油元素离线监测装置的运行温度处于‑40℃至60℃。 [0015] 本实用新型基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置带来的有益效果是： [0016] 通过设置主要由壳体、储油器、分光器、光源和探头组成的齿轮箱润滑油元素离线监测装置，在需要对风电机组的齿轮箱的润滑油进行检测时，可以使齿轮箱中的润滑油自壳体的进油口进入储油器，利用储油器实现对油液样本的暂存；之后，光源发射光线，通过分光器将波长为400‑1000nm的光谱投射到被检测油样上，探头收集反射光谱，根据区分、识别反射光谱中特定元素对应的特征谱线，测定光学系统分光后产生的被测元素特征谱线的强度；在齿轮箱润滑油元素离线监测装置完成谱线区分和识别后，通过无线传输模块，将数据传输至云平台；云平台结合已知样本特征谱线所建立的模型，以及探头采集的特征谱线建立二次推断模型，从而计算得到元素类型和元素浓度。 [0017] 该齿轮箱润滑油元素离线监测装置能够实现齿轮箱润滑油的离线监测，不仅能够为齿轮箱的安全、可靠运行提供依据，而且，高效、快速。并且，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置通过无线传输模块将检测数据上传至云平台，还能够将计算结构提供至监控室供人员实时监测，有效地节省了人力和缩短了检测的时间。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0019] 图1为本实用新型实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置的工作原理示意图； [0020] 图2为本实用新型实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置的结构示意图； [0021] 图3为被监测油样对应波长为400‑1000nm波段的DN(Digital Number，强度)值； [0022] 图4为被监测油样对应波长为400‑1000nm波段的反射率fλ； [0023] 图5为本实用新型实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置在计算油元素成分浓度所使用的尺度法模型系统流程图。 [0024] 附图标记说明： [0025] 010‑齿轮箱；020‑齿轮箱润滑油元素离线监测装置；030‑云平台； [0026] 100‑壳体；200‑储油器；300‑光源；400‑分光器；500‑进油管；600‑出油管；700‑无线传输模块；800‑触摸控制面屏；900‑电源开关； [0027] 110‑进油口；120‑出油口； [0028] 510‑进油阀；520‑温度传感器； [0029] 610‑出油阀；620‑流量监测器。 具体实施方式[0030] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 [0031] 图1为本实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的工作原理示意图，图2为本实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置020，包括壳体100、储油器200、光源300、分光器400和探头，具体地，壳体100开设有进油口110和出油口120，进油口110被配置为将齿轮箱010中的待检油液引入，储油器200、光源300和分光器400均设置在壳体100的内部，且储油器200设置有与进油口110连通的进油端以及与出油口120连通的出油端；光源300被配置为向储油器200发射光线，分光器400位于光源300与储油器200之间，分光器400被配置为将波长为400‑1000nm的光谱投射至储油器200；探头被配置为收集经储油器200的油液反射的光谱，且探头通过无线传输模块700与云平台030电连接。 [0032] 在需要对风电机组的齿轮箱010的润滑油进行检测时，可以使齿轮箱010中的润滑油自壳体100的进油口110进入储油器200，利用储油器200实现对油液样本的暂存；之后，光源300发射光线，通过分光器400将波长为400‑1000nm的光谱投射到被检测油样上，探头收集反射光谱，根据区分、识别反射光谱中特定元素对应的特征谱线，测定光学系统分光后产生的被测元素特征谱线的强度；在齿轮箱润滑油元素离线监测装置020完成谱线区分和识别后，通过无线传输模块700，将数据传输至云平台030；云平台030结合已知样本特征谱线所建立的模型，以及探头采集的特征谱线建立二次推断模型，从而计算得到元素类型和元素浓度。 [0033] 该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020能够实现齿轮箱010润滑油的离线监测，不仅能够为齿轮箱010的安全、可靠运行提供依据，而且，高效、快速。并且，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020通过无线传输模块700将检测数据上传至云平台030，还能够将计算结构提供至监控室供人员实时监测，有效地节省了人力和缩短了检测的时间。 [0034] 需要说明的是，探头如何将识别到的谱线通过无线传输模块700传输至云平台030，为本领域技术人员可以根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再赘述。 [0036] 请继续参照图1和图2，本实施例中，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020还包括进油管500和出油管600，具体地，进油管500的一端与齿轮箱010连通，进油管500的另一端与进油口110连通；出油管600的一端与出油口120连通，出油管600的另一端连通至齿轮箱010的回油口。其中，进油管500安装有进油阀510，进油阀510被配置为控制进油管500的通断；出油管600安装有出油阀610，出油阀610被配置为控制出油管600的通断。 [0037] 当需要对齿轮箱010的润滑油进行检测时，可以先使进油阀510处于通路状态、出油阀610处于断路状态，使得齿轮箱010中的润滑油通过进油管500进入储油器200；在储油器200中的油样经过光谱照射并由探头完成对反射光谱的收集后，使进油阀510处于断路状态、出油阀610处于通路状态，以使储油器200中的油样经过出油管600回流至齿轮箱010，一方面，减少对齿轮箱010中润滑油的消耗，另一方面，避免润滑油在储油器200中聚集而导致的油液浪费。 [0038] 需要说明的是，本实施例中，齿轮箱010可通过技改手段与进油管500连接。 [0039] 本实施例中，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020还可以包括电动油泵，电动油泵可以安装在壳体100内部，并位于储油器200与出油管600之间，用于为油液提供泵送动力，使得油液能够顺利经进油管500进入储油器200，以及经出油管600回流至齿轮箱010。 [0040] 本实施例中，进油阀510和出油阀610可以均为球阀。 [0041] 请继续参照图2，本实施例中，进油管500还安装有温度传感器520，其中，温度传感器520通过无线传输模块700与云平台030电连接。 [0042] 当齿轮箱010中的润滑油从进油阀510处流过时，温度传感器520将自动检测油液温度，并将温度值传输至云平台030，用于监测齿轮箱010中的润滑油的温度是否处于正常状态；当储油器200被齿轮箱010中的润滑油充满后，进油阀510关闭，待温度传感器520监测到油温处于50℃以下后，启动齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的检测和分析功能。 [0043] 温度传感器520的设置，使得齿轮箱润滑油元素离线监测装置020在满足设定温度条件之后才启动，有效避免了因油液温度过高而导致油元素监测过程受到干扰，保证了监测的精确性。 [0044] 请继续参照图2，本实施例中，出油管600还安装有流量监测器620，其中，流量监测器620被配置为监测出油管600的油液流量，且流量监测器620通过无线传输模块700与云平台030电连接。 [0045] 在储油器200的油液经出油管600回流至齿轮箱010的过程中，将通过流量监测器620计算单位时间内通过的油液流量，并根据计算值分析得出润滑油粘稠度，之后，将上述获取的润滑油粘稠度数据传输至云平台030。 [0046] 流量监测器620的设置，能够实现对齿轮箱010中润滑油的粘稠度的监测，丰富了本实施例齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的功能性。 [0047] 需要说明的是，温度传感器520如何将检测到的温度值传输至云平台030，以及流量监测器620计算分析得到润滑油粘稠度并将该粘稠度传输至云平台030，均为本领域技术人员可以根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再赘述。 [0048] 本实施例中，无线传输模块700包括无线网卡，具体地，无线网卡安装于壳体100。这种无线传输模块700的设置，不仅能够实现齿轮箱润滑油元素离线监测装置020与云平台 030之间的无线数据传输，而且，结构简单。 [0049] 请继续参照图2，本实施例中，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020还可以包括触摸控制面屏800和电源开关900，具体地，触摸控制面屏800安装于壳体100，电源开关900设置于壳体100，触摸控制面屏800和电源开关900均与齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的控制系统电连接。 [0050] 在启动电源开关900后，齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的触摸控制面屏800显示启动界面，在启动操作结束后，将进入设置界面；此时，可以打开控制系统的无线功能，确认齿轮箱润滑油元素离线监测装置020是否满足正常使用需求；待各项指标满足要求后，便可进行油元素的监测工作。 [0051] 电源开关900的设置，方便人员对齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的开启状态进行控制，使得在齿轮箱润滑油元素离线监测装置020在不使用时可以处于关机状态，减少电能的消耗。 [0052] 本实施例中，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020及其配件表面均涂有敷型涂料，其中，敷型涂料被配置为使得该齿轮箱润滑油元素离线装置在‑40℃至60℃温度范围内正常运行。 [0053] 图3为被监测油样对应波长为400‑1000nm波段的DN值，其中，横坐标代表波长，纵坐标代表DN值。如图3所示，齿轮箱润滑油元素离线监测装置020在工作过程中，光学系统将进入探头的波长为400‑1000nm的反射光谱传输到衍射光栅，光栅以2nm波段精度将反射光谱分成300个离散(非连续)特征谱线，近似于单一波长(1nm)的单色光。经过电荷耦合或PMT(Photomultiplier Tube，光电倍增管)对特征谱线的光电转换，得出以波长(λ)为变量的一组真实辐亮度值LDM(λ)，为后续数据处理定量分析打下基础。上述辐亮度值即为图3中的DN值。 [0054] 被检测油液的反射率fλ的计算如下述公式(1)： [0055] fλ＝LDN(λ)×R(λ)/πR(λ)DN (1) [0056] 上述公式(1)中，LDM(λ)为探头在给定波段接受到的真实辐亮度值(DN)，R(λ)为标准反射率，R(λ)DN为标准板测量辐亮度(DN)。标准板反射率R(λ)是根据标准白班White(λ)的强度和黑板Black(λ)的强度(暗电流)对光源300反射和标准光板对光源300反射值R(λ)DN之比计算得出R(λ)。 [0057] [0058] 理想情况下，标准白板反射值近似于全反射，黑板反射值近似于0。被检测油液反射值介于白板反射值与黑板反射值之间，也就是说，fλ在(0，1)区间。 [0059] 图4为被监测油样对应波长为400‑1000nm波段的反射率fλ，其中，横坐标代表波长，纵坐标代表反射率fλ。如图4所示，反射率fλ代表在该波段所获得谱线的强度，又称光密度值，光密度值用于计算被检测油液中各金属浓度的浓度等级(PPM)。 [0060] 根据采集及光学系统的输出，可以得到被检测油液对应谱段的DN值和反射率fλ，在提前获知被检测元素的发射光谱和每一谱线的强度对应的元素浓度关系，便可计算被检测元素在被检测油液中的浓度等级(PPM)数值标签。 [0061] 图5为本实施例提供的基于高光谱的齿轮箱润滑油元素离线监测装置在计算油元素成分浓度所使用的尺度法模型系统流程图。如图5所示，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置使用尺度法模型计算元素成分浓度，根据标准油样，包括所有元素成分浓度，以及接近应用场景的油样元素成分浓度的分布作为标定指标，结合光谱图书馆提供所有元素成分谱线数据(目标函数)进行建模，形成对该油类和应用场景的检测尺度。结合应用场景获得的被检测油样反射率和DN值，根据模型通过偏最小二乘法对主成分波段分析，已知元素指标对应波段相关分析，线性回归分析的特点，计算得到所有元素成分浓度。 [0062] 作为本实用新型的一个具体实施例，该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的工作过程如下： [0063] (1)将齿轮箱润滑油元素离线监测装置020安装于齿轮箱010，并通过技改手段引出油管600。 [0064] (2)启动电源开关900，齿轮箱润滑油离线监测装置的触摸控制面屏800显示启动界面，等待3‑5min后，启动结束，进入设置界面。 [0065] (3)打开齿轮箱润滑油离线监测装置控制系统的WI‑FI功能，确认储油器200内油量、进油管500进油、出油管600出油是否正常，油压是否满足使用要求。 [0066] (4)确认各项指标满足要求后，设定监测周期，并启动运行程序，同时可通过后台系统，实时监测润滑油内元素浓度、油温、润滑油粘稠度等运行数据。 [0067] (5)齿轮箱润滑油元素离线监测装置020启动后，进油阀510打开，出油阀610关闭，电动油泵带动齿轮箱010内的润滑油油液通过进油管500进入齿轮箱润滑油元素离线检测装置的储油器200内。 [0068] (6)进油阀510开关上设有温度传感器520，当油液流经进油阀510时，将自动检测油温，并将温度值传输至云平台030，用于监测齿轮箱010油温是否处于正常状态。 [0069] (7)当齿轮箱010润滑油充满储油器200后，进油阀510关闭，待温度传感器520监测到油温处于50℃以下时，启动润滑油元素检测和分析。 [0070] (8)光源300发射的光线通过分光器400将400‑1000nm光谱投射到储油器200中的被检测油样上，探头收集反射光谱，根据区分、识别反射光谱中特定元素对应的特征谱线，测定光学系统分光后产生的被测元素特征谱线的强度。 [0071] (8)与此同时，齿轮箱润滑油元素离线监测装置020完成谱线区分和识别后，通过无线网卡，将数据传输至云平台030。 [0073] (9)云平台030得出检测结果后，将实时保存数值并反馈至风场监控室，并根据前期设定的数值，对数值进行预警显示。 [0074] (10)检测结束后，进油阀510关闭，出油阀610打开，电动油泵带动润滑油油液退回至齿轮箱010内。 [0075] (11)油液退回过程中，将通过流量监测器620计算单位时间内通过的油液流量，并根据计算值分析得出润滑油粘稠度，并将数值传输至云平台030。 [0076] (12)油液回退结束后，出油阀610关闭。 [0077] (13)元素浓度、油液温度及粘稠度等各项数值在正常范围时，该项数值字体颜色为绿色。 [0078] (14)元素浓度、油液温度及粘稠度等各项数值不在正常范围时，该项数值字体颜色为红色。 [0079] (15)工作人员可根据预警提示，对齿轮箱010运行情况进行实时监测。 [0080] (16)齿轮箱润滑油元素离线监测装置020的检测为周期性检测，检测周期可为1天、1周、1个月、3个月、6个月或12个月，可根据检测需求进行设置。当该齿轮箱润滑油元素离线监测装置020在不工作期间时，电动油泵处于休眠状态，进油阀510和出油阀610均关闭，避免齿轮箱010内润滑油油液泄漏的情况出现。 [0082] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0083] 上述实施例中，诸如“上”、“下”、“侧”等方位的描述，均基于附图所示。 [0084] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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