Способ определения загрязненности жидких и газообразных сред и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2668323:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Вектор" (RU)
Группа изобретений относится к области измерительной техники и касается способа и устройства для определения загрязненности жидких и газообразных сред. Способ включает в себя пропускание светового потока определенной мощности и длины волны через контролируемую среду и измерение уровня мощности светового потока при отсутствии частиц загрязнения и уровня мощности при наличии частиц загрязнения. Далее вычисляют разницу между этими величинами, а концентрацию механических загрязнений находят из отношения падения уровня мощности и коэффициента светопропускания с учетом поправочного коэффициента для каждого класса чистоты контролируемой среды. Устройство включает в себя светоизлучатель, измерительный объем в контролируемой среде, фотоприемник, преобразователь ток-напряжение, демодулирующий логарифмический усилитель, микроконтроллер и устройство отображения информации. Технический результат заключается в повышении точности измерений и улучшение сходимости результатов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
МПК: G01N 15/06
Способ определения загрязненности жидких
и газообразных сред и устройство для его реализации
Группа изобретений относится к измерительной технике, а именно к автоматическим средствам контроля загрязненности жидких и газообразных сред на содержание механических примесей, и может быть использована в различных отраслях промышленности для контроля чистоты жидких и газообразных технологических сред и определения количества и размеров, содержащихся в них частиц, в частности в машиностроении, нефтяной, газовой, энергетической, электронной, фармацевтической, химической промышленности, биологии и т.д.
Известен способ контроля чистоты жидкости, заключающийся в пропускании светового потока через контролируемую жидкость, преобразовании его в электрические сигналы, по которым судят о степени загрязнения в зависимости от размера и количества частиц, при этом измеряют время прохождения частицы через контролируемый объем жидкости, размер контролируемых частиц загрязнения определяют по уравнению
где Di - размер контролируемой частицы; а - высота контролируемого объема потока жидкости; d - минимальный размер контролируемой частицы, Ti - время прохождения контролируемой частицы через контролируемый объем жидкости; ТМ - минимальное время прохождения одной контролируемой частицы через контролируемый объем жидкости, по времени прохождения частиц через контролируемый объем определяют скорость потока жидкости и расход жидкости как произведение скорости потока на площадь контролируемого объема, и далее определяют концентрацию частиц, при этом размеры контролируемого объема выбирают из условия возможности измерения времени прохождения отдельной частицей через контролируемый объем (см. патент РФ на изобретение № 2359250, МПК G01N15/06, опубл. 20.06.2009 г.).
Недостатком известного способа является наличие погрешности измеренной величины концентрации, зависящей от скорости движения измеряемой среды.
Известен также способ определения концентрации частиц в жидкости, 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 (см. патент Великобритании на изобретение № 1446017, МПК G01N 15/06, опубл. 11.08.1976 г.).
Недостатком известного способа является высокая погрешность измеренной величины концентрации, зависящей от расхода контролируемой среды.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный способ определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах, заключающийся в преобразовании аналоговых сигналов от частиц загрязнений в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды и определении длительности импульсов от частиц загрязнений и длительности пауз между прохождением частиц, при этом 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 импульсов пауз в напряжения, поступающие в микроконтроллер, осуществляющий определение отношения величин напряжений, которым присваивают индекс загрязненности, отображающийся индикатором, причем микроконтроллер автоматически определяет канал обработки сигналов в зависимости от концентрации, при этом амплитуду импульсов выбирают соответствующей амплитуде от частицы размером 5 мкм (см. патент РФ на изобретение № 2328723, МПК G01N15/06, опубл. 10.07.2008 г.).
Недостатком известного способа является его сложность, так как для получения «индекса загрязнения» необходимо 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.
Основной и существенный недостаток, влияющий на снижение точности измерения, присущий вышеуказанным и другим подобным способам определения концентрации механических загрязнений это выполнение обязательного условия присутствия в измеряемом объеме датчика только одной частицы. К тому же анализаторы не имеют встроенных расходомеров, а расход при этом может резко колебаться в зависимости от различных факторов, соответственно погрешность измерения концентрации велика.
Цикл измерения частицы, в указанных способах, состоит из времени нахождения частицы в измеряемом объеме датчика и времени до прихода следующей, определяемого пороговыми устройствами. После обнаружения наличия в измеряемом объеме датчика появления первой частицы (импульс) известные способы не способны определить появление второй, третьей и более частиц. Способность определить и анализировать появится только после выхода из измеряемого объема датчика всех частиц (пауза).
Таким образом, известные способы предусматривают работу с идеальным (равномерным) распределением загрязнения в измеряемых средах, в которых исключена вероятность появления двух, трех и более частиц в измеряемом объеме датчика. При измерении жидких и газообразных сред с реальным распределением загрязнения неизбежно возникают моменты наличия двух, трех и более частиц в измеряемом объеме датчика. Однако наличие двух, трех и более частиц не могут участвовать в процессе измерения из-за наложенного ограничения, что приводит к снижению достоверности измерения и ухудшению сходимости результатов, которая в отдельных случаях достигает 30%.
Известно также устройство для подсчета частиц по размерам, содержащее проточную кювету, источник излучения, фотоприемник, формирователь опорных световых сигналов и электронный блок, подключенный к выходу фотоприемника, калибровочный осциллятор, побудитель возвратно-поступательных колебаний, эталонная кювета, причем внутренний канал кюветы заполнен дисперсионной средой и перегорожен двумя сетками, симметрично отстоящими от оси источника излучения, при этом между сетками помещена аттестованная по размеру частица известных оптических свойств, а один торец кюветы перекрыт упругой мембраной, находящейся в контакте с побудителем возвратно-поступательных колебаний (см. авторское свидетельство СССР на изобретение № 974141, МПК G01J1/04, опубл. 15.11.1982 г.).
В известном устройстве определение концентрации частиц происходит путем подсчета частиц многоканальным счетчиком с распределением по диапазонам, а о концентрации частиц судят по отношению количества импульсов к объему контролируемой среды, прошедшей через датчик, за определенный период времени. При этом в ходе измерений расход контролируемой среды может резко колебаться вследствие изменения температуры, давления в системе, засорения тракта анализатора и других факторов, поэтому погрешность измерения концентрации частиц велика.
Также наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известное устройство для определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах, содержащее светоизлучатель, объем для перемещения контролируемой среды, последовательно соединенные фотоприемник, усилитель, пороговое устройство и формирователь импульсов, двухканальный интегратор, а также индикатор и микроконтроллер, входы которого соединены с выходами формирователя импульсов, а выход - с входом индикатора (см. патент РФ на изобретение № 2328723, МПК G01N15/06, опубл. 10.07.2008 г.).
Недостатком известного устройства является сложность измерений, заключающаяся 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.
Основной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности определения загрязненности жидких и газообразных сред при упрощении процесса контроля и повышение надежности и точности контроля измерений концентраций загрязнений.
Единым техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи при осуществлении группы изобретений, является повышение точности измерений и улучшение сходимости результатов за счет возможности измерения нескольких частиц в контролируемом объеме и исключения зависимости измерений от скорости движения измеряемой среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения загрязненности жидких и газообразных сред, заключающемся в пропускании светового потока определенной мощности и длины волны через контролируемую среду, измерении характеристик светового потока, согласно изобретению, измеряют уровень мощности светового потока при отсутствии частиц загрязнения и уровень мощности при наличии частиц загрязнения, вычисляют разницу между этими величинами, а концентрацию механических загрязнений находят из отношения падения уровня мощности и коэффициента светопропускания с учетом поправочного коэффициента для каждого класса чистоты контролируемой среды.
Предложенный способ позволяет производить постоянное непосредственное измерение падения уровня мощности с появлением возможности учета двух, трех и более частиц загрязнения в измеряемом объеме без определения пороговыми устройствами (компараторы, дискриминаторы и т.д.) начала и конца (импульс-пауза) измерения.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для определения загрязненности жидких и газообразных сред, содержащее светоизлучатель, измерительный объем в контролируемой среде, фотоприемник, микроконтроллер и устройство отображения информации, при этом выход микроконтроллера соединен с входом устройства отображения информации, согласно изобретению, содержит преобразователь ток-напряжение, демодулирующий логарифмический усилитель, при этом фотоприемник соединен с входом преобразователя ток-напряжение, один из выходов которого соединен с входом демодулирующего логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, а другой выход преобразователя ток-напряжение соединен со вторым входом микроконтроллера.
Предложенный способ определения загрязненности жидких и газообразных сред осуществляют следующим образом.
Световой поток определенной мощности и длины волны пропускают через контролируемую среду, измеряют уровень мощности светового потока при отсутствии частиц загрязнений и уровень мощности при наличии частиц загрязнений (потери мощности от затенения, вызванные частицами загрязнений, которая пропорциональна размерам, количеству частиц загрязнений и не связана со скоростью движения измеряемой среды). Затем вычисляют разницу между уровнем мощности Ро при отсутствии частиц загрязнений и уровнем мощности Рн при наличии частиц загрязнений Рп=Ро–-Рн, где Рп – падение уровня мощности. Концентрацию механических загрязнений находят из отношения падения уровня мощности и коэффициента светопропускания с учетом поправочного коэффициента для каждого класса чистоты контролируемой среды по формуле
где Кз – коэффициент загрязнения; Кс - коэффициент светопропускания; Кп - поправочный коэффициент, учитывающий отношение подсчитанных частиц загрязнения к неучитываемым частицам для каждого класса чистоты контролируемых сред (например, для жидкостей согласно ГОСТ 17216-2001).
При этом исключается влияние на измерение величины концентрации частиц загрязнения в жидкой или газовой средах, изменения расхода жидкости или газа, цикличности измерения, а также упрощается схемы измерения концентрации частиц загрязнения в контролируемой среде.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства для реализации способа измерения концентрации частиц загрязнений в жидких и газообразных средах.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 – измерительная ячейка; 2 - трубка для перемещения контролируемой среды; 3 – диафрагмы; 4 - контролируемая среда (жидкая или газовая среда); 5 – светоизлучатель; 6 – фотоприемник света; 7 – преобразователь ток-напряжение; 8 - демодулирующий логарифмический усилитель; 9 – микроконтроллер; 10 – устройство отображения информации.
Устройство для реализации способа определения загрязненности жидких и газообразных сред содержит измерительную ячейку 1, в которой размещена трубка 2 с прозрачными стенками и диафрагмами 3, в канале которой перемещается контролируемая среда (жидкость или газ) 4. Перпендикулярно направлению течения контролируемой среды 4 установлен светоизлучатель 5. Диафрагмы 3 формируют ограниченный световой объем в контролируемой среде 4. Напротив светоизлучателя 5 после трубки 2 с диафрагмами 3 установлен фотоприемник света 6. Таким образом, создаётся контролируемый объём среды с конструктивно заданными размерами площадей потока среды и потока света. На фотоприемнике света 6 выделяется определенная мощность, которая снижается при прохождении одной и более частиц через контролируемый объём среды 4. Для получения линейной зависимости мощности и напряжения применен преобразователь ток-напряжение 7 (схемное решение включения фотоприемника и операционного усилителя). Полученный и усиленный сигнал имеет очень сложную и быстроменяющуюся форму, изменяющуюся в пределах двух - трех порядков. Для исключения из тракта обработки пороговыми устройствами (компараторы, дискриминаторы и т.д.), применяемыми в прототипе, которые вносят дополнительные погрешности, введен демодулирующий логарифмический усилитель 8. Для преобразования сигнала в значение концентрации и отображения ее в удобной для пользователя форме (например, для жидкостей согласно ГОСТ 17216-2001) используется микроконтроллер 9 и устройство отображения информации 10.
Фотоприемник света 6 соединен с входом преобразователя ток-напряжение 7, один из выходов которого соединен с входом демодулирующего логарифмического усилителя 8, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 9, а другой выход преобразователя ток-напряжение 7 соединен со вторым входом микроконтроллера 9. Выход микроконтроллера 9 соединен с входом устройства отображения информации 10.
Контролируемыми средами могут быть прозрачные жидкости, например, вода, водные растворы, органические жидкости и растворы в них, а также сжиженные газы.
Устройство для определения загрязненности жидких и газообразных сред работает следующим образом.
Работа устройства для определения загрязненности жидких и газообразных сред, основана на регистрации светочувствительным элементом (фотодиодом) изменения светового потока от источника света (светодиода) во время перекрытия части светового потока частицами загрязнения, перемещающихся с потоком контролируемой среды (жидкости или газа). Чувствительный объем формируется оптико-механическим путем – при пересечении диафрагмированным световым потоком канала прохождения жидкости (или газа) и ограничивается апертурным углом диафрагмы фотоприемника света 6.
Изменения мощности, вызванные изменением светового потока при прохождении частиц загрязнений в контролируемой среде, движущейся в прозрачной трубке 2, пропорциональны размеру и количеству частиц и не зависят от скорости движения измеряемой среды.
Изменение мощности с фотоприемника света 6 усиливается и анализируется, результат индицируется на устройстве отображения информации 10.
При прохождении частиц загрязнения в контролируемой среде 4 через контролируемый объём происходит частичное поглощение мощности светового потока. Поглощение мощности пропорционально размеру частиц и их количеству, т.е. концентрации, которая не зависит от скорости движения контролируемой среды 4.
На фотоприемнике света 6 выделяется определенная мощность, которая снижается при прохождении одной и более частиц механических примесей. Преобразователь ток-напряжение 7 применяется для получения линейной зависимости мощности и напряжения. Полученный и усиленный сигнал с одного из выходов преобразователя ток-напряжение 7 подается на вход демодулирующего логарифмического усилителя 8 с возможностью получать на выходе логарифмического усилителя 8 выходное напряжение, определяемое истинной мощностью входного сигнала. Сигнал с другого выхода преобразователя ток-напряжение 7 используется для подсчета коэффициента светопропускания и подается на второй вход микроконтроллера 9. В детекторах демодулирующего модуля логарифмического усилителя 8 производится аналоговое вычисление среднеквадратичного значения мощности с последующим усреднением и динамическим сжатием, позволяя получить пропорциональное значение истинной мощности, независимо от вида модуляции числа несущих и меняющихся амплитуд.
После обработки сигнала демодулирующим логарифмическим усилителем 8 получается разница между уровнем мощности при отсутствии частиц загрязнения и уровнем мощности при наличии частиц загрязнения, т.е. величина, выраженная в мВ/dB.
Для преобразования величины мВ/dB в значение концентрации и отображения ее в удобной для пользователя форме используется микроконтроллер 9 и устройство отображения информации 10 степени загрязненности жидкой или газообразной среды.
Производятся операции вычисления в демодулирующем логарифмическом усилителе 8 Рп = Ро – Рн и в микроконтроллере 9
с сигналом светопропускания и поправочным коэффициентом для каждого класса чистоты контролируемых сред. После чего результаты вычислений выводятся в устройство отображения информации 10.
Таким образом, значительно упрощается традиционная схема определения концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах за счет измерения только одного значения мощности светового потока, исключения пороговых элементов и возможности измерения нескольких частиц в контролируемом объеме и повышается точность измерений, при независимости измерений концентрации загрязнений от скорости течения контролируемой среды.
В качестве демодулирующего логарифмического усилителя 8 может быть использован, например, широкополосный логарифмический усилитель с применением микросхемы AD8*** фирмы Analog Devices, применяемый в качестве детектора с линейной шкалой децибел на выходе. Микросхема является демодулирующим логарифмическим усилителем, основанным на методе прогрессивной компрессии, который обеспечивает динамический диапазон 92 дБ при относительно невысокой точности ±3 дБ и 88 дБ при точности ±1 дБ.
В качестве микроконтроллера 9 может быть использован, например, микроконтроллер фирмы MICROCHIP, АНГСТРЕМ, ATMEL или аналогичный. например, микроконтроллер серии PIC16F8** (с программным обеспечением, обеспечивающим описанный алгоритм работы).
В качестве устройства отображения информации 10 могут быть использованы любые знакосинтезирующие индикаторы (светодиодные, жидкокристаллические, люминесцентные и др.).
Предложенный способ обработки сигнала фотоприемника позволяет получать достоверные показания классов чистоты, например, для жидкости по ГОСТ 17216-2001, при изменении скорости протекания жидкости через измерительный объем контролируемой среды от 20 до 3000 см3/мин.
Прибор контроля чистоты жидкости, выполненный по предложенному способу, сравнивался с выпускаемым в настоящее время прибором контроля жидкости типа ПКЖ 904 (изготовитель ОАО «Научно-исследовательский технологический институт «НИТИ-Тесар», г. Саратов). Испытания проводились при скорости потока 100 см3/мин. Испытания показали, что прибор контроля чистоты жидкости, выполненный по предложенному способу, имеет лучшую сходимость результатов на 12-20% (в диапазоне 4-17 кл), что подтверждает повышение точности измерений. Изменение скорости потока измеряемой среды 10 класса чистоты жидкости от 0,020 л/мин до 3 л/мин не привело к изменению показаний испытываемого образца, что подтверждает отсутствие зависимости от скорости движения измеряемой среды.
Использование предложенных способа определения загрязненности жидких и газообразных сред и устройства на его основе позволяет повысить эффективность определения загрязненности жидких и газообразных сред при упрощении процесса измерений, повышении точности и улучшении сходимости результатов измерений концентраций загрязнений.
1. Способ определения загрязненности жидких и газообразных сред, заключающийся в пропускании светового потока определенной мощности и длины волны через контролируемую среду, измерении характеристик светового потока, отличающийся тем, что измеряют уровень мощности светового потока при отсутствии частиц загрязнения и уровень мощности при наличии частиц загрязнения, вычисляют разницу между этими величинами, а концентрацию механических загрязнений находят из отношения падения уровня мощности и коэффициента светопропускания с учетом поправочного коэффициента для каждого класса чистоты контролируемой среды.
2. Устройство для определения загрязненности жидких и газообразных сред, содержащее светоизлучатель, измерительный объем в контролируемой среде, фотоприемник, микроконтроллер и устройство отображения информации, при этом выход микроконтроллера соединен с входом устройства отображения информации, отличающееся тем, что содержит преобразователь ток-напряжение, демодулирующий логарифмический усилитель, при этом фотоприемник соединен с входом преобразователя ток-напряжение, один из выходов которого соединен с входом демодулирующего логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, а другой выход преобразователя ток-напряжение соединен со вторым входом микроконтроллера
