Способ определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах

Авторы патента:

G01N15/06 - определение концентрации частиц в суспензиях (G01N 15/04,G01N 15/10 имеют преимущество; путем взвешивания G01N 5/00)

Владельцы патента RU 2630539:

Гаранин Эрнест Михайлович (RU)

Изобретение относится к автоматическим средствам контроля жидких и газообразных сред на содержание механических примесей. Заявленный способ определения концентрации механических загрязнений в жидких или газообразных средах заключается в пропускании светового потока через объём контролируемой среды и измерении фотоэлектрическим элементом характеристики светового потока, прошедшего через контролируемую среду. При этом измеряют напряжение U на выходе фотоэлектрического элемента, а концентрацию K механических загрязнений вычисляют по формуле:

K = U C,

где C – заранее определенный постоянный коэффициент зависимости U от K. Технический результат - повышение точности измерения за счет исключении влияния расхода жидкости или газа на измерение величины концентрации частиц загрязнения в жидкой или газовой средах при упрощении способа. 2 ил.

Изобретение относится к автоматическим средствам контроля жидких и газообразных сред на содержание механических примесей.

Известен способ определения концентрации частиц в текущей среде (см. авт. св. СССР №974141, МПК G01J 1/04, опубл. 15.11.1982), в котором определение концентрации частиц происходит путем подсчета импульсов от частиц с помощью многоканального счетчика за определенный период времени, а о концентрации частиц судят по отношению количества импульсов к объему контролируемой среды, прошедшей через датчик, за тот же период времени.

Поскольку анализаторы не имеют встроенных расходомеров или датчиков объема, а расход контролируемой среды в ходе измерений может резко колебаться вследствие изменения температуры, давления в системе, засорения тракта анализатора и др. факторов, погрешность измерения концентрации велика.

Известен способ определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах (см. патент RU №2328723, МПК G01N 15/06, опубл. 10.07.2008), заключающийся в преобразовании аналоговых сигналов от частиц загрязнений в импульсы постоянной амплитуды и определении длительности импульса от частиц загрязнения и длительности пауз между прохождением частиц, в котором разделяют последовательность прямоугольных импульсов от частиц, и длительности пауз между прохождением частиц на два канала, в одном из которых только импульсы от частиц, а в другом только паузы, преобразуют длительности импульсов от частиц и длительности от пауз в напряжения, поступающие в микроконтроллер, осуществляющий определение отношения величин напряжений, которым присваивают индекс загрязненности.

Предлагаемый способ очень сложен, так как для получения «индекса загрязнения» надо определить время импульса, время паузы по отдельным каналам, затем разделить одну величину на два канала и только после проведения трех сложных действий – замер и деление величин порядка 0,00001 сек, – можно анализировать индекс загрязненности с неуказанными зависимостями с фактической концентрацией частиц загрязнений в контролируемой среде.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения концентрации частиц в жидкости (см. патент GB №1446017, МПК G01N 15/06, опубл. 11.08.1976), в котором выходной сигнал датчика анализатора преобразуют в импульсы ширины, соответствующей длительности импульсов от частиц и постоянной амплитуды, которые интегрируют по некоторому периоду времени, а по величине интегрального сигнала судят о количестве частиц в единице объема жидкости.

Недостатком прототипа является наличие погрешности измеренной величины концентрации, зависящей от расхода контролируемой среды.

Задачей изобретения является разработка способа определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах, лишенного отмеченных недостатков прототипа.

Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет исключении влияния расхода жидкости или газа на измерение величины концентрации частиц загрязнения в жидкой или газовой средах при упрощении способа.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации механических загрязнений в жидких или газообразных средах, заключающемся в пропускании светового потока через объём контролируемой среды и измерении фотоэлектрическим элементом характеристики светового потока, прошедшего через контролируемую среду, согласно заявляемому решению измеряют напряжение U на выходе фотоэлектрического элемента, а концентрацию K механических загрязнений вычисляют по формуле:

K = U C,

где C – заранее определенный постоянный коэффициент зависимости U от K.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для реализации способа измерения концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах, показан также профиль щелей F, через которые входит световой поток в контролируемый объём счетчика частиц загрязнения и выходит из объёма, попадая на фотоприемник;

на фиг. 2 показаны диаграммы выходных сигналов с импульсами от частиц при изменении скорости течения жидкости и концентрации загрязнений.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - осветитель;

2 - труба;

3 - фотоэлектрический элемент;

4 - измеритель напряжения;

5 - микроконтроллер;

6 - числовое табло.

Решение поставленной задачи касается автоматических счетчиков частиц загрязнения и основано на следующих аналитических зависимостях.

Автоматический счетчик частиц загрязнения в жидкости должен определить концентрацию частиц загрязнения - количество частиц загрязнения в единице объёма жидкости - К:

К=n/Q; (1)

где

n - число частиц загрязнения;

Q - объём жидкости, в которой находится данное число частиц загрязнения.

Современное промышленное производство немыслимо без автоматического контроля за отдельными ступенями технологического процесса. Для такого контроля используются электрические методы измерения неэлектрических величин. Для измерений неэлектрических величин используются преобразователи (датчики), на входе которых действует неэлектрическая величина, а на выходе - электрическая, воздействующая на выходное измерительное устройство.

К таким устройствам относится счетчик частиц загрязнения, работающий следующим образом. Через контролируемую среду (жидкость) пропускают ограниченный по площади, например, в виде прямоугольной щели световой поток и анализируют сигнал от затенения, вызванного частицами загрязнения, проходящими через световую щель. Т.е. при прохождении частицы загрязнения электрический сигнал светового потока, улавливаемый фотоприемником, уменьшается во время прохождения частицы через контролируемый объём, пропорционально площади и времени прохождения частицы. При изменении электрических параметров, вызванных наличием частиц загрязнения в анализаторах чистоты жидкостей, анализируются амплитуда импульса, вызванного прохождением непрозрачной частицы в световом потоке, время ее прохождения в контролируемом объёме (время импульса - tи), а также время между импульсами (Tи), и количество импульсов в единицу времени (частота).

В теории и практике измерения параметров импульсного тока (Большой энциклопедический словарь-определение терминов, методика и схемы измерения - А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М. Бином.1994 г.) используются следующие параметры импульсного тока:

t - длительность импульса,

T - период следования импульсов,

D = t/T -коэффициент заполнения - отношение длительности импульса к периоду следования импульсов,

T/t - скважность импульсов, параметр не зависящий от частоты - f.

Для измерения параметров импульсного тока разработаны и выпускаются приборы и микросхемы, определяющие - t, T, D, T/t, а также эффективное (среднеквадратичное) напряжение импульсного тока (E_эф), равное:

E_эф = U D^0.5; (0<D<1),

где U -амплитуда напряжения импульса.

Среднеквадратичное значение является наиболее важным параметром для определения величины сигнала, это наиболее распространенный способ определения величины сигнала переменного тока.

Преобразуем уравнение для определения концентрации загрязнений в жидкости с учетом обозначения параметров импульсной техники:

K = n_о/Q = t_о/T 1/(V S t_о)

где t₀ - время измерения,

n = t₀/T - количество частиц, прошедших зону контроля, за время t, V - скорость движения частицы загрязнения, принимаемая равной скорости течения среды через контролируемый объём датчика прибора контроля чистоты среды, например жидкости, (ПКЖ) равна V = (L+d)/t,

L - протяженность световой щели контролируемого объёма датчика ПКЖ,

d - диаметр частицы загрязнения,

S - площадь контролируемого объёма датчика ПКЖ.

Размеры контролируемого объёма ограничиваются конструктивно протяженностью светового потока L, его шириной a, равной диаметру канала, по которому течет жидкость, если канал круглого сечения, а если канал прямоугольного сечения, то ширине прямоугольника, а объём равен площади канала S, умноженной на высоту (протяженность) светового потока L.

В формуле концентрации объём жидкости - Q, протекающий через контролируемый объём датчика ПКЖ за время t, равен:

Q= V S t_о.

В результате преобразований формула расчета концентрации принимает вид:

K = t/T 1/((L+d)S) (2), или

K = t/T 1/C,

где C - величина постоянная для конкретной системы измерения концентрации, зависящая от геометрических параметров данного устройства.

Анализ формул (1) и (2) показывает, как можно, анализируя электрические параметры, определять неэлектрическую величину – концентрацию частиц загрязнения в различных средах. Концентрация вещества, по определению Энциклопедического словаря, это отношение числа частиц компонента системы, его количества или массы к объёму системы.

Из формулы (1) следует, что надо определять количество импульсов от частиц за время t_o и определить расход среды через счетчик частиц за это же время, после чего вычислить концентрацию. Из формулы (2) следует, что можно определять время импульса от частиц загрязнений, время длительности пауз между прохождением частиц, затем определять отношение этих величин, по которому судить о величине концентрации. После введения в формулу концентрации параметра эффективного напряжения импульсного тока E_эф с учетом следующего преобразования:

E_эф = U₀ D^0.5; D = (E_эф/U₀)²; t/T = E_эф²/U₀²

получаем:

K = E_эф² 1/(U₀² C)

Так как, в среднем, амплитуду импульса можно принять постоянной или заранее «обрезать» до оптимальной величины, то значение U является величиной постоянной для данного измерительного устройства и, следовательно, КОНЦЕНТРАЦИЯ частиц загрязнения в жидкости изменяется только в зависимости от одного параметра, а именно ЭФФЕКТИВНОГО напряжения или скважности импульсного тока, измеряемого на выходе из фотоэлектрического преобразователя - U_v. В результате имеем зависимость концентрации от напряжения импульсного тока, возникающего при прохождении частиц загрязнения в контролируемой среде:

K=U C

где: K - концентрация,U - напряжение, С - коэффициент, постоянный для данного устройства, учитывающий его геометрические и электрические характеристики.

C = (L + d) s,

где L - протяженность световой щели контролируемого объёма датчика, d - средний диаметр частиц загрязнения, s - площадь потока жидкости в контролируемом объёме датчика.

Объективной величиной напряжения импульсного тока будет среднеквадратичное значение напряжения, что следует из теории и практики импульсной техники. Таким образом, задача изобретения по упрощению схемы измерения концентрации частиц загрязнений решена путем замера только одного параметра, вместо измерений многих параметров с последующими операциями деления одних параметров на другие у прототипа.

Устройство для реализации заявленного способа контроля концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах состоит из трубы 2 с прозрачными стенками, в канале которой течет контролируемая жидкость или газ. Осветитель 1 с постоянным световым потоком установлен перпендикулярно направлению течения жидкости в канале трубы 2. С другой стороны трубы 2 напротив осветителя установлен фотоэлектрический элемент 3 для преобразования света в электрический сигнал, величина которого зависит от силы светового потока, поданного на элемент 3. Таким образом, создаётся контролируемый объём среды из струи жидкости или газа в трубе 2 и потока света с конструктивно заданными размерами площадей струи и потока. Создаваемый фотоэлектрическим элементом 3 электрический сигнал измеряют при помощи измерителя переменного (импульсного) напряжения 4. Для преобразования величины напряжения U в значение концентрации в удобной для пользователя форме - класса чистоты по нормам ГОСТа17216-2001г., числовому коду по ИСО 4406, абсолютной величины концентрации в штуках в единице объёма - устройство содержит подключенный к выходу измерителя напряжения 4 микроконтроллер 5, в память которого внесен заранее определенный коэффициент С. К микроконтроллеру 5 подключено числовое табло 6.

Работает устройство следующим образом.

Исследуемая жидкость или газ проходят через канал трубы 2, в котором формируется объём контролируемой среды оптико-механическим путём пересечения струи жидкости или газа световым потоком, причем желательно перпендикулярное пересечение осей трубы и светового потока. При прохождении частиц загрязнения в контролируемой среде через контролируемый объём происходит частичное перекрытие (затенение) светового потока, и на выходе фотоэлектрического элемента возникают электрические импульсы, амплитуда напряжений которых пропорциональна размерам частиц загрязнения, а длительность - времени прохождения частиц через контролируемый объём. Измеритель напряжения импульсного тока 4, например, милливольтметр импульсного тока В4-24, измеряющий среднеквадратичное значение импульсного тока, или АЦП (микросхема) аналогичного назначения, показывает среднеквадратичное напряжение U, которое, как показано выше, пропорционально значению концентрации частиц загрязнения с поправочным коэффициентом для данного устройства.

На фиг. 2 показаны диаграммы полученных на осциллографе зависимостей напряжения импульсных токов во время протекания жидкости с различной концентрацией загрязнений, а также при изменении режимов течения жидкости. Испытания проводились с прибором контроля чистоты жидкости, выполненным по описанной выше схеме. Результаты испытаний подтвердили выводы по предложенным зависимостям.

Определение концентрации загрязнений по величине эффективного (среднеквадратичного) напряжения импульсной характеристики, полученной при прохождении контролируемой среды через контролируемый объём устройства контроля чистоты жидких и газообразных сред, дает объективную величину концентрации, не зависящую от скорости течения жидкости в устройстве - так значение напряжения U равно при изменении скорости V в два раза без изменения величины концентрации (случаи а и в на фиг. 2). Увеличение концентрации в два раза (случаи d и с на фиг.2) путем введения двойной навески загрязнений в испытуемую среду привело к увеличению значения напряжения U в 1,73 раза и не изменилось при возрастании скорости в два раза.

Таким образом, значительно упрощается обычная схема определения концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах за счет измерения только одного значения напряжения импульсного тока, а также повышается объективность контроля, при независимости измерений концентрации загрязнений от изменения скорости течения контролируемой среды.

Способ определения концентрации механических загрязнений в жидких или газообразных средах, заключающийся в пропускании светового потока через объём контролируемой среды и измерении фотоэлектрическим элементом характеристики светового потока, прошедшего через контролируемую среду, отличающийся тем, что измеряют напряжение U на выходе фотоэлектрического элемента, а концентрацию K механических загрязнений вычисляют по формуле:

K = U C,

где C – заранее определенный постоянный коэффициент зависимости U от K.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для бесконтактного контроля наличия и измерения уровня твердых веществ и жидкостей в замкнутых объемах.

Способ определения наночастиц au, ni и cu в жидких объектах // 2612845

Использование: для количественного химического анализа с использованием электрохимических методов. Сущность изобретения заключается в том, что способ заключается в получении циклических вольтамперограмм с последующим расчетом концентрации наночастиц в образце по значениям тока аналитического пика, при этом для единичного анализа используется от 30 до 100 мкл образца жидкости, нанесенного на поверхность индикаторного электрода, и в качестве аналитических пиков выступают сигналы в области +1,0 В для Au в 0,1 М HCl, +0,7 В для Ni в 0,1 М KCl, –0,14 В для Cu в 0,1 М H2SO4.

Свч способ обнаружения неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металлической подложке // 2604094

Изобретение относится к способу определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров диэлектрических и немагнитных покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле качества твердых покрытий на металле в процессе разработки и эксплуатации неотражающих и поглощающих покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Способ непрерывного определения концентрации минеральной взвеси в придонном слое моря в зоне интенсивного волнения // 2598397

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно предназначено для океанографических исследований прибрежных районов шельфа в зоне больших средних и мгновенных скоростей турбулентного потока и может быть использовано, в том числе, для решения задач прибрежной инженерии и контроля экологического состояния открытых водоемов.

Способ и устройство для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания // 2573168

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания.

Способ контроля содержания механических примесей в жидкости, устройство для его осуществления и система мониторинга содержания механических примесей в потоке жидкости // 2563813

Группа изобретений относится к контролю (мониторингу) содержания механических примесей в потоках жидких сред. Способ контроля содержания механических примесей в рабочих жидкостях, в частности в жидком углеводородном топливе, заключается в том, что поток топлива пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество в топливе механических примесей определенного размера.

Устройство контроля оптической плотности потока // 2538417

Изобретение относится к определению объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях.

Способ измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей // 2529634

Использование: для измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости, при этом волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости.

Способ и устройство для обнаружения загрязнений в текучей среде // 2524057

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения загрязнений в текучей среде (1). Причем текучая среда (2), загрязненная частицами, подается с помощью первого дозирующего насоса (3) на устройство (4) для измерения загрязненности или плотности частиц в загрязненной текучей среде.

Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий // 2520166

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.