СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ
FLUID CONTAMINANTS DETECTOR AND METHOD TO THIS END

Область техники
Изобретение относится к способу обнаружения или распознавания загрязнений в текучей среде согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к устройству для осуществления способа согласно п.4 формулы.
Уровень техники
Текучие среды, в частности, смазочные масла и подобные им материалы, во время работы устройств или приборов подвержены постоянному загрязнению ферромагнитными частицами, другими металлическими частицами или частицами грязи. При этом эксплуатация устройств или приборов может допускаться при известной максимальной концентрации загрязнений (в зависимости от области применения). В частности, масла для прокатных станов, использующиеся в производстве стали и тяжелой промышленности, при некоторых обстоятельствах очень сильно загрязняются, причем содержание загрязнений едва ли можно определить с помощью датчиков, известных на уровне техники.
Подобное устройство описано, например, в патентном документе ЕР 290397 В1. При этом датчик для определения содержания ферромагнитных частиц в текучей среде содержит основную магнитную цепь, образованную постоянным магнитом. Основная магнитная цепь содержит воздушный зазор, через который может пропускаться текучая среда. Это делается для того, чтобы побудить частицы собираться вблизи воздушного зазора. Кроме того, датчик содержит элемент Холла, который в зависимости от накопления загрязнений распознает изменение магнитного потока. В итоге сигнал датчика пропорционален содержанию загрязняющих частиц в текучей среде. Вспомогательная магнитная цепь с индукционной катушкой предназначена для противодействия основной магнитной цепи постоянного магнита, вплоть до полного гашения магнитного поля в воздушном зазоре. В результате становится возможным отделение частиц, накопившихся в воздушном зазоре. Однако известные датчики и методы измерений, предназначенные для определения загрязнений текучей среды, непригодны для использования в условиях сильного загрязнения или загрязнения металлическими частицами.
Раскрытие изобретения
Поэтому задачей изобретения является разработка устройства, которое позволит распознавать очень высокие концентрации загрязнений, и способа эксплуатации этого устройства.
Эта задача решается способом с признаками, раскрываемыми в п.1 формулы изобретения, и устройством с признаками, раскрываемыми в пункте 4 формулы.
Благодаря тому что загрязненная текучая среда до попадания на датчик или устройство измерения загрязнений разбавляется путем добавления определенного количества очищенной текучей среды, не содержащей частиц и загрязнений, настолько, чтобы с помощью устройства можно было измерить плотность частиц, становится возможным определить степень загрязненности текучей среды с помощью известных способов измерения. После этого управляющее и/или регулирующее устройство или вычислительное устройство рассчитывает плотность частиц или степень загрязненности неразбавленной текучей среды. При этом основная структура обеих текучих сред, предпочтительно, одинакова.
В первом варианте исполнения в смесительном устройстве, которое может представлять собой бак или смесительный клапан, смешиваются друг с другом загрязненная и очищенная текучая среда.
В устройстве для осуществления способа предусмотрен дозирующий контур, то есть гидравлическое устройство, которое с помощью первого насоса или дозирующего насоса отклоняет загрязненную текучую среду на устройство, измеряющее загрязненность.
1
1
За дозирующим насосом, предназначенным для транспортировки неочищенной (загрязненной) текучей среды, например, масла для прокатного стана, в направлении потока установлен первый клапан V, который, предпочтительно, представляет собой 3/2-ходовой клапан. В зависимости от положения включения этого первого клапана V загрязненная текучая среда может направляться в дозирующий контур к баку или далее в направлении точки соединения с основной гидравлической системой.
3
4
Кроме того, устройство содержит основной контур, который содержит второй дозирующий насос, который транспортирует загрязненную и/или очищенную текучую среду к датчику. Третий клапан V и четвертый клапан V предназначены для того, чтобы вместе с клапанами дозирующего контура включать режим очистки или режим смешивания очищенной и загрязненной текучей среды. Кроме того, можно реализовать режим измерения или режим опорожнения обоих контуров.
С помощью управляющего и/или регулирующего устройства можно управлять функциональной комбинацией дозирующего контура и основного контура таким образом, чтобы дозирующий контур оставался в режиме подготовки или готовности, а основной контур был переведен в режим очистки в целях отделения загрязнений перед датчиком.
1
Рассматриваемый способ обнаружения загрязнений в текучей среде, описываемый изобретением, может применяться, предпочтительно, в следующих режимах работы. Для очистки масла, находящегося в баке, первый клапан Vнаходится в пропускающем положении, то есть сильно загрязненная текучая среда (масло для прокатного стана) направляется первым дозирующим насосом в направлении точки соединения с основной гидравлической системой. При этом первый дозирующий насос за единицу времени передает большое количество текучей среды, в результате чего становится возможным промывание трубопроводов основной гидравлической системы и предотвращение образования отложений. Таким образом, масло для прокатного стана в актуальном загрязненном состоянии возвращается в основную гидравлическую систему.
2
3
4
4
Основной контур, отсоединенный от дозирующего контура, находится в пропускающем положении включения относительно клапана Vтаким образом, что измерительное устройство обходится. Клапаны V и V включены таким образом, чтобы текучая среда проходила по замкнутому контуру из бака через фильтр, подключенный к клапану V, и, в результате, возвращалась в бак в очищенном состоянии. Благодаря этому также обеспечивается высокая скорость подачи следующего дозирующего насоса (за единицу времени).
2
4
В режиме работы «измерение» с целью проверки чистоты смешанного масла, находящегося в баке, дозирующий контур снова отсоединяется от основного контура (как описано выше), а клапан V (выполняющий функции перепускного клапана) переводится в свое блокирующее положение, чтобы пропустить текучую среду через измерительное устройство. Кроме того, клапан V включается в такое положение, чтобы очищающий фильтр обходился. В таком измерительном режиме скорость подачи второго дозирующего насоса основного контура невелика.
1
1
2
3
4
4
В режиме работы «смешивание» и «дозирование» работает дозирующий контур, который осуществляет подачу к смесительному баку, то есть клапан Vвключен таким образом, чтобы загрязненная текучая среда, циркулирующая в основной гидравлической системе, попадала в бак. Подмешивание выполняется путем тактирования клапана V или соответствующего сокращения количества текучей среды, подаваемой первым дозирующим насосом за единицу времени. Другой дозирующий насос основного контура, в свою очередь, подает большое количество текучей среды за единицу времени, а измерительное устройство, представляющее собой датчик CS загрязненности, снова обходится через подключенный клапан V. Клапаны V и V включены таким образом, чтобы текучая среда опять обходила фильтр и возвращалась от клапана V непосредственно в бак.
1
2
Кроме того, такое положение включения для основного контура соответствует «смешиванию» текучей среды в основном контуре, причем дозирующий контур за счет включения клапана V отсоединяется от бака, а первый дозирующий насос, в свою очередь, на высокой скорости направляет загрязненную текучую среду в основную гидравлическую систему. Последнее положение включения (когда дозирующий контур отсоединен от основного контура) соответствует собственно процессу измерения, то есть выполняемому измерению, при котором клапан V закрыт, то есть текучая среда на малой скорости направляется следующим дозирующим насосом через измерительное устройство, представляющее собой датчик загрязненности.
2
3
4
В случае превышения заданного уровня наполнения бака устройство может работать в режиме опорожнения, в котором текучая среда, обходя измерительное устройство посредством включенного на пропускание клапана V, поступает непосредственно на точку соединения с основной гидравлической системой через включенный клапан V. При этом клапан V находится в закрытом положении. Такое опорожнение может длиться до тех пор, пока уровень наполнения бака не вернется на заданную отметку, которая может соответствовать минимальному уровню наполнения бака.
В следующем варианте исполнения в качестве датчика используется элемент Холла, который установлен в месте сбора загрязнений, в частности, ферромагнитных частиц. Датчик определяет количество загрязнений в смешанной текучей среде и передает выходной сигнал на управляющее и/или регулирующее устройство. Может быть целесообразен вариант, в котором в управляющее и/или регулирующее устройство заложена таблица значений, которая устанавливает взаимосвязь между степенью разбавления количества загрязнений и выходным сигналом датчика, который соответственно может отличаться сильной нелинейностью. При этом таблица значений может основываться на значениях, полученных опытным путем. В альтернативном варианте в управляющее и/или регулирующее устройство заложена функция, которая получена, например, путем моделирования и представляет взаимосвязь между количеством накопившихся загрязнений и выходным сигналом датчика, в зависимости от степени разбавления текучей среды.
Управляющее и/или регулирующее устройство, в зависимости от измеренных значений, управляет дозирующим контуром и основным контуром, сочетая описанные выше режимы работы. В связи с этим может быть выгоден вариант, в котором (в частности, если требуется распознавать металлические / ферромагнитные частицы или загрязнения) в устройстве для измерения загрязнений предусмотрен коллектор для сбора загрязнений текучей среды, выполненный в виде постоянного магнита. Этот магнит служит для создания магнитного поля в коллекторе. Катушка может быть предназначена для перемещения элемента, выполненного в виде якоря, таким образом, чтобы при перемещении элемента могла изменяться напряженность магнитного поля в коллекторе. В частности, напряженность могла бы уменьшаться настолько, чтобы, по меньшей мере, часть накопленных загрязнений могла отсоединиться от коллектора, в частности, могла быть смыта текучей средой, движущейся по дозирующему контуру.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки, преимущества и детали изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения и в приведенном ниже описании, в котором подробно рассматривается вариант исполнения изобретения с учетом прилагаемых чертежей. На чертежах схематично и не в масштабе изображено:
Фиг.1: схема (в виде функциональной схемы) гидравлической системы устройства для осуществления способа обнаружения загрязнений.
Фиг.2: блок-схема способа обнаружения загрязнений в текучей среде с помощью устройства, показанного на фиг.1.
Фиг.3-5: различные функциональные схемы устройства, показанного на фиг.1, соответствующие различным режимам работы.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показано в виде функциональной схемы устройство, в целом обозначенное номером 14, для осуществления способа измерения, предназначенного для обнаружения загрязнений в текучей среде 1. Текучая среда 1 в описываемом варианте исполнения представляет собой масло для прокатного стана или прокатного станка, которое отличается высокой степенью загрязненности и очень высоким содержанием металлических, в частности, ферромагнитных частиц, а также прочих загрязнений, например, шлака.
По существу устройство 14 состоит из дозирующего контура 11 и основного контура 12.
1
3
1
3
4
1
2
Дозирующий контур 11 содержит первый дозирующий насос 3 с приводом от шагового электродвигателя. Первый дозирующий насос 3 перекачивает загрязненную текучую среду 2, содержащую частицы. Первый клапан V выполнен в виде 3/2-ходового клапана. На фиг.1 этот клапан показан в пропускающем положении, в котором загрязненная текучая среда 2 направляется через датчик 15 стружки к месту соединения 18 с основной гидравлической системой, то есть в обратную магистраль упомянутого прокатного стана. Указанный датчик 15 стружки является опцией и необязателен для функционирования измерительного и разбавляющего устройства, которое будет подробно описано в дальнейшем. Третий клапан V, как и первый клапан V,выполнен в виде 3/2-ходового клапана. Третий клапан V в положении включения, показанном на фиг.1, находится в положении пропускания к четвертому клапану V. Кроме того, первый клапан Vв другом положении включения обеспечивает подачу загрязненной текучей среды 2 в бак 9, который является частью смесительного устройства 8, состоящего из бака 9 и, в предлагаемом варианте, второго клапана V, который, впрочем, необязателен для функционирования устройства.
По существу основной контур 12 содержит бак 8, точку 16 опорожнения дозирующего контура 11, второй дозирующий насос 13, а также устройство 4 для измерения загрязненности текучей среды 1, причем устройство 4 может заполняться определенной смесью очищенной текучей среды 5 в баке 8 и загрязненной текучей среды 2, то есть своеобразной смешанной текучей средой 6.
В качестве устройства 4, предназначенного для измерения загрязненности текучей среды 1, может использоваться так называемый датчик CS загрязненности (Contamination-Sensor, CS), который описан, например, в патентной заявке DE 102006005956.5. Такие датчики CS загрязненности работают наподобие датчиков частиц на основе светового затвора, то есть размер и количество частиц распознается по прохождению через фотоячейку или подобное ей устройство, так что повышенное значение приобретает аспект разбавления измеряемой текучей среды, поясняемый ниже. Только разбавление текучей среды или снижение ее концентрированности в задаваемых регулируемых рамках, требующееся согласно изобретению, позволяет обеспечить такое разобщение статистически распределенных и подлежащих обнаружению частиц в текучей среде, при котором, собственно, могут срабатывать датчики, работающие по принципу светового затвора. Если бы разбавление и обусловленное им разобщение не было выполнено, то можно было бы обнаружить только насыщенную частицами текучую среду, то есть было бы нельзя определить фактическую степень загрязненности по причине отсутствия численных характеристик загрязненности. При этом предпринимаемое разбавление ориентируется, преимущественно, на качество измерений соответствующего используемого светового датчика.
2
3
4
4
2
Редукционный клапан 17, установленный после устройства 4 для измерения загрязненности, обеспечивает загрузку устройства 4 и отсутствие в нем пузырей. Кроме того, между вторым дозирующим насосом 13 и датчиком CS загрязненности расположен впускной участок для текучей среды в виде петли, длина которого может задаваться произвольно. Второй клапан V, выполненный в виде 2/2-ходового клапана, служит перепускным или смесительным клапаном 10 и обеспечивает обход устройства 4 и редукционного клапана 17. В сочетании с установкой третьего клапана V и четвертого клапана V, которые также выполнены в виде 3/2-ходовых клапанов, в положении включения, показанном на фиг.1, возможен обратный ток смешанной текучей среды 6 в бак 8, причем в зависимости от положения включения четвертого клапана V текучая среда может проходить через дополнительный фильтр 19 с целью очистки или обходить его. В положении включения, показанном на фиг.1, текучая среда в любом случае проходит через фильтр 19. Второй клапан V необязателен. В случае его отсутствия текучая среда в любом случае будет проходить через датчик CS загрязненности и редукционный клапан 17.
1
3
4
Первый, третий и четвертый клапаны V, V и V выполнены в виде 3/2-ходовых клапанов, то есть могут применяться унифицированные узлы клапанов, что позволит снизить затраты на аппаратную часть и, тем самым, удешевить изготовление устройства. Предпочтительно, все клапаны могут иметь электромагнитное управление, которое, в целях простоты, подробно не показано.
Вычислительное устройство 7, которое может быть частью регулирующего и/или управляющего устройства (не показанного подробно) или частью устройства 4, предназначенного для измерения загрязненности текучей среды, пересчитывает содержание загрязняющих частиц, полученное устройством 4, на фактическое содержание загрязняющих частиц в не подвергавшейся смешиванию загрязненной текучей среде 2, которая циркулирует по основной гидравлической системе и в предлагаемом варианте исполнения представляет собой масло для прокатного стана. Разумеется, вместо упомянутого масла для прокатного стана описанный способ и устройство можно применять для обработки любой другой текучей среды, в большей или меньшей степени загрязненной частицами.
На фиг.2 в виде блок-схемы показан один из многих режимов или способов обнаружения загрязнений при помощи устройства 14, показанного на фиг.1. В рамках первого режима (Режим 1) дозирующий контур 11 находится в режиме готовности, а основной контур 12 находится в режиме R очистки (cleaning).
1
Следующий режим «Очистка масла» показан на фиг.3. Предпочтительно, в части системы трубопроводов, показанной пунктиром, большое количество текучей среды прогоняется по рабочему контуру с помощью шагового приводного двигателя и дозирующего насоса 3, например, с целью промывки подсоединенных трубопроводов. Этот режим позволяет предотвратить образование отложений, причем текучая среда в актуальном загрязненном состоянии подается от впуска через соединение 18 в основную гидравлическую систему. При этом клапан V находится в своем пропускающем положении.
2
3
4
3
4
В основной контур 12 (показанный утолщенной сплошной линией) поступает очищенная текучая среда, которая соответствующим образом проходит через фильтр 19. При этом второй клапан V, третий и четвертый клапаны V, Vпереведены в показанное положение включения таким образом, чтобы поток текучей среды, создаваемый вторым дозирующим насосом 13, проходил через третий клапан V и четвертый клапан V мимо датчика CS или устройства 4 и, тем самым, мог возвращаться в бак 9 по замкнутому контуру. Такая циркуляция повторяется до тех пор, пока не будет достигнута определенная степень чистоты текучей среды 5. Во время такого процесса очистки масла фильтром 19 шаговый приводной двигатель со вторым дозирующим насосом 13 работает в режиме пропускания по основному контуру 12 большого количества текучей среды за единицу времени.
4
В режиме чистого смешивания, в котором очищенная текучая среда 5 смешивается с загрязненной текучей средой 2, клапан V включен таким образом, чтобы текучая среда обходила фильтр 19. Кроме того, возможно переключение в режим 2 или режим М смешивания путем определенного смешивания очищенной текучей среды 5 с загрязненной текучей средой 2, которое максимально соответствует фиг.4, на которой показан «Процесс смешивания и дозирования».
1
1
1
Дозирующий контур 11 (показанный пунктиром) переключается в режим V подготовки подачи, при котором загрязненная текучая среда 2 поступает на смесительное устройство 8, которое в данном случае представляет собой бак 9. Обнаружилось, что процесс выполняется лучше всего в том случае, если соединительный трубопровод между баком 9 и клапаном Vимеет особенно малую длину, например, если его длина составляет менее 10 см. Для такого процесса добавления или примешивания дозирующий насос 3 перекачивает малое количество загрязненной текучей среды 2 за единицу времени, причем добавление малого количества с помощью насоса 3 может быть заменено переключением клапана V в соответствующий тактовый режим, в котором во время каждого такта из основного трубопровода в дозирующий контур 11 передается постоянное и определенное количество масла. В этом случае вычислительное устройство 7 управляет работой клапана V в тактовом режиме.
3
4
При этом третий клапан V и четвертый клапан V переведены в положение включения, показанное на фиг.4. В этом положении текучая среда обходит фильтр 19 и поступает от второго дозирующего насоса 13 с большой скоростью на смесительное устройство 8.
2
3
4
По истечении задаваемого времени ожидания или простоя выполняется переключение в режим 3, в котором дозирующий контур 11 остается в режиме Z подачи загрязненной текучей среды 2 на смесительное устройство 8, а основной контур 12 (также показанный утолщенной сплошной линией) - в режиме М смешивания. При этом первый клапан V1 переводится в такое положение, в котором загрязненная текучая среда 2 подается в смесительное устройство 8. Второй клапан V, третий и четвертый клапаны V, V переведены (как показано на фиг.4) в такое положение, в котором смешанная текучая среда 6 по замкнутому контуру проходит мимо устройства 4 для измерения загрязненности на смесительное устройство 8.
В зависимости от требуемого класса чистоты предпочтительное соотношение загрязненной текучей среды 2 и очищенной среды 5 в смеси составляет, предпочтительно, от 1:10 до примерно 1:150. Таким образом, например, на каждый миллилитр загрязненной текучей среды 2 приходится 10 мл очищенной текучей среды 5, причем для такого процесса разбавления загрязненной текучей среды посредством дозирующего контура 11 в баке 9 должно быть запасено задаваемое количество очищенной текучей среды 5. Для ясности следует добавить, что уровень наполнения в баке 9 на фигурах соответствует минимальному уровню наполнения бака 9.
2
4
3
После повторного истечения задаваемого времени ожидания способ переключает основной контур 12 (который опять показан утолщенной сплошной линией) на так называемый режим ММ измерения (Режим 5). В таком режиме измерения, который соответствует положению включения на фиг.5, дозирующий контур 11 работает в режиме, в котором (ср. фиг.2) загрязненная текучая среда поступает в основную гидравлическую систему непосредственно со стороны входа через соединение 18. Этот основной контур циркуляции показан пунктиром. При этом второй клапан V находится в показанном закрытом положении, а четвертый клапан V и третий клапан V переведены в положение включения, в котором смешанная текучая среда 6 проходит через устройство 4 для измерения загрязненности, причем фильтр 19 остается в стороне (не задействован). Дозирующий насос 3 снова подает в единицу времени большое количество текучей среды, а дозирующий насос 13 - малое количество текучей среды. Требуемые измеренные значения определяются по отдельности, как только их дисперсия не будет превышать определенного предела.
3
Как показано на фиг.2, между режимом 5 и режимом 3 включается еще один режим (Режим 4), в котором дозирующий контур 11 переводится в режим V подготовки подачи, а основной контур 12 - в режим М смешивания. В режиме 6 дозирующий контур 11 находится в режиме готовности. При опорожнении, предусмотренном после этого, уровень наполнения бака 9 доводится до заданной отметки, а клапан V, находящийся в пропускающем положении, переправляет текучую среду, находящуюся в основном контуре 12, обратно в основную гидравлическую систему через соединение 18. После этого возможно переключение снова в режим 1.
1
1
2
1
В упрощенном варианте способа и устройства согласно изобретению, непоказанном на фигурах, бак 9 и точка 16 опорожнения могут отсутствовать, а выход клапана V соединен непосредственно с входом второго дозирующего насоса 13 через дозирующий контур 11. В таком случае соединительный трубопровод между клапаном V и дозирующим насосом 13 должен иметь небольшую длину. В равной степени небольшую длину должно иметь соединение между выходом второго дозирующего насоса 13 и входом датчика CS загрязненности. Кроме того, в таком упрощенном варианте может отсутствовать перепускной или смесительный клапан V, а также редукционный клапан 17. Как уже говорилось, может отсутствовать и датчик 15 стружки. В этом случае необходимое смешивание выполняется, как уже говорилось, путем подключения дозирующего насоса 3 и, предпочтительно, работы клапана V в тактовом режиме, в котором загрязненная текучая среда 2 может подаваться порциями в дозирующий контур 11.
В другом упрощенном варианте способа, не показанном на чертежах, загрязненная частицами текучая среда, например, масло для прокатного стана, соразмерно направляется дозирующим насосом 3 непосредственно на вход второго дозирующего насоса 13, на выходе которого расположено устройство 4 для измерения загрязненности, причем в ответвлении перед вторым дозирующим насосом 13 это свежее масло может поступать из источника питания, например, бочки. Такое простейшее решение работает без какого-либо клапанного распределения и в отсутствие управляющих клапанов. Затем текучая среда, измеренная в этом варианте датчиком CS загрязненности, возвращается в основную гидравлическую систему, выполненную, например, в виде прокатного стана.
1
Вместо бака 9 или упомянутого ответвления между двумя дозирующими насосами 3 и 13 может быть установлен смесительный клапан (не описываемый подробно), который под управлением вычислительного устройства 7 выполняет смешивание. Кроме того, в варианте исполнения устройства для измерения и смешивания, не показанном на чертежах, дозирующий контур 11 может быть соединен с подающим трубопроводом, отходящим непосредственно от клапана V,перед датчиком CS загрязненности. Такой вариант облегчает интеграцию устройства в возможные узлы клапанов. Таким образом, подводящий трубопровод за следующим дозирующим насосом 13 переходит в участок, по которому текучая среда следует на датчик CS.