УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАСЛА
DEVICE FOR OPERATIONAL CONTROL OF OIL OPERABILITY

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оценки в реальном масштабе времени качества технического масла, в частности гидравлического, компрессорного, трансмиссионного, моторного и трансформаторного масла. Изобретение позволяет определить работоспособность масел и может быть использовано как экспресс-анализатор качества и состояния технического масла.
Определение наличия воды в техническом масле имеет решающее значение на износ и работоспособность оборудования в народном хозяйстве.
Вода способствует окислению базового масла, изменению его вязкости и пенообразованию (аэрации), что в свою очередь приводит к уменьшению прочности масляной пленки и ускорению износа трущихся деталей. Вода также может оказывать негативное воздействие на пакет присадок: вымывать некоторые присадки, неустойчивые к действию влаги, способствовать гидролизу (расщеплению) присадок, что приводит к образованию высококоррозионных кислот и истощению присадок. Вода является источником возникновения в масле таких загрязнений, как парафины, суспензии, углеродные и окисные нерастворимые загрязнения и даже микроорганизмы. Вода усиливает процессы ржавления и коррозии, в результате водородной коррозии возникает вспучивание и охрупчивание стали, а также питтинг в результате паровой кавитации. Если же в масле содержатся кислоты, то при совместном воздействии воды с кислотами коррозионное воздействие на черные и цветные металлы усиливается.
Эмульсионная вода является наиболее опасной для жизненного цикла силового трансформатора, поскольку снижает пробивное напряжение трансформаторного масла. Эмульсионная вода также под действием электрического поля может выстраиваться в цепочки и образовывать проводящие мостики.
Смешивание влаги с моторным маслом превращает его в эмульсию. Смазка теряет свои первоначальные свойства. Если вода попала в масло, ДВС получает повреждения: задиры на поверхности цилиндров; разрушение маслосъемных колпачков; износ коленчатого вала, вкладышей; залегание поршневых колец; появление люфтов; образование очагов коррозии. Блок цилиндров, поршневая группа и другие элементы ДВС механически повреждаются. Деформация ведет к трещинам и расколам. Детали испытывают критические нагрузки. Определение наличия воды в масле носит важное значение для различных отраслей народного хозяйства.
Известны методы и устройства оперативного контроля работоспособности масла, встроенные в систему смазки, охлаждения и обеспечивающие непрерывный контроль наличия воды в масле с целью своевременной его замены.
Для оценки качества работавших масел в лабораторных условиях используется фотометрический метод [1], заключающийся в определении изменения оптической плотности пробы свежего и работавшего масла и последующем сравнении с допустимым уровнем.
Описанные выше методы применимы в лабораторных условиях, но не пригодны для использования в устройствах, использующих системы смазки и охлаждения работающего оборудования.
Известен датчик качества масла, основанный на измерении оптического пропускания и рассеяния масла [2]. В датчике оптическое излучение от источника пропускается через масло, протекающее через проточный канал, и прошедшее излучение регистрируется первым фотоприемником. Количество перпендикулярно рассеянного оптического излучения измеряется вторым, а рассеянного назад излучения - третьим фотоприемником. На основании измеренных трех сигналов оценивается общая загрязненность масла, содержание в масле воды и охлаждающей жидкости.
Недостаток аналога является не оперативность и недостаточность информации об изменении общего загрязнения масла, конкретно не обеспечивает достаточную достоверность заключения о качестве масла и содержании воды.
Известно устройство, описанное в патенте «Способ и устройство оперативного контроля работоспособности масла» [3], основанные на измерении оптической плотности масла. Устройство состоит из источника монохроматического оптического излучения; узла ввода оптического излучения, содержащего оптическое волокно и оптическое окно; проточный канал, заполняемой тестируемым маслом; узла приемника оптического излучения, состоящего из оптического окна и оптического волокна; и блока обработки сигнала и принятия решения.
Недостатки аналога заключаются, во-первых, в том, что состояние масла оценивается лишь по общей загрязненности масла. Низкая информативность является причиной недостаточной оперативности, точности и достоверности оценки работоспособности масла и содержания воды.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство, описанное в патенте «Способ оперативного контроля работоспособности масла и устройство для его осуществления» [4], заключающийся в том, что через проточный канал пропускают оптическое излучение и измеряют опорную интенсивность излучения при замене масла в тестируемом оборудовании, измеряют интенсивность излучения, прошедшего через заполненную маслом проточный канал в ходе эксплуатации оборудования, вычисляют диагностический параметр "общая загрязненность" масла с использованием значения опорной интенсивности и по изменению диагностического параметра "общая загрязненность" оценивают работоспособность масла, отличающийся тем, что оптическое излучение, пропускаемое через масло, является полихроматическим и содержит в своем спектре красный, зеленый и голубой диапазоны длин волн и регистрируют одновременно три сигнала, соответствующие интенсивностям излучения, прошедшего через масло, в трех указанных спектральных диапазонах, оценивают три значения диагностического параметра "общая загрязненность" масла одновременно в трех спектральных диапазонах и дополнительно вычисляют диагностический параметр "химическая деструкция" масла по формуле.
Недостатком заявленного прототипа также является то, что контроль работоспособности масла недостаточно оперативен, необходимо замерять чистое масло при первичной замене и осуществляется сложным путем оценки состояния масла вычислением двух параметров - «химическая деструкция», характеризующая изменение химических свойств масла, и «общая загрязненность», характеризующая загрязненность масла только продуктами химической деградации масла, что показывает ограниченность диапазона измерений заявляемого прототипа и не обеспечивают оперативность принятия решения о содержании воды в масле. Вычисления имеют общую характеристику и не позволяют судить о работоспособности масла при наличии воды.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства оперативного контроля работоспособности масла при наличии воды, в котором устранены недостатки прототипа.
Предлагаемое устройство не нуждается в ограничивающей оперативность промежуточной операции сравнения показателей чистого масла и эксплуатируемого, а позволяет сразу получить результаты текущих измерений одного образца масла при наличии воды, диагностируемого в данный момент.
Цель заявляемого изобретения - повышение оперативности измерений, упрощение конструкции устройства, использование которого позволит повысить качество диагностики исследуемого масла при наличии вводы.
Техническим результатом являются прямые измерения наличия воды в масле, оперативность измерений, достоверность и информативность, позволяющие точно определить работоспособность масла при наличии воды.
Технический результат решается тем, что устройство для оперативного контроля работоспособности масла, содержащее узел источника оптического излучения, узел ввода оптического излучения, проточный канал, узел вывода оптического излучения, узел приемника оптического излучения, отличающееся тем, что в узел источника оптического излучения введены два источника одинаковой интенсивности лазерного излучения соответственно с максимумами спектра на длинах волн 1.95 мкм и 2.2 мкм и два коллиматора формирующие параллельные пучки излучения через вводные окна в проточном канале, узел приемников параллельных пучков лазерного излучения прошедшего проточный канал с входными окнами содержит соответственно два коллиматора и фотоприемника преобразующих одновременно прошедшие проточный канал излучение на длинах волн 1,95 мкм и 2.2 мкм в сигналы, соответственно поступающие на входы введенной схемы вычитания прошедших сигналов, выход которой соединен с индикатором наличия разностного сигнала о наличии воды и неработоспособности масла.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства оперативного контроля работоспособности масла для осуществления предложенного способа с проточным каналом; на фиг. 2 (спектры излучения светодиодов LED 19 пик 1.95 мкм, LED22 пик 2.2 мкм, прошедших через проточный канал и спектры поглощения воды в масле) изображены спектры поглощения воды и масла совмещенные с спектром излучения источников прошедшего через образцы масла; на фиг. 3 (схема варианта расположения устройства в стандартном отверстии) приведен вариант компактной компоновки устройства.
Цифрами на фиг. 1, 3 обозначены:
1 - узел источников излучения,
2 - источники лазерного излучения 1.95 мкм и 2.25 мкм,
3 - излучение от источников,
4 - коллиматор с окном ввода излучения,
5 - проточный канал,
6 - излучение проходящее проточный канал с маслом,
7 - входное окно и приемные коллиматоры,
8 - излучение, принятое после прохождения через канал,
9 - узел фотоприемников оптического излучения,
10 - сигнал с фотоприемников,
11 - схема вычитания прошедших сигналов,
12 - индикатор наличия разностного сигнала о наличии воды и работоспособности масла.
Фиг. 2 - спектры поглощения воды и масла совмещенные с спектром излучения источников LED 19 и LED22 прошедшего через образцы масла.
Приведен спектр поглощения воды с пиком на длине волны 1.95 мкм и спектр излучения диода LED 19 на длине волны 1.95 мкм предназначенного для измерения уровня поглощения в воде, также приведен спектр опорного диода LED22 на длине волны 2.2 мкм свободно проходящего через воду в масле. Излучение на 2.2 мкм опорного диода позволяет определить уровень ослабления излучения из-за вторичных факторов типа рассеяния на частицах и молекулах.
Фиг. 3 - вариант компактной компоновки устройства позволяющей использовать стандартное отверстие в масляном баке.
Устройство оперативного контроля работоспособности масла на фиг. 1 работает следующим образом.
Узел источников (1) содержит: два источника лазерного излучения (2) с спектрами имеющими максимум излучения (3) на длинах волн LED 19 -1.95 мкм и LED22- 2.2 мкм (фиг. 2) и коллиматоры (4) с окнами для ввода излучения и формирующие параллельный поток излучения в проточном канале (5), а узел приемника прошедшего через канал оптического излучения (6) содержит два коллиматора (7) через которые излучение (8) поступает на соответствующие фотоприемники узла приемников (9) с выходами (10) подключенными к схеме вычитания (11), выход которой подключен к индикатору (12) наличия разностного сигнала о наличии воды и работоспособности масла.
3
1
2
1
2
3
3
Устройство устанавливается: вариант (фиг. 1) с проточным каналом (5) в маслопровод по которому происходит прокачка масла или вариант (фиг. 3) в стандартное отверстие емкости с маслом (отверстие под маслосливную пробку) контролируемого оборудования. Подключается к электропитанию, перед установкой в маслосистему проверяется и фиксируется нулевое положение индикатора (12), соответствующее одинаковой интенсивности лазерных источников из U=0. После установки в маслосистему, в узле источников (1) лазерное излучение (3) от двух диодов поступает в маслонаполненный канал (5), где излучение на длине волны 2.2 мкм проходит без поглощения через слой масла (6) ослабляясь за счет рассеяния из-за наличия частиц и молекулярного рассеяния, а излучение на длине волны 1.95 мкм поглощается водой. Излучение попадает в входное окно (7)(8) и фотоприемники (9), где преобразуется в сигнал U (10) поступающий на схему вычитания (11) в которой сигнал U от фотоприемника излучения на длине волны 2.2 мкм вычитается (U-U) из сигнала от фотоприемника излучения на длине волны 1,95 мкм. При равенстве сигналов на выходе сигнал отсутствует (U=0) и индикатор (12) не включен, при приходе ослабленного сигнала на длине волны 1.95 мкм за счет поглощения водой, на индикатор (12) поступает разностный сигнал (U>0) и индикатор (12) срабатывает. При работающем индикаторе (12) необходимо контролируемое оборудование вывести из рабочего состояния и провести дегидратацию системы с заменой масла и определения источника его поступления.
Диоды для диапазона 1.95 мкм могут быть выбраны из семейства ООО «АИБИ» (IBSG Со, Ltd) LED 19, LED 19-PR, LED 19-PRW, LED 19-TEC, LED 19-TEC-PRW с длиной волны 1,95 мкм (мин. 1.92 мкм, мах. 1.97 мкм). Диоды для диапазона 2.25 мкм могут выбраны из семейства ООО «АИБИ» (IBSG Со, Ltd) LED 22, LED 22-PR, LED 22-PRW, LED 22-TEC, LED 22-TEC-PRW с длиной волны 2.25 мкм (мин.2.19 мкм, мах. 2.29 мкм). Различные модификации корпуса позволяют комплектовать варианты исполнения устройства. Фотоприемники можно применять типа InGaAs PIN-фотодиод совместно со светофильтрами в коллиматорах на узкую полосу пропускания около 1.95 мкм и 2.2 мкм.
1
2
3
Схема вычитания U-U=U может быть выбрана на основе различных схем дифференциального усилителя (вычитатель) или операционного усилителя (5) или на основе цифровой схемы и АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и на базе микросхемы Л553УД2.
В качестве индикатора может применяться светодиод видимого спектра производителей Betlux, Kingbright, Сrее, Протон, ЗАО «Оптоган» с конфигурацией определяемой вариантом исполнения устройства.
Использование узкополосных источников и фотоприемников лазерного излучения позволяет определять уровень ослабления излучения из-за рассеяния на частицах в масле, которое является опорным и сравнивается с уровнем излучения поглощенного водой в масле.
В виде источников можно использовать как диоды с широким спектром, так и лазерные диоды с узкой линией генерации. Лазерные диоды предпочтительнее, так как дают отчетливые характеристики по поглощению излучения водой.
В проточный канал устройство может быть вставлено как в составе проточной ячейки (фиг. 1), так и в виде П-образной структуры для введения в отдельное отверстие (фиг. 3). Такая конструкция не требует использования специально изготавливаемого канала, что упрощает конструкцию устройства и процесс установки устройства в тестируемое оборудование, в частности позволяет проводить мониторинг непосредственно в баках с маслом.
Предлагаемое устройство оперативного контроля работоспособности масла позволит быстро определить начало процесса катастрофического износа оборудования из-за попадания воды в систему смазки и масляного охлаждения электротехнического оборудования, системы с гидравлическим, компрессорным, трансмиссионным, моторным и трансформаторным маслами и сохранить работоспособность дорогостоящих комплексов.
Источники информации
1. ГОСТ 24943-81. Масла моторные. Фотометрический метод оценки загрязненности работавших масел.
2. Патент США № 6937332, МПК: G01N 021/00; G01N 015/06, опубл. 30.08.05.
3. Патент США № 6061139, МПК: G01N 021/25, опубл. 09.05.2000.
4. Патент RU № 2329502 С1, МПК G01N 33/30, опубл., 28.11.2006.
5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 512 с., раздел 11.2.2, стр. 138. «Схема вычитания на операционном усилителе».