ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР МАСЛА В СЖАТЫХ ГАЗАХ

Назначение
Полезная модель относится к устройству для определения концентрации масла в воздухе и может быть использована для установки в системах воздуха высокого давления (ВВД) для контроля массовой концентрации масла в сжатом воздухе на выходе компрессорных станций с выдачей сигнала о превышении допустимой концентрации масла в аппаратуру автоматического управления компрессорной станции. Актуальность осуществления контроля предельно допустимой концентрации масла в воздухе связана с обеспечением безопасности систем ВВД - исключением взрывоопасности при появлении масла в трубопроводах.
Уровень техники
Известен сигнализатор ФЛЮОРАТ-411, разработанный фирмой ООО «ЛЮМЕКС». Принцип работы сигнализатора основан на люминесцентном методе обнаружения растворенных и эмульгированных нефти и нефтепродуктов в воде.
Оптическая схема сигнализатора состоит из канала возбуждения люминесценции (флуоресценции), опорного канала и канала регистрации. Данный сигнализатор включает ксеноновую лампу - источник возбуждения, объектив со светофильтрами, светоделительную пластину, фотоприемник опорного канала, светофильтр канала регистрации, ФЭУ-фотоприемник канала регистрации, оптический кабель (световод), зеркало канала регистрации, микропроцессор. Функциональная схема работы сигнализатора заключается в следующем. Импульсный источник света под управлением микропроцессора вырабатывает световые импульсы, интенсивность которых при проходе через оптическую схему контролируется фотоприемником опорного канала с помощью блока регистрации. Попадая через оптическую систему и торцы световода в водную среду, эти импульсы возбуждают импульсы флуоресценции, величина которых пропорциональна концентрации растворенных эмульгированных нефтепрдуктов. Импульсы флуоресценции проходят из водной среды через торцы световода в обратном направлении и измеряются фотоприемником канала регистрации - ФЭУ при помощи блока регистрации и обрабатываются микропроцессором.
Микропроцессор через блок реле управляет вторичными устройствами (задвижками, клапанами, сигнализацией) и передает информацию на блок индикации.
Однако вышеописанный сигнализатор позволяет осуществлять только контроль массовой концентрации нефтепродуктов в воде, где величина флуоресценции велика и не требуется высокая чувствительность и точность метода измерений.
Известен прибор для определения масляного тумана в воздухе (патент US 4687327, кл. G01N 21/59). Данный прибор предназначен для измерения непрозрачности масляного тумана в воздухе, используемого в системах пропускания потока с масляной взвесью. Устройство устанавливается в трубной крестовине. Две противостоящие опоры крестовины служат для пропускания масляной взвеси мимо двух ортогональных им противоположных опор, поддерживающих систему измерения непрозрачности. При использовании мостового источника напряжения для питания усилителя, образующего опорное напряжение на опорных диодах, на первый фотоэлемент поступает опорный световой поток от светоизлучающего диода, используемого для сравнения. Второй светоизлучающий диод направляет свет через масляный туман. Количество света измеряется вторым фотоэлементом, регистрирующим поглощение света исследуемым потоком, а сигналы с выходов двух фотоэлементов сравниваются в дифференциальном усилителе. При определенном значении сигнала, формируемого в дифференциальном усилителе, поступает команда на датчик пропускания потока к устройствам, потребляющим воздух с масляной взвесью.
В описанном приборе контроль концентрации масла в потоке воздуха осуществляется не на флуоресцентном методе, а на измерении степени поглощения монохроматического излучения. Это объясняется тем, что прибор, описанный в патенте US 4687327, контролирует воздух с дозированным содержанием масляного тумана или масляной взвеси. Метод контроля, основанный на измерении степени поглощения монохроматического излучения, обоснован тем, что уровень концентрация масла в воздухе таков, что не предъявляются требования к высокой точности и чувствительности регистрирующего прибора.
Недостатком такого прибора является невозможность контроля концентрации масла в воздухе высокого давления на выходе компрессорной станции, низкая чувствительность метода, основанного на измерении степени поглощения монохроматического излучения.
Из числа известных аналогов изобретения ближайшим прототипом может служить прибор - детектор по патенту US 3176623 кл. F04В 43/00, предназначенный
для контроля масла в сжатых газах. В данном приборе-детекторе анализ масла в газе осуществляется непосредственно в камере высокого давления. Снаружи камеры высокого давления расположены источник ультрафиолетового излучения, фильтр, пропускающий излучение требуемой длины волны, и конденсорная линза. Внутри камеры под углом 45° к направлению потока возбуждения от источника ультрафиолетового излучения, а также к потоку газа от штуцера подвода установлена контрольная пластина, покрытая неотражающим слоем, например черным матовым лаком. Оптико-электронный контроль полости высокого давления в камере обеспечивается использованием смотровых остекленных устройств. Для приема излучения, возбуждаемого на поверхности контрольной пластины (люминесценции), установлен фотоприемник в виде фотоэлектронного устройства (ФЭУ). Штуцеры подвода и отвода газа подсоединяются к различным участкам нагнетательного трубопровода компрессора таким образом, чтобы обеспечивалась циркуляция газа через прибор.
В случае утечки из камеры сжатия компрессора масло осаждается на контрольной пластинке и люминесцирует под воздействием возбуждающего излучения. Выходной сигнал от фотоумножителя, пропорциональный интенсивности люминесценции контрольной пластины, подается на усилитель и измерительный прибор с электроконтактным устройством для включения аварийной сигнализации.
Недостатком такого прибора-детектора является то, что контроль масла осуществляется не непосредственно в газовой среде, а на пластине, где осаждается масло, что приводит к снижению чувствительности и точности контроля масла прибором-детектором. Снижает точность контроля масла и возникновение бликов с внутренней поверхности камеры высокого давления.
Кроме того, данный прибор-детектор имеет негативные эксплуатационные свойства из-за того, что в случае утечки масла из компрессора и осаждении его на контрольной пластине дальнейшая эксплуатация прибора-детектора невозможна без дополнительной разборки и удаления масла с пластины.
Другим принципиальным недостатком является то, что при длительной эксплуатации прибора-детектора происходит неизбежное осаждение масла на пластине, в результате чего формируется ошибочный сигнал о превышении масла в данный момент времени в анализируемой среде.
Раскрытие полезной модели
Флуоресцентный сигнализатор масла в сжатых газах является прибором флуоресцентного анализа - флуориметром, работа которого основана на физическом принципе действия - свечении (флуоресценции) паров масла в световом потоке.
Он содержит: камеру высокого давления в виде проточной кюветы для анализируемого газа, снабженную смотровыми стеклами, импульсный источник ультрафиолетового излучения, оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа, включающую конденсорную линзу и фильтр.
Также он содержит три фотоприемных устройства. Первое фотоприемное устройство предназначено для регистрации возбужденного излучения и расположено за проточной кюветой на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения. Второе фотоприемное устройство размещено до проточной кюветы на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения, и служит для регистрации интенсивности возбуждающего излучения. Третье фотоприемное устройство предназначено для регистрации возбуждающего излучения, прошедшего сквозь смотровые стекла кюветы, и расположено за проточной кюветой по отношению к источнику излучения на одной оптической оси с источником излучения. Также сигнализатор содержит два компаратора и два индикаторных устройства, а оптическая система для формирования излучения возбуждения включает полупрозрачное зеркало, расположенное под углом 45° к направлению источника излучения, обеспечивая прохождение излучения возбуждения в прямом направлении и отражение его - в перпендикулярном.
Входы первого компаратора соединены с первым и вторым фотоприемными устройствами, а его выход - с первым индикаторным устройством.
Входы второго компаратора соединены с первым и третьим фотоприемными устройствами, а его выход - со вторым индикаторным устройством.
Такое техническое решение позволяет избежать зависимости результата измерения от интенсивности излучения возбуждения и загрязнения внутренних поверхностей защитных стекол кюветы, а значит обеспечивает высокую чувствительность сигнализатора и точность контроля.
Кроме того, внутренние стенки проточной кюветы могут содержать антибликовое покрытие, что позволяет избежать паразитных сигналов, а следовательно повысить точность контроля.
Кроме того, на выходе проточной кюветы может быть установлен ограничитель расхода воздуха. Это позволит увеличить срок эксплуатации сигнализатора до профилактических действий.
Перечень графических фигур
На фиг.1 приведена функциональная схема флуоресцентного сигнализатора масла в сжатых газах.
На фиг.2 представлен пример конкретного исполнения флуоресцентного сигнализатора масла в сжатых газах - ФАМ.
Цифрами обозначены:
1 - импульсный источник ультрафиолетового излучения
2 - оптическая система для формирования излучения возбуждения анализируемого газа
3 - ограничитель расхода
4 - камера высокого давления
5 - смотровые окна
6 - третье фотоприемное устройство
7 - второе фотоприемное устройство
8 - первое фотоприемное устройство
9 - второй компаратор
10 - второе индикаторное устройство
11 - первый компаратор
12 - первое индикаторное устройство
13 - импульсная лампа
14 - ключ зажигания лампы
15 - конденсор
16 - светофильтр
17 - полупрозрачное зеркало
18 - линза
19 - светофильтр
20 - фотоприемник
21 - усилитель
22 - оптическая линза
23 - светофильтр
24 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)
25 - усилитель
26 - светофильтр
27 - фотоприемник
28 - усилитель
Осуществление полезной модели
Импульсный источник возбуждения 1 предназначен для выработки светового излучения, а оптическая система 2 - для выделения ультрафиолетовой части спектра излучения и прохождения излучения в прямом направлении в камеру высокого давления, выполненной в виде проточной кюветы 4, и отражения его в перпендикулярном направлении - для регистрации интенсивности излучения во втором фотоприемном устройстве 7.
Одно из смотровых окон 5 служит для прохождения светового излучения ультрафиолетового спектра в проточную кювету 4. При наличии в этой проточной кювете паров масла образуется флуоресцентное свечение. Для его обнаружения служит первое фотоприемное устройство 8, которое расположено напротив другого смотрового окна проточной кюветы, на оси, перпендикулярной оптической оси источника излучения возбуждения. Выход первого фотоприемного устройства 8 соединен с первым входом первого компаратора 11, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемного устройства 7. При превышении предельно допустимой концентрации масла в анализируемом газе напряжение на первом входе компаратора сравняется или станет больше напряжения на втором входе компаратора и произойдет его срабатывание с выдачей сигнала на индикаторное устройство 12.
Третье фотоприемное устройство 6 расположено за проточной кюветой 4 по отношению к импульсному источнику возбуждения 1 и осуществляет контроль загрязнения внутренних защитных стекол кюветы 5, вызванное осаждением на них масла. Выход третьего фотоприемного устройства 6 соединен с первым входом второго компаратора 9, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемного устройства 7. При загрязнении стекол сигнал, поступающий из фотоприемного устройства 6 на первый вход компаратора 9, равен или меньше сигнала, поступающего из фотоприемного устройства 7 на второй вход компаратора 9. Происходит срабатывание компаратора 9 с выдачей сигнала на индикаторное устройство 10 о загрязнении стекол кюветы.
На выходе проточной кюветы может быть установлен ограничитель расхода 3, задающий величину расхода анализируемого воздуха через кювету и обеспечивающий дросселирование высокого давления до атмосферного.
Пример конкретного исполнения флуоресцентного сигнализатора масла в сжатых газах представлен на фиг.2.
Источник излучения (импульсная лампа ИНП-5/45А) 13, ключ зажигания лампы 14 составляют импульсный источник возбуждения. Конденсор 15, светофильтр 16,
полупрозрачное зеркало 17 и линза 18 составляют оптическую систему для формирования излучения возбуждения анализируемого газа.
С помощью зеркала 17 часть потока возбуждения через светофильтр 19 поступает на фотоприемник (фотодиод КДФ-105А) 20, который вместе с усилителем 21 составляют второе фотоприемное устройство.
Оптическая линза 22, светофильтр 23, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-148) 24 и усилитель 25 составляют первое фотоприемное устройство.
Светофильтр 26, фотоприемник (фотодиод КЛФ-105А) 27 и усилитель 28 составляют третье фотоприемное устройство.
Компаратор 11 является общим для первого и второго фотоприемных устройств, компаратор 9 - для второго и третьего фотоприемных устройств
Анализируемый воздух проходит через проточную кювету (камеру высокого давления) 4, снабженную защитными стеклами 5 и на выходе из кюветы воздух направляется в ограничитель расхода 3 и далее в атмосферу.
Антибликовое покрытие на внутренних стенках смотровых стекол может быть нанесено, например следующее: МНч.6 матовое или Хч3.
Ограничитель расхода воздуха 3 может быть выполненным, например, в виде устройства, содержащего газовый канал в виде плоской щелевой спирали, расположенной между внутренней и внешней образующими цилиндрических поверхностей.
Работа сигнализатора осуществляется следующим образом.
Световое излучение ультрафиолетового спектра лампы 13 через формирующие оптические элементы, попадая в проточную кювету, вызывает флуоресцентное свечение анализируемой среды, которое выделяется светофильтром 23 и преобразуется фотоэлектронным умножителем 24 в электрический сигнал. Этот сигнал, величина которого пропорциональна потоку возбуждения и концентрации масла в воздухе, после формирования в канале фотоэлектронного умножителя 24 и усиления в усилителе 25 поступает на первый вход компаратора 11. Одновременно со второго фотоприемного устройства на другой вход этого же компаратора приходит сигнал, пропорциональный потоку возбуждения и не зависящий от концентрации масла. Срабатывание компаратора 11 с выдачей сигнала на индикаторное устройство 10 происходит, когда напряжение на первом входе сравняется или станет больше напряжения на втором его входе, т.е. при достижении концентрации масла заданного уровня.
Таким образом, при принятом функциональном построении прибора уровень срабатывания компаратора 11 и формирования выходного сигнала не зависит от величины потока возбуждения и определяется лишь соотношением коэффициентов усиления усилителей в первом и втором фотоприемных устройствах.
Все оптические элементы, за исключением лампы, конденсора, зеркала и фотоприемников входят в состав кюветы, находящейся под высоким давлением (до 40 МПа). На выходе кюветы расположен ограничитель расхода 3, задающий необходимый расход воздуха через сигнализатор масла. Гидросопротивление ограничителя расхода воздуха создается за счет газового канала, выполненного в виде плоской щелевой спирали, расположенной между внутренней и внешней образующими цилиндрических поверхностей.
Возможное в процессе эксплуатации прибора загрязнение внутренних поверхностей защитных стекол кюветы, вызванное осаждением на них масла, может изменить величину сигнала, поступающего на первое фотоприемное устройство при том же потоке возбуждения. Для контроля указанного загрязнения используется сигнал, формируемый третьим фотоприемным устройством.
При отсутствии загрязнения сигнал, поступающий на первый вход компаратора 9 из третьего фотоприемного устройства, несколько превышает уровень сигнала, поступающего на второй вход компаратора из второго фотоприемного устройства. Загрязнение защитных стекол приводит к уменьшению сигнала, формируемого третьим фотоприемным устройством. При равенстве напряжений, поступающих на входы компаратора 9, происходит его срабатывание и формирование сигнала, свидетельствующего о загрязнении внутренней поверхности кюветы с подачей сигнала на индикаторное устройство 10.
Опытные образцы сигнализаторов масла в сжатых газах прошли успешную экспериментальную проверку на стадии опытно-конструкторской разработки (ПИГН.413324.001). Данные проведенной экспериментальной проверки подтверждают возможность получения при использовании полезной модели вышеупомянутого технического результата, заключающего в создании прибора, позволяющего осуществлять контроль предельно допустимой концентрации масла в сжатых газах с высокой точностью и чувствительностью в течение всего срока эксплуатации.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает высокую чувствительность и точность контроля масла в сжатом воздухе за счет осуществления в процессе эксплуатации прибора контроля интенсивности излучения возбуждения и загрязнения внутренних поверхностей защитных стекол кюветы, вызванное
3
осаждением на них масла, использования ограничителя расхода воздуха, задающего величину расхода воздуха через проточную кювету, нанесения антибликового покрытия внутренней поверхности кюветы. Использование флуоресцентного способа обнаружения паров масла в сжатом воздухе на выходе компрессорных станций позволяет контролировать предельные концентрации масла порядка 80 мг/м в проточной кювете рассчитанной на давление до 40 МПа с выдачей сигнала о превышении предельно допустимой концентрации масла в аппаратуру автоматического управления компрессорной станции.