УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО МАСЛА

Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться для непрерывного мониторинга степени окисления и общей загрязненности трансформаторного и других типов технических масел, в частности, для определения технико-экономического обоснования оптимальных сроков замены масла.
В настоящее время известен ряд изобретений и полезных моделей для оперативного контроля качества технических масел. Основные свойства трансформаторных масел, а также различные методы диагностики, в частности электрические, оптические и другие описаны в монографиях, например Михеева Г.М., (Михеев Г.Н. Трансформаторное масло. Чебоксары: изд-во Чув. Ун-та, 2003, 148 С), Липштейна Р.А. и др. (Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. - М.: Энергоатомиздат, 1983, 296 С). Каждый из существующих методов диагностики качества технического масла обладает некоторыми преимуществами и недостатками. Параметры технических масел регламентируются государственными и международными стандартами. В частности, параметры турбинных масел - ГОСТом 32-74, нефтяных масел с присадками - ГОСТом 9972-74, масел в системах смазки и регулирования - ГОСТом 32-53, трансформаторных масел - ГОСТом 982-80. Параметры трансформаторных масел при проведении периодических испытаний и обслуживании силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации - ГОСТом 6370-83, а также нормами РД 34.45-51.300-97.
Одним из направлений диагностики параметров масла являются оптические методы исследований. Физические принципы, лежащие в основе существующих оптических методов и устройств основаны на измерении спектров пропускания электромагнитного излучения, обычно - в видимом или инфракрасном диапазонах длин волн (реже - в терагерцовом диапазоне частот) или на измерении спектров флуоресценции масла при облучении ультрафиолетовым или синим светом. Известно, что окисленное масло обладает меньшим коэффициентом оптического пропускания в коротковолновом диапазоне видимого света, чем новое масло. Известно также, что интенсивность флуоресценции существенно снижается при старении масла. При загрязнении масла непрозрачными частицами снижается коэффициент пропускания излучения в широком спектре длин волн.
Указанные принципы использованы во многих устройствах и способах для оперативного контроля окисления масла. Например, в пат. 2329502 РФ (Пат. РФ №2329502, «Способ оперативного контроля работоспособности масла и устройство для его осуществления», G01N 33/30, опубл. 20.07.2008, БИ №20) используется свойство изменение коэффициента светопропускания при прохождении исследуемого масла, а конструкция устройства представляет собой проточную ячейку с источником и приемником излучения, а также системой для обработки измерений светопропускания на трех длинах волн. Аналогичный принцип действия использован в конструкции устройства пат. №2361209 РФ (Пат. №2361209 РФ, «Способ оперативного контроля окисления масла и устройство для его осуществления», G01N 33/26, опубл. 10.07.2009, БИ №19). Способ контроля состояния трансформаторного масла, основанный на измерении спектральных характеристик пропускания оптического излучения с последующим определением крутизны спада спектральной характеристики описан в пат. №2402754 (Пат. №2402754 РФ, «Способ эксплуатационного контроля состояния трансформаторных масел», G01N 21/27, опубл. 27.10.2010, БИ №30). Различные конструкции измерительных приборов, реализующие известные методы диагностики запатентованы также за рубежом.
Фотоколориметрические методы исследования масла используются уже десятки лет. Известны серийно выпускаемые фотоколориметры, используемые, в частности для диагностики технического масла, как например, МКМФ-1, КФК-2МП, КФК-3, КФК-5М. Существуют зарубежные приборы аналогичного назначения.
Устройства для оперативного контроля качества оптическим методом могут быть реализованы с использованием хроматографа, как например в пат. №82867 (Пат. №82867 РФ, «Система диагностики маслонаполненных измерительных трансформаторов», G01R 31/00, опубл. 10.05.2009) или с использованием излучения в терагерцовом диапазоне длин волн (терагерцовой спектроскопии), как например в заявке на пат. №2007148634 (заявка №2007148634 РФ, «Способ оценки чистоты растительных масел и устройство для его осуществления», G01N 33/03, опубл. 10.07.2009, БИ №19).
Все описанные выше устройства используют только какой-либо один из методов диагностики параметров масла - либо на основе измерения спектрального пропускания в оптическом диапазоне, либо - на основе измерения параметров флуоресценции. Использовать указанные выше аналоги заявляемой полезной модели для одновременного измерения параметров масла двумя способами невозможно.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели выбран патент РФ №2413201 «Оптоэлектронный фотоколориметр» (Рахимов Б.Н., Ушаков O.K., Кутенкова Е.Ю., Ларина Т.В. Оптоэлектронный фотоколориметр / патент №2413201 РФ, G01N 21/03, опубл. 27.02.2011, БИ №6) предназначенный для анализа физических параметров жидких сред. Формула изобретения прототипа следующая. Оптоэлектронный фотоколориметр содержит задающий генератор, n светоизлучающих диодов, n измерительных фотоприемников, оптически связанных со светоизлучающими диодами, блок обработки фотоэлектрического сигнала, выход которого соединен с регистрирующим прибором, согласно изобретению кювета в нем выполнена в виде шара с цилиндрической полостью, в которую установлен стержень с посеребренной отражающей поверхностью, прикрепленный стойками к стенкам цилиндра, выше упомянутое устройство помещено в корпус в стационарном положении, кроме того, введены воронка и кран для перекрывания и пропускания контролируемой жидкости в полости кюветы, которые крепятся одновременно к кювете и корпусу, и коммутатор для переключения излучения на одну из оптопар.
Основным недостатком прототипа являются то, что прототип использует только один из известных методов диагностики - на основе измерения спектрального пропускания. Известно, что на начальных стадиях окисления масла спектральное пропускание может изменяться не существенно, а интенсивность флуоресценции - на десятки процентов и более (см. Д.В. Кизеветтер, А.Ю. Савина, Н.М. Журавлева, А.В. Воробьев. К вопросу о диагностике состояния трансформаторного масла в процессе эксплуатации // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2013, 3(178), С. 118-125). То есть, метод, использующий измерение параметров флуоресценции обладает большей чувствительностью. Однако при высокой степени окисления или загрязнения масла интенсивность флуоресценции может быть очень слабой, что существенно снижает точность метода, использующего флуоресценцию. Кроме того, любое фотоприемное устройство, в частности оптопара, используемая в прототипе, имеет ограниченный динамический диапазон измеряемых величин. Снизу - при низких интенсивностях излучения, чувствительность ограничена шумами фотоприемника, сверху - насыщением фотоприемного тракта. Поэтому при фиксированной величине оптического пути излучения в исследуемой жидкости существует некоторый ограниченный динамический диапазон измерения степени окисления или загрязнения масла. Для измерения параметров масла с малой степенью окисления необходимо использовать кюветы с большой длиной оптического пути, а для сильно окисленного масла - с малой длиной. Использование сферической кюветы не позволяет существенно изменять длину оптического пути излучения в исследуемой жидкости.
Недостатком прототипа является также сложность конструкции - устройство содержит кювету, выполненную в виде шара, который не производится в больших количествах, в отличии от трубок или плоских кювет, что увеличивает стоимость устройства. Указанный шар, а также посеребренный стержень требую высокого качества обработки поверхностей, иначе рассеяние на дефектах приведет к ошибке в измерениях. Кроме того, кювету в виде шара трудно промывать в случае загрязнения, поэтому прототип затруднительно использовать для технического масла.
Целью создания заявляемой полезной модели является увеличения точности измерений, расширение динамического диапазона степени окисления масла и упрощение конструкции устройства.
Поставленная цель достигается тем, что
1. устройство изготавливается в виде трубки из оптически прозрачного материала с показателем преломления ниже показателя преломления исследуемого масла, трубка заполнена исследуемым маслом, диаметр трубки выбран в пределах от 1 до 10 мм, длина трубки - от 300 до 600 мм; степень окисления масла по сравнению с образцом определяют одновременно по изменению интенсивности флуоресценции и величине коэффициента затухания излучения;
устройство содержит источник излучения - лазер или светодиод с коллиматором, расположенным снаружи трубки, луч которого направлен перпендикулярно оси трубки, а центр луча совмещен с осью трубки, длина волны излучения выбрана в диапазоне от 400 до 450 нм;
источник излучения размещен на сканирующей подвижке, направление перемещения которой совпадает с осью трубки, минимальное расстояние от центра луча для фотоприемного устройства выбрано в пределах от 5 до 10 мм, максимальное - меньше длины трубки на величину от 5 до 10 мм.
2. Устройство по п.1., отличающееся тем, что устройство содержит цилиндр из оптически непрозрачного материала, окружающий трубку с исследуемым маслом с зазором от 0,2 до 0,5 мм между наружной поверхностью трубки и внутренней поверхностью цилиндра и линейку из 10 светодиодов с фокусирующими линзами на торце с длиной волны излучения от 400 до 450 нм, расположенных на расстоянии 5, 8, 3, 14, 23, 39, 65, 108, 180, 300, 500 мм от входного окна фотоприемного устройства вдоль трубки в отверстиях с диаметром 3 мм, ось которых пересекает ось трубки под прямым углом, светодиоды расположены по всей длине трубки на расстоянии от 5 до 50 мм от поверхности трубки, ось корпуса каждого светодиода совпадает с осью отверстия, в котором расположен данный светодиод; каждый из светодиодов подключен к блоку электропитания с заданной величиной тока и системой управления включением светодиодов.
Принцип действия заявляемой полезной модели поясняется 8 фигурами. На фиг. 1 изображена схема полезной модели при использовании сканирующего источника излучения (1 - трубка, 2 - исследуемое масло, 3 - фотоприемное устройство, 4 - источник излучения, 5 - сканирующее устройство, 6 - лазерный луч, 7 - герметизирующее уплотнение, 8 - отвод для прокачки масла), на фиг. 2 - схема устройства при использовании светодиодной линейки (9 - цилиндр, 10 - зазор, 11 - отверстия, 12 - светодиоды, 13 - блок электропитания с заданной величиной тока и системой управления включения), фиг. 3 - эскиз устройства с использованием светодиодной линейки в сечении Α-A, фиг. 4 - схема обозначений для оценки требуемой длины отверстий, на фиг. 5 - пример спектров флуоресценции нового (неокисленного и незагрязненного) масла, измеренных при шести различных положениях источника излучения (14-10 мм, 15-50 мм, 16-100 мм, 17-150 мм, 18-200 мм, 19-250 мм), на фиг. 6 - пример спектров флуоресценции окисленного масла, измеренных при десяти различных положениях источника излучения (20-5 мм, 21-10 мм, 22-15 мм, 23-20 мм, 24-25 мм, 25-30 мм, 26-35 мм, 27-40 мм, 28-45 мм, 29-50 мм), на фиг. 7 - зависимость диагностического параметра от длины волны в логарифмическом масштабе, на фиг 8 - зависимость регистрируемой интенсивности излучения флуоресценции как функция расстояния от источника излучения до входного окна приемного устройства для нового трансформаторного масла для трех длин волн (31-400 нм, 32-450 нм, 32-500 нм) в логарифмическом масштабе.
0
Заявляемая полезная модель (фиг. 1) состоит из трубки 1, выполненной из оптически прозрачного материала с показателем преломления n меньшим, чем показатель преломления исследуемого масла. Трубка заполнена исследуемым маслом 2. Трубка может иметь входной и выходной патрубки для подвода и отвода масла. Диаметр трубки выбран в пределах от 1 до 10 мм, длина трубки - от 200 до 500 мм. Входное окно фотоприемного устройства 3 расположено внутри трубки. Источник излучения 4 размещен на сканирующей подвижке 5, направление перемещения которой совпадает с осью трубки. Луч 6 от источника излучения - лазера или светодиода с коллиматором направлен перпендикулярно оси трубки, центр луча совмещен с осью трубки, длина волны излучения выбрана в диапазоне от 400 до 450 нм. Между входным фотоприемным устройством и внутренней стенкой трубки расположено герметизирующее уплотнение 7. Трубка может быть снабжена штуцером или отводом 8 для прокачки масла. На фиг. 2 приведена схема заявляемой полезной модели при использовании в качестве источника излучения светодиодной линейки. Аналогично конструкции, представленной на фиг. 1, в этом случае, заявляемая полезная модель также содержит трубку 1, заполненную исследуемым маслом 2, внутри которой расположено приемное окно фотоприемного устройства 3, трубка отражена непрозрачным цилиндром 9, между наружной поверхностью трубки и внутренней поверхностью отверстия в цилиндре имеется зазор 10. В непрозрачном цилиндре созданы отверстия 11, расположенные так, что ось отверстий пересекает ось трубки под прямым углом. Внутри отверстий расположены светодиоды 12 на расстоянии от 5 до 50 мм от поверхности трубки, ось корпуса каждого светодиода совпадает с осью отверстия, в котором расположен данный светодиод. Светодиоды подключены к блоку электропитания с заданной величиной тока и системой управления включением светодиодов.
Принцип действия заявляемой полезной модели основан на свойстве флуоресценции масла при его облучении излучением синего, фиолетового или ультрафиолетового диапазона длин волн. Излучение от источника излучения - лазера или светодиода с коллиматором или отдельного светодиода в светодиодной линейке создает излучение флуоресценции в масле. Возникшее излучение частично распространяется внутри трубки за счет эффекта полного внутреннего отражения, так как вследствие меньшего значения показателя преломления трубки по сравнению с показателем преломления масла возникает волноводный эффект. Излучение флуоресценции, частично поглощаясь, достигает приемного окна фотоприемного устройства. Наибольшую точность измерений параметров масла можно получить при использовании в качестве приемного устройства спектрометра, но возможно также использование и микроколориметра. Перемещая источник излучения вдоль оси трубки с помощью сканирующей подвижки или подключая поочередно светодиоды в светодиодной линейке, можно измерить зависимость изменения спектра излучения флуоресценции, прошедшего различную оптическую длину в исследуемом масле. На основании измеренной зависимости определяют изменение интенсивности флуоресценции по сравнению с качественным (новым эталонным) маслом данного типа, а также зависимость коэффициентов поглощения и оптического пропускания исследуемого масла. Изменение оптических характеристик масла связывают со степенью окисления или загрязнения масла.
По принципу действия заявляемая полезная модель аналогична способу измерения коэффициента затухания во флуоресцирующих волоконных световодах методом бокового освещения. Этот метод описан в научных журналах, например в журнале прикладной оптики (Geetha, К. Loss characterization in Rhodamine 6G doped polymer film waveguide by side illumination fluorescence [Text] / K. Geetha, M. Rajesh, V.P. Nampoori [et al.] // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2004. - Vol. 6. - No 4. - P. 379-383.) или журнале «Оптика и спектроскопия» (Кизеветтер, Д.В. Сравнительный анализ методов измерения затухания излучения во флуоресцирующих полимерных волокнах с использованием бокового освещения [Текст] / Д.В. Кизеветтер, А.Ю. Савина, В.М. Левин, Г.Г. Баскаков // Оптика и спектроскопия, 2013, Т. 115, №3, С. 452-456). Однако метод бокового освещения предназначен для определения затухания излучения в волоконных световодах и никогда не использовался для определения параметров диэлектрических жидкостей или иных материалов, в частности, не использовался для определения степени окисления технического масла.
Принципиально важным признаком заявляемой полезной модели является требование к показателю преломления трубки - показатель преломления должен быть меньше показателя преломления масла. Различные типы масел имеют различные показатели преломления, однако, в большинстве случаев этот параметр находится в пределах 1,49-1,51. Так например трансформаторное масло ТК имеет показатель преломления 1,50; предельно допустимое значение для рабочего масла - не более 1,505. По мере окисления масла, показатель преломления может увеличиваться, однако это изменение сравнительно небольшое. Аналогичные параметры имеют трансформаторные масла типа ГК, ВГ, АГК, турбинные ТП22С и другие. Показатель преломления масел, а также других оптических материалов зависит от длины волны излучения. С учетом вышесказанного, трубка, соответствующая указанному условию для трансформаторных и турбинных масел, может быть изготовлена, в частности, из кварцевого стекла. В случае, если показатель преломления трубки будет больше показателя преломления масла, волноводный эффект не возникнет, интенсивность излучения флуоресценции, достигающего входного окна фотоприемника будет сравнительно мала, что существенно повысит шумы в фотоприемном тракте и соответственно снизит точность и уменьшит динамический диапазон измерений. Кроме того, существенно усложнится расчет оптических параметров масла, так как при различной оптической длине доля излучения, достигающего входного окна фотоприемного устройства будет зависеть от оптической длины.
0
0
В связи с тем, что показатель преломления оптических материалов, в том числе кварцевого стекла, зависит от длины волны, требование к показателю преломления n трубки 1 достаточно выполнить только в диапазоне длин волн флуоресценции масла. Для распространенных видов технических масел - трансформаторных, турбинных указанный диапазон длин волн составляет от 400 до 550 нм, что соответствует сине-зеленой области видимого спектра. Показатель преломления кварцевого стекла (плавленого кварца) в указанном диапазоне длин волн лежит в пределах от 1,46 до 1,47 (См. Э.Л. Портнов. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. - М. Изд-во «Горячая линия - Телеком», 2007, - 464 С). В качестве материала трубки могут использоваться также полимерные материалы, например, полифторакрилат (n=1,4201), применяемый при производстве оптической оболочки полимерных волоконных световодов.
Длина волны источника излучения (светодиодов или лазера) выбрана в диапазоне от 400 до 450 нм по следующим причинам. Так как принцип действия заявляемой модели основан на эффекте флуоресценции масла, длина волны источника излучения должна соответствовать диапазону длин волн, при котором возникает излучение флуоресценции, но не происходит интенсивного фотоокисления исследуемого масла. Известно, что для трансформаторных масле, а также турбинных масел, флуоресценция масла возникает при его облучении фиолетовым и ультрафиолетовым излучением, т.е. при длинах волн 450 нм и менее. При увеличении длины волны интенсивность флуоресценции существенно снижается, а при длинах волн 550 нм и более - практически отсутствует. При уменьшении длины волны, возрастает энергия кванта излучения. Поэтому в ультрафиолетовой области длин волн фотоокисление масла происходит значительно более интенсивно, чем в диапазоне видимом излучения. Кроме того, ультрафиолетовое излучение ионизирует воздух и способствует возникновению озона, что может быть вредно для обслуживающего персонала, а также для изоляционных материалов, окружающих устройство. Условно, коротковолновую границу волны излучения используемых источников света можно положить равной 400 нм. На практике целесообразно использовать полупроводниковый лазер со стандартной длиной волны излучения 405 нм.
Для достижения волноводного распространения излучения в цилиндрическом световоде необходимо, чтобы расстояние, которое проходит возникающее излучение флуоресценции, было существенно больше диаметра трубки. Иначе в световоде возникает неустановившейся режим распространения излучения и приемного окна фотоприемного устройства достигает не только излучение, распространяющееся в масле (фактически - в сердцевине жидкостного световода), но и, так называемые, вытекающие моды, которые обладают коэффициентом затухания, большим, чем моды сердцевины (См. Снайдер Α., Лав Дж. Теория оптических волноводов / Пер. с англ. - М., Изд-во «Радио и связь», 1987, 656 С). С точки зрения лучевой оптики, при малом расстоянии от области возникновения излучения флуоресценции (т.е. области, в которой происходит облучения масла коротковолновым излучением лазера или светодиода) до входного окна приемного устройства, различные лучи проходят в масле различное расстояние. Лучи, распространяющиеся вдоль оси трубки, проходят меньшее расстояние, чем лучи, идущие наклонно. Учесть влияние такого эффекта довольно сложно, так как необходимо задать точное положение луча относительно трубки и его геометрию, поэтому неустановившийся волноводный режим распространения излучения в трубке приводит к уменьшению точности измерений. Известно, что даже при однократном отражении излучения от границы раздела сред возникает обмен энергии между модами - эффект связанных мод (см. выше А. Снайдер, Дж. Лав или Д.В. Кизеветтер. Аппроксимация угловых передаточных характеристик волоконных световодов // Оптический журнал. 2007, Т. 74, №9, С. 20-29). Принимая во внимание, что возникающее излучение флуоресценции в трубке направлено во все стороны равномерно, в масле, выполняющим в данном случае роль жидкостного световода, возбуждается весь спектр волноводных мод. В этом случае реализуется один из ранее использовавшихся стандартов измерения затухания в волоконных световодах, по аналогии со способом, описанном в авторском свидетельстве СССР №1509793 (Кизеветтер Д.В., Малюгин В.И. Способ возбуждения мод многомодового волоконного световода при проведении измерений его параметров / А.с. 1509793, СССР. - БИ. - 1989. - №35). Соответственно, результат измерений затухания излучения в световоде при равномерном возбуждении мод, а для заявляемой модели - в исследуемом масле, будет почти не зависеть от условий измерений.
При использовании трубки с диаметром менее 1 мм возникает сложность заполнения ее маслом, а также уменьшается мощность излучения флуоресценции, достигающей входного окна измерительного прибора. Нижняя граница диаметра трубки является условной, при использовании спектрометров с высокой чувствительностью, а также при закачке исследуемого масла в трубку под повышенным давлением, диаметр трубки может быть уменьшен до сотен микрометров. Однако практическое использование такого устройство будет затруднено, а ни один из эксплуатационных параметров не будет улучшен. Увеличение диаметра свыше 10 мм приведет к тому, что в сильно окисленном масле излучение от источника будет иметь различную интенсивность вдоль луча вследствие поглощения. Интенсивность флуоресценции также будет зависеть от точки возникновения внутри освещаемой области, что приведет к снижению точности измерений.
Зазор между наружной поверхностью трубки и внутренней поверхностью цилиндра выбран более 0,2 мм, так как при меньшей величине зазора случайное утолщение рубки или ее изгиб приведут к невозможности разместить трубку внутри цилиндра. Увеличение зазора до величины, превышающей 0,5 мм может снизить точность измерений, за счет изменения расстояния от светодиодов до оси трубки - случайного углового перекоса. Такое изменение трудно учесть при расчете параметров исследуемого масла, соответственно точность измерений будет снижаться. Цилиндрическая форма детали для крепления светодиодов выбрана исходя из простоты ее изготовления в условиях малосерийного производства. При использовании технологии литья под давлением или более дорогого метода фрезерования, форма детали для крепления светодиодов моет быть любой другой, например прямоугольной или цилиндрической с продольной фаской.
-1
-1
h
Выбранная длина трубки - от 300 до 600 мм обусловлена коэффициентом поглощения α излучения флуоресценции в трансформаторном, турбинном и других видах технических масел при различной степени окисления. В частности, согласно полученным экспериментальным данным, на длине волны 500 нм коэффициент затухания в чистом трансформаторном масле типа ГК составляет 0,0024 мм, для масла с высокой степенью окисления - 0,094 мм (См. выше: Д.В. Кизеветтер, А.Ю. Савина, Н.М. Журавлева, А.В. Воробьев). То есть, характерная длина затухания (L=1/α) составляет 400 мм и 10 мм соответственно. Указанной длины трубки достаточно для проведения измерений как чистого, так и окисленного или загрязненного масла, так как длина трубки больше характерной длины затухания. В то же время, также выбранная длина трубки не является избыточной, поэтому устройство является максимально компактным. Можно применять трубку и большей длины, но в этом случае точность измерений возрастет несущественно, а габариты устройства будут больше. В случае конструкции заявляемой полезной модели, использующей прокачку масла через трубку с целью непрерывного мониторинга, увеличение длины трубки приводит к увеличению сопротивления течению, что может быть нежелательным эффектом.
При использовании заявляемой конструкции с 10-ю светодиодами расстояния между ними выбрано таким образом, чтобы в логарифмическом масштабе расстояние от оси светодиода до окна фотоприемного устройства L от для каждого последующего светодиода увеличивалось на постоянную величину. То есть измерения производились с постоянным шагом в логарифмическом масштабе. В связи с тем, что изменение интенсивности I прошедшего излучения как функция от расстояния L описывается экспонентой (I=Aexp(-αL)), где A - коэффициент пропорциональности), равномерное расположение точек по шкале позволяет получить наилучшую точность измерений как для нового, так и сильно окисленного масла. На начальном участке, при использовании серийно выпускаемых светодиодов с диаметром корпуса 3 мм, расстояние между первым и вторым светодиодами составляет 3,3 мм, что создает необходимую непрозрачную перегородку между отверстиями. Количество светодиодов может быть более 10, в предельном случае светодиоды могут быть расположены равномерно по длине трубки. Точность измерений при этом немного увеличивается, но при этом усложняется конструкция устройства. Указанное количество - 10 штук является минимальным для измерения затухания в техническом масле с различной степенью окисления с точностью 10%-20%, т.е точностью необходимой для оценки качества масла.
Длина отверстий, в которых расположены светодиоды, задает размер освещаемой области исследуемого масла в трубке. Несмотря на то, что основная часть излучения светодиода фокусируется линзой, расположенной на торце светодиода, часть излучения выходит под углами, большими, чем паспортное значение угловой ширины диаграммы направленности. Кроме того: диаграмма направленности светодиода, приводимая в справочниках, формируется на расстоянии, существенно превышающем диаметр светодиода, а ширина диаграммы направленности для большинства светодиодов составляет 20-30 градусов. Поэтому ширина освещаемой области масла больше диаметра светодиода, даже если светодиод размещен вплотную к трубке. Размещение светодиода в отверстии непрозрачного материала ограничивает ширину диаграммы направленности светодиода, соответственно уменьшает расходимость светового пучка и создает более резкие границы облучаемой области масла. Это позволяет более точно задать расстояние от места возникновении излучения флуоресценции до входного окна фотоприемного устройства, следовательно уменьшит возможную ошибку измерений, связанную с неточным заданием расстояния L. Оценку увеличения ширины облучаемой области можно получить из простейшей схемы, приведенной на фиг. 4. Следует, что имеет место отношение (фиг. 4):
z
T
k
d
d
d
где G - длина отверстия. Из формулы (1) можно определить предельные значения искомой величины G. Так, при параметрах: толщина зазора h - 0,5 мм, наружный диаметр трубки - 5 мм (радиус R- 2,5 мм), диаметр отверстия для светодиода - 3 мм (h=1,5 мм), максимально допустимая величина h - 0,1 мм длина отверстия должна быть не менее 45 мм. Однако требование h=0,1 мм является завышенным. Дальнейшее увеличение длины отверстия практически не дает увеличения точности измерений, но увеличивает габариты устройства. Для оперативного мониторинга достаточно задать h меньше диаметра отверстия для светодиода. Тогда для трубки с диаметром 10 мм и указанных выше параметрах длина отверстия должна быть более 5,5 мм. Исходя из вышеизложенного длина отверстия выбрана в пределах от 5 до 50 мм. При наименьшей длине - 5 мм устройство будет наиболее компактным, а при наибольшей длине - 50 мм можно достичь более высокой точности измерений.
При измерении оптического затухания в кювете, как это происходит при использовании стандартных методик и приборов, результат измерений будет зависеть от качества сколлимированного луча, точности юстировки кюветы в измерительном устройстве и других геометрических факторов. Поэтому оптическая система в измерительных устройствах сложная и дорогая по сравнению с заявляемой моделью. Таким образом использование заявляемой модели, помимо принципиально нового свойства - измерения затухания и интенсивности флуоресценции одновременно, обеспечивает увеличение точности измерений за счет исключения влияния условий измерений и упрощение конструкции как по сравнению с прототипом, так и по сравнению с другими аналогами и серийно выпускаемыми приборами.
Заявляемое устройство было опробовано на экспериментальной модели, структурная схема которой аналогична схеме, приведенной на фиг. 1. Использовалась кварцевая трубка (ОСТ21-42-90) с внутренним диаметром 4 мм и наружным - 5 мм длиной 0,5 м (фиг. 1). В качестве источника излучения 4 использовался полупроводниковый лазер (KLM-P405) с коллиматором, длина волны излучения - 405 нм, угловая расходимость луча 6 - приблизительно 1 мрад. Полупроводниковый лазер был подключен к блоку электропитания. Измерения были выполнены при различных расстояниях L от центра лазерного луча 6 до входного торца 3 приемного световода. Точность определения расстояния L - 1 мм. Фотоприемным устройством служил спектрометр “Avantes-2048” с волоконным световодом, входной торец 3 которого был размещен внутри трубки. Спектрометр был сопряжен с персональным компьютером. Исследуемое масло было помещено внутрь трубки.
иссл
этал
Работоспособность полезной модели была проверена на трансформаторном масле марки ГК - новом и состаренном с высокой степенью окисления. Кварцевая трубка с указанными выше параметрами была заполнена новым трансформаторным маслом, при различных расстояниях L (10, 50, 100, 150, 200, 250 мм) были произведены измерения спектров излучения флуоресценции, достигающей входного торца приемного световода. Далее трубка была заполнена отработанным маслом с высокой степенью окисления. Повторно были произведены измерения спектров излучения флуоресценции при расстояниях равном 5-50 мм с шагом 5 мм. Примеры измеренных спектров приведены на фиг. 5 - для нового (неокисленного и незагрязненного) трансформаторного масла и фиг. 6 - для отработанного масла (с высокой степенью окисления). Зависимости 14-19 соответствуют новому маслу, 20-29 - отработанному маслу. Далее были определены: изменение интенсивности флуоресценции и зависимость изменение коэффициента затухания излучения в масле на различных длинах волн. На основании полученных данных были рассчитаны диагностические параметры: изменение интенсивности флуоресценции на заданных длинах волн F (F=Iиссл/Iэтал, где I, I - интенсивность флуоресценции исследуемого и эталонного образца масла), изменение коэффициента затухания излучения измеряемого масла по отношению к коэффициенту затухания эталонного (нового) масла на заданной длине волны, а также другие параметры.
Пример зависимости изменения интенсивности излучения флуоресценции при расстоянии L равном 10 мм (диагностический параметр F) приведен на фиг. 7. В частности, на длине волны 475 нм диагностический параметр F составляет 0,0021, то есть, интенсивность флуоресценции отработанного масла на указанной долине волны в 476 раз меньше, чем у нового. На длине волны 500 нм параметр F приблизительно равен 0,07. Таким образом, по величине диагностического параметра F можно судить о степени окисления масла, используя существующие методики, упомянутые выше. Увеличение длины L от 10 мм до максимального возможного значения приводит к увеличению полного затухания при прохождении излучением масла, находящегося в трубке. Поэтому диагностический параметр F зависит также от длины L.
Используя зависимость интенсивности излучения, регистрируемой спектрометром от расстояния L - фактически длины оптического пути для излучения флуоресценции, были определены коэффициенты затухания оптического излучения в исследуемых образцах масел. Известно, что в поглощающих и рассеивающих средах интенсивность проходящего излучения I описывается законом Ламберта-Бугера:
0
-1
где L - длина пройденного оптического пути в среде, I - интенсивность при входе в оптическую среду, т.е. при L=0, α - коэффициент затухания излучения. Соответственно, в логарифмическом масштабе зависимость (2) будет иметь линейный вид. Были простроены зависимости ln(I(L)) для нового и отработанного трансформаторного масла и произведена аппроксимация зависимостей линейной функцией, наклон которой является искомым коэффициентом затухания. В качестве примера на фиг. 8 приведены результаты измерений зависимостей ln(I(L)) для трех длин волн для нового трансформаторного масла. Полученные величины коэффициента затухания излучения в мм следующие. Для нового масла: при длине волны излучения 400 нм - 0,0137±0,0004, при 450 нм - 0,0047±0,0003, при 500 нм - 0,0024±0,0002; для отработанного масла: при 500 нм - 0,094±0,006, при 550 нм - 0,042±0,001, при 600 нм - 0,028±0,001. В качестве одного из диагностических параметров можно выбрать коэффициент затухания излучения на длине волны 500 нм, так как на этой длине волны для данного типа масла возможно измерить коэффициент затухания как нового, так и сильно окисленного мала. Возможно также задать диагностический параметр P как отношение коэффициента затухания излучения измеряемого масла по отношению к коэффициенту затухания эталонного (нового) масла.
Затухание отработанного масла, измеренное с использованием заявляемой полезной модели, было приблизительно в 40 раз выше, чем в новом, т.е. P≈40.
В качестве еще одного диагностического параметра может использоваться величина, характеризующая изменение коэффициента затухания излучения в масле в процессе окисления. Увеличение коэффициента затухания в коротковолновой области видимого спектра свидетельствует об окислении или загрязнении масла. При фиксированной длине оптической длины L использование заявляемой полезной модели аналогично измерениям диагностического параметра прототипа, а также других аналогов. Поэтому все основные методики оптической диагностики качества технического масла могут быть реализованы на заявляемой полезной модели.
Для измерения коэффициента затухания излучения в образцах масла с различной степенью окисления использовался различный шаг перемещения источника излучения. При измерении затухания в чистом масле - через 50 мм (кроме первой точки), в отработанном масле - через 5 мм. Использование перемещающегося источника излучения дает возможность измерять параметры как нового масла, так и масла с высокой степенью окисления или загрязнения за счет выбора требуемой длины оптического пути и шага измерений по расстоянию L.
Измерения интенсивности флуоресценции и коэффициента затухания излучения на различных длинах волн в процессе эксплуатации технического масла позволяет отличить изменение оптических характеристик, вызванных загрязнением масла микроскопическими частицами от изменений, обусловленных окислением масла до момента образования нерастворимого шлама. Рассеяние на загрязняющих частицах с характерным размерами больше длины волны определяется явлениями дифракции, отражения и поглощения. Для частиц круглой формы рассеяние может быть описано теорией Густава Ми (G. Mie, «Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen», Leipzig, Ann. Phys. 330, p.377-445, 1908 или Шифрин К. С, Рассеяние света в мутной среде, Гос. изд-во научно-техн. лит-ры, М. - Л., 1951, 288 С). Для типичных загрязняющих частиц в техническом масле (микрокапли воды, микрочастицы металлов, волокна и т.п.) в пределах диапазона длин волн флуоресценции масла спектральную зависимость ослабления излучения пропускания можно полагать независящей от длины волны, так как отсутствуют частицы с узким спектром поглощения или отражения излучения. Если возникает ослабление интенсивности излучения флуоресценции без существенного изменения спектральной плотности, а также увеличение коэффициента затухания излучения в масле приблизительно одинаковое на различных длинах волн, то это свидетельствует о появлении рассеивающих частиц в исследуемом масле. Одновременное измерение двух параметров - интенсивности флуоресценции и коэффициента затухания излучения с использованием заявляемой полезной модели позволяет не только увеличить точность измеряемых параметров, но и с большей достоверностью различать эффекты рассеяния и поглощения в процессе эксплуатации масла.
Была также опробована конструкция, позволяющая прокачивать исследуемое масло через трубку. Для этого к концам трубки были подключены гибкие шланги из полимерного материала. Через боковое отверстие в шланге с одной стороны в трубку был введен световод, торец которого являлся входным окном спектрометра. Как и следовало ожидать, движение масла в трубке не оказало какого-либо влияния на результаты измерений как интенсивности флуоресценции, так и коэффициента затухания.
Таким образом, применение заявляемой полезной модели позволяет расширить динамический диапазон измеряемых параметров масла, что дает возможность увеличить точность измерений за счет выбора оптимальных для исследуемого масла шага изменений расстояния L. Возможность одновременного измерения интенсивности флуоресценции и коэффициента пропускания (или коэффициента затухания) дает возможность выбирать методику оценки качества масла и наиболее подходящий диагностический параметр в зависимости от степени окисления или загрязнения масла. Заявляемая полезная модель состоит из серийно выпускаемых элементов и не требует высокой точности сборки устройства, поэтому имеет место упрощение конструкции. Использование в качестве кюветы стеклянной трубки упрощает процесс очистки внутренней поверхности по сравнению с прототипом. То есть, заявляемая полезная модель удобнее прототипа в эксплуатации.