Устройстводля определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра Российский патент 2021 года по МПК G01N15/02 

Предлагаемое устройство относится к технике измерений степени загрязненности моторных масел методом отбора масла из картера двигателя с последующим измерением акустических параметров распространения ультразвуковых волн высокой частоты и сравнением с эталонными значениями данного масла, и может быть использовано для контроля степени износа основных узлов двигателей в непрерывном режиме их эксплуатации.

Диагностика работоспособности двигателей внутреннего сгорания является важной и дорогостоящей задачей современного машиностроения.

Наиболее эффективным методом исследования реологических свойств смазочных жидкостей является метод акустической спектроскопии. Применение акустических методов обусловлено непосредственной связью вязкоупругих параметров жидкостей с акустическими параметрами. Акустический методоснован на измерении скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн при заданных Р,Т-параметров состояния моторного масла, которые позволяют оперативно и с высокой точностью осуществить диагностику работоспособности двигателя на основе анализа акустических параметров моторного масла [1].

Эффективность предлагаемого устройства уже подтверждена действующим образцом лабораторного прибора, типа «Ультразвуковой интерферометр переменной акустической базы для диагностики двигателя по акустическим параметрам ультразвуковых волн моторного масла» («УЗИ-ММ»), который позволяет проводить измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн в различных моторных маслах на частоте 7,0 МГц с точностью до 0,02% и 5%, соответственно [2].

Предлагаемое устройство может быть использовано в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла.

Известен способ определения параметров дисперсных частиц (Пат. RU 2346261, G01N 15/02 от 10.02.2009), включающий зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного излучения и одновременного воздействия импульсов ультразвуковых колебаний, регистрацию рассеянного и отраженного дисперсными частицами излучения, по динамической составляющей рассеянного и отраженного под малыми углами относительно направления распространения дисперсными частицами излучения, определяют их собственные частоты механических колебаний и находят размер частиц.

Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет проводить оперативный анализ взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц с высокой точностью, находящихся в моторном масле двигателя внутреннего сгорания.

Известно устройство контроля остаточного ресурса моторного масла двигателя внутреннего сгорания (Пат. RU 182231, G01N 21/00 (2006.01) от 03.04.2018), содержащее корпус, электронную плату, питание которой осуществляется от источника постоянного тока, с установленным на ней специальным резервуаром, в который помещается исследуемое моторное масло, крышку резервуара, кнопку «включение-выключение». Причем в одной части резервуара находится светодиод, непрерывно излучающий световой поток в инфракрасном спектре, который рассеивается, проходя через линзу, а в другой части - фотоприемник, подающий сигнал на микропроцессор, который обрабатывает полученный сигнал и информирует об остаточном ресурсе моторного масла при помощи светодиода-индикатора.

Недостатки данного устройства состоят в сложности аппаратурного оформления, в ограниченности типов исследуемых масел и степени их загрязненности мелкодисперсными частицами, вследствие существенного рассеяния светового потока оптической системы.

Из известных, наиболее близким по технической сущности является «Устройство для определения физических свойств жидкостей и газов» (АС СССР, №1226279, RU2 063627 С1, кл. G01N 29/00 от 10.07.1996), содержащее камеру с исследуемой жидкостью, поршень, блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, преобразователь колебаний, установленный внутри камеры и образующий две измерительные ячейки с постоянной и переменной базой.

Недостаток заключается в ограниченности класса исследуемых жидкостей, сложности аппаратурного оформления, невысокой точности измерений акустических параметров, обусловленной фиксированной длиной постоянной базы, которая в режиме температурных измерений может изменяться, а также отсутствием измерительного устройства для точного измерения величины акустической базы исследуемой жидкости.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение класса исследуемых жидкостей и повышение определения степени загрязненности, путем повышения точности измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн высокой частоты в моторных маслах широкого класса с различной степенью загрязненности.

Техническим результатом является расширение класса исследуемых масел и повышение степени определения относительной загрязненности механическими примесями и нерастворимыми продуктами горения моторного масла, отобранного из картера двигателя внутреннего сгорания в непрерывном режиме его эксплуатации, методом прецизионного измерения и сравнения параметров ультразвуковых волн с параметрами эталонного масла, которое позволит оперативно проводить непрерывный контроль качества работы двигателя и степени износа основных узлов двигателя в режиме его эксплуатации, а также оставшийся ресурс работы масла до его замены.

Это достигается тем, что в устройстве для определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра, содержащее камеру с исследуемой жидкостью, поршень, блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, преобразователь колебаний, установленный внутри камеры и образующий измерительную ячейку с переменной базой, согласно предлагаемому изобретению измерительная ячейка переменной акустической базы с исследуемой жидкостью выполнена в виде полого цилиндра, в нижнее основание которого соосно вмонтирован пьезоэлектрический дисковый излучатель ультразвуковых волн, который подключен к генератору импульсов высокой частоты, который управляется генератором прямоугольных импульсов, а поршень отражатель выполнен в виде подвижного коаксиально перемещающегося цилиндрического волновода, выполняющий функцию ультразвуковой линии задержки, который через механизм вертикального перемещения, образованного зубчато-винтовым редуктором, приводится в движение реверсивным микроэлектродвигателем, а волновод дополнительно снабжен пьезоэлектрическим приемником ультразвуковых волн, закрепленный на верхнем основании волновода, который через усилитель высокой частоты подключен к электронному осциллографу и селектору акустических импульсов, который управляется блоком импульсной задержки, а выход селектора через пиковый детектор и триггер Шмидта подключен к счетчику импульсов, который через блок управления двигателем управляет работой зубчато-винтового редуктора.

Кроме того, опорная плоскость механизма вертикального перемещения дополнительно снабжена тремя метрическими болтами, которые позволяют установить компланарное положение плоскости основания волновода и плоскости пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых волн.

При этом зубчато-винтовой редуктор механизма вертикального перемещения волновода дополнительно снабжен фотооптическим электронным счетчиком световых импульсов, образованного светодиодным излучателем светового луча, модулятором светового луча, приемником световых импульсов и счетчиком световых импульсов, выполняющий функцию микрометрического измерителя вертикального перемещения волновода. Функцию модулятора светового луча выполняет зубчатое колесо, на плоской поверхности которого по внешнему периметру имеются отверстия малого диаметра.

Кроме того, камера с исследуемой жидкостью дополнительно снабжена системой термостатирования, обеспечивающая поддержание заданной температуры исследуемой жидкости.

Введение дополнительно генератора импульсов высокой частоты, который управляется генератором прямоугольных импульсов, позволяет реализовать в данном устройстве метод импульсного интерферометра, позволяющий с высокой точностью осуществлять измерения скорости распространения и одновременно коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемой жидкости.

Выполнение поршня отражателя в виде подвижного коаксиально перемещающегося цилиндрического волновода, выполняющего функцию ультразвуковой линии задержки, позволяет осуществить полную развязку во времени зондирующего электрического и акустических импульсов, что позволяет установить линейный режим усиления усилителя высокой частоты, существенно повысить коэффициент усиления усилителя и одновременно реализовать метод импульсного интерферометра переменной акустической базы для измерения скорости распространения и одновременно коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемой жидкости.

Введение селектора акустических импульсов, который управляется от блока импульсной задержки, пикового детектора триггера Шмидта, подключенного к счетчику импульсов позволяет задавать число интерференционных максимумов и в автоматическом режиме управлять работой зубчато-винтового редуктора вертикального перемещения волновода, и тем самым с высокой точностью определять длину ультразвуковых волн в исследуемой среде, которая непосредственно связана с скоростью ультразвуковых волн.

Введение трех метрических болтов в опорной плоскости камеры с исследуемой жидкостью позволяет устанавливать компланарное расположение плоскости основания волновода и плоскости излучателя ультразвука, и тем самым установить режим импульсного интерферометра переменной акустической базы, а также реализовать режим определения коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемой среде прямым импульсным методом.

Введение зубчато-винтового редуктора, снабженного фотооптическим электронным счетчиком световых импульсов, позволило в автоматическом режиме плавно осуществлять перемещение волновода отражателя относительно плоскости пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых импульсов и с высокой точностью измерять изменение величины акустической базы исследуемой среды, которая определяет точность измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемой среде.

Введение в камеру с исследуемой жидкостью дополнительно системы термостатирования, позволяет устанавливать заданную температуру исследуемой жидкости.

Вместе с тем, введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема устройства для определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра.

На фиг. 2 изображена конструкция акустической ячейки переменной акустической базы.

На фиг. 3 изображена зависимость амплитуды первого интерферирующего акустического импульса от длины акустической базы.

На фиг. 4 приведены эпюры напряжений сигналов на выходах электронных блоков:

На фиг. 5 показана осциллограмма, иллюстрирующая процесс установления условия интерференции первого акустического импульса.

Устройство (фиг. 1) содержит:

1 - цилиндрическая камера с исследуемой жидкостью;

2 - пьезоэлектрический излучатель ультразвуковых волн;

3 - генератор импульсов высокой частоты (ГИВЧ);

4 - генератор прямоугольных импульсов (ГПИ);

5 - блок импульсной задержки (БИЗ);

6 - цилиндрический волновод - отражатель;

7 - пьезоэлектрический приемник ультразвуковых волн;

8 - усилитель высокой частоты, резонансный (УВЧ);

9 - электронный осциллограф (ЭО);

10 - селектор акустических импульсов (САИ);

11 - пиковый детектор (ПД);

12 - триггер Шмидта (ТШ);

13 - счетчик импульсов (СЧ-1);

14 - блок управления двигателем (БУД);

15 - микродвигатель электрический реверсивный (ДР);

16 - механизм вертикального перемещения волновода;

17 - светодиодный источник светового луча (ИС);

18 - источник постоянного тока, стабилизированный (ИПС);

19 - фотодиодный приемник световых импульсов (ФД);

20 - счетчик световых импульсов (СЧ-2);

21 - кнопка установления «нуля» счетчика импульсов 20;

22 - кнопка пуска электродвигателя (ДР) блока управления 14;

23 - кнопка остановки электродвигателя (ДР) блока управления 14;

24 - переключатель режима реверсивного вращения электродвигателя (ДР).

Акустическая ячейка переменной акустической базы (фиг. 2),содержит:

1 - цилиндрическая камера с исследуемой жидкостью;

2 - пьезоэлектрический излучатель ультразвуковых волн;

6 - цилиндрический волновод - отражатель;

7 - пьезоэлектрический приемник ультразвуковых волн;

15 - микроэлектродвигатель реверсивный (ДР);

17 - светодиодный излучатель светового луча;

19 - фотодиодный приемник световых импульсов;

25 - тонкая металлическая мембрана;

26 - ВЧ-разъем, типа СР-50;

27 - опорная плоскость;

28 - трапецеидальный винт - червяк;

29 - винт упорный;

30 - зубчатое колесо;

31 - опорные плоскости зубчатого колеса;

32 - платформа направляющая;

33 - упорный шарик;

34 - цилиндрический ступенчатый держатель волновода-отражателя;

35 - направляющие цилиндрические стойки с резьбовыми участками;

36 - метрические регулировочные винты;

37 - упорная пружина;

38 - термостатирующая рубашка цилиндрической камеры;

39 - поперечные круглые отверстия малого диаметра по внешнему периметру торцевой поверхности зубчатого колеса;

40 - штуцеры для подключения шлангов термостата.

При этом измерительная ячейка переменной акустической базы с исследуемой жидкостью выполнена в виде полого цилиндра 1, в нижнее основание которого соосно вмонтирован пьезоэлектрический дисковый излучатель ультразвуковых волн 2, который подключен к генератору импульсов высокой частоты 3, который управляется генератором прямоугольных импульсов 4, который одновременно запускает блок импульсной задержки 5 (фиг. 1). В качестве излучателя ультразвуковых волн 2 используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь - пьезокерамика, типа ЦТС-21, диаметром 10 мм, с резонансной частотой 7 МГц, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижимается к тонкой металлической мембране 24 (фиг. 2), закрепленной на нижнем основания цилиндра 1, снабженный резьбовой крышкой, в которую ввинчен ВЧ-разъем 25, типа СР-50. Мембрана 24 обеспечивает акустический контакт излучающего пьезоэлектрического преобразователя 2 с исследуемой жидкостью и одновременно электрический контакт с генератором импульсов высокой частоты 3. Акустический контакт пьезоэлектрического преобразователя 2 с мембраной 24 обеспечивается нанесением тонкого слоя масла на поверхность мембраны. Верхнее основание цилиндра 1 закрывается опорной плоскостью 27, на которой смонтирован механизм вертикального перемещения 16 (фиг. 1, фиг. 2), через осевое отверстие которой вводится цилиндрический волновод 6, на верхнем основании которого закреплен приемник ультразвуковых волн 7, который подключен к усилителю высокой частоты 8, выход которого одновременно подключен к электронному осциллографу 9 и селектору акустических импульсов 10, который управляется блоком импульсной задержки 5. Электронный осциллограф предназначен для визуального наблюдения акустических импульсов и предварительной настройки и юстировки акустической камеры. Волновод 6 выполнен в виде металлического цилиндра с плоскопараллельными основаниями, диаметром D=18 мм и длиной L=75 мм. В качестве приемника ультразвуковых волн 7 используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь, аналогичный пьезоэлектрическому излучателю 2. На выходе селектора акустических импульсов 10 выделяется огибающая только первого предварительно продетектированного акустического импульса, который через последовательно соединенные пиковый детектор 11 и триггер Шмидта 12 подается на вход счетчика импульсов 13, выход которого подключен к блоку управления двигателем 14, который включает или отключает электрическую цепь микроэлектродвигателя 15, который приводит в действие механизм вертикального перемещения волновода 16, который дополнительно снабжен фотооптической системой, выполняющей функцию измерителя перемещения волновода 6, образованной излучателем светового луча 17, который подключен к источнику постоянного тока 18 и фотоприемником 19, подключенного к счетчику импульсов 20, снабженного кнопкой установки нуля 21. Пуск и остановка микроэлектродвигателя 15 осуществляется через блок управления двигателем 14 кнопками 22 и 23, соответственно, а переключение в реверсивный режим вращения микроэлектродвигателя 15, осуществляется переключателем 24.

Механизм вертикального перемещения 16, образован микроэлектродвигателем 15 и зубчато-винтовым редуктором, образованного трапецеидальным винтом-червяком 28, упорным винтом 29 и зубчатым колесом 30, укрепленного между опорными плоскостями 31 и направляющей платформой 32 (фиг. 1, 2). Вращение трапецеидального винта червяка 28, жестко связанного с осью реверсивного электродвигателя 15 приводит к вращательному движению зубчатого колеса 30, которое через внутреннее резьбовое соединение приводит к поступательному перемещению упорного винта 29, который через упорный шарик 33 и цилиндрический ступенчатый держатель 34 волновода 6 перемещает его в вертикальном направлении. Соосное перемещение упорного винта 29 и волновода-отражателя 6 обеспечивается направляющими цилиндрическими стойками 35, цилиндрическим ступенчатым держателем 34 и осевым отверстием опорной плоскости 27. Установление компланарного расположения нижней цилиндрической плоскости основания волновода-отражателя 6 и плоскости пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых импульсов 2 осуществляется с помощью трех метрических регулировочных винтов 36, ввинченных в опорную плоскость 27 механизма вертикального перемещения волновода 6. Механический упор цилиндрического ступенчатого держателя волновода-отражателя 6 и упорного винта 29 обеспечивается упорной пружиной 37. Пуск и остановка микроэлектродвигателя 15 осуществляется кнопками 22 и 23. Переключение в реверсивный режим вращения микроэлектродвигателя 15 осуществляется переключателям 24. Круглая плоская поверхность зубчатого колеса 30 по внешнему периметру имеет поперечные круглые отверстия малого диаметра 39, которые формируют световые импульсы при вращении зубчатого колеса вокруг оси. Световой луч излучается светодиодным излучателем 17, который подключен к источнику постоянного тока 18. Приемник световых импульсов образован фотодиодным приемником 19, который подключен к счетчику световых импульсов 20, выполняющего функцию микрометрического измерителя величины вертикального перемещения волновода 6. Установка нулевого положения счетчика световых импульсов осуществляется кнопкой 21. Рабочая температура исследуемой жидкости в цилиндре 1 обеспечивается прокачиванием термостатирующей жидкости через термостатирующую рубашку 38, которая подключается через штуцеры 40 к шлангам термостата.

В качестве генератора импульсов высокой частоты 3 используется специально разработанный электронный блок, образованный генератором непрерывных колебаний высокой частоты, модулятором и усилителем мощности, собранные на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И, КТ-342Б и ГТ-311И. Генератор высокой частоты собран по схеме с кварцевой стабилизацией частоты, которая обеспечивает стабильность частоты высокочастотных колебаний с точностью до величины Δƒ=10^-5⋅ƒ, МГц.

В качестве генератора прямоугольных импульсов 4 и блока импульсной задержки 5 используются специально разработанные электронные блоки, образованные несимметричными мультивибраторами и RC цепочкой, собранные на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И, КТ-342Б.

В качестве усилителя высокой частоты 8 используется специально разработанный электронный блок, собранный на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И, КТ-342Б с резонансным колебательным LC-контуром, настроенным на частоту 7 МГц. Для установки заданного уровня выходного сигнала предусмотрена ручка усиления.

В качестве блока управления двигателем 14 используется специально разработанный электронный блок, образованный кнопками пуска и остановки 22 и 23, переключателем реверсивного режима вращения 24 и электронным реле, собранного по схеме триггера Шмидта, с двумя устойчивыми состояниями, который собран на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И и КТ-815 В.

В качестве селектора акустических импульсов 10 используется специально разработанный электронный блок, образованный усилителем высокой частоты с резонансным колебательным LC-контуром, работающий в ключевом режиме, от запускающих прямоугольных импульсов, который собран на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И и КТ-342Б. Выходной каскад селектора дополнительно снабжен детектором и RC-цепочкой, которые обеспечивают прямоугольную огибающую акустического импульса на выходе селектора.

В качестве пикового детектора 11 и триггера Шмидта 12 используются типовые электронные схемы, приведенные в справочной литературе [3].

В качестве счетчика импульсов 13 используется серийный счетчик импульсов для подсчета импульсов и формирования управляющего сигнала, типа ЭРКОН-315.

В качестве счетчика импульсов 20 используется серийный счетчик импульсов с ручным сбросом показаний, типа СИ-204.

В качестве электронного осциллографа 8 используется серийный осциллограф, типа С1-169.

Работает устройство для определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра следующим образом.

Высокочастотные зондирующие радиоимпульсы - цуг волн, длительностью с частотой следования частотой заполнения с выхода генератора импульсов высокой частоты 3, который управляется генератором прямоугольных импульсов 4, через ВЧ-кабель подается на пьезоэлектрический излучатель 2, закрепленный на торцевой поверхности нижнего основания цилиндрической камеры 1. Пьезоэлектрический излучатель 2 за счет электрострикционного эффекта электрические колебания преобразует в продольные механические колебания той же частоты которые в виде пакета ультразвуковых волн нормально к плоскости пьезоэлектрического излучателя через тонкую металлическую мембрану излучаются в исследуемую жидкость. Пройдя через слой исследуемой жидкости продольные ультразвуковые волны нормально падают на нижнее основание волновода 5, который одновременно выполняет функцию поршня-отражателя и ультразвуковой линии задержки (УЛЗ). Компланарное расположение пьезоэлектрического излучателя 2 и нижнего основания волновода 6 обеспечивается регулировочными болтами 36, которые ввинчены в опорную плоскость 27 (фиг. 2). На границе раздела двух сред (т.е. исследуемая жидкость и волновод) ультразвуковая волна частично отражается, а частично возвращается обратно в волновод 6. Продольные ультразвуковые колебания, распространяясь вдоль оси волновода 6, образуют "бегущие" ультразвуковые волны. Отразившись от противоположных торцов волновода 6 отраженные ультразвуковые волны образуют серию монотонно убывающих по амплитуде акустических эхо-импульсов. Приемный пьезоэлектрический преобразователь 7, закрепленный на верхнем торце волновода 6, за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует механические колебания в электрические. Длина волновода - УЛЗ-6 выбрана из условия [1], обеспечивающего необходимую развязку переднего и заднего фронтов ультразвукового высокочастотного импульса в волноводе:

где - скорость распространения ультразвуковых волн в материале волновода; τ_max - максимальная величина длительности акустического импульса.

Приемный пьезоэлектрический преобразователь 7 через ВЧ-кабель подключен к входу высокочастотного резонансного электронного усилителя УВЧ - 8. С выхода ВЧ-усилителя 8, усиленные по амплитуде электрические колебания в виде серии монотонно убывающих высокочастотных эхо-импульсов подаются на вход селектора акустических импульсов 10 и одновременно на «У» - вход электронного осциллографа 9, синхронизация горизонтальной развертки которого обеспечивается подачей на «X» - вход синхроимпульсов с выхода генератора прямоугольных импульсов ГПИ - 4. Селектор акустических импульсов 10 выполнен в виде управляемого усилителя - ВЧ, который управляется длинным прямоугольным импульсом от блока импульсной задержки 5. Длительность управляющего импульса приблизительно равна удвоенной длине первого акустического импульса. На выходе селектора акустических импульсов выделяется прямоугольная огибающая только первого, предварительно продетектированного акустического импульса, которая в виде прямоугольного импульса подается через пиковый детектор 11 на вход триггера Шмидта 12. При неподвижном волноводе 6 на выходе пикового детектора 11 и триггера Шмидта 12 выделяется постоянная составляющая тока, напряжением 0,5 В. В режиме вертикального перемещения волновода 6 амплитуда первого акустического импульса периодически изменяется более, чем в десять раз, т.е. наблюдаются биения амплитуды. При этом режиме на выходе триггера Шмидта периодически выделяются прямоугольные импульсы, соответствующие максимальной амплитуде первого акустического импульса, которые подаются на вход счетчика импульсов 13, который отсчитав двадцать импульсов, на выходе выдает управляющий прямоугольный импульс, который подается на вход блока управления 14 и выключает электродвигатель 15. Число счета импульсов n счетчиком 13 задается произвольным образом, исходя из условия интерференции акустических импульсов в исследуемой жидкости.

Пуск электродвигателя 15 осуществляется пусковой кнопкой 22. Остановка электродвигателя 15 осуществляется нажатием кнопки 23. Боковая круглая поверхность зубчатого колеса 29 по внешнему периметру имеет поперечные круглые отверстия малого диаметра 39, которые формируют световые импульсы при вращении зубчатого колеса. Световой луч излучается светодиодным излучателем 17, который подключен к источнику постоянного тока 18. Приемник световых импульсов образован фотодиодный приемником 19, который подключен к счетчику световых импульсов 20, выполняющего функцию микрометрического измерителя величины вертикального перемещения волновода 6. Установка нулевого положения счетчика импульсов механизма вертикального перемещения осуществляется кнопкой 21.

Изменение величины акустической базы исследуемой жидкости осуществляется с помощью механизма вертикального перемещения волновода 16 - зубчато-винтовым редуктором, образованного микроэлектродвигателем 15, трапециидальным винтом червяком 28; упорным винтом 29, зубчатым колесом 30, укрепленного между опорными плоскостями 31 и направляющей платформы 32. Расчет величины изменения перемещения волновода 6 определяется по формуле

где h - шаг внутренней резьбы зубчатого колеса 30, в мм (фиг. 2), No - число отверстий по внешнему периметру на плоской круглой поверхности зубчатого колеса 30, N - число оптических импульсов на выходе счетчика 20. При D=65 мм диаметр зубчатого колеса, Do=55 мм - диаметр окружности, по внешнему периметру которой расположены отверстия фотооптической системы. Тогда длина окружности, вдоль которой расположены оптические отверстия определиться выражением: L=2πR=165ii. При N=100, диаметр одного оптического отверстия будет составлять d=0,8 мм. Абсолютная погрешность измерения величины акустической базы предлагаемым механизмом вертикального перемещения составит

В основе принципа действия предлагаемого устройства лежит прецизионный метод измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн высокой частоты методом акустического интерферометра переменной акустической базы, то есть переменной толщины слоя исследуемой жидкости - моторного масла, которые очень чувствительны к содержанию мелкодисперсных частиц и угарных остатков топлива в моторном масле.

Сущность метода импульсного интерферометра переменной акустической базы сводится к измерению длины ультразвуковой волны λ частотой ƒ, в основе которого используются резонансные свойства столба исследуемой жидкости, заключенного между излучателем и приемником ультразвуковых волн. В результате образования стоячих волн ультразвуковое давление в исследуемой среде периодически повторяется вдоль акустической базы через половину длины волны λ/2.

На фиг. 3 показана зависимость амплитуды стоячих ультразвуковых волн от длины акустической базы исследуемой жидкости. Измерение длины акустической волны λ сводится к измерению расстояния - длины акустической базы исследуемой жидкости между 1-м и n-м максимумом, или минимумом стоячей ультразвуковой волны. В предлагаемом устройстве величина n=20, которая является оптимальной и достаточной для широкого класса исследуемых жидкостей.

Скорость распространения ультразвуковых волн в исследуемой жидкости методом интерферометра переменной акустической базы рассчитывается формуле

Коэффициент поглощения определяется прямым импульсным методом, основанным на измерении амплитуды первого акустического импульса U_о и U в двух точках исследуемой жидкости на пути распространения ультразвукового луча, в области отсутствия стоячих ультразвуковых волн и рассчитывается по известной формуле [1]

Порядок проведения измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн методом импульсного интерферометра переменной акустической базы, на выше описанном устройстве, следующий:

1) Исследуемая жидкость, например моторное масло, заливается в полость цилиндра 1 (фиг. 1, фиг. 2).

2) Включается питание электронных блока устройства и осциллограф 9. Делитель «У» на панели осциллографа устанавливается в положение «50 mV», а длительность горизонтальной развертки - «100 мкс».

3) Ручка «Усиление» на панели электронного блока усилителя высокой частоты 8 устанавливается в среднее положение.

4) Переключатель реверсивного режима 24 устанавливается в положение «Вниз».

5) Нажатием кнопки 22 на блоке управления двигателем 14 микроэлектродвигатель 15 включается, запускается механизм вертикального перемещения 16 и волновод 6 перемещается вниз.

6) После перемещения волновода 6 в крайнее нижнее положение нажатием кнопки 23 двигатель останавливается.

7) При этом на экране осциллографа наблюдается монотонно убывающая по амплитуде серия эхо - импульсов, первый импульс которой соответствует однократно прошедшему через исследуемую жидкость первому ультразвуковому импульсу.

8) Ручка «Усиление» на панели электронного блока усилителя высокой частоты 8 устанавливается в положение, соответствующее максимальной амплитуде первого акустического импульса на экране осциллографа.

9) Кнопкой 21 счетчик импульсов 20 устанавливается на нулевое положение.

10) Переключатель реверсивного режима 24 устанавливается в положение «Вверх».

11) Нажатием кнопки 22 блока управления двигателем 14 запускается механизм вертикального перемещения 16 волновода 6 в режим «Вверх» и в автоматическом режиме акустическая база начинает увеличивается. При этом на экране осциллографа наблюдаются биения амплитуды первого и последующих акустических импульсов. При этом счетчик импульсов 13 отсчитывает число биений только первого акустического импульса, и отсчитав 20 импульсов выдает на выходе управляющий импульс, который подается на вход блока управления двигателем 14 и в автоматическом режиме выключает микроэлектродвигатель 15.

12) Снимаются показания счетчика 20 и по формуле (2) рассчитывается величина акустической базы

13) Нажатием кнопки 22 волновод 6 в автоматическом режиме вновь перемещается в верхнее положение.

14) Когда биения амплитуды первого акустического импульса полностью прекращаются, нажимается кнопка 23 двигатель 15 выключается.

14) На сетке экрана осциллографа 8 фиксируется величина начальной амплитуды первого акустического импульса U₀. Если амплитуда первого акустического импульса мала, то ручкой усиления на блоке усилителя амплитуда увеличивается до максимального уровня.

15) Кнопкой 21 показания счетчика 20 обнуляются.

16) Нажатием кнопки 22 волновод 6 в автоматическом режиме вновь перемещается в верхнее положение, а амплитуда первого импульса будет монотонно убывать.

17) При уменьшении амплитуды первого акустического импульса приблизительно в два раза, т.е. до величины U=0,5⋅U₀, нажатием на кнопку 23, электродвигатель 15 перемещения волновода 6 выключается.

18) Снимаются показания амплитуды акустического импульса на экране осциллографа 9 и счетчика 20, и по формуле (2) рассчитывается величина акустической базы

19) Пункты 4-18 повторяются не менее пяти (предпочтительно 10 раз). После чего установка выключается.

20) По формуле (3) рассчитывается величина скорости распространения ультразвуковых волн в исследуемой жидкости по среднему значению величины

21) По формуле (4) рассчитывается величина поглощения ультразвуковых волн в исследуемой жидкости по среднему значению величин

После завершения процесса измерения и расчета акустических параметров исследуемой и эталонной жидкости проводится сравнительный анализ полученных экспериментальных результатов на основании табличных данных по пробегу и степени износа двигателя, которые являются табулированными эталонными значениями данного метода анализа.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства были проведены контрольные измерения акустических параметров в некоторых, наиболее распространенных минеральных маслах. В качестве исследуемых объектов - жидких сред использованы моторные масла, которые широко используются в автомобильной промышленности, реологические параметры которых приведены в таблице 1.

Измерения акустических параметров всех исследованных объектов осуществлялось при комнатной температуре в интервале температур t=(26±2)°С и нормальном атмосферном давлении ρ=(756±10) мм рт.ст. на выше описанном устройстве на частоте ƒ=7,01 МГц. Измерение скорости распространения продольных ультразвуковых волн осуществлялось с относительной погрешностью, не превышающей ε_υ=0,02%. Измерение коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн осуществлялось с относительной погрешностью, не превышающей ε_υ=4,5%.

В таблице 2 приведены результаты измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн для объекта №1.

В таблице 3 приведены результаты измерения коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн для объекта №1.

В таблице 4 приведены сводные результаты измерения ультразвуковых параметров всех исследованных объектов.

Из сопоставления акустических параметров ультразвуковых волн в минеральных маслах следует, что различие скорости распространения продольных ультразвуковых волн во всех исследованных минеральных маслах составляет, что не превышает 5% от среднего значения скорости. Максимальная скорость в трансмиссионном масле «ЛУКОЙЛ» GL-5, ТМ-5, 80W-90, а минимальная - в моторном масле Shell Helix Ultra 5W-30. Максимальная величина коэффициента поглощения α=137,4i^-1 в трансмиссионном масле «ЛУКОЙЛ» GL-5, ТМ-5, 80W-90, а минимальная α=49,7i^-1 - в полусинтетическом моторном масле «Лукойл» Супер 10W-40, SC/CD.

Различие коэффициентов поглощения продольных ультразвуковых волн во всех исследованных минеральных маслах составляет Δα=87,7i^-1, которое отличается на 117% от среднего значения коэффициента поглощения, то есть коэффициенты поглощения отличаются почти в три раза.

Изменение акустических параметров эксплуатируемого в легковом автомобиле, марки «Лада Калина» моторного масла, типа Shell Helix Ultra 5W-30, до и после пробега автомобиля в 10 тыс. км, при общем пробеге автомобиля в 56 тыс. км, составляет, по скорости ультразвуковых волн на 0,4%, а по поглощению на 13,2%. С увеличением общего пробега автомобиля в 106 тыс. км, как это следует из приведенных результатов исследования, изменение скорости ультразвуковых волн составляет 0,2%, а поглощения - 7,4%. Такой не линейный характер изменения акустических параметров ультразвуковых волн в эксплуатируемом масле можно объяснить, тем, что при пробеге первых 60-80 тыс. км происходит притирка и шлифовка узлов двигателя внутреннего сгорания, которое сопровождается увеличенной степенью засоренности моторного масла мелкодисперсными частицами. Приведенные в таблице 4 результаты акустических исследований эксплуатируемого масла ShellHelixUltra 5W-30 соответствуют нормальной работе двигателя внутреннего сгорания при номинальном режиме эксплуатации автомобиля. Очевидно, следует ожидать, что изменение акустических параметром моторного масла дефектного двигателя будут значительно выше приведенных, так как степень засоренности масла мелкодисперсными частицами увеличится.

Предлагаемое устройство позволяет проводить измерение скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн с относительной погрешностью 0,02%, для скорости и 4,5%, для коэффициента поглощения, соответственно в моторных маслах широкого класса. На основании анализа акустических параметром исследуемых масел с акустическими параметрами эталонных масел, можно с высокой точностью определить относительную степень загрязненности моторных масел дисперсными микрочастицами и продуктами горения топлива, как от продолжительности работы, так и степени износа основных узлов двигателя.

Список литературы

1. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Издательство стандартов, 1970. - 238 с.

2. Рудин А.В., Горбунов А.И. Исследование акустических свойств жидких сред методом интерферометра переменной акустической базы // Материалы XI Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем». Россия, г. Пенза, 30 мая - 1 июня 2017, Издат. ПГУ, 2017. - С. 184-189.

3. Справочник радиолюбителя конструктора. Изд. «Радиотехника», М., 1985.

Использование: для определения степени загрязненности моторных масел. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра содержит камеру с исследуемой жидкостью, поршень, блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, преобразователь колебаний, установленный внутри камеры и образующий измерительную ячейку с переменной базой, при этом измерительная ячейка переменной акустической базы с исследуемой жидкостью выполнена в виде полого цилиндра, в нижнее основание которого соосно вмонтирован пьезоэлектрический дисковый излучатель ультразвуковых волн, который подключен к генератору импульсов высокой частоты, который управляется генератором прямоугольных импульсов, а поршень - отражатель выполнен в виде подвижного коаксиально перемещающегося цилиндрического волновода, выполняющего функцию ультразвуковой линии задержки, который через механизм вертикального перемещения, образованный зубчато-винтовым редуктором, приводится в движение реверсивным микроэлектродвигателем, а волновод дополнительно снабжен пьезоэлектрическим приемником ультразвуковых волн, закрепленным на верхнем основании волновода, который через усилитель высокой частоты подключен к электронному осциллографу и селектору акустических импульсов, который управляется блоком импульсной задержки, а выход селектора через пиковый детектор и триггер Шмидта подключен к счетчику импульсов, который через блок управления двигателем управляет работой зубчато-винтового редуктора. Технический результат: расширение класса исследуемых масел и повышение степени определения относительной загрязненности механическими примесями и нерастворимыми продуктами горения моторного масла, отобранного из картера двигателя внутреннего сгорания в непрерывном режиме его эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 ил.

1. Устройство для определения степени загрязненности моторных масел методом ультразвукового интерферометра, содержащее камеру с исследуемой жидкостью, поршень, блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, преобразователь колебаний, установленный внутри камеры и образующий измерительную ячейку с переменной базой, в соответствии с изобретением, отличающееся тем, что измерительная ячейка переменной акустической базы с исследуемой жидкостью выполнена в виде полого цилиндра, в нижнее основание которого соосно вмонтирован пьезоэлектрический дисковый излучатель ультразвуковых волн, который подключен к генератору импульсов высокой частоты, который управляется генератором прямоугольных импульсов, а поршень - отражатель выполнен в виде подвижного коаксиально перемещающегося цилиндрического волновода, выполняющего функцию ультразвуковой линии задержки, который через механизм вертикального перемещения, образованный зубчато-винтовым редуктором, приводится в движение реверсивным микроэлектродвигателем, а волновод дополнительно снабжен пьезоэлектрическим приемником ультразвуковых волн, закрепленным на верхнем основании волновода, который через усилитель высокой частоты подключен к электронному осциллографу и селектору акустических импульсов, который управляется блоком импульсной задержки, а выход селектора через пиковый детектор и триггер Шмидта подключен к счетчику импульсов, который через блок управления двигателем управляет работой зубчато-винтового редуктора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорная плоскость механизма вертикального перемещения дополнительно снабжена тремя метрическими болтами, которые позволяют установить компланарное положение плоскости основания волновода и плоскости пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых волн.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зубчато-винтовой редуктор механизма вертикального перемещения волновода дополнительно снабжен фотооптическим электронным счетчиком световых импульсов, образованным светодиодным излучателем светового луча, модулятором светового луча, приемником световых импульсов и счетчиком световых импульсов, выполняющим функцию микрометрического измерителя вертикального перемещения волновода; функцию модулятора светового луча выполняет зубчатое колесо, на плоской поверхности которого по внешнему периметру имеются отверстия малого диаметра.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера с исследуемой жидкостью дополнительно снабжена системой термостатирования, обеспечивающей поддержание заданной температуры исследуемой жидкости.