Устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции Российский патент 2024 года по МПК G01N21/64 

Назначение

Изобретение относится к устройству для определения концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции и может быть использовано для обеспечения контроля ее работы и предотвращения возможной аварийной взрывоопасной ситуации при достижении предельно допустимой концентрации примеси в виде паров масла при использовании минеральных или синтетических масел.

Уровень техники

При работе компрессорных станций независимо от вида использования в них масел, в сжатом газе присутствуют примеси (примеси в виде паров масла при использовании минеральных или синтетических масел), которые имеют предельно допустимые концентрации по взрываемости, поэтому они подлежат обязательному контролю в соответствии с требованиями по пожаро- и взрывобезопасностью среды (см., например, “Пожароопасность и токсичность топлив и масел”. На сайте: https://allrefrs.ru/2-24434.html).

При этом, для надежного обеспечения безопасности работы компрессорной станции в качестве контролируемых параметров целесообразно выбирать допустимые концентрации примесей в сжатом газе, имеющие более низкие значения по сравнению с предельно допустимыми.

На сегодня в компрессорных станциях используется компрессорное минеральное или синтетическое масло. Синтетическое масло в отличие от минерального, производится на основе направленного химического или нефтехимического синтеза, т.е. масла отличаются на молекулярном уровне (молекулы «синтетики» синтезируются с заданными свойствами, а молекулы минерального масла создала сама природа). Синтетическое масло превосходит минеральное по характеристикам и ресурсу. Главное достоинство - способность сохранять смазывающие свойства 180-200°С, а также в условиях высокого давления. Кроме того, синтетическое масло дольше сохраняет свои рабочие свойства и применяется в компрессорах, которые работают в тяжелых условиях.

Известен способ определения примесей масла в газах с помощью индикаторных трубок, включающий сорбцию примесей масла путем пропускания анализируемой пробы через сорбент и его анализ (патент, РФ, №2092833). Сорбцию масла осуществляют в отдельном сорбционном патроне, после чего его вымывают органическим растворителем в индикаторную трубку, а оценку содержания масла осуществляют по длине окрашенного слоя индикаторной трубки, в качестве сорбента используют активный оксид алюминия.

Недостатком способа является невозможность контроля концентрации масла в газах высокого давления на выходе компрессорной станции в процессе ее работы и предотвращения возможной аварийной взрывоопасной ситуации при достижении предельно допустимой концентрации масла в сжатом газе.

Известен флуоресцентный сигнализатор масла в сжатых газах (патент, РФ, №79181). Данный флуоресцентный сигнализатор масла в сжатых газах является прибором флуоресцентного анализа - флуориметром, работа которого основана на физическом принципе действия - свечении (флуоресценции) паров масла в световом потоке и позволяет обеспечить индикацию концентрации масла в анализируемом газе, а также загрязнении стекол кюветы и содержит камеру высокого давления в виде проточной кюветы (внутренние стенки которой содержат антибликовое покрытие) для анализируемого газа, снабженную смотровыми стеклами, импульсный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, включающую конденсорную линзу и фильтр, первое фотоприемное устройство для регистрируемого возбужденного излучения, расположенные за проточной кюветой на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения, кроме того, содержит второе фотоприемное устройство интенсивности возбуждающего излучения, третье фотоприемное устройство для регистрации возбуждающего излучения, прошедшего сквозь смотровые стекла кюветы, а также два компаратора и два индикаторных устройства, при этом третье фотоприемное устройство расположено за проточной кюветой по отношению к источнику излучения на одной оптической оси с источником излучения, второе фотоприемное устройство размещено до проточной кюветы на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения, выходы первого и третьего фотоприемных устройств заведены на первые входы соответственно первого и второго компараторов, вторые входы которых соединены с выходом второго фотоприемного устройства, а выходы упомянутых компараторов соединены с соответствующими индикаторными устройствами, причем оптическая система для формирования излучения возбуждения включает полупрозрачное зеркало, расположенное под углом 45° (к направлению источника излучения, обеспечивая прохождение излучения возбуждения в прямом направлении и отражение его - в перпендикулярном. На выходе проточной кюветы установлен ограничитель расхода воздуха, содержащий газовый канал, выполненный в виде плоской щелевой спирали, расположенной между внутренней и внешней образующими цилиндрических поверхностей.

Недостатки флуоресцентного сигнализатора масла в сжатых газах:

• обеспечивается работа только для минеральных масел и не обеспечивается работа для синтетических масел;

• фиксируются значения концентраций масла в сжатом газе без учета текущего загрязнения защитных стекол в окнах камеры высокого давления, что приводит к пониженным показателям реальных значений концентраций масла и в целом - к снижению эффективности работы устройства;

• на индикаторном устройстве контролируется и отражается только предельное значение загрязнения защитных стекол в окнах камеры высокого давления, при этом, текущий контроль загрязнения защитных стекол отсутствует;

• отсутствует контроль составляющих устройства из-за неисправности которых возникает отсутствие контроля концентрации паров масла в сжатом газе вначале его отбора из компрессорной станции в камеру высокого давления.

Известно устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции (см. заявку №2023116883 от 26.06.2023 г.), которое является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятое авторами за прототип.

Данное устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции включает в себя камеру высокого давления в виде проточной кюветы для анализируемого газа, снабженную смотровыми стеклами и установленным на выходе ограничителем расхода, импульсный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, первое фотоприемное устройство интенсивности возбуждающего излучения, размещенное до кюветы на оси, перпендикулярной оптической оси с источником излучения, второе фотоприемное устройство для регистрации возбужденного излучения, прошедшего сквозь смотровое стекло кюветы, размещенное за кюветой на оси, перпендикулярной оптической оси с источником излучения, третье фотоприемное устройство для регистрации излучения, прошедшего сквозь два смотровых стекла кюветы, расположенное на одной оптической оси с источником излучения, а также первое, второе индикаторные устройства и компаратор, выходом соединенный с первым индикаторным устройством, кроме того, содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выполненный на операционном усилителе с резисторами обратной связи и переключателе на m положений (при m≥2), усилитель с управляемым коэффициентом усиления, формирователь сигнала исправности устройств, дифференциальный усилитель и формирователь импульсов запуска, последовательно соединенный с импульсным источником ультрафиолетового излучения, при этом, вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с выходом первого фотоприемного устройства, первым входом формирователя сигнала исправности устройств и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом третьего фотоприемного устройства, а выход - с вторым индикаторным устройством, вторым входом формирователя сигнала исправности устройств и первым входом усилителя с управляемым коэффициентом усиления, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемного устройства и третьим входом формирователя сигнала исправности устройств, выход которого соединен с первым входом управляющего вычислительного комплекса компрессорной станции, кроме того, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом усилителя с управляемым коэффициентом усиления, а выход компаратора соединен со вторым входом управляющего вычислительного комплекса компрессорной станции.

Недостатки прототипа:

• низкий колеблющийся уровень фонового сигнала с выхода второго фотоприемного устройства создает временную нестабильность запуска компрессорной станции;

• сразу после запуска компрессорной станции возможны сбои в ее работе и выключение из-за “ложного” срабатывания при существенном снижении уровня фонового сигнала с выхода второго фотоприемного устройства, т.к. в камере высокого давления будет присутствовать газ большого давления с отсутствующей в ней концентрация масла (как показали экспериментальные исследования, снижение с 80 мВ, достигается приблизительно в два раза);

• из-за низкой частоты следования импульсов источника ультрафиолетового излучения и низкого колеблющегося уровня фонового сигнала на выходе второго фотоприемного устройства, сигнал запуска компрессорной станции будет формироваться в течении достаточно длительного времени.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности формирования сигнала запуска компрессорной станции при обеспечении условий надежного управления ее работой после запуска.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что в фиксаторе исправности обеспечивается фиксация появления первого сигнала исправности устройств контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции при проверке их работоспособности, по которому обеспечивается запуск компрессорной станции, при этом, сокращается время формирования сигнала для запуска компрессорной станции, в дальнейшем фиксатором исправности обеспечивается фиксация нарушений “нормального” ультрафиолетового излучения.

Кроме того, обеспечивается гальваническая развязка устройства контроля концентрации в сжатом газе компрессорной станции с управляющим вычислительным комплексом компрессорной станции.

Устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции включает в себя камеру высокого давления, снабженную смотровыми стеклами и установленным на выходе ограничителем расхода, импульсный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, первое фотоприемное устройство интенсивности возбуждающего излучения, второе фотоприемное устройство для регистрируемого возбужденного излучения, третье фотоприемное устройство для регистрации излучения, первое и второе индикаторные устройства, компаратор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выполненный на операционном усилителе с резисторами обратной связи и переключателе, усилитель с управляемым коэффициентом усиления, формирователь сигнала исправности устройств, дифференциальный усилитель и формирователь импульсов запуска.

Введение в устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции генератора тактовых импульсов, делителя частоты, мультиплексора, первого и второго контакторов, контроллера, фиксатора исправности, содержащего D-триггер, резистор, конденсатор и элемент 2ИЛИ, позволяет повысить эффективность формирования сигнала запуска компрессорной станции при обеспечении условий надежного управления ее работой после запуска.

Введением в устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции фиксатора исправности обеспечивается формирование на его выходе напряжения высокого уровня (логической “1”) при первом появлении сигнала “Исправен” на выходе формирователя сигнала исправности устройств.

Напряжением высокого уровня с выхода фиксатора исправности, поступающим через контактор в управляющий вычислительный комплекс обеспечивается включение в работу компрессорной станции.

Введением в устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции контроллера обеспечивается управление фиксатором исправности для фиксирования нарушений “нормального” ультрафиолетового излучения.

Введением в устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции генератора тактовых импульсов, делителя частоты и мультиплексора обеспечивается увеличение частоты цикличности опроса до появления на выходе фиксатора исправности напряжения высокого уровня, а также снижение времени формирования сигнала запуска компрессорной станции.

Введением в устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции первого и второго контакторов обеспечивается гальваническая развязка устройства контроля концентрации в сжатом газе компрессорной станции с управляющим вычислительным комплексом компрессорной станции.

Графические иллюстрации

На фигуре 1 приведена структурная схема устройства контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:

1 - ИИУИ (импульсный источник ультрафиолетового излучения);

1-1 - КЗ (ключ зажигания лампы);

1-2 - импульсная лампа;

2 - ОС (оптическая система для формирования излучения возбуждения анализируемого газа);

2-1 - конденсор;

2-2 - светофильтр;

2-3 - полупрозрачное зеркало;

2-4 - оптическая линза;

3 - ФУ₁ (первое фотоприемное устройство);

3-1 - У₁ (первый усилитель);

3-2 - Ф₁ (первый фотоприемник);

3-3 - светофильтр;

4 - ФУ₂ (второе фотоприемное устройство);

4-1 - ФЭУ (фотоэлектронный умножитель);

4-2 - светофильтр;

4-3 - оптическая линза;

5 - камера высокого давления;

6 - смотровые окна;

7 - ограничитель расхода;

8 - ФУ₃ (третье фотоприемное устройство);

8-1- светофильтр;

8-2 - Ф₂ (второй фотоприемник);

8-3 - У₂ (второй усилитель);

9 - КС (компрессорная станция);

10 - УВК (управляющий вычислительный комплекс);

11 - УРК (усилитель с регулируемым коэффициентом усиления);

11-4, 11-5…11-n - соответственно, 1-й, 2-й…n-й резисторы, при (n-4)≥2;

11-1 - операционный усилитель;

11-2 - резистор;

11-3 - переключатель;

12 - УУК (усилитель с управляемым коэффициентом усиления);

13 - ИУ₂ (второе индикаторное устройство);

14 - компаратор;

15 - дифференциальный усилитель;

16 - ИУ₁ (первое индикаторное устройство);

17 - ФИЗ (формирователь импульсов запуска);

17-1 - ГТИ (генератор тактовых импульсов);

17-2 - делитель частоты;

17-3 - мультиплексор;

18 - ВСИУ (формирователь сигнала исправности устройств);

19 - ФИ (фиксатор исправности);

19-1 - элемент 2ИЛИ;

19-2 - D-триггер;

19-3 - конденсатор;

19-4 - зарядный резистор;

20 - K₁ (первый контактор);

20-1 -цепь управления первого контактора;

20-2 - контактная группа первого контактора;

21 - К₂ (второй контактор);

22 - контроллер;

23 - ИИ (индикатор исправности).

Осуществление изобретения

Устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 11, усилитель с управляемым коэффициентом усиления 12, формирователь сигнала исправности устройств 18, дифференциальный усилитель 15, формирователь импульсов запуска 17, камеру высокого давления 5 в виде проточной кюветы для анализируемого газа, снабженную смотровыми стеклами 6, входом для сжатого газа с компрессорной станции 9 и установленным на выходе ограничителем расхода 7, импульсный источник ультрафиолетового излучения 1, в виде последовательно соединенных ключа зажигания лампы 1-1 и импульсной лампы 1-2, первое фотоприемное устройство интенсивности возбуждающего излучения 3, второе фотоприемное устройство для регистрируемого возбужденного излучения 4 и третье фотоприемное устройство для регистрации излучения 8, первое 16, второе 13 индикаторные устройства и компаратор 14, выходом соединенный с первым индикаторным устройством 16, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа 2, содержащую последовательно расположенные на оси излучения конденсор 2-1, светофильтр 2-2, развернутые перпендикулярно к оси излучения, полупрозрачное зеркало 2-3, развернутое под углом 45° к оси излучения и оптическую линзу 2-4, развернутую перпендикулярно к оси излучения, при этом, камера высокого давления 5 расположена за оптической системой для формирования излучения возбуждения анализируемого газа 2 на оси излучения, на которой расположены первое и третье смотровые окна 6, а второе смотровое окно 6 расположено перпендикулярно оси излучения, при этом, за камерой высокого давления 5 на оси излучения расположено третье фотоприемное устройство 8, содержащее последовательно расположенные на оси излучения светофильтр 8-1, развернутый перпендикулярно к оси излучения, и второй фотодиод 8-2, выход которого соединен с входом второго усилителя 8-3, выход которого является выходом третьего фотоприемного устройства 8;

первое фотоприемное устройство 3, размещенное до проточной кюветы на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения, содержит последовательно расположенные светофильтр 3-3, первый фотоприемник 3-2, выход которого соединен с входом первого усилителя 3-1, выход которого является выходом первого фотоприемного устройства 3, а второе фотоприемное устройство 4 расположено на оси излучения через второе смотровое окно 6 и содержит последовательно расположенные оптическую линзу 4-3, светофильтр 4-2 и фотоэлектронный умножитель 4-1, выход которого является выходом второго фотоприемного устройства 4;

формирователь импульсов запуска 17, последовательно соединен с импульсным источником ультрафиолетового излучения 1, вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 11 соединен с выходом первого фотоприемного устройства 3, и первым входом дифференциального усилителя 15, второй вход которого соединен с выходом третьего фотоприемного устройства 8, а выход - с вторым индикаторным устройством 13, первым входом формирователя сигнала исправности устройств 18 и первым входом усилителя с управляемым коэффициентом усиления 12, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемного устройства 4 и вторым входом формирователя сигнала исправности устройств 18, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 11 соединен с первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с выходом усилителя с управляемым коэффициентом усиления 12; усилитель с регулируемым коэффициентом усиления И содержит операционный усилитель 11-1, резистор 11-2, переключатель 11-3, резисторы 11-4, 11-5…11-n, которые одним выводом соединены между собой и с выходом операционного усилителя 11-1, который является выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 11, а вторым выводом соединяются с замыкающим контактом переключателя 11-3, который соединен с одним выводом резистора 11-2 и с инвертирующим входом операционного усилителя 11-1, неинвертирующий вход которого является входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 11, второй вывод резистора 11-2 соединен с землей (шиной нулевого потенциала).

В устройство дополнительно введены дополнительно введены генератор тактовых импульсов 17-1, делитель частоты 17-2, мультиплексор 17-3, первый 20-2 и второй 21 контакторы, контроллер 22, индикатор исправности 23, фиксатор исправности 19, содержащий D-триггер 19-2, резистор 19-4, конденсатор 19-3 и элемент 2ИЛИ 19-1, первый вход которого является входом фиксатора исправности 19 и соединен с выходом формирователя сигнала исправности устройств 18, второй вход элемента 2ИЛИ 19-1 соединен с выходом D-триггера 19-2 и является выходом фиксатора исправности 19, а выход элемента 2ИЛИ 19-1 соединен с D-входом D-триггера 19-2, R-вход которого соединен с одним выводом конденсатора 19-3 и с одним выводом резистора 19-4, второй вывод которого соединен с землей (шиной нулевого потенциала), второй вывод конденсатора 19-3 соединен с положительной шиной источника питания D-триггера 19-2, С-вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 17-1 и с входом делителя частоты 17-2, первый и второй выходы которого соединены с входами мультиплексора 17-3, управляющий вход которого соединен с выходом фиксатора исправности 19, а выход мультиплексора 17-3 является выходом формирователя импульсов запуска 17, при этом, выход компаратора 14 через первый контактор 20-2 соединен с первым входом управляющего вычислительного комплекса 10, второй вход которого через второй контактор 21 соединен с выходом фиксатора исправности 19 и индикатором исправности 23, выход первого фотоприемного устройства 3 соединен с входом контроллера 22, первый выход которого соединен с третьим входом формирователя сигнала исправности устройств 18, а второй выход - с R-входом D-триггера 19-2.

Описание работы устройства контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции

Контроль концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции в предлагаемом устройстве основан на физическом принципе действия - свечении (флуоресценции) в световом потоке ультрафиолетового излучения примеси в виде паров масла при использовании минеральных или синтетических масел.

В предлагаемом изобретении предусматривается контроль примеси в виде паров масла как для минеральных, так и для синтетических масел, используемых в компрессорных станциях.

Следует отметить, что синтетические масла, как правило, применяются в компрессорах, которые работают в тяжелых условиях и имеют главное достоинство - способность сохранять смазывающие свойства до 200°С, длительное время сохраняют свои рабочие свойства, а также обладают рядом достоинств: высокий индекс вязкости, экологическая безопасность, отсутствие нагаров и твердых отложений (лаков) в процессе эксплуатации (см., например, патент, РФ, №2670726).

При работе компрессорных станций, независимо от вида используемых в них масел, в сжатом газе присутствуют примеси в виде паров масла, требующих постоянного контроля, и при достижении заданных предельно допустимых значений концентрации паров масла, необходима остановка работы компрессорной станции. В предлагаемом устройстве при контроле концентрации паров масла в сжатом газе компрессорной станции КС 9 анализ газа, отобранного из КС 9 осуществляется, как и в прототипе, в камере высокого давления 5, выполненной в виде проточной кюветы (рассчитана на давление до 40 Мпа), при этом, анализируемый газ из камеры высокого давления 5 поступает в ограничитель расхода ОР 7, а затем сбрасывается из него в атмосферу. В прототипе отмечено, что предельные концентрации паров минерального масла при контроле в камере высокого давления 5 составляют порядка 80 мг/м³. Как показали экспериментальные исследования, при работе компрессорной станции 9 с использованием синтетических масел, сигнал, пропорциональный концентрации примесей в виде паров масла в камере высокого давления 5, ниже сигнала концентрации в виде паров масла при работе компрессорной станции 9 с использованием минеральных масел.

Ограничитель расхода ОР 7 обеспечивая дросселирование высокого давления практически до атмосферного, гарантирует смену сжатого газа в камере высокого давления 5 при периодическом формировании сигнала концентрации паров масла в сжатом газе (обеспечивается проточность в кювете), позволяет увеличить срок эксплуатации предлагаемого устройства до профилактических действий, и может быть выполненным, например, в виде устройства, содержащего газовый канал в виде плоской щелевой спирали, расположенной между внутренней и внешней образующими цилиндрических поверхностей.

В качестве источника светового излучения в предлагаемом устройстве является импульсный источник ультрафиолетового излучения (ИИУИ) 1, состоящий из ключа зажигания лампы (КЗ) 1-1, подключаемого к выходу формирователя импульсов запуска ФИЗ 17, и импульсной лампы 1-2, при этом, ИИУИ 1 предназначен для выработки светового излучения ультрафиолетового спектра, а оптическая система 2 - для выделения ультрафиолетовой части спектра излучения.

В качестве импульсной лампы 1-2 можно использовать, например, ИНП-5/45А.

В камеру высокого давления 5 (в кювету) световое излучение ультрафиолетового спектра импульсной лампы 1-2, проходящее через оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа (ОС) 2, содержащей конденсор 2-1, светофильтр 2-2, полупрозрачное зеркало 2-3 и оптическую линзу 2-4, в виде излучения возбуждения анализируемого газа, попадает через первое смотровое окно 6. Смотровые окна 6 снабжены защитными стеклами с антибликовыми покрытиями с внутренней стороны, например, нанесениями МНч.6 матовое или Хч3, что позволяет избежать паразитных сигналов, а следовательно повысить точность контроля.

Флуоресцентное свечение анализируемой среды в камере высокого давления 5, проходя через второе смотровое стекло 6, расположенное перпендикулярно оптической оси источника излучения возбуждения, преобразуется в напряжение электрического сигнала на выходе второго фотоприемного устройства ФУ2 4, содержащего последовательно расположенные вдоль оси свечения оптическую линзу 4-3 и светофильтр 4-2, а также фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 4-1, выход которого является выходом ФУ₂ 4. Величина выходного электрического сигнала ФУ₂ 4 пропорциональна концентрации примеси (паров масла при использовании минеральных или синтетических масел) в сжатом газе, находящемся в камере высокого давления 5, и, следовательно, в сжатом газе компрессорной станции КС 9.

Пример описания компрессорной станции приведен, например, в патенте, РФ, №2775102 “Поршневой компрессор и способ сжатия газа посредством него”.

В качестве фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 4-1 можно использовать, например, фотоэлектронный умножитель ФЭУ-148.

Напряжение электрического сигнала с выхода второго фотоприемного устройства (ФУ₂) 4 поступает на второй вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления УУК 12, на первый вход которого поступает напряжение с выхода дифференциального усилителя 15, поэтому на выходе УУК 12 формируется напряжение в соответствии с изменением коэффициента усиления УУК 12, который, как будет показано ниже, управляется изменяемым напряжением с выхода дифференциального усилителя 15. В результате чего, учитывается степень загрязнения защитного стекла второго смотрового окна 6 (загрязнения внутренних защитных стекол смотровых окон 6 вызывают осаждения на них масла).

В качестве усилителя с управляемым коэффициентом усиления УУК 12 можно использовать, например, неинвертирующий усилитель с обратной связью, при этом, в схеме обратной связи, имеющей резистор, от которого зависит коэффициент усиления усилителя, заменен на канал исток-сток полевого транзистора (см., например, “Линейное управление коэффициентом усиления”. На сайте: http://microsin.net/adminstuff/hardware/an-6603-lmear-gain-controlled-amplifier.html).

Напряжение на выходе третьего фотоприемного устройства ФУ₃ 8 формируется следующим образом.

Из камеры высокого давления 5 световое излучение проходит через третье смотровое окно 6, и проходя через светофильтр 8-1, второй фотоприемник Ф₂ 8-2 и второй усилитель У₂ 8-3, преобразуется на его выходе в напряжение электрического сигнала, значение которого изменяется в соответствии со степенью загрязнения защитного стекла третьего смотрового окна 6. Т.е. напряжение на выходе второго усилителя У₂ 8-3 уменьшается при возрастании степени загрязнения стекол смотровых окон 6.

Примечание - Допускается рассматривать показатели значений загрязнения защитных стекол одинаковыми для всех трех смотровых окон 6 камеры высокого давления 5.

Напряжение с выхода усилителя с регулируемым коэффициентом усиления УРК И, которое пропорционально световому потоку возбуждения от ИИУИ 1 и не зависит от концентрации примесей в сжатом газе в камере высокого давления 5, поступает на первый вход компаратора 14, на второй вход которого поступает напряжение с выхода усилителя с управляемым коэффициентом усиления УУК 12 и при превышении напряжения на втором входе компаратора 14 относительно напряжения на его первом входе (что соответствует достижению концентрации допустимого уровня примесей в сжатом газе), компаратор 14 срабатывает и формирует на выходе сигнал высокого уровня напряжения (компаратор имеет два устойчивых состояния по уровню напряжения: высокий и низкий), который отражается на первом индикаторном устройстве ИУ₁ 16 (например, в виде индикации “Масло”) и по которому, при поступлении его через первый контактор К₁ 20 на второй вход управляющего вычислительного комплекса УВК 10 компрессорной станции КС 9, останавливается ее работа.

Примечание - управление с устройства контроля концентрации в сжатом газе компрессорной станции должно иметь гальваническую развязку с управляющим вычислительным комплексом УВК 10 компрессорной станции КС 9.

Первый контактор К₁ 20 (см., например, “ Электромагнитные контакторы”. На сайте: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/9-jelektromagnitnye-kontaktory.html) обеспечивает гальваническую развязку (передачу сигналов между электрическими цепями без электрического контакта) устройства контроля концентрации в сжатом газе компрессорной станции с управляющим вычислительным комплексом УВК 10 компрессорной станции КС 9 (показаны штриховой линией), т.к. они имеют раздельные независимые источники питания.

Управление через первый контактор К₁ 20 осуществляется следующим образом.

Выводы цепи управления первого контактора 20-1 соединены с выходом компаратора 14. Контактная группа первого контактора 20-2 (показана штрих- пунктирной линией) соединена с напряжением заданного уровня (является сигналом управления) в управляющем вычислительном комплексе УВК 10 и с входом управления компрессорной станции КС 9.

При низком напряжении на выходе компаратора 14 ток в цепи управления первого контактора 20-1 отсутствует и контакты (два контакта) контактной группы первого контактора 20-2 находятся в разомкнутом состоянии, поэтому сигнал управления с управляющего вычислительного комплекса УВК 10 не поступает на вход управления компрессорной станции КС 9.

При высоком напряжении на выходе компаратора 14 протекает ток в цепи управления первого контактора 20-1 и контакты (два контакта) контактной группы первого контактора 20-2 замыкаются, в результате чего, сигнал управления с управляющего вычислительного комплекса УВК 10 поступает на вход управления компрессорной станции КС 9.

Рассмотрим формирование напряжения на выходе усилителя с регулируемым коэффициентом усиления УРК 11.

Полупрозрачное зеркало 2-3 в оптической системе для формирования излучения возбуждения анализируемого газа (ОС) 2 расположено под углом 45° к направлению источника излучения, поэтому обеспечивается прохождение излучения в прямом направлении в камеру высокого давления 5 и отражения его в перпендикулярном направлении - в первое фотоприемное устройство (ФУ₁) 3, содержащее последовательно расположенные светофильтр 3-3 и первый фотоприемник Ф₁ 3-2 для регистрации интенсивности излучения. Электрический сигнал с выхода первого фотоприемника Ф₁ 3-2 усиливается первым усилителем У₁ 3-1 и с его выхода поступает на вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления УРК 11, выполненного на операционном усилителе 11-1, выходной сигнал которого регулируется посредством изменения коэффициента усиления К_у с помощью переключателя 11-3 (см., например, “Управление коэффициентом усиления”.

На сайте: https://studfile.net/preview/3245892/page:18/).

Коэффициент усиления К_у определяется следующим выражением:

где:

• R₁ - резистор 11-2;

• R_11-i - резистор, подключенный в текущий момент к замкнутым контактам переключателя 11-3, при этом, индекс _11-i является, соответственно, индексом для резисторов 11-4, 11-5…11-n (n≥5).

Количество коэффициентов усиления К_у, формируемых усилителем УРК 11, соответствует количеству m (при m≥2) положений переключателя 11-3.

Так, например, минимальному количеству m=2 соответствует n=5.

В качестве первого Ф₁ 3-2 и второго Ф₂ 8-2 фотоприемников можно использовать, например, фотодиод КДФ-105А.

При принятом функциональном построении предлагаемого устройства срабатывание компаратора 14, соответствующего достижению допустимого уровня концентрации примеси в виде паров масла в сжатом газе при использовании минеральных или синтетических масел, не зависит от величины потока возбуждения, а определяется лишь соотношением коэффициентов усиления усилителей УРК 11 и УУК 12. Поэтому при выбранном соотношении коэффициентов усиления усилителей УРК 11 и УУК 12, регулировкой УРК 11, путем соответствующего переключения переключателя 11-3, обеспечивается использование различных видов масла (количество видов масла соответствует т) минеральных и синтетических, а управлением коэффициента управления УУК 12 обеспечивается исключение влияния загрязнения стекол в смотровых окнах 6 на точность контроля допустимого уровня концентрации примесей в камере высокого давления 5.

Таким образом, в предлагаемом устройстве контролируются как предельные, так и текущие значения загрязнения защитных стекол смотровых окон 6.

Рассмотрим процесс контроля загрязнения защитных стекол смотровых окон 6.

Напряжение с выхода первого усилителя У₁ 3-1 поступает на первый вход дифференциального усилителя 15 и является опорным напряжением U₁. На второй вход дифференциального усилителя 15 с выхода второго усилителя У₂ 8-3 поступает напряжение U₂, изменяющееся в зависимости от степени загрязнения защитных стекол смотровых окон 6. На выходе дифференциального усилителя 15 формируется сигнал в виде напряжения U, изменяемого от максимального U_макс. до нулевого значения, в соответствии с выражением (см., например, “Дифференциальный усилитель”. На сайте: https://studopedia.ru/1_125549_differentsialniy-usilitel.html):

где К - коэффициент передачи дифференциального усилителя 15.

Данный сигнал, в виде напряжения U, изменяемого от максимального U_макс. до нулевого значения, с выхода дифференциального усилителя 15 отражается на втором индикаторном устройстве ИУ₂ 13.

Максимальное значение напряжения U_макс соответствует максимальной прозрачности защитных стекол смотровых окон 6, т.е. полному отсутствию загрязнения, а нулевое значение напряжения U соответствует предельному значению загрязнения защитных стекол смотровых окон 6. Промежуточные значения напряжения U соответствуют текущим значениям загрязнения защитных стекол смотровых окон 6.

Для исключения отсутствия контроля концентрации паров масла в сжатом газе вначале его отбора в камеру высокого давления 5 из компрессорной станции 9, а также в процессе ее работы, используется формирователь сигнала исправности устройств ФСИУ 18, на выходе которого формируется сигнал “Исправен” в виде напряжения высокого уровня (сигнала логической “1”), “разрешающий” работе компрессорной станции КС 9.

При отсутствии отбора сжатого газа в камеру высокого давления 5 из компрессорной станции 9 напряжение высокого уровня на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18 должно появляться только при одновременном присутствии сигналов положительного напряжения на его входах, поступающих с выходов устройств:

• первого фотоприемного устройства ФУ₁ 3 (через контроллер 22, работа которого будет рассмотрена ниже.);

• второго фотоприемного устройства ФУ₂ 4 (фоновый сигнал);

• с дифференциального усилителя 15.

В данном случае это означает, что составляющие устройства контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции исправны, при этом, отсутствуют загрязнения смотровых окон 6, поэтому разрешается работа компрессорной станции КС 9 и отбор из нее сжатого газа в камеру высокого давления 5.

Формирователь сигнала исправности устройств ФСИУ 18 может быть выполнен, например, на основе элемента ЗИ, например, на микросхеме КР1533ЛИ3, при этом, для обеспечения работы микросхемы в номинальном режиме, входные положительные напряжения ФСИУ 18 преобразуются по величине в сигналы логической “1”.

Однако, низкий колеблющийся уровень фонового сигнала с выхода второго фотоприемного устройства ФУ₂ 4 может создавать временную нестабильность формирования сигнала логической “1” (сигнала “Исправен”) на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18. Кроме того, сразу после запуска компрессорной станции КС 9 нестабильность формирования сигнала “Исправен” увеличивается из-за существенного снижения уровня фонового сигнала с выхода второго фотоприемного устройства 4, т.к. в камере высокого давления 5 будет присутствовать газ большого давления с отсутствующей в ней концентрация масла.

В связи с этим, целесообразно зафиксировать первое появление напряжения высокого уровня (сигнала логической “1”) на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18, например, устройством фиксатора исправности ФИ 19, формируя на его выходе напряжения высокого уровня (сигнала логической “1”), и сохраняя данное состояние независимо от уровня сигналов на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18. Сигнал логической “1” (сигнал “Исправен”) в виде напряжения высокого уровня, с выхода фиксатора исправности ФИ 19 поступает через второй контактор К₂ 21 на первый вход управляющего вычислительного комплекса УВК 10 компрессорной станции КС 9, и “разрешает” включение в работу компрессорной станции КС 9.

Коммутатором К₂ 21 обеспечивается гальваническая развязка устройства контроля концентрации в сжатом газе компрессорной станции с управляющим вычислительным комплексом УВК 10 компрессорной станции КС 9.

Управление через второй контактор К₂ 21 осуществляется аналогично, описанному выше управлению через первый контактор K₁ 20, т.е. выводы цепи управления второго контактора (К₂ 21) соединены с выходом фиксатора исправности ФИ 19, а контактная группа второго контактора (К₂ 21) соединена с напряжением заданного уровня (является сигналом управления) в управляющем вычислительном комплексе УВК 10 и с входом управления компрессорной станции КС 9. При напряжении высокого уровня на выходе фиксатора исправности ФИ 19 протекает ток в цепи управления второго контактора (К₂ 21) и контакты (два контакта) контактной группы второго контактора (К₂ 21) замыкаются, в результате чего, сигнал управления с управляющего вычислительного комплекса УВК 10 поступает на вход управления компрессорной станции КС 9.

Рассмотрим работу фиксатора исправности ФИ 19.

При подаче напряжения питания на D-триггер 19-2 на R-вход (вход установки нуля) D-триггера 19-2 через разряженный конденсатор 19-3 (конденсатор 19-3 заряжается через резистор 19-4) подается сигнал высокого уровня с положительной шины источника питания (+U_пит), который принудительно устанавливает выход D-триггера 19-2 в состояние логического “0”.

При появлении сигнала логической “1” на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18, он через первый вход элемента 2ИЛИ 19-1 поступает на информационный D-вход D-триггера 19-2 и устанавливает его выход в состояние логической “1” фронтом очередного тактового импульса, поступающего на тактовый С-вход D-триггера 19-2 с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 17-1. Сигнал логической “1” с выхода D-триггера 19-2 поступает на второй вход элемента 2ИЛИ 19-1 и “запрещает” изменению сигнала логической “1” на информационном D-входе D-триггера 19-2, а значит и изменению сигнала логической “1” (сигнала “Исправен”) на его выходе.

Отсутствие сигнала “Исправен” на выходе фиксатора исправности ФИ 19 (присутствие на выходе фиксатора исправности ФИ 19 сигнала логического “0”) отражается на индикаторе исправности ИИ 23, например, в виде свечения светодиодного индикатора (например, светодиодного индикатора типа КИПД 126-3 МД). Данная сигнализация является основанием для выявления неисправности и ее устранения.

В качестве элемента 2ИЛИ 19-1 можно использовать, например, микросхему К155ЛЕ1, а в качестве D-триггера 19-2 можно использовать, например, микросхему К155ТМ2.

Формирователь импульсов запуска ФИЗ 17 задает период следования формируемых импульсов ультрафиолетового излучения, который определяет цикличность опроса при определении концентрации паров масла в сжатом газе в проточной кювете. Как показали практические исследования, а также указанная в прототипе цикличность опроса, данный оптимальный период следования импульсов находится в диапазоне от 10 мин. до 12 мин.

Контроль концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции в предлагаемом устройстве основан на физическом принципе действия - свечении (флуоресценции) в световом потоке ультрафиолетового излучения примеси в виде паров масла при использовании минеральных или синтетических масел.

Однако, при данной низкой частоте следования импульсов источника ультрафиолетового излучения 1 и низком колеблющемся уровне фонового сигнала на выходе второго фотоприемного устройства 4, сигнал запуска компрессорной станции КС 9 будет формироваться в течении достаточно длительного времени, поэтому для сокращения данного времени целесообразно увеличить частоту цикличности опроса до появления на выходе фиксатора исправности ФИ 19 сигнала логической “1” (сигнала “Исправен”).

Данные условия работы обеспечиваются в формирователе импульсов запуска ФИЗ 17 следующим образом.

С выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 17-1 последовательность импульсов поступает на вход делителя частоты 17-2, которая на его первом и втором выходах преобразуется в последовательности импульсов с пониженными частотами, соответственно f₁ и f₂, которые поступают на входы мультиплексора 17-3, при этом:

где q - коэффициент повышения частоты.

Как показали исследования, достаточный коэффициент повышения частоты q приблизительно равен 6, т.е. цикличность опроса повышается, например, приблизительно в 6 раз.

В качестве делителя частоты 17-2 можно использовать, например: 1. “Счетчики”, (см. На сайте: ttps://lib.qrz.ru/book/export/html/5370). 2. Счетчик Джонсона, (см. патент, РФ, №82968).

Первым и вторым выходами делителя частоты 17-2 являются выходы счетчика, имеющие последовательности импульсов соответствующей частоты.

Последовательности импульсов с первого и второго выходов делителя частоты 17-2 поступают, соответственно, на первый и второй входы мультиплексора 17-3 (см., например, “Мультиплексоры”. На сайте: https://digteh.ru/digital/MS.php), который по сигналу логического “0” на его управляющем входе (поступает с выхода ФИ 19) обеспечивает прохождение на выход формирователя импульсов запуска ФИЗ 17 последовательности импульсов с первого выхода делителя частоты 17-2, т.е. обеспечивается повышенная цикличность опроса с частотой f₁ (см. выражение 3).

При сигнале логической “1” на управляющем входе мультиплексора 17-3 обеспечивается прохождение на выход формирователя импульсов запуска ФИЗ 17 последовательности импульсов со второго выхода делителя частоты 17-2, т.е. обеспечивается оптимальная цикличность опроса в рабочем режиме компрессорной станции КС 9 с частотой f₂ (см. выражение 3), выбираемая, например, в диапазоне от 10 мин. до 12 мин.

Контроллер 22, выполненный, например в виде микроконтроллера (см., например, Цифровые устройства и микропроцессоры: учеб, пособие / Р. В. Веринский [и др.]. - СПб., 2020. - С. 12-14) позволяет обеспечить контроль импульсной последовательности ультрафиолетового излучения.

Как было отмечено выше, после появления сигнала логической “1” (сигнала “Исправен”) на выходе фиксатора исправности ФИ 19, он сохраняет данное состояние (из-за устойчивого состояния D-триггера 19-2) независимо от уровня сигналов на выходе формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18.

Контроллер 22 обеспечивает выведение D-триггера 19-2 из устойчивого состояния и устанавливает режимы работы фиксатора исправности ФИ 19 в режим контроля электрических импульсов с выхода первого фотоприемного устройства ФУ) 3 (импульсов в импульсной последовательности ультрафиолетового излучения).

“Нормальное” ультрафиолетовое излучение означает то, что присутствует периодичность следования импульсов ультрафиолетового излучения с периодом Т_изл., равному периоду следования импульсов на выходе формирователя импульсов запуска ФИЗ 17, т.е. в импульсной последовательности ультрафиолетового излучения отсутствует длительность между соседними импульсами, превышающая Т_изл. При этом, на каждый импульс ультрафиолетового излучения на выходе первого фотоприемного устройства ФУ₁ 3 формируется электрический импульс.

Нарушение “нормального” ультрафиолетового излучения (нарушение периодичности следования импульсов или их отсутствие) можно определить, используя длительность фиксации электрических импульсов т в импульсной последовательности с частотой f₂ (см. выражение 3) на выходе первого фотоприемного устройства ФУ):

где

р - целый коэффициент, при этом, р≥2.

По электрическому сигналу на выходе первого фотоприемного устройства ФУ₁ 3, поступающему на вход контроллера 22 (может использоваться, например, микроконтроллер типа 5400 ВК025), на первом выходе контроллера 22 формируется сигнал логической “1”, при этом, на втором его выходе формируется сигнал логического”0” и на выходе фиксатора исправности ФИ 19 сигнал логической “1” (сигнал “Исправен”) не изменяется (сигнал логического ”0” на R-входе D-триггера 19-2 не изменяет его устойчивого состояния). В случае отсутствия импульсов ультрафиолетового излучения в течение задаваемого промежутка времени τ, на выходе первого фотоприемного устройства ФУ₁ 3, а следовательно и на входе контроллера 22 будут отсутствовать электрические сигналы. В данном случае, на первом выходе контроллера 22 в конце промежутка времени (формируется сигнал логического”0)”, а на втором выходе - короткий импульс сброса, в виде импульса логической “1”, который поступает на вход установки нуля R D-триггера 19-2 и устанавливает его выход, являющийся выходом фиксатора исправности ФИ 19, в состояние логического “0”, т.е. в состояние отсутствия сигнала “Исправен”, поступающего в управляющий вычислительный комплекс УВК 10 компрессорной станции КС 9.

Сигнал логического “0” поступает на первый вход элемента 2ИЛИ 19-1 и “разрешает” прохождению сигналов с выхода формирователя сигнала исправности устройств ФСИУ 18 на D-вход D-триггера 19-2 и процессы, описанные выше, повторяются.

В результате обеспечивается надежный контроль концентрации паров масла в сжатом газе компрессорной станции КС 9 после ее запуска.

Таким образом, в предлагаемом изобретении используется неизвестная совокупность известных признаков (каждый признак по-отдельности известен из открытых источников информации) и отвечает критерию “изобретательский уровень” в полной мере.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции. Устройство включает камеру высокого давления в виде проточной кюветы, снабженную смотровыми стеклами и ограничителем расхода, источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, три фотоприемных устройства, первое и второе индикаторные устройства, компаратор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель с управляемым коэффициентом усиления, формирователь сигнала исправности устройств, дифференциальный усилитель и формирователь импульсов запуска. В устройство дополнительно введены генератор тактовых импульсов, делитель частоты, мультиплексор, первый и второй контакторы, контроллер, индикатор исправности и фиксатор исправности, содержащий D-триггер, резистор, конденсатор и элемент 2ИЛИ. Технический результат заключается в повышении эффективности формирования сигнала запуска компрессорной станции и обеспечении условий надежного управления ее работой после запуска. 1 ил.

Устройство контроля концентрации масла в сжатом газе компрессорной станции, включающее в себя камеру высокого давления в виде проточной кюветы для анализируемого газа, снабженную смотровыми стеклами и установленным на выходе ограничителем расхода, импульсный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, первое фотоприемное устройство интенсивности возбуждающего излучения, размещенное до кюветы на оси, перпендикулярной оптической оси с источником излучения, второе фотоприемное устройство для регистрации возбужденного излучения, прошедшего сквозь смотровое стекло кюветы, размещенное за кюветой на оси, перпендикулярной оптической оси с источником излучения, третье фотоприемное устройство для регистрации излучения, прошедшего сквозь два смотровых стекла кюветы, расположенное на одной оптической оси с источником излучения, а также первое, второе индикаторные устройства и компаратор, выходом соединенный с первым индикаторным устройством, кроме того, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выполненный на операционном усилителе с резисторами обратной связи и переключателе на m положений (при m≥2), усилитель с управляемым коэффициентом усиления, формирователь сигнала исправности устройств, дифференциальный усилитель и формирователь импульсов запуска, последовательно соединенный с импульсным источником ультрафиолетового излучения, при этом вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с выходом первого фотоприемного устройства и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом третьего фотоприемного устройства, а выход - с вторым индикаторным устройством, первым входом формирователя сигнала исправности устройств и первым входом усилителя с управляемым коэффициентом усиления, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемного устройства и вторым входом формирователя сигнала исправности устройств, кроме того, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом усилителя с управляемым коэффициентом усиления, отличающееся тем, что дополнительно введены генератор тактовых импульсов, делитель частоты, мультиплексор, первый и второй контакторы, контроллер, индикатор исправности, фиксатор исправности, содержащий D-триггер, резистор, конденсатор и элемент 2ИЛИ, первый вход которого является входом фиксатора исправности и соединен с выходом формирователя сигнала исправности устройств, второй вход элемента 2ИЛИ соединен с выходом D-триггера и является выходом фиксатора исправности, а выход элемента 2ИЛИ соединен с D-входом D-триггера, R-вход которого соединен с одним выводом конденсатора и с одним выводом резистора, второй вывод которого соединен с землей, второй вывод конденсатора соединен с положительной шиной источника питания D-триггера, на С-вход которого подают тактовые импульсы; выход первого фотоприемного устройства соединен с входом контроллера, первый выход которого соединен с третьим входом формирователя сигнала исправности устройств, а второй выход - с R-входом D-триггера; первый и второй выходы делителя частоты соединены с входами мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом фиксатора исправности, а выход мультиплексора является выходом формирователя импульсов запуска, при этом выход компаратора через первый контактор соединен с первым входом управляющего вычислительного комплекса, второй вход которого через второй контактор соединен с выходом фиксатора исправности и индикатором исправности.