Автоматический фотоэлектронный анализатор масел и топлив Советский патент 1985 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам, применяемым для контроля за работой судовых двигателей внутреннего сгорания (две) по параметрам масла в системе смазкн, в частности для определения концептрацнй загрязняющих веществ в маслах и топливах, а также концентраций растворов, эмульсий, взвесей и т.д. по их оптической плотноети в лабораторных условиях и при теюшлогических процессах с высокой точностью.

Известно устройство для определеиш загряз} енпостей смазочных масел. Блок-схемой этого прибора предусмотрено, что излучающий диод инфракрасным излучением просвечивает кювету, которая заполнена исследуемым маслом и установлена в специальный кюветодержатель. В комплект прибора входят две кюветы одна с рабочим зазором 1 мм и вторая с рабочим зазором 3 мм. Ослабленный загрязненным маслом поток излучения попадает .на кремниевьй фотодиод. Фототок фотодиода усиливается линейным усилителем, выход которого подключен к логарифмическому усилителю. Погрешность измерений составляет 5 - 10% LЦ.

Недостатками этого прибора являютс невозможность его использования для измерений параметров масла в потоке низкая точность измерений, ограниченный диапазон измерения концентраций загрязняющих веществ, связанньй с ограниченньп рабочим зазором применяемых кЮвет, а также отсутствие очистки оптических поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотоэлектрический анализатор, содержащий корпус, основание, оптически связанные осветитель с источником питания, светопроводы, вьтолненные в форме усеченных конусов, светочувствительньй элемент соединенный с усилителем 23.

К недостаткам этого устройства относится то, что применение известного устройства для фотометрировани циркуляционных масел без соот зетствующего его усовершенствования не представляетс;я возможным, так как циркуляционные масла (и тяжелые топлива) обладают значительным диапазоном Изменения концентраций загрязяющих веществ (оптической плотности) содержат большое количество мелкоисперсных сажистых частиц. Для расирения диапазона измерения концентаций загрязняющих веществ в маслах еобходимо или увеличивать интенсивость светового потока, или повышать увствительность светоприемника, или меньшать измерительный зазор.

Существенное увеличение интенсивности светового потока связано с техническими проблемами, вьфажающимися в низкой надежности мощных источников излучения (газоразрядные лампы, азеры, лампы накаливания), в необходимости специального охлаждающего устройства.

Повышение чувствительности светоприемника также имеет свои ограничения, вызванные неизбежным снижением помехозащищенности и надежности. Так, например, применение фотоэлектронного умножителя, затрудняется его чувствительностью к вибрации, магнитным и электрическим нолям, необходимостью использования большого стабилизированного питающего напряжения, (сотни и тысяч вольт), большими габаритами .

Еще более сложной проблемой является подбор измерительного зазора, который бы соответствовал изменяющейся в потоке оптической плотности масел при обеспечении точности измерений, соответствующей минимальной относительной ошибке, затруднен.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений концентраций загрязняющих веществ в потоке и повьппение точности очистки оптических поверхностей.

Поставленная цель достигается тем, что в автоматический фотоэлектрический анализатор масел и топлив, содержащий корпус с основанием, оптически связанные осветитель и источником питания, светопроводь, .выполненные в форме усеченных конусов, светочувствительный элемент, соединенный с усилителем, введены сильфон, жестко связанный с одним из светопроводов, датчик зазора соединенньгй с сильфоном, электродвигатель с редуктором., связанным с сильфоном, генератор ультразвуковой частоты, соединенный с ультразвуковым очистителем оптических поверхностей светопронодов, измерительно-управ3ляющий блок, регистрирующее устрой ство, сигнализатор и блок питания анализатора, причем измерительноуправляющий блок включает в себя логарифмирующий усилитель, компара тор, два электронных ключа, управляющий коммутатор и вычислительное устройство, причем выход логарифми рующего усилителя подключен к вход компаратора и первого ключа, а вхо к выходу усилителя светочувствител ного элемента,выход компаратора подкл чен к входу управляющего коммутатора и к электродвигателю с редуктором, выход первого электронного ключа подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второ го электронного ключа - к второму : входу вычислительного устройства, вход второго электронного ключа подключен к датчику зазора, один вы ход управляющего коммутатора подклю чен к управляющим входам электронных ключей, второй - к входу источника питания осветлителя, третий выход -. к генератору ультразвуковой частоты, а выход вычислительного устройства подключен к регистрирующему устройству и сигнализатору. Кроме того, с целью повышения качества очистки оптических поверхностей, ультразвуковой очиститель выполнен в виде тонкостенного магни тострикционного цилиндра, один коне которого с обмоткой возбуждения закреплен в основании корпуса анали затора, а другой выполнен в виде двух симметрично расположенных отно сительно светопроводов сегментов. На фиг. 1 показан автоматический фотоэлектронный анализатор; на фиг. 2 - отдельные блоки анализатора масел и топлив5 на фиг. 3 - сборочный чертеж оптико-механического блока анализатора;- на фиг. 4 и 5 вид А и вид Б на фиг. 3; на фиг. 6 зависимости относительной ошибки от измеряемой оптической плотности. Автоматический фотоэлектронный анализатор масел и топлив содержит корпус 1, основание 2, светопроводы 3 в форме усеченных конусов, неподвижньй 4 и подвижньш 5 светопроводы, ультразвуковой очиститель (УЗО) 6 (на сборочном чертеже оптик механического блока анализатора фиг, 4 показаны две его проекции вид А и вид Б), обмотки -7 возбужде84ния (УЗО) уплотнительного фланца 8, сильфона 9 с опорной шайбой Ю и датчиком зазора 11, электродвигателя 13 с редуктором 12, светочувствительного элемента (фотодиода) 14, осветителя (светодиода) 1.5 и оптической системы 16, измерительноуправляющий блок, состоящий из логарифмирующего усилителя 1 7,компаратоpa 18, электронных ключей 19 и 20, управляющего коммутатора 21, вычислительного устройства 22, усилитель 23 светочувствительного элемента 14, источник 24 питания осветителя 15, генератор 25 ультразвуковой частоты, регистрирунлцее устройство 26, сигнализатор 27, блок 28 питания анализатора. В статике узлы и детали оптикомеханического блока анализатора вза-/ имно расположены следующим образом. В нижней части корпуса 1 крепится . основание 2, с помощью которого устройство монтируется на трубопроводе с исследуемой жидкостью. Вместе с основанием 2 в корпусе смонтирован УЗО 6 с обмоткой 7 возбуждения. Уплотнительный фланец 8 одновременно слу-, .жит платформой для сильфона 9, жестко соединенного при помощи опорной шайбы 10 с подвижным светопроводом 5 и датчиком зазора 11. Через тот же уплотнитёльный фланец 8 пропущен неподвижный светопровод 4, -на конце которого закреплен светочувствительный элемент 14, В верхней части корпуса установлен электродвигатель 13 с редуктором 12, приводящий в движение подвижный светопровод 5, В этой же части корпуса смонтирована оптическая система 16 и осветитель 15. Выход логарифмирующего усилителя 1 7 подключен к входам компаратора 18 и электронного ключа 19, а вход - к выходуусилителя 23 светочувствительного элемента (фотодиода) 14, а выход компаратора 18 подключен к входу управляющего коммутатора 21 и к электродвигателю 13 с редуктором 12, выход электронного ключа 19 подключен к первому входу вычислительного устройства 22, выход электронного ключа 20 подключен к второму входу вычислительного устройства 22, вход электронного ключа 20 подключен к датчику зазора 11 один выход управляющего коммутатора 21 подключен к управляющим входам электронных ключей 19 н 20, второй к входу источника 24 питания освети теля 15, а третий выход - к генератору ультразвуковой частоты 25. Выход вычислительного устройства 22 подключен к регистрирующему 26 устройству и сигнализатору 27. Вход усилителя 23 подключен к светочувст вительному элементу (фотодиоду) 14. Выход источника 24 питания подключе к осветителю (светодиоду) 15. Блок питания обеспечивает стабилизирован ными напряжениями все элементы анализатора и с помогдью тумблера 1 подключается к сети переменного тока напряжением 220 В. Концентраторы ультразвуковых колебаний вынолнень в виде двух спгыентов 29. 1-1змеритель}1о-управляющий блок вынолне) в одном корпусе совместно с источнирсом питания осветителя, усилителем светочувствительного эле мента, источником питания анализатора, которьш соединен с оптикомеханическим блоком анализатора с помощью кабеля, допускающего их. различную компоновку. Логарифмирую11Ц-1й усилитель 1 7, применяемый в качестве элементов измерительно-управляющего блока, выполнен на базе интегральных опера Ц1 оиньк усилителей серии К 544 итранзисторной сборки серии К 198. Используется для выработки сигнала пропорционального оптической плотности исследуемого масла или топливаКог-шаратор 18 двухпороговьй выполнен на базе интегр ального операционного усилителя серии К 140 с до полнительными транзисторами, усиливающими выходной сигнал. В блоксхеме он вместе с логарифмирующим усилителем 17 обеспечивает минимиза ций относительной ошибки измерений и выдает об этом информационный сиг нал управляющему коммутатору 21. Вычислительное устройство 22 выполнено на базе интегрального аналогового перемножителя сигналов серии К 525 и операционного усилителя сер1-ш К 544. Управляющий коммутатор 21 представляет собой микропрограммный автомат 5 выпояненньй на цифровых интегратшных схемах серия К 155. В блок-схеме он выполняет роль sa18. датчика последовательности работы всех элементов схемы. Устройство работает следушп1им образом. После включения источника питания 28 с помощью тумблера Т в сеть переменного тока напряжением 220 В, на все элементы измерительно-управляющего блока подается питающее напряженР5е. Управляющий коммутатор 21. через определенный промежуток времени согласно программе, подключает осветитель 15 (светодиод) к источ н-1ку 24 питания осветителя 15. Подвшкньш светопровод находится в фиксированном начальном, положении. Излучение от осветителя 15 проходит через оптическую систему 16, подвижный светопровод 5, светопроводы в форме усеченных конусов 3, через исследуемую жидкость и, ослабившись, по неподвижному светопроводу 4 поступает на светочувствительньй элемент (фотодиод) 14. Фототок, пропорциональный ослабленному излучению, подается на усилитель 23, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный световому потоку, падающему на светочувствительный элемент 14. Этот сигнал поступает на вход логарифмирующего усилителя 17, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональньш оптической плотности исследуемого масла или топлива, который поступает на вход компаратора 18, где происходит его сравнение с заданными уровнями . напряжений5 пропорциональными граничным значениям диапазона оптической плотности с минимальной относительной ошибкой измерения (фиг. 1). Если сигнал меньше нижнего порога срабатывания, пропорционального значению оптической плотности ,15 (фиг.. 1, кривая 30), то в результате сравнения компаратор 18 вырабатывает сигнал положительной полярности, поступающий на электродвигатель 13 с редуктором 12, который .перемещает вверх подвижный светопровод 5, жестко соединенный с сильфоном 9 и датчиком зазора 11, в результате чего увеличивается измерительный зазор, что соответствует увеличению оптической плотности исследуемой жидкости, при этом датчик 11 зазора вырабатывает увеличивающийся пропорционально зазору электрический сигнал, а световой поток, проходя через увеличивающийся зазор, все более ослабляясь, поступает на свет чувствительный элемент (фотодиод) 1 и ослабляющийся т.оковьп сигнал со светочувствительного элемента (фото диода) 14 поступает на усилитель 23 и после усиления на вход логарифмирующего усилителя 17, выходной которого поступает на вход компаратора 18, где происходит непрерыв ное сравнение поступающего сигнала с заданными уровнями напряжений. При достижении нижней границы за данного интервала компаратор 18 ера батывает и нулевой сигнал с его выхода поступает на электродвигатель который вследствие этого останавлив ется. Одновременно этот сигнал посту пает и на управляющий коммутатор 21 Последний с получением нулевого сиг нала включает электронные ключи, которые подают сигналы логарифмирующего усилителя 17 и датчика 11 зазор на вычислительное устройство 22. Вычислительное устройство подсчитывает концентрацию загрязняющих веществ по формуле -К.Иг ие коэффициент пропорциональнос ти; Uj) - напряжение пропорциональное оптической плотности, введен ной устройством в интервал 0,15-1,2; Ug, - напряжение пропорциональное измерительному зазору. Данная формула следует из соотношения между оптической плотностью D измерительным зазором и концентраций загрязнений С , если посредством регулировки выходной характеристики логарифмирующего усилителя и делителя напряжения подобрать коэффициент К. С вычислительного устройства 22 сигнал одновременно поступает на регистрирующее устройство 26 и сигнализатор 27, который подает звуковой и световой сигналы о необходимости проведения очистки при достижении предельно допустимой концентрации , Если сигнал больше верхнего порога срабатывания, пропорционального значению оптической плотности ,2 688 (фиг. 1, привал 31), компаратор 18 вьфабатывает сигнал отрицательной полярности, поступающий на электродвигатель 13 с редуктором 12, которьш перемещает вниз подвижный светопровод 5, жестко соединенный с сильфоном 9 и датчиком 11 зазора в результате чего уменьшается измерительный зазор, что соответствует уменьшению оптической плотности исследуемой жидкости. Датчик 11 зазора вьфабатывает уменьшающийся пропорционально зазору электрический сигнал. Световой поток, проходя через уменьшающийся зазор, все более возрастая, поступает на светочувствительный элемент (фотодиод) 14. При этом, возрастающий токовый сигнал со светочувствительного элемента (фотодиода) 14 поступает на усилитель 23 и после усиления на вход логарифмирующего усилителя 17, выходной сигнал которого поступает на вход компаратора 18, где происходит непрерыБНое сравнение поступающего сигнала с заданными уровняьм напряжений. При достижении верхней границы заданного интервала компаратор 18 срабатывает и нулевой сигнал с его выхода поступает на электродвигатель 13, который вследствие этого останавливается. Одновременно этот сигнал поступает и на управляющий коммутатор 21. Управляющий коммутатор 21 с получением нулевого сигнала включает электронные ключи, которые подают сигналы логарифмирующего усилителя 17 и датчика 11 зазора на вычислительное устройство 22, которое производит подсчет концентрации загрязняющих веществ. Лри нахождении сигнала логарифмирующего усилителя 17 внутри интерваа компаратор 18 вьфабатывает нулеой сигнал и управляющий коммутатор 2t включает электронные ключи 19 и 20, оторые подают сигнал логарифмирующего усилителя 17 и датчика 1i зазора а вычислительное устройство 22. Процесс измерения концентраций агрязняющих веществ циркуляционного асла (топлива) происходит циклично .зависимости от типа двигателя, апряженности его работы, типа примеяемых горюче-смазочных материалов. анный цикл определяется программой, веденной в управляющий коммутатор 21. Перед началом 1дикла измерения управляквдий коммутатор 21 включает генератор ультразвуковой частоты 25 на время, достаточное для очистки оптической поверхности (около 5 мин) светоп ррводов 3 в зоне измерительного зазора. При прохождении электрического тока по обмотке возбуждения 7 возникает переменное магнитное поле, вы ьгеающее магнитострикционный эффект. Ультразвуковое поле, достигая оптических поверхностей, механически разрушает пленки загрязнений, которые и уносятся потоком. Высокое качество очистки достигается за счет применения концентраторов ультразвуковых колебаний, вьтолненных в виде двух симметрично расположенных относительно измерительного зазора сегментов 29 (фиг. 3) колеблющихся с ча тотой 44 кГц. Ультразвуковой очистиИ1 810 тель отличается малой массой (вес не более 0,03 кг), компактностью и надежностью в работе. Устройство питается от судовой сети переменного тока напряжением 220 В. Размеры оптико-механической части 200x80 мм, электронного блока 300x200x200 мм. Масса прибора не более 10 кг. Данное изобретение позволяет автоматизировать процесс контроля за работой двигателей внутреннего сгорания по концентрации загрязняющих веществ в циркуляционной системе с предельной точностью измерений, что значительно повысит надежность работы две и других механизмов, принимать обоснованные решения о сроках смены работающих масел, что в общем случае приведет к значительной их экономии,уменьшить трудоемкость обслуживания две.

1.. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ АНАЖЗАТОР МАСЕЛ И ТОПЛИВ, содержащий корпус с основанием, оптически связанные осветитель с источником питания, светопроводы, вьшолненные в форме усеченных конусов, светочувствительный, элемент, соединенный с усилителем, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений концентраций загрязняющих веществ в потоке, в него дополнительно введены сильфой, жестко связанный с одним из светопроводов, датчик зазора, соединенный с сильфоном, электродвигатель, с редуктором, связанным с сильфоном, генератор ультразвуковой частоты, соединенный с ультразвуковым очистителем оптических поверхностей светопроводов, измерительноуправляющий блок, регистрирующее устройство, сигнализатор и блок питания анализатора, причем измерительно-управляющий блок включает в себя логарифмический усилитель, компаратор, два зжекторных ключа, управляющий коммутатор и вычислительное устройство, причем выход логарифмирующего усилителя подключен к входам компаратора.и первого ключа, а вход - к выходу усилителя светочувствительного элемента, выход компаратора подключен к входу управляющего коммутатора и к электродвигателю с редуктором, выход первого электронного ключа подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второго электронного ключа к второму входу вычислительного устройства, вход второго электронного (Л ключа подключен к датчику зазора, один выход управляющего коммутатора подключен к управляющим входам электронных ключей, второй - к входу источника питания осветителя, третий выход - к генератору ультразвуковой частоты, а выход вычислительного О1 устройства подключен к регистрируюел щему устройству и сигнализатору. 00 2. Анализатор по п. 1, о т л иа чающийся тем, что, с целью 00 повьшения качества очистки оптических поверхностей, ультразвуковой очиститель вьшолнен в виде тонкостенного магнитострикционного цилиндра, один. конец которого с обмоткой возбзшдения закреплен в основании корпуса -i анализатора, а другой вьшолнен в виде двух симметрично расположенных относительно светопроводов сегментов.