СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХ
METHOD FOR DETERMINATION OF CONCENTRATION OF MECHANICAL POLLUTION IN LIQUID AND GAS-POLICY ENVIRONMENTS

Изобретение относится к автоматическим средствам контроля жидких и газообразных сред на содержание механических примесей.
Известен способ определения концентрации частиц в текущей среде (см. авт. св. СССР №974141, МПК G01J 1/04, опубл. 15.11.1982), в котором определение концентрации частиц происходит путем подсчета импульсов от частиц с помощью многоканального счетчика за определенный период времени, а о концентрации частиц судят по отношению количества импульсов к объему контролируемой среды, прошедшей через датчик, за тот же период времени.
Поскольку анализаторы не имеют встроенных расходомеров или датчиков объема, а расход контролируемой среды в ходе измерений может резко колебаться вследствие изменения температуры, давления в системе, засорения тракта анализатора и др. факторов, погрешность измерения концентрации велика.
Известен способ определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах (см. патент RU №2328723, МПК G01N 15/06, опубл. 10.07.2008), заключающийся в преобразовании аналоговых сигналов от частиц загрязнений в импульсы постоянной амплитуды и определении длительности импульса от частиц загрязнения и длительности пауз между прохождением частиц, в котором разделяют последовательность прямоугольных импульсов от частиц, и длительности пауз между прохождением частиц на два канала, в одном из которых только импульсы от частиц, а в другом только паузы, преобразуют длительности импульсов от частиц и длительности  от пауз в напряжения, поступающие в микроконтроллер, осуществляющий определение отношения величин напряжений, которым присваивают индекс загрязненности.
Предлагаемый способ очень сложен, так как для получения «индекса загрязнения» надо определить время импульса, время паузы по отдельным каналам, затем разделить одну величину на  два канала и только после проведения трех сложных действий – замер и деление величин порядка 0,00001 сек, – можно анализировать индекс загрязненности с неуказанными зависимостями с фактической концентрацией частиц загрязнений в контролируемой среде.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения концентрации частиц в жидкости (см. патент GB №1446017, МПК G01N 15/06, опубл. 11.08.1976), в котором выходной сигнал датчика анализатора преобразуют в импульсы ширины, соответствующей длительности импульсов от частиц и постоянной амплитуды, которые интегрируют по некоторому периоду времени, а по величине интегрального сигнала судят о количестве частиц в единице объема жидкости.
Недостатком прототипа является наличие погрешности измеренной величины концентрации, зависящей от расхода контролируемой среды.
Задачей изобретения является разработка способа определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах, лишенного отмеченных недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет исключении влияния расхода жидкости или газа на измерение величины концентрации частиц загрязнения в жидкой или газовой средах при упрощении способа.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации механических загрязнений в жидких или газообразных средах, заключающемся в пропускании светового потока через объём контролируемой среды и измерении фотоэлектрическим элементом характеристики светового потока, прошедшего через контролируемую среду, согласно заявляемому решению измеряют напряжение U на выходе фотоэлектрического элемента, а концентрацию K механических загрязнений вычисляют по формуле:
K = U C,
где C – заранее определенный постоянный коэффициент зависимости U от K.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для реализации способа измерения концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах, показан также профиль щелей F, через которые входит световой поток в контролируемый объём счетчика частиц загрязнения и выходит из объёма, попадая на фотоприемник;
на фиг. 2 показаны диаграммы выходных сигналов с импульсами от частиц при изменении скорости течения жидкости и концентрации загрязнений.
Позициями на чертежах обозначены:
1 -  осветитель;
2 -  труба;
3 -  фотоэлектрический элемент;
4 -  измеритель напряжения;
5 -  микроконтроллер;
6 -  числовое табло.
Решение поставленной задачи касается автоматических счетчиков частиц загрязнения и основано на следующих аналитических зависимостях.
Автоматический счетчик частиц загрязнения в жидкости должен определить концентрацию частиц загрязнения - количество частиц загрязнения в единице объёма жидкости - К:
К=n/Q; (1)
где
n - число частиц загрязнения;
Q - объём жидкости, в которой находится данное число частиц загрязнения.
Современное промышленное производство немыслимо без автоматического контроля за отдельными ступенями технологического процесса. Для такого контроля используются электрические методы измерения неэлектрических величин. Для измерений  неэлектрических величин используются преобразователи (датчики), на входе которых действует неэлектрическая величина, а на выходе - электрическая, воздействующая на выходное измерительное устройство.
К таким устройствам относится счетчик частиц загрязнения, работающий следующим образом. Через контролируемую среду (жидкость) пропускают ограниченный по площади, например, в виде прямоугольной щели световой поток и анализируют сигнал от затенения, вызванного частицами загрязнения, проходящими через световую щель. Т.е. при прохождении частицы загрязнения  электрический сигнал светового потока, улавливаемый фотоприемником, уменьшается во время прохождения частицы через контролируемый объём, пропорционально площади и времени прохождения частицы. При изменении электрических параметров, вызванных наличием частиц загрязнения в анализаторах чистоты жидкостей, анализируются амплитуда импульса, вызванного прохождением непрозрачной частицы в световом потоке, время ее прохождения в контролируемом объёме (время импульса - tи), а также время между импульсами (Tи), и количество импульсов в единицу времени (частота).
В теории и практике измерения параметров импульсного тока (Большой энциклопедический словарь-определение терминов, методика и схемы измерения - А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая  электроника на операционных усилителях. - М. Бином.1994 г.) используются следующие параметры импульсного тока:
t - длительность импульса,
T - период следования импульсов,
D = t/T -коэффициент заполнения - отношение длительности импульса к периоду следования импульсов,
T/t - скважность импульсов, параметр не зависящий от частоты - f.
эф
Для измерения параметров импульсного тока разработаны и выпускаются приборы и микросхемы, определяющие - t, T, D, T/t, а также эффективное (среднеквадратичное) напряжение импульсного тока (E), равное:
эф
0.5
E = U D; (0<D<1),
где U -амплитуда напряжения импульса.
Среднеквадратичное значение является наиболее важным параметром для определения величины сигнала, это наиболее распространенный способ определения величины сигнала переменного тока.
Преобразуем уравнение для определения концентрации загрязнений в жидкости с учетом обозначения параметров импульсной техники:
о
о
о
K = n/Q = t/T 1/(V S t)
0
где t - время измерения,
0
n = t/T - количество частиц, прошедших зону контроля, за время t, V - скорость движения частицы загрязнения, принимаемая равной скорости течения среды через контролируемый объём датчика прибора контроля чистоты среды, например жидкости, (ПКЖ) равна V = (L+d)/t,
L - протяженность световой щели контролируемого объёма датчика ПКЖ,
d - диаметр частицы загрязнения,
S - площадь контролируемого объёма датчика ПКЖ.
Размеры контролируемого объёма ограничиваются конструктивно протяженностью светового потока L, его шириной a, равной диаметру канала, по которому течет жидкость, если канал круглого сечения, а если канал прямоугольного сечения, то ширине прямоугольника, а объём равен площади канала S, умноженной на высоту (протяженность) светового потока L.
В формуле концентрации объём жидкости - Q, протекающий через контролируемый объём датчика ПКЖ за время t, равен:
о
Q= V S t.
В результате преобразований формула расчета концентрации принимает вид:
K = t/T 1/((L+d)S) (2), или
K = t/T 1/C,
где C - величина постоянная для конкретной системы измерения концентрации, зависящая от геометрических параметров данного устройства.
Анализ формул (1) и (2) показывает, как можно, анализируя электрические параметры, определять неэлектрическую величину – концентрацию частиц загрязнения в различных средах. Концентрация вещества, по определению Энциклопедического словаря, это отношение числа частиц компонента системы, его количества или массы к объёму системы.
o
эф
Из формулы (1) следует, что надо определять количество импульсов от частиц за время t и определить расход среды через счетчик частиц за это же время, после чего вычислить концентрацию. Из формулы (2) следует, что можно определять время импульса от частиц загрязнений, время длительности пауз между прохождением частиц, затем определять отношение этих величин, по которому судить о величине концентрации. После введения в формулу концентрации параметра эффективного напряжения импульсного тока E с учетом следующего преобразования:
эф
0
эф
0
эф
0
0.5
2
2
2
E = U D; D = (E/U); t/T = E/U
получаем:
эф
0
2
2
K = E 1/(U C)
v
Так как, в среднем, амплитуду импульса можно принять постоянной или заранее «обрезать» до оптимальной величины, то значение U является величиной постоянной для данного измерительного устройства и, следовательно, КОНЦЕНТРАЦИЯ частиц загрязнения в жидкости изменяется только в зависимости от одного параметра, а именно ЭФФЕКТИВНОГО напряжения или скважности импульсного тока, измеряемого на выходе из фотоэлектрического преобразователя - U. В результате имеем зависимость концентрации от напряжения импульсного тока, возникающего при прохождении частиц загрязнения в контролируемой среде:
K=U C
где: K - концентрация,U - напряжение, С - коэффициент, постоянный для данного устройства, учитывающий его геометрические и электрические характеристики.
C = (L + d) s,
где L - протяженность световой щели контролируемого объёма датчика, d - средний диаметр частиц загрязнения, s - площадь потока жидкости в контролируемом объёме датчика.
Объективной величиной напряжения импульсного тока будет среднеквадратичное значение напряжения, что следует из теории и практики импульсной техники. Таким образом, задача изобретения по упрощению схемы измерения концентрации частиц загрязнений решена путем замера только одного параметра, вместо измерений многих параметров с последующими операциями деления одних параметров на другие у прототипа.
Устройство для реализации заявленного способа контроля концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах состоит из трубы 2 с прозрачными стенками, в канале которой течет контролируемая жидкость или газ. Осветитель 1 с постоянным световым потоком установлен перпендикулярно направлению течения жидкости в канале трубы 2. С другой стороны трубы 2 напротив осветителя установлен фотоэлектрический элемент 3 для преобразования света в электрический сигнал, величина которого зависит от силы светового потока, поданного на элемент 3. Таким образом, создаётся контролируемый объём среды из струи жидкости или газа в трубе 2 и потока света с конструктивно заданными размерами площадей струи и потока. Создаваемый фотоэлектрическим элементом 3 электрический сигнал измеряют при помощи измерителя переменного (импульсного) напряжения 4. Для преобразования величины напряжения U в значение концентрации в удобной для пользователя форме - класса чистоты по нормам ГОСТа17216-2001г., числовому коду по ИСО 4406, абсолютной величины концентрации в штуках в единице объёма - устройство содержит подключенный к выходу измерителя напряжения 4 микроконтроллер 5, в память которого внесен заранее определенный коэффициент С. К микроконтроллеру 5 подключено числовое табло 6.
Работает устройство следующим образом.
Исследуемая жидкость или газ проходят через канал трубы 2, в котором формируется объём контролируемой среды оптико-механическим путём пересечения струи жидкости или газа световым потоком, причем желательно перпендикулярное пересечение осей трубы и светового потока. При прохождении частиц загрязнения в контролируемой среде через контролируемый объём происходит частичное перекрытие (затенение) светового потока, и на выходе фотоэлектрического элемента возникают электрические импульсы, амплитуда напряжений которых пропорциональна размерам частиц загрязнения, а длительность - времени прохождения частиц через контролируемый объём. Измеритель напряжения импульсного тока 4, например, милливольтметр импульсного тока В4-24, измеряющий среднеквадратичное значение импульсного тока, или АЦП (микросхема) аналогичного назначения, показывает среднеквадратичное напряжение U, которое, как показано выше, пропорционально значению концентрации частиц загрязнения с поправочным коэффициентом для данного устройства.
На фиг. 2 показаны диаграммы полученных на осциллографе зависимостей напряжения импульсных токов во время протекания жидкости с различной концентрацией загрязнений, а также при изменении режимов течения жидкости. Испытания проводились с прибором контроля чистоты жидкости, выполненным по описанной выше схеме. Результаты испытаний подтвердили выводы по предложенным зависимостям.
Определение концентрации загрязнений по величине эффективного (среднеквадратичного) напряжения импульсной характеристики, полученной при прохождении контролируемой среды через контролируемый объём устройства контроля чистоты жидких и газообразных сред, дает объективную величину концентрации, не зависящую от скорости течения жидкости в устройстве - так значение напряжения U равно при изменении скорости V в два раза без изменения величины концентрации (случаи а и в на фиг. 2). Увеличение концентрации в два раза (случаи d и с на фиг.2) путем введения двойной навески загрязнений в испытуемую среду привело к увеличению значения напряжения U в 1,73 раза и не изменилось при возрастании скорости в два раза.
Таким образом, значительно упрощается обычная схема определения концентрации частиц загрязнения в жидких и газовых средах за счет измерения только одного значения напряжения импульсного тока, а также повышается объективность контроля, при независимости измерений концентрации загрязнений от изменения скорости течения контролируемой среды.