УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ГИДРОСИСТЕМ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к коррекции нелинейности первичных преобразователей.
Известен фотоэлектрический прибор контроля чистоты жидкости (труды Научно-исследовательского технологического института, г.Саратов, 2001 г.; В.А.Бербер, В.И.Мозяков. Обеспечение чистоты технических и пищевых жидкостей. // Смазочные материалы в промышленности. Материалы II Международной научно-практической конференции (Пермь, 1-4 октября, 2001 г.), стр.62-65), содержащий первичный преобразователь, соединенный с блоком электроники, при этом первичный преобразователь состоит из последовательно соединенных интегратора, светодиода, оптически связанного с фотодиодом, подсоединенного к усилителю с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом компаратора, блок электроники состоит из амплитудного анализатора, имеющего выходы ко входам микроконтроллера, соединенного с дисплеем и драйвером, пробоотборную воронку, соединенную трубкой с прибором. Причем для создания условий протекания вязких жидкостей в воронку с анализируемой пробой подается воздух под давлением.
Недостатком данного устройства являются невысокие точность измерения и неудобство эксплуатации прибора.
Наиболее близким является фотоэлектрический анализатор загрязнения жидкостей (патент №72070, МПК G01N 15/02, опубл. 27.03.2008 г.), содержащий первичный преобразователь, соединенный с блоком электроники, при этом первичный преобразователь состоит из последовательно соединенных интегратора, светодиода, оптически связанного с фотодиодом, подсоединенного к усилителю с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом компаратора, блок электроники состоит из амплитудного анализатора, имеющего выходы к входам микроконтроллера, соединенного с дисплеем и драйвером, пробоотборную воронку и блок электроники, заключенные в отдельные корпуса, проотборная воронка жестко закреплена на корпусе первичного преобразователя, в блоке электроники присутствуют расходомер и интенсиметр, входы которых соединены с выходами амплитудного анализатора, а выходы подсоединены к входам микроконтроллера, корпус первичного преобразователя установлен на стакан, сообщающийся с ним отверстием, в стакане создано разрежение.
В основу полезной модели поставлена задача повысить чувствительность прибора и расширить границы его применимости, за счет более точного определения дисперсного состава частиц загрязнения жидкости и создания технических условий для реализации алгоритма повышения чувствительности прибора.
Данная задача решается за счет того, что в устройстве контроля дисперсного состава частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем, содержащем первичный преобразователь, соединенный с микропроцессорным блоком, которые заключены в отдельные корпуса, при этом первичный преобразователь состоит из последовательно соединенных интегратора, светодиода, оптически связанного с фотодиодом, подсоединенного к усилителю с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом компаратора, микропроцессорный блок состоит из микроконтроллера, соединенного с индикатором и драйвером последовательного порта, пробоотборную воронку, жестко закрепленную на корпусе первичного преобразователя, микропроцессорный блок снабжен логарифмическим преобразователем, выход которого соединен со входом микроконтроллера, выход усилителя с фиксированным коэффициентом усиления соединен со входом логарифмического преобразователя, а выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен со входом микроконтроллера.
Разработанное устройство позволяет решать задачу определения уровня чистоты рабочей жидкости гидросистем согласно ГОСТ 17216-2001, решаемую прибором-прототипом, и дополнительно задачу определения с высокой точностью дисперсного состава частиц загрязнения жидкости, в том числе и частиц размером менее 5 мкм (эта задача решается при подключении к устройству ЭВМ со специальным программным обеспечением).
На фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 представлен график зависимости шага дискретизации по размеру частиц Δd от размера частиц d при использовании микроконтроллера с восьмиразрядным АЦП: без применения логарифмического преобразователя (кривая 1) в микропроцессорном блоке, с применением логарифмического преобразователя (кривая 2).
3
Это устройство состоит из первичного преобразователя 1 и микропроцессорного блока 2, которые заключены в отдельные корпуса. Первичный преобразователь содержит последовательно соединенные интегратор 3, светодиод 4, оптически связанный с фотодиодом 5, подсоединенным к усилителю с регулируемым коэффициентом усиления 6, выход которого соединен с входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления 7, подсоединенного к компаратору 8. Компаратор подключен к электронному ключу 9. Параллельно компаратору 8 и электронному ключу 9 подключен резистор 10. На корпусе первичного преобразователя 1 жестко закреплена пробоотборная воронка 11, на внутренней поверхности которой нанесены риски. Интервал между рисками соответствует объему анализируемой жидкости 50 см. Корпус первичного преобразователя 1 установлен на приемном стакане 12, в котором создано разрежение. В корпусе первичного преобразователя 1 соосно пробоотборной воронке 11 выполнено отверстие 13, имеющее выход в приемный стакан 12. В состав микропроцессорного блока 2 входит логарифмический преобразователь 14, микроконтроллер с функцией аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, индикатор 16 и драйвер последовательного порта 17. Усилитель 6 подключен ко входу АЦП микроконтроллера 15. Усилитель 7 соединен с логарифмическим преобразователем 14, выход которого подключен ко входу АЦП микроконтроллера. Логарифмический преобразователь 14 имеет выходы к микроконтроллеру 15, выход которого соединен с драйвером 17, с выхода которого сигналы передаются на ЭВМ для дальнейшей обработки. Выход микроконтроллера 15 соединен также с индикатором 16.
Устройство контроля дисперсного состава частиц загрязнения рабочей жидкости гидросистем работает по принципу измерения световых потоков, рассеянных частицами загрязнений. Анализируемая жидкость прокачивается по измерительному каналу малого диаметра, с одной стороны которого установлен светодиод 4, а с другой - фотодиод 5. Поскольку направление потока жидкости перпендикулярно оптической оси измерительной системы «излучатель - фотоприемник», то вместе их пересечения образуется измерительный объем. При наличии оптической неоднородности в измерительном объеме (например, механических примесей) происходит рассеяние света во всех направлениях. Измеряя с помощью фотодиода 5 интенсивность рассеянного света, получают информацию о параметрах частиц загрязнений. Определение размера частиц производится по амплитуде электрического импульса, снимаемого с выхода фотодиода 5. Каждому размеру частицы соответствует своя амплитуда сигнала. Электрический сигнал с фотоприемника усиливается усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 6, с выхода которого сигнал поступает на микропроцессорный блок для определения классов чистоты жидкости и их индикации для частиц в размерных группах 100-200 мкм и свыше 200 мкм. После дополнительного усиления сигнала в усилителе с фиксированным коэффициентом усиления 7 электрический сигнал поступает также на микропроцессорный блок для определения классов чистоты жидкости и их индикации для частиц в размерных группах 5-10, 10-25, 25-50, 50-100 мкм. Компаратор 8, электронный ключ 9 и интегратор 3 образуют схему восстановления постоянной составляющей (ВПС). ВПС обеспечивает постоянный уровень освещенности в измерительном объеме, независимо от вида контролируемой жидкости и температурной нестабильности светодиода 4 и фотодиода 5. При уменьшении освещенности измерительного объема увеличивается постоянная составляющая сигнала с выхода усилителя 7, которая через схему компаратора 8 и электронного ключа 2 подается на вход интегратора 3, сигнал, с выхода которого увеличивает ток светодиода, увеличивая освещенность. Компаратор 8 и электронный ключ 9 блокируют работу ВПС на время появления импульсов от частиц. Резистор 10 служит нагрузкой выхода усилителя 7 в момент замыкания электронного ключа 9. С выхода усилителя 7 сигнал поступает на логарифмический преобразователь 14, корректирующий нелинейность первичного преобразователя. Микроконтроллер 15 осуществляет оцифровку сигнала, поступающего с логарифмического преобразователя, счет частиц в соответствующих размерных фракциях (функция счетчиков), определение класса чистоты анализируемой жидкости согласно ГОСТ 17216 - 2001 в каждой размерной группе (функция решающих устройств), на основе анализа количества импульсов, накопленных счетчиком, а также функции управления и связи с внешней ЭВМ с помощью драйвера 17. Микроконтроллер 15 осуществляет также определение момента окончания анализа пробы. На индикатор 16 выносятся рассчитанные значения классов чистоты жидкости в каждой размерной группе.
Микроконтроллер осуществляет квантование по уровню напряжения, поступающего с первичного преобразователя, с шагом ΔU, определяемым разрядностью АЦП М. От значения М будет зависеть точность работы алгоритма повышения чувствительности прибора, реализованного на ПЭВМ. Следует отметить, что при постоянном ΔU шаг дискретизации по размеру частиц Δd не будет постоянным, а будет изменяться в зависимости от значения d из-за нелинейности зависимости U(d). Характер зависимости Δd(d) для восьмиразрядного АЦП приведен на фигуре 2 (кривая 1). Из анализа этого графика следует, что с уменьшением d шаг дискретизации ∆d возрастает по нелинейному закону, причем наиболее резкое возрастание Δd происходит при d<20 мкм. Однако для обеспечения заданной точности работы алгоритма повышения чувствительности и решения задачи диагностирования технического состояния агрегатов гидросистем важно, чтобы именно в этом диапазоне размеров частиц (менее 20 мкм) шаг дискретизации Δd был как можно меньшим. Это обусловлено высокими диагностическими возможностями частиц такого размера и тем, что в данном участке размеров сосредоточено абсолютное большинство частиц загрязнения (более 90%).
Для уменьшения шага дискретизации Δd в диапазоне малых размеров частиц в состав устройства включен логарифмический преобразователь 14. Характер зависимости Δd(d) для случая использования логарифмического преобразователя приведен на фигуре 2 (график 2). Из анализа этого графика следует, что с уменьшением d шаг дискретизации Δd убывает по линейному закону. Причем его значения позволяют проводить анализ дисперсного состава с высокой точностью. Ввиду того, что корректировка значений Δd для частиц размером более 100 мкм не требуется, то на логарифмический преобразователь поступает сигнал лишь со второго выхода первичного преобразователя.
Анализ параметров сигнала, поступающего с первичного преобразователя, а также требуемой точности определения дисперсного состава частиц загрязнения показал, что микроконтроллер должен иметь восьмиразрядное АЦП и скорость передачи данных на ЭВМ должна быть не менее 800 кБит/сек.
Для передачи данных на внешнюю ЭВМ и реализации дистанционного управления используется последовательный интерфейс стандарта USB 1.1 (используется драйвер последовательного интерфейса 17).