УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к области анализа жидких сред, а более конкретно - к устройствам для проведения оптического анализа технических жидкостей с помощью электрических средств, и может найти применение преимущественно для диагностики степени выработки моторного масла в целях обеспечения нормальной эксплуатации машин.
Известен способ высоковольтной диагностики жидких сред по патенту RU 2305274, МПК G01N 21/67, опубл. 27.08.2007, включающий помещение пробы материала в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированной информации, при осуществлении которого пробу жидкости внедряют в слой капиллярно-пористого материала и помещают его в область поверхностного высоковольтного разряда путем частичного покрытия пластинчатым электродом. Аппаратная регистрация свечения разряда включает фотографирование области разряда и запись изображения в виде цифрового файла. В качестве критерия оценки состояния диагностируемой жидкости выбирают закон спада интенсивности свечения по мере увеличения расстояния от кромки электрода. Для реализации известного способа используется комплекс устройств, включающий прибор для газоразрядной визуализации д′Арсонваля, цифровую фотокамеру и компьютер. Однако разрозненность устройств, используемых для возбуждения и регистрации свечения высоковольтного разряда, создает неудобства в работе по диагностике жидких сред и не позволяет оперативно провести анализ.
Из уровня техники известно устройство для спектрального анализа веществ жидких образцов по патенту на изобретение RU 2408872, МПК G01N 21/67, опубл. 10.01.2011. Устройство содержит ВЧ-генератор, с выходом которого соединены два металлических электрода. Электроды соединены между собой керамической трубкой, а во внутреннюю полость электродов выведены штуцеры для подачи в керамическую трубку и вывода из нее смеси рабочего газа с веществом. К центру керамической трубки присоединен дополнительный штуцер с заземленным дополнительным электродом. Дополнительный штуцер служит для вывода излучения через оптическое окно штуцера (линзу). При подаче ВЧ напряжения между электродами зажигается разряд, который возбуждает оптическое излучение подаваемой в керамическую трубку смеси. Излучение собирается линзой и анализируется спектрометром. Недостатком устройства является то, что для возбуждения излучения необходимо применение рабочего газа, расход которого и требуемая предварительная подготовка смеси снижают производительность диагностики жидких сред, экспрессность и точность анализа.
Известен кирлиан-прибор [Kirlian-Fotografie", Peter Lay, Franzis Verlag GmbH, 2000], который может быть использован для высоковольтной диагностики жидких сред и выполнен на базе автомобильной катушки зажигания, позволяющей получать импульсы напряжения в несколько десятков кВ. Катушка играет роль высоковольтного повышающего трансформатора, к первичной обмотке которого подводят напряжение импульсного генератора. В состав прибора входит диэлектрическая пластина, например стеклянная, с токопроводящим медным слоем, который подсоединен к выводу катушки зажигания, а также пластинчатый электрод, соединенный со вторым выводом катушки зажигания. Прибор может быть собран в специальный корпус из непроводящего прозрачного материала. Прибор позволяет, в частности, получать фотографии жидкости, налитой на предметное стекло (диэлектрическую пластину) с помощью цифровой фотокамеры. Указанный Кирлиан-прибор принят за прототип заявленному устройству. Недостатком прототипа является его неприспособленность к регулярной съемке большого числа объектов в воспроизводимых условиях. Устройство не имеет штатных средств затемнения фотографируемого поля, вследствие чего для выполнения снимка требуется зашторивать окна, выключать освещение и т.д. В устройстве также не предусмотрена оперативная цифровая обработка получаемой информации.
Задача полезной модели состоит в создании компактного, удобного в работе устройства, позволяющего обеспечить съемки анализируемой жидкости в области высоковольтного разряда в повторяющихся условиях, без манипуляции внешним освещением.
Технический результат, достигаемый при помощи предлагаемой полезной модели, состоит в оперативном получении цифровой информации для последующей обработки и проведения экспресс-анализа анализируемой жидкости и повышении информативности для достижения достоверности результатов анализа.
Результат достигается тем, что в устройстве для высоковольтной диагностики жидких сред, содержащем корпус из непроводящего материала, импульсный генератор напряжения и соединенный с ним высоковольтный повышающий трансформатор, диэлектрическую пластину, например стеклянную, выполненную с токопроводящим слоем, соединенным с одним из выводов вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора, пластинчатый электрод, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора, и цифровую фотокамеру, отличие состоит в том, что корпус выполнен светонепроницаемым и снабжен плотно прилегающей светонепроницаемой крышкой, шарнирно соединенной с корпусом, причем, импульсный генератор напряжения и высоковольтный повышающий трансформатор установлены в нижней части корпуса, а диэлектрическая пластина размещена в верхней части корпуса проводящим слоем вниз, при этом пластинчатый электрод установлен над диэлектрической пластиной с возможностью размещения и фиксации между ним и диэлектрической пластиной образца с исследуемой жидкостью и подпружинен относительно диэлектрической пластины. Кроме того, отличием является то, что в качестве цифровой фотокамеры использована USB камера высокого разрешения, которая вмонтирована в крышку корпуса над диэлектрической пластиной и снабжена фокусирующей линзой, установленной перед апертурой USB камеры. Токопроводящий слой диэлектрической пластины может быть выполнен из электропроводящей бумаги по ГОСТ 10751-85, а в качестве высоковольтного повышающего трансформатора может быть использована автомобильная катушка зажигания, при этом импульсный генератор напряжения выполнен регулируемый по частоте, величина которой составляет от 0,9 до 1,1 КГц, а амплитуда выходных импульсов импульсного генератора составляет от 40 до 50 В.
Достижение технического результата поясняется следующим.
1. Выполнение корпуса с шарнирной плотно прилегающей крышкой обеспечивает свободный доступ к объекту при открытой крышке и затемнение рабочей зоны в закрытом состоянии, чем достигается повторяемость условий съемки независимо от внешней обстановки. Плотное смыкание корпуса с крышкой обеспечивает изоляцию рабочей зоны от внешнего освещения, предотвращает блики, фоновую засветку и т.д., то есть исключает необходимость манипуляций внешним освещением.
2. Установка на крышке корпуса USB камеры высокого разрешения, расположенной над диэлектрической пластиной, обеспечивает оперативное получение цифровых изображений коронного разряда в реальном масштабе времени для последующей обработки. Выбор камеры высокого разрешения обусловлен эксплуатационными характеристиками, в первую очередь, большой информативностью снимков, и кроме того широкими возможностями программного управления чувствительностью, цветовым балансом и т.п. для получения оптимального формата исходной цифровой информации.
3. Выполнение проводящего слоя в частном случае из бумаги электропроводящей ГОСТ 10752-85 обосновано ее черным цветом, что минимизирует блики в любых условиях съемки, особенно при использовании стеклянной пластины, которая в сравнении с другими диэлектриками подвергается минимальной эрозии под действием электрических разрядов. Возможно и иное выполнение проводящего слоя, например из металла, в частности из меди, как в прототипе. Но при анализе, например моторных масел, электропроводящая бумага обладает теми преимуществами, что она исключает любое скольжение и тем самым улучшает достоверность анализа.
4. Выбор частоты импульсного генератора в пределах от 0,9 до 1,1 КГц получен экспериментально в соответствии с резонансными свойствами автомобильной катушки зажигания и обеспечивает максимальную амплитуду высоковольтных импульсов. При использовании иных высоковольтных трансформаторов выбор частоты импульсов генераторов не представляет сложности для специалистов в области электротехники.
5. Выбор амплитуды выходных импульсов генератора в пределах от 40 до 50 В получен экспериментально и обеспечивает по нижнему пределу достаточную для регистрации коронного свечения амплитуду высоковольтных импульсов, а по верхнему пределу - отсутствие заметного перегрева рабочей зоны при продолжительной работе. Амплитуда выходных импульсов генератора согласована с электротехническими параметрами катушки зажигания.
6. Установка перед апертурой USB камеры фокусирующей линзы обеспечивает получение сфокусированного изображения при максимальном приближении камеры к объекту съемки, за пределы глубины резкости. Этим достигается максимальная информативность регистрации разряда и уменьшение вертикального габарита устройства.
Полезная модель иллюстрируется фигурами 1-4. На фиг. 1 изображено устройство в раскрытом состоянии, на фиг. 2 - в рабочем состоянии. На фиг. 3 приведена фотография высоковольтного свечения образцов моторных масел, внедренных в слои капиллярно-пористого материала, помещенного под пластинчатый электрод. На фиг. 4 приведен пример калибровочной кривой для оценки степени выработки ресурса моторного масла.
Устройство для высоковольтной диагностики жидких сред содержит корпус 1 с крышкой 2, соединенных шарниром 3. В нижней половине корпуса 1 установлен импульсный генератор 4 и высоковольтный повышающий трансформатор, например на основе автомобильной катушки зажигания 5. В верхней части корпуса 1 под крышкой 2 размещена диэлектрическая, преимущественно стеклянная, пластина 6 с проводящим слоем 7, представленным электропроводной бумагой по ГОСТ 10752-85. Образец 8 в виде капиллярно-пористого материала, пропитанного исследуемой жидкостью, фиксируется на пластине 6 посредством подпружиненного пластинчатого электрода 9. На верхней части крышки 2 над рабочей зоной, соответствующей расположению пластинчатого электрода 8, установлена USB камера высокого разрешения 10, снабженная фокусирующей линзой 11. Линза обеспечивает фокусировку при минимальном расстоянии до объекта съемки. USB камера штатным образом подключена к персональному компьютеру (на чертеже не показан). Корпус 1 и крышка 2 в закрытом положении примыкают друг к другу по всему периметру.
Устройство применяют следующим образом. При откинутой верхней крышке 2 в корпусе 1 устанавливают образец 8 под электрод 9. Закрывают корпус 1 крышкой 2, обеспечивая при смыкании защиту рабочей зоны от внешнего освещения, способного создавать фоновую засветку и блики. Включают импульсный генератор 4, в результате чего во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 5 формируются импульсы высокого напряжения, прикладываемого к промежутку между электропроводной бумагой 7, стеклянной пластиной 6, образцом 8 и пластинчатым электродом 9. Под действием высокого напряжения на кромке пластинчатого электрода 9 образуется поверхностный коронный разряд, охватывающий примыкающую к указанной кромке поверхность образца 8. Интегральная интенсивность, закон спада по мере удаления от кромки и цветовая гамма разряда зависят от физико-химических характеристик жидкой среды в исследуемом образце. Изображение разряда, регистрируемое USB камерой, по команде оператора фиксируется в памяти персонального компьютера и подвергается алгоритмической обработке. Высокое разрешение камеры обеспечивает достаточную информативность цифрового изображения, кроме того, сопутствующее таким камерам развитое программное обеспечение позволяет адаптировать формат передачи видеоинформации к задачам эксперимента. Для получения объективной информации о свойствах исследуемой жидкости, как правило, производят калибровку выходных данных алгоритмической обработки по набору эталонов с построением калибровочной зависимости. Для уменьшения погрешности калибровка производится дифференциальным методом: под пластинчатый электрод одновременно помещают две пробы. Первая проба содержит исходную жидкость, вторая - жидкость с известной степенью деградации характеристик.
Результаты, полученные от применения устройства, показаны на примере анализа моторного масла. Устройство было применено для определения степени выработки ресурса моторного масла по характеру свечения в поле высоковольтного разряда. На фиг. 3 приведена полученная при помощи предлагаемого устройства фотография разрядной области, окружающей пластинчатый электрод с помещенными под него двумя образцами. На фотографии зона А соответствует образцу исходного масла, зона Б - маслу из двигателя с наработкой. Яркость и закон спада свечения после алгоритмической обработки преобразуются в численные показатели для построения калибровочной зависимости. На фиг. 4 приведен типичный пример калибровочного графика, позволяющего оценивать степень выработки ресурса моторного масла. По оси абсцисс в условных единицах отложена степень деградации характеристик N, по оси ординат - численный результат алгоритмической обработки W. Алгоритм выбирают на основании выявления зависимостей комплекса цифровых характеристик от состояния жидкости. Для приведенного примера, то есть для моторного масла наиболее чувствительно в степени выработки ресурса свечение в зеленой части спектра, а, например, для гидравлической жидкости наиболее чувствительно к наличию воды свечение в красной части спектра и т.д. Устройство позволяет получить оптическую картину любой анализируемой жидкости и провести диагностику в соответствии с поставленной задачей и согласно введенной программе.
Устройство позволяет производить экспресс-оценку состояния технических жидкостей за время, значительно меньшее, чем стандартные методы химического анализа. Благодаря этому на ранних стадиях можно оперативно выявлять отклонения в состоянии жидкостей и принимать решение о более подробном анализе.