УСТРОЙСТВО ВЛАГОМЕТРИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
MOISTURE METER OF PROCESS LIQUIDS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к влагометрии технологических жидкостей, например, масел и нефтепродуктов, к мониторингу влагосодержания моторных, турбинных, трансформаторных масел.
Уровень техники
Из уровня техники известен источник информации (KirillV. Lukynov, AleksandrA. Starostin, PavelV. SkripovHeattransferunderhigh-powerheatingofliquids. 4. Theeffectofwateradmixturesontheheattransferinsuperheatedhydrocarbons// InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2017, V.106, P. 657-665), в котором показано, что во влажных углеводородных жидкостях при изменении температуры зонда перед вскипанием существует область повышенной теплоотдачи на участке температур от нескольких градусов до десятков градусов. Для оценки значения температуры начала процесса потери термоустойчивости масла можно использовать оценку начала интенсификации теплоотдачи с повышением температуры. В статье показан способ оценки теплоотдачи с поверхности зонда при импульсном нагреве.
Недостатком такого решения является то, что способ требует точной настройки значения тока нагрева и повышенной точности при определении значений температуры зонда.
Из уровня техники известен источник информации (RU 2221238, опубл. 10.01.2004), в котором описан способ экспресс-анализа жидких сред, заключающийся в быстром нагреве жидкости импульсом электрического тока на поверхности проволочного нагревателя-зонда, регистрации ее физического параметра, определении измеряемого параметра, установлении зависимости этого параметра от анализируемого свойства и осуществлении анализа данной среды, при этом нагрев жидкости импульсом электрического тока ведут до избранной температуры ниже температуры ее достижимого перегрева, после чего на зонд подают второй импульс электрического тока и повторно нагревают его до избранной температуры, затем измеряют время достижения избранной температуры при втором импульсе, причем в качестве регистрируемого при избранной температуре физического параметра используют показатель термического сопротивления жидкой среды, о величине которого судят по времени достижения избранной температуры при втором импульсе.
Недостатком такого решения является то, что такой показатель, как термическое сопротивление жидкой среды, используемый для оценки контрольного физического параметра жидкости, зависит от начальной температуры образца, что отрицательно сказывается на точности долговременных измерений.
Из уровня техники известен источник информации (RU 2494383, опубл. 27.09.2013), выбранный в качестве прототипа, в котором описан способ импульсного теплового экспресс-контроля технологических жидкостей с помощью проволочного нагревателя-зонда, представляющего собой платиновую проволочку диаметром 20 мкм и длиной 3 мм, заключенную между двумя электрическими выводами.
Недостатком такого решения является то, что используются сигналы локального терморазрушения масла на поверхности зонда, устройство выполнено с одним усилителем и компаратором, являющихся общими для первого и второго импульсов, что не обеспечивает необходимую чувствительность на втором импульсе и точность передачи сигнала на втором импульсе. Если влагосодержание масла достаточно низкое, то интенсивность теплоотдачи с поверхности проволочного зонда меняется достаточно резко и значительно при достижении значения температуры потери термоустойчивости (вскипание) и хорошо регистрируется по значительному изменению длительности второго импульса. Однако при увеличении влагосодержания процесс изменения теплоотдачи с температурой становится более плавным и интенсивным. В результате интервал времени второго импульса может слишком увеличиваться еще в устойчивом состоянии, что приводит к ошибкам при определении значения температуры и потери термоустойчивости образца. Приведенные аналоги, в том числе наиболее близкий, не обеспечивают необходимого уровня точности при измерениях теплоотдачи.
Заявленное решение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание устройства влагометрии c повышенной чувствительностью и расширенным диапазоном контроля влаги в технологических жидкостях (нефтепродуктах, маслах промышленного применения, например, в моторных, турбинных, трансформаторных), с необходимым уровнем точности при измерениях теплоотдачи, повышенной точностью передачи сигнала на втором импульсе, повышенной точностью установки температуры и улучшенной повторяемостью траектории нагрева на втором измерительном импульсе, увеличенной амплитудой полезного сигнала на втором импульсе при сохраненной функции точного переключения тока при достижении заданного порога по температуре нагрева зонда на первом импульсе.
Технический результат заключается в повышении чувствительности контроля влаги в технологических жидкостях, обеспечении необходимого уровня точности при измерениях теплоотдачи, повышении точности передачи сигнала на втором импульсе, уменьшении ошибок установки температуры и улучшении повторяемости траектории нагрева на втором измерительном импульсе, увеличении амплитуды полезного сигнала на втором импульсе при сохранении функции точного переключения тока при достижении заданного порога по температуре нагрева зонда на первом импульсе.
Технический результат достигается за счет того, что устройство влагометрии технологических жидкостей включает, выполненные с возможностью передачи сигнала между собой, выносной проволочный зонд, погружаемый в масло, блок нагрева и управления, причем блок нагрева и управления содержит генератор тока, коммутатор, первый выход которого соединен со входом генератора, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи управления токами первого и второго импульсов нагрева, выходы которых соединены, соответственно, с первым и вторым входом коммутатора, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи настройки температуры порогов нагрева зонда, первый и второй компараторы, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго цифро-аналоговых преобразователей настройки температуры порогов нагрева зонда, микропроцессор, который соединен с выходами первого и второго компараторов, причем третий вход коммутатора соединен с микропроцессором, а четвертый вход коммутатора соединен с первым компаратором, первый и второй усилители, выходы которых соединены, соответственно, со входами первого и второго компараторов, первый аналогово-цифровой преобразователь передачи сигнала напряжения первого импульса на микропроцессор, который соединен с выходом первого усилителя, второй аналогово-цифровой преобразователь передачи сигнала напряжения второго импульса на микропроцессор, который соединен с выходом второго усилителя.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схема блока нагрева и управления
Осуществление изобретения
Устройство влагометрии содержит выносной проволочный зонд (Rz), погружаемый в масло, блок нагрева и управления.
Зонд защищен трубкой-штуцером с отверстиями для заполнения, представляет собой терморезистивную проволочку диаметром 20 мкм и длиной 3 мм, заключенную в отверстии между двумя электрическими выводами на печатной плате, на которой также размещен датчик начальной температуры жидкости. Зонд размещается в измеряемой жидкости и связан с элементами блока нагрева и управления, например, проводным кабелем.
Блок нагрева и управления содержит, соединенные между собой, управляемый генератор тока (ОУ1, Т1) первого и второго импульсов нагрева зонда, коммутатор задатчика тока (AMUX), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП1 и ЦАП2) для программного управления токами первого и второго импульсов нагрева, (ЦАП3 и ЦАП4) для программной настройки температурных порогов нагрева зонда, дифференциальные усилители (ОУ2, ОУ3) и компараторы (К1, К2) сигналов первого и второго импульсов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП1 и АЦП2) сигналов первого и второго импульсов, микропроцессор цифрового управления.
Генератор тока выполнен программируемым для подстройки тока первого и второго импульса с целью обеспечения близких траекторий нагрева зонда на каждом шаге приращения температуры. Значения тока первого и второго импульса могут подстраиваться с помощью программируемых задатчиков (ЦАП1 и ЦАП2) тока.
В отличие от наиболее близкого аналога, который содержит выносной проволочный зонд, погружаемый в масло, генератор тока, один дифференциальный усилитель, микропроцессор цифрового управления, элементы настройки значения температуры нагрева зонда в опыте, выполненные в виде цифрового потенциометра и одного компаратора, общие для первого и второго импульсов, а также элемент переключения тока нагрева зонда в виде коммутатора питания, в заявленном устройстве элементы настройки значения температуры нагрева зонда в опыте выполнены в виде преобразователя ЦАП3 и компаратора К1 на первом импульсе, преобразователя ЦАП4 и компаратора К2 на втором импульсе (компараторы К1 и К2 напряжения датчика зонда предназначены для различной обработки сигналов первого и второго импульсов), при этом элемент переключения тока нагрева зонда выполнен в виде коммутатора AMUX задатчика генератора тока, причем применены два программных задатчика в виде цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП1 и ЦАП2) тока и два усилителя (ОУ2, ОУ3). Устройство наиболее близкого аналога, в том числе, с одним усилителем и компаратором, не обеспечивает необходимой чувствительности на втором импульсе, поскольку настроено на работу с большими сигналами при переключении импульсов и при потере термоустойчивости жидкости.
Усилитель ОУ3 важен для точной передачи сигнала на втором импульсе. На первом импульсе сигнал большой, поэтому он ограничивается на выходе ОУ3. При переходе ко второму импульсу ОУ3 восстанавливает рабочее состояние за короткое время (единицы микросекунд).
Для работы устройства влагометрии используется дополнительный программируемый задатчик тока (ЦАП2) для точной подстройки тока второго импульса с целью обеспечения близких траекторий нагрева зонда на каждом шаге приращения температуры для сухого и влажного образцов. Определение траекторий нагрева для сухого образца производится на этапе калибровки устройства.
Признаки начала потери термоустойчивости на втором импульсе связаны с влагозависимым изменением теплоотвода с проволочного зонда и могут быть обнаружены до момента полного терморазрушения (вскипания) масла. Поскольку значения тока первого импульса на порядок и более превышают токи второго, то и амплитуда полезного сигнала на втором импульсе значительно снижается вплоть до уровня шумов.
Повышение чувствительности достигается путем раздельной обработки сигналов первого и второго импульсов как для обеспечения точного переключения при достижении температурного порога на первом импульсе, так и для обеспечения необходимой чувствительности при относительно небольших изменениях температуры на втором импульсе, что в свою очередь позволяет уменьшить ошибки установки температуры и улучшить повторяемость траектории нагрева на втором измерительном импульсе за счет увеличения сигнала второго импульса, более точной работы компаратора К2 и АЦП2.
На фиг.1 представлена схема блока нагрева и управления. Чувствительный элемент устройства в виде проволочного зонда Rz размещен на печатной плате выносного зонда и последовательно соединен с токозадающим сопротивлением R1. Средняя точка получившегося измерительного полумоста соединена с точкой нулевого потенциала схемы («заземлена»). Для питания измерительного полумоста используется последовательно подключенный генератор тока (ОУ1, Т1). Исток транзистора Т1 и инвертирующий вход ОУ1 соединены с токозадающим сопротивлением R1. Сток транзистора Т1 присоединен к «плюсу» источника питания зонда ИП, а «минус» ИП соединен с оставшимся выводом проволочного зонда Rz. Параллельно источнику ИП подключен конденсатор С1 для уменьшения внутреннего сопротивления источника ИП при импульсных токах. Для управления генератором тока неинвертирующий вывод ОУ1 соединен с выходом О коммутатора (переключателя) AMUX задающих напряжений с цифро-аналоговых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2, выходы которых подключены на входы I1, I2 коммутатора AMUX. Управление коммутатором осуществляется по входам А0, А1 с присоединенными линиями «Вкл ГТ» от микропроцессора и «Нагрев 1 имп» от компаратора К1. Управление цифро-аналоговых преобразователей ЦАП1-ЦАП4 производится по параллельному соединению от микропроцессора по последовательной цифровой линии передачи данных «Шина SPI». Выходы ЦАП3 и ЦАП4 подсоединены соответственно на неинвертирующие входы компараторов К1 и К2 для передачи опорных напряжений. Выходы компараторов присоединены к информационным линиям «Нагрев 1 имп» и «Нагрев 2 имп» микропроцессора.  Инвертирующие входы компараторов К1 и К2 присоединены соответственно к выходам усилителей ОУ2 и ОУ3. Выход ОУ2 присоединен к линии «АЦП1» для передачи сигнала напряжения 1 импульса, выход ОУ3 присоединен к линии «АЦП2» для передачи сигнала напряжения 2 импульса на соответствующие аналого-цифровые преобразователи и далее на микропроцессор.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Нагрев зонда производится электрическим током двумя следующими друг за другом импульсами. Величина тока импульсов программируется через задатчики тока (цифро-аналоговые преобразователи ЦАП1, ЦАП2) путем передачи цифровых данных от микропроцессора по линии «Шина SPI». Включение цикла нагрева производится разрешающим сигналом по линии «Вкл ГТ» от микропроцессора. Переключение тока с 1 на 2 импульс производится по линии «Нагрев 1 имп» при включении компаратора К1. Изменение температуры зонда сопровождается изменением его термозависимого сопротивления. Сигнал напряжения первого импульса с полумостовой схемы зонда усиливается первым усилителем ОУ2 и передается на первый аналого-цифровой преобразователь АЦП1. Настройка схемы на температуру опыта на первом импульсе производится с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП3 и компаратора К1. При превышении порога срабатывает компаратор К1 и формирует управляющий сигнал «Нагрев 1 имп» на входе А1 коммутатора AMUX задатчика генератора тока для переключения тока на второй импульс меньшей интенсивности. Сигнал напряжения второго импульса с полумостовой схемы зонда усиливается вторым усилителем ОУ3 и передается на второй аналого-цифровой преобразователь микропроцессора АЦП2. Настройка схемы на температуру опыта на втором импульсе производится с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП4 и компаратора К2. При превышении порога срабатывает компаратор К2 и формирует управляющий сигнал «Нагрев 2 имп», по которому микропроцессор отключает цикл нагрева, снимая разрешение по линии «Вкл ГТ». Программирование напряжений порогов на выходах ЦАП3 и ЦАП4 осуществляется путем передачи цифровых данных от микропроцессора по линии «Шина SPI» до начала цикла нагрева. Длительность второго импульса определяется интервалом времени измерения между двумя точками нагрева до заданных порогов температуры зонда, которые достигаются в процессе нестационарного теплообмена проволочного зонда с жидкостью. Следовательно, длительность интервала второго импульса определяется интенсивностью теплоотвода с поверхности зонда в заданных условиях в зависимости от концентрации влаги в масле. Оптимальная длительность измерительного интервала подбирается при настройке на определенную марку масла или топлива и составляет несколько миллисекунд. Программные настройки, запоминание и обработку сигналов в цифровом виде осуществляет микропроцессор цифрового управления. Для расчета относительного коэффициента теплоотдачи с поверхности зонда используется значение начальной температуры жидкости, определяемое по отсчетам датчика начальной температуры на плате зонда. По результатам расчета определяется значение температуры начала интенсификации теплообмена с поверхности зонда, связанное со значением концентрации влаги. Для выдачи результатов в значениях концентрации влаги производится калибровка устройства на эталонных образцах выбранной марки топлив и масел. По полученным значениям определяется функциональная зависимость в виде полинома второго порядка. При смене марки жидкости калибровочная зависимость меняется на соответствующую данной марке. Пересчет внутренних значений устройства в значения концентрации влаги производится микроконтроллером на основе заранее определенных калибровочных зависимостей в энергонезависимой памяти. Выбор соответствующей калибровки производится оператором при настройке устройства на измерения конкретной марки масел или топлив.
Применение усилителя сигналов ОУ3 (как дополнительного малошумящего усилителя-ограничителя сигналов) второго импульса с малым временем выхода в рабочее состояние позволило увеличить амплитуду полезного сигнала на втором импульсе при сохранении функции точного переключения тока при достижении заданного порога по температуре нагрева зонда на первом импульсе.
Повышение чувствительности и диапазона измеряемых концентраций влаги обеспечивается, в том числе, за счет зависимости температуры начала интенсификации теплоотдачи с поверхности зонда от концентрации влаги в перегретых углеводородных жидкостях.
По сравнению с наиболее близким аналогом, в заявленном устройстве не используются сигналы локального терморазрушения масла на поверхности зонда при достижении значения температуры потери термоустойчивости, а оценивается относительное изменение коэффициента теплоотдачи с изменением температуры зонда. Оценка коэффициента теплоотдачи производится в схожих температурно-временных условиях, для чего значение тока второго импульса подстраивается на каждом шаге температуры с помощью дополнительного программируемого генератора тока. Для увеличения чувствительности на втором импульсе функционально выделены два усилителя сигналов первого и второго импульса с различными уровнями усиления. Дополнительно программируемый генератор тока используется для автоматизации настройки влагомера под различные марки масел.
За счет того, что блок нагрева и управления заявленного устройства содержит генератор тока, коммутатор, первый выход которого соединен со входом генератора, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи управления токами первого и второго импульсов нагрева, выходы которых соединены, соответственно, с первым и вторым входом коммутатора, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи настройки температуры порогов нагрева зонда, первый и второй компараторы, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго цифро-аналоговых преобразователей настройки температуры порогов нагрева зонда, микропроцессор, вход которого соединен с выходами первого и второго компараторов, причем третий управляющий вход коммутатора соединен с микропроцессором, а четвертый управляющий вход коммутатора соединен с первым компаратором, а также содержит первый и второй усилители, выходы которых соединены, соответственно, со входами первого и второго компараторов, первый аналогово-цифровой преобразователь передачи сигнала напряжения первого импульса на микропроцессор, вход которого соединен с выходом первого усилителя, второй аналогово-цифровой преобразователь передачи сигнала напряжения второго импульса на микропроцессор, вход которого соединен с выходом второго усилителя, позволило обеспечить достижение технического результата, а именно повысить чувствительность контроля влаги в технологических жидкостях (нефтепродуктах, в маслах промышленного применения, например, в моторных, турбинных, трансформаторных маслах), обеспечить необходимый уровень точности при измерениях теплоотдачи, повысить точность передачи сигнала на втором импульсе, уменьшить ошибки установки температуры и улучшить повторяемость траектории нагрева на втором измерительном импульсе, увеличить амплитуду полезного сигнала на втором импульсе при сохранении функции точного переключения тока при достижении заданного порога по температуре нагрева зонда на первом импульсе.