Способ определения концентрации и размера частиц примесей в масле или топливе и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества масла или топлива, а также ранней диагностики начала аварийного износа двигателя. Сущность изобретения: получают тарировочные графики зависимостей количества импульсов тока в цепи питания электродов от концентрации и амплитуды импульсов от размера частиц примесей в конкретном испытуемом топливе или масле на нескольких образцах с примесями различной концентрации и размерами частиц. Для этого образцы приводят к температуре 18 - 20^oС и пропускают через фильтр с размером ячеек d = (0,90 - 0,96)δ, где δ - межэлектродное расстояние, погружают в образцы масла или топлива два электрода на расстояний δ = 0,2 - 3,0 мм друг от друга и подводят к ним постоянное напряжение ΔU=(0,03-0,20)E_проб·δ, где E_проб - пробойная напряженность для испытуемого масла или топлива. Количество и амплитуду импульсов тока в цепи питания электродов измеряют в течение 1 - 10 мин. Затем проделывают те же операции с испытуемыми образцами масла или топлива и по полученным тарировочным графикам определяют концентрацию и размер частиц примесей. Способ может быть реализован при помощи устройства, которое содержит два электрода с возможностью изменения межэлектродного расстояния от 0,2 до 3,0 мм любой формы, кроме плоскопараллельных пластин. Площадь электродов 0,1 - 50 см² у каждого, кроме того, устройство содержит блок питания, нагрузочное сопротивление, конденсатор, усилитель, блок измерения, блок индикации и генератор акустических колебаний. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества масла и топлива, а также для ранней диагностики начала аварийного износа двигателя.

Известен способ контроля физико-химических свойств суспензии, при котором в нее погружают два электрода, подводят к ним напряжение и измеряют число импульсов тока, которое зависит от концентрации частиц примесей, и амплитуду импульсов, характеризующую величину активной поверхности частиц [1].

Однако этот способ не обеспечивает точность измерения концентрации частиц примесей, так как не все содержащиеся в суспензии частицы попадают на индикаторный электрод с потоком пульпы. Кроме того, способ имеет узкий диапазон применения: им можно фиксировать частицы только в электропроводной среде и только веществ, способных принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения магнитных частиц в диэлектрической жидкости, при котором в нее погружают два электрода, снабженных электромагнитами, поочередно включают их и измеряют количество импульсов тока на втором электроде и их амплитуду. По этим значениям определяют количество и размер магнитных частиц в контролируемом объеме жидкости [2].

Применение этого способа, однако, не позволяет определить в масле немагнитные частицы, которые составляют существенную часть продуктов изнашивания двигателей, а также другие примеси, недопустимые в масле и топливе, в частности воду.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение области применения этого способа за счет обеспечения возможности измерения концентрации и размера частиц в масле или топливе любых электропроводных примесей, включая воду.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения концентрации и размера частиц примесей в масле или топливе [2], в процессе которого в них погружают два электрода, подводят к ним постоянное напряжение и измеряют количество и амплитуду импульсов тока в цепи питания электродов, согласно изобретению предварительно получают тарировочные графики зависимостей упомянутого количества импульсов от концентрации и амплитуды в связи с размером частиц примесей, для чего приготовляют несколько образцов испытуемого масла или топлива с примесями различной концентрации и размера частиц, приводят их к температуре t = 18 - 20^oC, пропускают через фильтр с размером ячеек d = (0,90 - 0,96)·δ, где δ - межэлектродное расстояние, устанавливают электроды на расстоянии δ = 0,2 - 3,0 мм друг от друга, величину напряжения определяют из соотношения ΔU = (0,03-0,20)·E_проб·δ , где E_проб. - пробойная напряженность поля для испытуемого масла или топлива, упомянутые количество и амплитуду импульсов определяют в течение времени τ = 1 - 10 мин, для испытуемого масла или топлива строят тарировочные графики зависимостей количества импульсов от концентрации и их амплитуды в связи с размером частиц примесей, затем при тех же условиях определяют концентрацию и размер частиц примесей в масле или топливе с неизвестной концентрацией и размером частиц, для чего приводят их к температуре t, пропуская через фильтр с размером ячеек d, устанавливают электроды на расстоянии δ друг от друга, подводят напряжение ΔU , в течение времени τ измеряют упомянутые количество и амплитуду импульсов и по полученным тарировочным графикам определяют концентрацию и размер частиц примесей.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа со способом-прототипом [2] показал следующее (см. табл.1).

Таким образом, предлагаемый способ содержит необходимые действия над материальными объектами - маслом и топливом - (Д/О) в числе своих ограничительных признаков (признаки 5, 7, 11, 12) и своих отличительных признаков (признаки 2, 3, 4, 6 и 14). Следовательно, он в принципе относится к виду охраноспособных способов и соответствует критерию "новизна".

Структура этого решения по указанным номерам признаков выражается в виде: 1, 5, 7, 11, 12, 16, отличающийся 2, 3, 4, 6, 8, 10, 13, 14, 15.

Следовательно, этот способ по выбранному прототипу [2] критерию "новизна" соответствует в объеме предлагаемой формулы изобретения.

Для исследования изобретательского уровня предложения его отличительные признаки целесообразно рассмотреть в трех группах.

Использование признаков 2, 3, 4 и 15 широко известно по другим способам. Сами по себе известны признаки 6, 10 и 13. Однако ни в одном из известных способов определения концентрации и размеров частиц примесей в масле или топливе эти признаки не используются для определения концентрации и размеров немагнитных частиц металлов, других примесей и, в частности, воды, т.е. в предлагаемом способе они проявляют новое свойство - расширяют область применения способа. Использование признаков 8 и 14 в других способах по легальным источникам неизвестно.

Поскольку использование признаков 8 и 14 в способах определения концентрации примесей в масле или топливе вообще неизвестно, а использование признаков 6, 10 и 13 в предлагаемом способе создает новое свойство, указанное решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Известно устройство для контроля физико-химических свойств суспензии, содержащее два электрода, один из которых является индикаторным, источник напряжения, блок выделения импульса тока, импульсный усилитель, амплитудные дискриминаторы и регистрирующее устройство [1].

Применение этого устройства не обеспечивает точности измерения концентрации и размеров частиц примесей, так как не все содержащиеся в суспензии частицы попадают на индикаторный электрод с потоком пульпы. Кроме того, это устройство работоспособно только в электропроводных средах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения магнитных частиц в диэлектрических жидкостях, содержащее два электрода, источники питания, два электромагнита, резистор и осциллограф [2].

Это устройство работоспособно в жидкостях-диэлектриках, однако не позволяет определять немагнитные частицы и другие примеси, недопустимые в масле и топливе, в частности воду.

Предлагаемое устройство направлено на расширение области применения известного устройства за счет обеспечения возможности измерения концентрации и размера в масле или топливе частиц любых электропроводных примесей, включая воду.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство для определения концентрации и размера частиц примесей в масле или топливе, содержащее первый и второй электроды с первым электродом своим первым выходом блок питания, связанное с выходом второго электрода нагрузочное сопротивление, а также блок индикации и генератор акустических колебаний, согласно изобретению дополнительно содержит конденсатор, усилитель и блок измерения, при этом выход второго электрода связан с входом конденсатора, выход конденсатора связан с вторым входом усилителя, первый вход которого связан с вторым выходом упомянутого блока питания и выходом нагрузочного сопротивления, выход усилителя связан с входом блока измерения, выход которого связан с входом упомянутого блока индикации, причем межэлектродное расстояние должно быть изменяемым в пределах δ = 0,2 - 3,0 мм, электроды не должны иметь форму плоскопараллельных пластин, а площадь каждого из них должна составлять 0,1 - 50 см². Следовательно, указанное решение соответствует критерию "новизна".

Для исследования соответствия решения критерию "изобретательский уровень" его отличительные признаки целесообразно рассмотреть порознь. Использование каждого из них по тому же назначению порознь широко известно, в том числе и в аппаратуру для электрических измерений. Однако в предлагаемом сочетании с ограничительными признаками они реализуют неизвестный ранее алгоритм определения концентрации и размера частиц примесей в масле или топливе по предлагаемому способу и, тем самым, проявляют заведомо новое сверхсуммарное свойство - расширение области применения устройства за счет возможности определения концентрации и размера частиц кроме магнитных еще и немагнитных примесей, а также воды в масле или топливе. Поэтому указанное решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство предназначено специально для осуществления предлагаемого способа. По сравнению с иными средствами оно позволяет реализовать этот способ наиболее эффективно. Поэтому оно заявляется самостоятельно.

На фиг. 1 показан характер тарировочного графика зависимости количества импульсов тока в цепи питания электродов от концентрации примесей; на фиг. 2 - характер тарировочного графика зависимости амплитуды импульсов тока от размера частиц примесей; на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом (общий пример способа).

Сначала получают тарировочные графики зависимостей количества импульсов тока в цепи питания электродов от концентрации и амплитуды импульсов в связи с размером частиц примесей в конкретном испытуемом масле или топливе. Для этого приготовляют несколько образцов этого масла или топлива с примесями различной концентрации и размера частиц. В качестве примесей выбирают частицы продуктов изнашивания двигателей или деталей агрегатов, в которых работает испытуемое масло или топливо. В случае, если необходимо определить наличие, концентрацию и размер частиц воды в топливе или масле перед их заправкой в соответствующие системы двигателя, в качестве примесей в топливо или масло вводят воду в различной концентрации и с различным размером частиц. После этого масло или топливо приводят к температуре t = 18 - 20^oC и пропускают через фильтр с размером ячеек d = (0,90-0,96)·δ , где δ - межэлектродное расстояние. Затем в емкость с маслом или топливом погружают два электрода, устанавливают их на расстоянии δ = 0,2 - 3,0 мм друг от друга и подводят к ним постоянное напряжение, величину которого определяют из соотношения: ΔU = (0,03-0,20)·E_проб·δ , где E_проб. - пробойная напряженность для испытуемого масла или топлива. Количество и амплитуду импульсов тока в цепи питания электродов измеряют в течение τ = 1 - 10 мин. После этого по полученным данным строят тарировочные графики зависимостей количества импульсов от концентрации примесей и амплитуды от размера частиц примесей. Затем определяют концентрацию и размер частиц примесей в масле или топливе с неизвестной концентрацией и размером частиц. Для этого их приводят к той же температуре t, пропускают через фильтр с тем же размером ячеек d, устанавливают электроды на том же расстоянии δ друг от друга, подводят то же напряжение ΔU , в течение того же времени τ измеряют количество и амплитуду импульсов и по полученным ранее тарировочным графикам определяют концентрацию и размер частиц примесей. Физическая сущность происходящих при этом процессов впервые установлена в исследованиях заявителя и описана в разделе "Работа устройства".

Существенность признаков предлагаемых значений параметров режимов операций способа для достижения цели изобретения установлена экспериментально и объясняется следующим.

Приведение испытуемых масла или топлива к температуре t = 18 - 20^oC необходимо для исключения погрешности в измерении концентрации и размера частиц примесей, связанной с изменением вязкости масла или топлива при изменении их температуры. Уменьшение температуры менее 18^oC увеличит время измерения за счет увеличения их вязкости, а превышение 20^oC нецелесообразно по причинам увеличения затрат энергии на подогрев и пожарной безопасности.

Пропускание масла или топлива через фильтр с размером ячеек d = (0,90-0,96)·δ необходимо для исключения короткого замыкания между электродами в случае попадания на них частиц размером больше межэлектродного расстояния. Уменьшение d менее 0,9·δ нецелесообразно ввиду уменьшения точности способа, а при d более 0,96·δ может произойти короткое замыкание электродов.

При уменьшении межэлектродного расстояния менее 0,2 мм снижается чувствительность способа за счет невозможности фиксирования крупных, размеров 0,2 мм и более частиц примесей, а при δ более 3 мм снижается чувствительность к мелкодисперсным частицам примесей. Межэлектродное расстояние выбирают в зависимости от того, концентрацию частиц какого размера необходимо определить в испытуемом масле или топливе.

При уменьшении подводимого к электродам напряжения менее 0,03·E_проб·δ способ теряет чувствительность за счет значительного уменьшения средней напряженности электрического поля, а увеличение напряжения свыше 0,2·E_проб·δ нецелесообразно ввиду значительного увеличения вероятности пробоя прослойки масла или топлива между электродами и ухудшения условий техники безопасности при осуществлении способа.

Уменьшение времени τ измерения амплитуды и количества импульсов тока менее 1 мин значительно снижает точность определения концентрации и размера частиц примесей, а увеличение времени измерения более 10 мин нецелесообразно, так как не повышает эту точность, но значительно увеличивает затраты времени на одно измерение.

При уменьшении площади каждого электрода менее 0,1 см² чувствительность устройства значительно снижается. При увеличении этой площади свыше 50 см² значительно возрастает межэлектродная емкость, что приводит к появлению погрешности за счет уменьшения количества и амплитуды импульсов. Кроме того, импульсы от малых частиц становится невозможно выделить на фоне шумов.

Электроды не должны иметь форму плоскопараллельных пластин для обеспечения неоднородности электрического поля в межэлектродном пространстве.

Предлагаемый способ может быть реализован также с помощью предлагаемого устройства (частный пример способа).

Это устройство содержит (фиг. 3) два электрода 1 и 2 с возможностью изменения межэлектродного расстояния от 0,2 до 3,0 мм любой формы кроме плоскопараллельных пластин и площадью 0,1 - 50 см² каждый, блок питания 3, нагрузочное сопротивление 4, конденсатор 5, усилитель 6, блок измерения 7, блок индикации 8 и генератор акустических колебания 9.

Устройство при осуществлении способа функционирует следующим образом.

При подведении к электродам, опущенным в масло или топливо на расстоянии δ друг от друга, постоянного напряжения, электроды приобретают разноименные заряды, а в межэлектродном пространстве благодаря форме электродов, отличной от плоскопараллельных пластин, образуется неоднородное электрическое поле. Если частиц примесей в масле или топливе нет, между электродами протекает очень малый постоянный ток, обусловленный электрической проводимостью масла или топлива. Удельное сопротивление различных масел и топлив составляет 10⁸ - 10¹³ Ом·м, поэтому, например, при напряжении ΔU на электродах 2 кВ, площади электродов 0,2 см² и зазоре между ними 1 мм этот ток не превышает 0,1 - 0,4 мкА.

При наличии в масле или топливе в приэлектродном пространстве частиц примесей под влиянием электрического поля в каждой из них происходит перераспределение зарядов, т.е. на сторонах частицы, обращенных к электродам, наводятся заряды, по знаку противоположные зарядам соответствующих электродов. Благодаря этому частица превращается в электрический диполь, на который помимо ориентируемого момента действует неуравновешенная сила в направлении возрастания напряженности поля, пропорциональная величине индуцированных в частице зарядов и разности напряженностей поля между полюсами диполя (Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С.Ландсберга. - М.: Наука, 1969, т. 2, с. 40, текст под рис. 24, 25; Штрауф Е.А., Курс физики. - Л.: Судпромгиз, 1962, т. 2, с. 43). Поэтому частица начинает двигаться в направлении возрастания напряженности поля к тому электроду, к которому она была ближе в момент включения поля. Соприкоснувшись с электродом, частица получает от него заряд того же знака, каким он заряжен сам, так как одноименно заряженные тела отталкиваются, частица отталкивается от этого электрода и движется к противоположно заряженному электроду. Соприкоснувшись с ним, частица перезаряжается зарядом его знака, отталкивается от него и движется к противоположно заряженному электроду, т.е. происходит осцилляция частицы между электродами. Такое же движение совершают и все остальные частицы примесей. При соприкосновении каждой частицы с электродом 2 в цепи возникает импульс тока. Количество их пропорционально количеству осциллирующих в межэлектродном пространстве частиц, а амплитуда импульсов пропорциональна размеру этих частиц. Импульсы тока вызывают соответствующие им импульсы напряжения на нагрузочном сопротивлении 4, которые через конденсатор 5 поступают на вход усилителя 6. Здесь импульсы напряжения усиливаются до уровня, достаточного для измерения их количества и амплитуды блоком измерения 7. Конечная информация о концентрации и размере частиц примесей выдается блоком индикации 8. Для исключения коагуляции частиц примесей, которая снижает точность измерения, контролируемое масло или топливо подвергается воздействию акустического поля, создаваемого генератором 9.

Количественные примеры.

Пример 1. Производили измерение концентрации и размера частиц примесей металлических продуктов изнашивания деталей авиационного двигателя, в маслосистеме которого применяют масло МК-8, имеющее пробойную напряженность электрического поля E_проб. = 19,5 кВ/мм. Необходимые тарировочные графики получали и определение концентрации и размера частиц примесей в масле с неизвестной концентрацией и размером частиц производили при следующих параметрах операций способа: t = 19^oC, d = 0,93·δ , δ = 1,6 мм, ΔU = 0,1E_проб·δ = 0,1·19,5·1,6 = 3,12 кВ, τ = 5 мин, площадь каждого электрода 25 см² . Полученные тарировочные графики представлены на фиг. 1 (кривая 1) и фиг. 2. На фиг. 2 приведена только одна кривая, так как амплитуда импульсов не зависит от материала частиц, а зависит только от площади их поверхности. За время измерения τ = 5 мин зафиксировано 1450 импульсов с амплитудой 16 - 28 мВ. По указанным кривым определяем концентрацию частиц 80 г/т и их размер 3,6 - 4,9 мкм.

Пример 2. Производили измерение концентрации эмульсионной воды в пробе авиационного топлива РТ, имеющего пробойную напряженность электрического поля E_проб = 20,2 кВ/мм. Необходимые тарировочные графики и определение концентрации и размера частиц воды в пробе топлива с неизвестной концентрацией и размером частиц производили при следующих параметрах операций способа: t = 19^oC, d = 0,93·δ , δ = 1,6 мм, ΔU = 0,1E_проб·δ = 0,1·20,2·1,6 = 3,23 кВ, τ = 5 мин, площадь каждого электрода 25 см². Полученные тарировочные графики представлены на фиг. 1 (кривая 2) и фиг. 2. За время измерения зафиксировано 1750 импульсов с амплитудой 0,4 - 2,4 мВ. По указанным кривым концентрация воды в топливе составляет 20 г/т, а размер частиц - 1,8 - 4,5 мкм.

Для иллюстрации и подтверждения возможности получения технического результата - расширения области применения способа - в предложенных интервалах параметров операций и отсутствии возможности получения указанного технического результата за пределами предложенных интервалов, была проведена серия опытов по определению концентрации и размера частиц металлических примесей в масле МК-8 и воды в топливе РТ пятью способами (табл. 2). Способы 2 - 4 предложены с параметрами операций по границам и внутри предлагаемых диапазонов, причем способ 3 подробно описан в двух вышеприведенных примерах, способ 1 с параметрами операций ниже нижних предлагаемых пределов, а способ 5 - выше верхних предлагаемых пределов.

Кроме того, в этой таблице приведены и результаты испытаний способа-прототипа [2] с помощью устройства-прототипа [2]. Этот способ использовали для определения концентрации и размера частиц примесей в тех же образцах масла МК-8 и топлива РТ с неизвестной концентрацией и размером частиц, что и при испытании способов 1 - 5.

Испытания показали, что способ-прототип [2] дает заниженные значения концентрации частиц примесей в масле за счет невозможности учета немагнитных металлических частиц и не применим для определения воды в топливе и масле. Способ 1 неработоспособен ввиду малой площади электродов, малого расстояния между ними, малой напряженности электрического поля и малого времени измерения. Способ 5 также неработоспособен ввиду превышения верхних границ всех предложенных параметров операций.

Таким образом, предлагаемые технические решения удовлетворяют всем предъявленным к изобретениям критериям: являются новыми, имеют изобретательский уровень и промышленно применимы.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации и размера частиц примесей в масле или топливе, в процессе которого в них погружают два электрода, подводят к ним постоянное напряжение и измеряют количество и амплитуду импульсов тока в цепи питания электродов, отличающийся тем, что предварительно получают тарировочные графики зависимостей упомянутых количества импульсов от концентрации и амплитуды от размера частиц примесей, для чего приготовляют несколько образцов испытуемого масла или топлива с примесями различной концентрации и размера частиц, приводит их к температуре t = 18 - 20^oС, пропускают через фильтр с размером ячеек d = (0,90 - 0,96) δ , где δ - межэлектродное расстояние, устанавливают электроды на расстоянии δ = 0,2 - 3,0 мм друг от друга, величину напряжения определяют из соотношения ΔU = (0,03-0,20)·E_проб·δ, где Е_проб - пробойная напряженность электрического поля для испытуемого масла или топлива, количество и амплитуду импульсов измеряют в течение времени τ = 1 - 10 мин, для испытуемого масла или топлива строят тарировочные графики зависимостей количества импульсов от концентрации и амплитуды от размера частиц примесей, затем при тех же условиях определяют концентрацию и размер частиц примесей в масле или топливе с неизвестной концентрацией и размером частиц, для чего приводят их к температуре t, пропускают через фильтр с размером ячеек d, устанавливают электроды на расстоянии δ друг от друга, подводят к электродам напряжение ΔU, в течение времени τ измеряют количество и амплитуду импульсов и по полученным тарировочным графикам определяют концентрацию и размер частиц примесей.

2. Устройство для определения концентрации примесей в масле или топливе, содержащее первый и второй электроды, связанный с первым электродом своим первым выходом блок питания, связанное с выходом второго электрода нагрузочное сопротивление, а также блок индикации и генератор акустических колебаний, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит конденсатор, усилитель и блок измерения, при этом выход второго электрода связан с входом конденсатора, выход конденсатора связан с вторым входом усилителя, первый вход которого связан с вторым выходом блока питания и выходом нагрузочного сопротивления, выход усилителя связан с входом блока измерения, выход которого связан с входом блока индикации, причем межэлектродное расстояние должно быть изменяемым в пределах δ = 0,2 - 3,0 мм, электроды не должны иметь форму плоскопараллельных пластин, а площадь каждого из них должна составлять 0,1 - 50 см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6