Устройство для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей

Изобретение относится к области приборостроения, более конкретно к устройствам для определения количества механических примесей в промышленных жидкостях (воде, жидких топливах, маслах, охлаждающих жидкостях и т.д.), а также для определения размеров частиц механических примесей. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона размеров измеряемых частиц и уменьшение погрешности их измерения. Устройство состоит из источника излучения, рабочего объема протекания струи жидкости, фотоприемного устройства, включающего в себя фотодиод, микроконтроллера и табло. Фотодиод регистрирует величину сигнала, рассеянного от частицы излучения в конечном диапазоне углов 0,12…0,58 радиан, который выбран эмпирическим путем так, что величина сигнала рассеянного излучения с выхода фотодиода линейно зависит от размера частицы загрязнителя. 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно к устройствам для определения количества механических примесей в промышленных жидкостях - воде, жидких топливах, маслах, охлаждающих жидкостях и т.д.

Уровень техники

Известен прибор для измерения механических примесей в нефтепродуктах [Бихмухаметов К.А., Селятицкий В.Г. «Прибор для измерения механических примесей в нефтепродуктах». http//www.gsm.kip-radio.ru], содержащий оптический датчик, включающий в себя измерительную кювету, оптические линзы, светоизлучающий диод, и два фотоприемника - рассеянного и проходящего излучения, причем приемник рассеянного излучения стоит примерно под 90° к зондирующему излучению. Фотоприемниками измеряются рассеянное и проходящее через измерительную кювету, заполненную жидкостью, излучение светодиода. Предполагается, что интенсивности рассеянного и проходящего излучения пропорциональны К и 1-К соответственно (К - коэффициент рассеяния излучения на механических примесях). Электронной частью прибора вычисляется коэффициент рассеяния излучения на механических примесях К. Недостатками прибора являются:

- измерение только интегральных характеристик параметров механических примесей (объемной концентрации примесей);

- невозможность определения коэффициента рассеяния излучения на механических примесях с различным гранулометрическим составом;

- зависимость показаний прибора от гранулометрического состава примесей.

Известен также прибор ГРАН-152 [ТЕХНОПРИБОР. Приборы химического контроля. Каталог 2002, Москва, с.22]. Прибор состоит из источника излучения, измерительной кюветы, оптической системы и фотоприемника. Принцип действия этого прибора основан на измерении сигнала с выхода фотоприемника, возникающего при пересечении частицами зондирующего излучения, которое кратковременно экранируется. При этом на выходе фотоприемника вырабатываются импульсы в количестве, равном количеству частиц, а по амплитудам пропорциональны их размерам. Недостатком прибора является квадратичная зависимость амплитуды импульса от диаметра частицы, т.к. в этом случае измеряется сечение экстинкции частицы, пропорциональное d² (d - проекционный диаметр частицы). Это обстоятельство ограничивает динамический диапазон измерения размеров частиц в силу насыщения сигнала фотоприемного устройства при измерении частиц больших размеров.

Наиболее близким из технических решений является прибор контроля чистоты жидкостей ПКЖ - 904A [http/www.tesar-centr.ru]. Прибор имеет камеру с вертикальным жидкостным каналом, перпендикулярно которому на одной оптической оси расположены осветитель и фотоприемник. Камера с двух сторон ограничена прозрачными стеклами. Между осветителем и одним из стекол расположена диафрагма, ограничивающая световой поток от источника света.

Работа прибора основана на регистрации светочувствительным элементом (фотодиодом) изменения светового потока от источника света (светодиода) во время перекрытия части светового потока отдельной частицей, перемещающейся с потоком контролируемой жидкости. Световой поток от источника света направляется перпендикулярно потоку жидкости и полностью его охватывает (по сечению потока жидкости), что позволяет контролировать жидкость, проходящую через датчик прибора. Изменения электрического сигнала (тока) фотодиода, вызванные частицами загрязнений, находящимися в жидкости, пропорциональны размеру частиц, а длительность этих изменений равна времени прохождения частицей чувствительного объема датчика. Электрические сигналы фотодиода усиливаются, анализируются по амплитуде и распределяются по соответствующим размерным диапазонам, указанным на табло прибора [http/www.dvgups.ru]. Недостатком этого прибора также является квадратичная зависимость амплитуды импульса от диаметра частицы, вызванная измерением сечения экстинкции и невысокая точность измерения, обусловленная этой нелинейной зависимостью.

Устройство для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей состоит из двух функциональных частей: оптической системы и устройства преобразования электрического сигнала в цифровой код с индикацией результатов измерения на графическом жидкокристаллическом табло (ЖКИ). Изобретенное устройство расширяет диапазон размеров измеряемых частиц и уменьшает погрешность их измерения.

Оптическая система устройства для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей (фигура 1) состоит из источника зондирующего излучения (лазера) 1, коллиматора 2, светоделительной пластины 3, опорного фотодиода 4, двух объективов 6 и 7 и фотодиода 8. Струя жидкости, направленная перпендикулярно зондирующему излучению, образует в месте пересечения с ним рабочий объем протекания струи 5. Рассеянное излучение собирается объективами 6 и 7 и фокусируется на фотодиод 8, регистрирующий величину сигнала и интенсивность рассеянного излучения.

Известно, что амплитуды сигналов рассеянного излучения S(P) зависят от диапазона углов рассеивания (β₁…β₂) [К.Борен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. Москва: «Мир», 1986, с.141].

Известно также, что величина сигнала рассеянного излучения I(d) пропорциональна S²(β) [Г.ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. Издательство иностранной литературы. М., 1961, с.42].

Устройством величины сигналов рассеянного излучения I(d) регистрируются в конечном диапазоне углов, который эмпирически выбран таким образом (от β₁=0,12 до β₂=0,58 радиан), что величина электрического сигнала с фотодиода линейно зависит от размера частицы загрязнителя d.

Электрические сигналы с фотодиодов 4 и 8 поступают на устройство преобразования электрического сигнала в цифровой код (фигура 2).

В устройство преобразования электрического сигнала в цифровой код входят:

- преобразователи фототока в напряжение - 9 и 10;

- регулируемый усилитель напряжения - 11;

- устройство управления - 12;

- микроконтроллер - 13;

- жидкокристаллическое табло (ЖКИ) - 14;

- блок питания (адаптер или аккумулятор) - 15.

Электрический сигнал с фотодиода 8 (фигура 1) в виде импульса фототока преобразуется преобразователем фототока в напряжение 9 (фигура.2) в импульсное напряжение, амплитуда которого прямо пропорциональна размеру частицы d, а их число пропорционально концентрации частиц. Далее импульсный сигнал поступает на регулируемый усилитель напряжения 11, который выполнен с переменным коэффициентом усиления. Переключение коэффициента усиления происходит автоматически в зависимости от амплитуды сигнала с помощью устройства управления 12. Эти импульсы поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входящий в состав микроконтроллера 13, где их амплитуды преобразуются в цифровой код. На другой АЦП, входящий в микроконтроллер, поступает сигнал в виде медленно меняющегося напряжения с выхода преобразователя фототока в напряжение 10 фотодиода 4 (фигура 1), регистрирующего величину сигнала источника зондирующего излучения. Относительно этого сигнала производится нормировка информации, отображаемой на ЖКИ 14. Микроконтроллер 13 обеспечивает управление работой излучателя; синхронизацию работы устройства управления 12; математическую обработку сигналов и вывод результатов их обработки на ЖКИ.

Устройство для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей, состоящее из источника излучения, рабочего объема протекания струи жидкости, фотоприемного устройства, включающего в себя фотодиод, регистрирующий величину сигнала рассеянного излучения, микроконтроллера и табло, отличающееся тем, что фотодиод регистрирует величину сигнала рассеянного излучения в конечном диапазоне углов (0,12…0,58 рад), который выбран эмпирическим путем так, что величина сигнала с выхода фотодиода линейно зависит от размера частицы загрязнителя.