РАБОТАЮЩИЙ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ДАТЧИК ДЛЯ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В РАБОЧИХ ЖИДКОСТЯХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
REAL-TIME SENSOR FOR MONITORING CHEMICAL IMPURITIES IN WORKING FLUID OF HYDRAULIC SYSTEMS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к датчику для отслеживания химических примесей в рабочих жидкостях по п.1 формулы изобретения, работающему в режиме реального времени.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Используемые в авиации рабочие жидкости гидравлических систем, как правило, являются гигроскопичными. Из этого следует, что срок их службы в высокой степени непредсказуем. Поскольку состояние рабочей жидкости влияет на всю гидравлическую систему летательного аппарата, незамеченное ухудшение качества рабочей жидкости может иметь серьезные последствия от повреждения этой системы до выхода ее из строя. Используемые до настоящего времени в авиации способы определения состояния рабочей жидкости в гидравлической системе летательного аппарата являются трудоемкими, длительными и дорогостоящими. Таким образом, обычно рабочую жидкость исследуют не чаще, чем один раз в год. При этом существует риск обнаружить, что срок службы рабочей жидкости закончился раньше срока, и по этой причине эксплуатация летательного аппарата должна быть прервана, что может повлечь значительные затраты.
В настоящее время рабочую жидкость обычно исследуют в автономном режиме, т.е. в лаборатории после взятия пробы. Для этого рабочую жидкость выкачивают из системы на станции технического обслуживания и отправляют на анализ в специализированную лабораторию. В этом случае техническое облуживание осуществляют через несколько дней ожидания только после того, как придет результат из лаборатории.
В частности, в этом случае представляют интерес такой параметр рабочей жидкости, как содержание кислоты, поскольку этот важнейший параметр определяет срок службы. В частности, под воздействием повышенного содержания кислоты увеличивается коррозия гидравлической системы, т.е. насосов, клапанов и трубопроводов. Содержание кислоты обозначается числом нейтрализации или общим кислотным числом. Кроме того, важным параметром, снижающим срок службы вследствие гидролиза, является растворенная в рабочей жидкости вода. Более того, свободная вода из-за недостаточного смазывания может разрушить и заморозить насосы, что может привести к их блокировке. Еще одним важным параметром являются растворенные в рабочей жидкости газы, которые в случае падения давления в системе могут образовывать пузыри и приводить к потере передаточного усилия рабочей жидкости. Еще одним решающим параметром является содержание хлора, так как растворы хлора могут привести к коррозии элементов гидравлической системы. Кроме того, в результате этого могут происходить нежелательные электрохимические реакции. Электрические свойства, т.е. электропроводность и электрическое сопротивление, являются характеристиками, отражающими различные отклонения рабочей жидкости.
Указанные параметры играют важную роль потому, что сложные эфиры фосфорной кислоты наподобие тех, что встречаются в рабочей жидкости авиационных гидравлических систем, являются полярными, поэтому проявляют тенденцию к абсорбированию воды. В свою очередь, растворенная вода может привести к распаду молекул сложного эфира фосфорной кислоты в виде трех реакций: окисления, пиролиза и гидролиза. Добавки образуют слабые кислоты согласно следующему уравнению:
2
сложный эфир+HO→спирт+COOH.
Сложные эфиры фосфорной кислоты образуют сильные кислоты согласно следующему уравнению:
2
3
4
HO→спирт+HPO.
3
+
В конечном счете образование спирта может привести к образованию пузырей, которые могут неблагоприятно влиять на передаточное усилие рабочей жидкости. С другой стороны, молекулы фосфорной кислоты могут вступать в реакцию с растворенной водой с образованием ионов НO, которые вызывают коррозию.
По указанным выше причинам в летательных аппаратах большое значение имеют отслеживание изменения существенных параметров рабочей жидкости, используемой в гидравлической системе, и наблюдение за этими параметрами в режиме реального времени.
Известны системы для отслеживания изменения состояния рабочих жидкостей. Например, в US 5,071,527 предложен датчик, содержащий электроды для измерения электрических свойств пробы наблюдаемой рабочей жидкости. Указанный датчик подсоединен к оценочному блоку, который определяет результаты измерения электропроводности в заданных состояниях рабочей жидкости. При этом сам датчик настолько мал, что он может быть использован как в автономном режиме, так и в режиме реального времени. Однако только измерение сопротивления дает неточные и в целом неудовлетворительные результаты, так что в этом случае требуются также дополнительные лабораторные исследования.
Кроме того, в US 4,013,953 предложен оптический датчик для отслеживания состояния рабочих жидкостей, измерения которого основаны, в частности, на ослаблении и рассеивании видимого луча света, пропускаемого через пробу отслеживаемой рабочей жидкости. Известный датчик имеет очень сложную конструкцию с подвижными деталями, поэтому требует постоянного технического обслуживания. Поскольку известное устройство весит примерно 1 кг, в первую очередь речь идет о его использовании в автономном режиме.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание датчика, способного к определению в режиме реального времени на основе сложных эфиров фосфорной кислоты параметров рабочих жидкостей, существенных для технического обслуживания, т.е. без изъятия жидкости из гидравлической системы летательного аппарата в качестве проб. В частности, с использованием указанных средств должна быть получены информация о содержании растворенной в рабочей жидкости воды и число нейтрализации или общее кислотное число.
Благодаря отличительным признакам по п.1 формулы изобретения указанная задача решена.
Преимущественные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы.
Работающий в режиме реального времени датчик для отслеживания химических примесей в рабочих жидкостях, согласно изобретению содержащий приемный контейнер для отслеживаемой жидкости, имеющий на двух противоположных сторонах смотровые окошки, отличается тем, что он содержит инфракрасный излучатель и инфракрасный детектор, имеющий по меньшей мере две, предпочтительно четыре, зоны для спектроскопического приема инфракрасного излучения, расположенные на двух смотровых окошках друг напротив друга.
Благодаря этому создан датчик, способный к определению параметров рабочих жидкостей на основе сложных эфиров фосфорной кислоты, существенных с точки зрения поддержания работоспособности, и в режиме реального времени, т.е. без изъятия жидкости из гидравлической системы летательного аппарата в качестве проб. В частности, с использованием датчика согласно изобретению, работающему в режиме реального времени, могут быть получены информация о содержании воды, растворенной в рабочей жидкости, и число нейтрализации или общее кислотное число.
Экспериментальным путем обнаружено, что при прохождении инфракрасного луча через рабочую жидкость на основе сложных эфиров фосфорной кислоты по поглощению инфракрасного излучения можно с высокой точностью судить о состоянии рабочей жидкости в результате колебаний молекул O-H в заданных полосах пропускания инфракрасного излучения. Таким образом, поглощение инфракрасного излучения с указанным волновым числом изменяется определенным образом в зависимости от того, присутствуют ли примеси в виде воды, спирта или кислоты. Кроме того, благодаря этому может быть определено процентное содержание фракции примеси, а также число нейтрализации или общее кислотное число.
Благодаря небольшим размерам и малому весу предлагаемого датчика, работающего в режиме реального времени, измерение может быть выполнено в режиме реального времени, т.е. в гидравлической системе во время полета летательного аппарата, и повторено с любым интервалом времени, например ежедневно. Благодаря получаемым таким способом данным могут быть определены точное состояние рабочей жидкости и соответствующая тенденция, и могут быть стратегически спланированы работы по техническому обслуживанию, например, одновременно с другими предусмотренными работами.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика между одним смотровым окошком и инфракрасным детектором размещен оптический фильтр, содержащий по меньшей мере две, предпочтительно четыре, зоны пропускания полос инфракрасного излучения с различными волновыми числами. Благодаря этому возможен чисто оптический качественный и количественный анализ результатов измерений.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика смотровое окошко изготовлено из сапфирового стекла. Благодаря этому обеспечивается прохождение луча через пробу рабочей жидкости без рассеивания.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика предусмотрено наличие оценочных устройств для оценки в режиме реального времени электрических измерений сигналов инфракрасного детектора. Указанные устройства могут содержать процессор и запоминающее устройство.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика предусмотрено сохранение в указанном оценочном устройстве корреляции между коэффициентом пропускания инфракрасного излучения по меньшей мере с двумя заданными волновыми числами и содержанием воды и/или спирта в рабочей жидкости. Указанные данные предварительно определяют экспериментальным путем и сохраняют в блоке памяти оценочного устройства.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика предусмотрено сохранение в указанном оценочном устройстве корреляции между коэффициентом пропускания инфракрасного излучения, по меньшей мере с двумя заданными волновыми числами и числом нейтрализации или общим кислотным числом. Указанные данные предварительно определяют экспериментальным путем и сохраняют в блоке памяти оценочного устройства.
-1
-1
-1
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика предусмотрено, что оптический фильтр содержит по меньшей мере одну зону пропускания полосы инфракрасного излучения с волновым числом в диапазоне от 3300 см до 3600 см, предпочтительно с волновым числом 3500 см. Указанные полосы пропускания особенно пригодны для определения асимметрии пиков поглощения молекул O-H в рабочих жидкостях на основе сложных эфиров фосфорной кислоты.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика в нем предусмотрены измерительные устройства для измерения прохождения света в видимой области, предпочтительно с длиной волны 400 нм. Это повышает достоверность инфракрасного измерения в области сильного окисления. В этом случае осуществима структура, содержащая излучатель света и детектор света, например фотодиод.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика в нем предусмотрены устройства для измерения температуры жидкости, причем соответствующий температурный (датчик может быть выполнен, например, в виде термопары).
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого датчика в нем предусмотрены устройства для измерения электропроводности жидкости. Это измерение может быть выполнено с помощью двух электродов. Измерение электропроводности тоже может быть использовано для определения содержания воды и кислоты в рабочей жидкости. Это измерение может быть использовано для подтверждения результатов инфракрасного измерения.
В зависимых пунктах формулы изобретения или в нижеследующем подробном описаниии указаны дополнительные средства, усовершенствующие изобретение. Пример предпочтительного осуществления изобретения приведен со ссылками на чертежи, где
на фиг.1 показано схематическое изображение предпочтительного варианта осуществления предлагаемого датчика, работающего в режиме реального времени,
на фиг.2 показан вид излучателя в разрезе по линии II-II на фиг.1,
на фиг.3 показан вид детектора в разрезе по линии III-III на фиг.1,
на фиг.4 показан график, иллюстрирующий коэффициент пропускания инфракрасного излучения с разными волновыми числами.
Указанные чертежи являются только схематическими изображениями и приведены в качестве примера, а не в масштабе. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами. Для наглядности на чертежах опущены электрические и гидравлические входящие и исходящие линии.
На фиг.1 показано схематическое изображение предпочтительного варианта осуществления предлагаемого датчика 1, который выполнен по существу цилиндрическим и содержит по существу три компонента. Центральный компонент содержит контейнер 4 для удержания пробы отслеживаемой рабочей жидкости. Проба содержит несколько кубических сантиметров рабочей жидкости. В качестве контейнера 4 использован тонкий алюминиевый контейнер в форме диска, ограниченный с обеих лицевых сторон смотровыми окошками 3, выполненными из сапфирового стекла. С обеих внешних сторон смотровых окошек 3 расположены кольцевые электроды 7. Кроме того, в нижней части контейнера 4 расположен температурный датчик 8, в данном случае выполненный в виде термопары.
Как показано на чертежах, слева от контейнера 4 находится инфракрасный излучатель 2, показанный на фиг.2 в разрезе по линии II-II на фиг.1. В качестве инфракрасного излучателя 2 использован инфракрасный теплоизлучатель, полученный путем микрообработки. Как показано на чертежах, справа от контейнера 4 находится цилиндрический инфракрасный детектор 5, имеющий четыре приемные зоны, о которых можно также сделать вывод из фиг.3. В данном примере осуществления инфракрасный детектор 5 выполнен в виде теплового инфракрасного детектора, например болометра или терморезистора. Кроме того, возможно использование элемента ПЗС.
-1
-1
-1
Между инфракрасным детектором 5 и контейнером 4 расположен оптический фильтр 6, содержащий четыре зоны с различными полосами пропускания инфракрасного излучения. Указанные зоны фильтра 6 расположены по часовой стрелке: зона 9 в качестве опорной зоны, зона 10 для волнового числа 3500 см, зона 11 для волнового числа 3600 см и зона 12 для волнового числа 3400 см.
При этом длина траектории оптического луча внутри рабочей жидкости определяется расстоянием между двумя смотровыми окошками 3, пропускающими инфракрасное излучение. В указанном примере осуществления это расстояние составляет 0,3 мм.
Благодаря небольшим размерам и малому весу датчика он может быть встроен прямо в гидравлическую систему летательного аппарата, например в трубопроводы. Для измерения в режиме реального времени, т.е. для измерения на месте в процессе работы летательного аппарата, инфракрасный луч проходит из инфракрасного излучателя 2 через смотровое окошко 3 и находящуюся в контейнере 4 пробу рабочей жидкости, и после прохождения через фильтр 6, имеющий четыре полосы пропускания 9, 10, 11 и 12, поступает на инфракрасный детектор 5. В данном примере длина волны инфракрасного излучения находится в интервале между 3000 нм и 4000 нм.
Сигналы с результатами измерения, т.е. излучение, поглощенное инфракрасным детектором, преобразуется и передается в виде электрических сигналов на оценочное устройство (не показано), работающее в режиме реального времени. Оценочное устройство по существу содержит процессор и память для хранения данных. Благодаря сравнению текущих результатов измерения с сохраненными данными можно сразу же определить, находится ли состояние рабочей жидкости в допустимых пределах, или уровень водной фракции воды слишком высок, или обнаружено присутствие кислоты.
Для подтверждения значений, полученных посредством инфракрасного измерения, для измерения проводимости используют два электрода 7, дополнительно размещенные в датчике 1, изображенном на фиг.1-3. В этом случае в качестве электродов использованы платиновые электроды, нанесенные на керамическую подложку. Для исключения поляризации электроды подвергаются воздействию напряжения переменного тока с частотой 1 кГц. Кроме того, подтверждением результатов инфракрасного измерения и функциональной эффективности инфракрасных датчиков может служить измерение температуры с использованием температурного датчика 8.
.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Указанный инфракрасный спектральный анализ может быть представлен графически, например в виде графика, как показано на фиг.4На фиг.4 коэффициент пропускания инфракрасного излучения в процентах для полосы пропускания с волновым числом 3500 cm нанесен по оси абсцисс и обозначен Tr (3500 cm). Коэффициенты пропускания инфракрасного излучения в процентах для полос пропускания с волновыми числами 3600 cm и 3400 cm нанесены по оси ординат и обозначены Tr (3600 cm) и Tr (3400 cm). График учитывает асимметрию в трех разных полосах пропускания и дает возможность определить, находится ли состояние рабочей жидкости в допустимых пределах, ограниченных «здоровым» участком 13, или вышло за эти пределы и находится на «нездоровом» участке 14, характеризующимся наличием кислоты, или на «нездоровом» участке 15, характеризующимся поглощением воды.
Настоящее изобретение не ограничивается вышеуказанным предпочтительным примером осуществления изобретения. Напротив, возможен ряд вариантов, которыми можно воспользоваться и в других областях осуществления изобретения.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - датчик, работающий в режиме реального времени
2 - инфракрасный излучатель
3 - смотровое окошко
4 - контейнер для удержания пробы
5 - инфракрасный детектор
6 - оптический фильтр
7 - электрод
8 - температурный датчик
9 - опорный фильтр
-1
10 - фильтр 3500 см
-1
11 - фильтр 3600 см
-1
12 - фильтр 3400 см
13 - «здоровый» участок
14 - кислотный участок
15 - участок с поглощением воды