Способ оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ОКИСЛЕНИЯ СМАЗОЧНОГО ИЛИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Маркова Любовь Васильевна Макаренко Владимир Михайлович Семенюк Михаил Саввич Мышкин Николай Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, заключающийся в том, что на исследуемое масло направляют пучок оптического излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла, измеряют интенсивность флуоресценции свежего масла, вычисляют диагностический параметр, измеряют интенсивность флуоресценции в процессе эксплуатации масла, вычисляют диагностический параметр и 10996 1 2008.08.30 по изменению диагностического параметра работавшего масла относительно диагностического параметра свежего судят о степени окисления масла, отличающийся тем, что интенсивность флуоресценции измеряют одновременно в трех спектральных диапазонах,при тестировании свежего масла определяют два рабочих спектральных диапазона, в которых значения интенсивностей больше, чем в третьем, а диагностический параметрвычисляют из выражения дл , кор где дл - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в длинноволновом рабочем спектральном диапазоне кор - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в коротковолновом рабочем спектральном диапазоне. 2. Устройство для оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, содержащее корпус с закрепленным в нем оптическим окном и приемопередающий узел, в котором установлены излучатель и приемник оптического излучения с измерительным фотоприемником, отличающееся тем, что измерительный фотоприемник выполнен в виде датчика цвета с возможностью одновременного измерения интенсивности и флуоресценции масла в трех спектральных диапазонах. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что толщинаоптического окна определяется из выраженияДЦУФ, ( УФУФ )( ДЦДЦ ) где- расстояние между точками пересечения оптических осей излучателя и приемника оптического излучения с входной поверхностью оптического окна УФ - размер излучающей площадки излучателя ДЦ - размер приемной площадки приемника оптического излучения УФ - угол между оптической осью оптического окна и оптической осью излучателя ДЦ - угол между оптической осью оптического окна и оптической осью приемника оптического излученияУФ УФв УФ, ДЦ - апертурный угол излучателя и входной апертурный угол приемника оптического излучения соответственно в - показатель преломления воздуха- показатель преломления материала оптического окна. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в приемопередающем узле дополнительно установлен фотоприемник обратной связи. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на поверхность оптического окна, контактирующую с маслом, нанесено олеофобное покрытие. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оперативной оценки работоспособности масла, в частности гидравлического, трансмиссионного, моторного и трансформаторного, по степени его окисления с целью его своевременной замены. 2 10996 1 2008.08.30 Одним из основных факторов ухудшения рабочих свойств масла является его окисление, обусловленное реакциями свободных радикалов, которые ускоряются в присутствии металлов, и повышением температуры. Окисление масла приводит к увеличению вязкости, образованию кислот, вызывающих коррозию металлических деталей. Использование такого масла приводит к интенсивному изнашиванию и преждевременному выходу из строя механизма. Поэтому для увеличения срока эксплуатации машин необходимо проводить контроль качества используемого масла с целью его своевременной замены. Анализ масла с целью определения его рабочих свойств широко используется в лабораториях промышленных и транспортных предприятий. Известны широко используемые в лабораторных условиях способы оценки окисления масла - стандартный метод определения общего кислотного числа и метод инфракрасной Фурье спектроскопии. Так, показатель старения масла вследствие окисления согласно стандартному методу 1 характеризуется общим кислотным числом, которое измеряется титрованием пробы масла спиртовым раствором гидроокиси калия (КОН) потенциометрически. По мере окисления масла в ходе эксплуатации общее кислотное числоувеличивается, указывая на старение масла, что используется в качестве критерия определения момента замены масла. Другим известным методом определения степени окисления масла является метод молекулярной инфракрасной Фурье спектроскопии, принцип которой основан на том, что отдельные молекулы поглощают оптическое излучение на характерных длинах волн (резонансных частотах). Резонансные частоты молекул обусловлены присутствием молекулярных характерных групп, состоящих из связанных двух или более атомов. Окисление масла сопровождается образованием функциональных групп, имеющих резонансное поглощение на частоте 1740 см-1 2. Несмотря на большой объем информации, получаемый с помощью инфракрасной Фурье спектрометрии, она не всегда является достаточно достоверной, так как большинство работавших масел представляет собой сложную смесь различных молекул, включая молекулы базовой основы масла, присадок, продуктов старения масла, частиц износа и загрязнений, и, как следствие, инфракрасный спектр масла обычно сложный и может быть интерпретирован с некоторой степенью неопределенности. Лабораторные испытания обычно обладают высокой информативностью, чувствительностью и точностью, однако они требуют значительных временных затрат, и результаты анализа поступают с большой временной задержкой. Кроме того, при отборе пробы масла встает проблема обеспечения ее представительности. Значительно сдерживает широкое использование лабораторных методов также их высокая стоимость. С целью сокращения времени между отбором пробы и результатом анализа в настоящее время ведутся разработки новых методов оперативного контроля масел в реальном масштабе времени и реализующих эти методы устройств, встроенных в систему смазки машин. Известны электрические методы и устройства непрерывного контроля состояния масла, работающие в реальном масштабе времени и сочетающие в себе низкую стоимость анализа и достаточную достоверность для оптимального использования смазочного материала, своевременной его замены и обеспечения надежной работы механизма. Так, известно устройство контроля качества масла 3, основанное на измерении изменения диэлектрической проницаемости масла. Устройство содержит погруженный в масло емкостной датчик, который является элементом колебательного контура, содержащего- или кварцевый генератор. Выходной сигнал колебательного контура зависит от тангенса диэлектрических потерь масла, который изменяется с изменением кислотности масла. Таким образом, выходной сигнал несет информацию о степени окисления масла. Недостатком устройства является то, что диэлектрическая проницаемость масла, а следо 3 10996 1 2008.08.30 вательно, и выходной сигнал зависят не только от кислотности масла, но и от содержания воды, степени загрязнения масла механическими частицами, и невозможно установить основной фактор, вызвавший изменение сигнала. Известны также метод и устройство для оценки качества масла 4, основанные на измерении электрического сопротивления. Устройство содержит однослойную матрицу ионно-заряженных полимерных шариков, расположенную между двумя проницаемыми электропроводящими поверхностями так, что при погружении в масло оно проходит через матрицу шариков. Притяжение заряженных групп полимерных шариков изменяется при переходе масла от неполярного к полярному (окисленному) состоянию, что вызывает электрическое сопротивление матрицы. Основные недостатки этого устройства - низкая чувствительность и необходимость замены матрицы полимерных шариков при каждой замене масла. Кроме электрических известны также оптические, в частности флуоресцентные, методы контроля качества масла в реальном масштабе времени, разработанные с целью повышения чувствительности за счет снижения электрических шумов. Основной проблемой флуоресцентных методов, основанных на регистрации интенсивности флуоресценции масла, является влияние высокой оптической плотности (сильного поглощения) масла на интенсивность флуоресценции. Чтобы решить эту проблему,используются специальные методы измерения параметров флуоресценции масла в устройствах контроля рабочих свойств масла. Так, известен флуоресцентный метод 5, основанный на время-разрешенной флуоресцентной спектроскопии, для контроля старения минеральных смазочных и трансформаторных масел, не требующий учета их оптической плотности. Метод основан на анализе время-разрешенных спектров свежего и работавшего масел и включает следующие шаги облучение тестируемой пробы масла импульсом излучения УФ-лазера измерение спектров флуоресценции масла, используя методику временной селекции для получения время-разрешенного спектра построение нормализованных время-разрешенных спектров и сравнение полученных спектров. Устройство измерения содержит импульсный УФ-лазер, излучение от которого направляется с помощью зеркала на кювету с тестируемым маслом. Поток флуоресценции с помощью кварцевых линз фокусируется на входные щели монохроматора, в выходных щелях которого установлен фотоумножитель для регистрации сигнала флуоресценции. Сигнал с выхода фотоумножителя подается через интегратор с узкополосным фильтром в компьютер для последующей обработки. Недостатком этого способа и устройства является то, что они весьма сложные для оперативного контроля, предполагающего встроенное в линию смазки или портативное устройство. Кроме того, для реализации метода требуется дорогостоящее оборудование. Прототипом изобретения являются устройство и реализованный в нем способ определения окисления смазочного или трансформаторного масла в реальном масштабе времени,основанный на измерении изменения интенсивности флуоресценции масла 6 при его окислении. Способ оперативного контроля окисления масла состоит в том, что на исследуемое масло направляют пучок оптического излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла, измеряют интенсивность флуоресценции свежего масла, вычисляют диагностический параметр, измеряют интенсивность флуоресценции в процессе эксплуатации масла, вычисляют диагностический параметр и по изменению диагностического параметра работавшего масла относительно свежего судят о степени окисления масла. Недостатки прототипа заключаются, во-первых, в недостаточной чувствительности и достоверности контроля степени окисления масла, так как интенсивность флуоресценции и используемый диагностический параметр зависит от температуры, кроме того, требуется учитывать влияние оптической плотности масла на диагностический параметр. Вовторых, необходимость использования второго приемопередающего узла и отражающего зеркала для оценки оптической плотности масла усложняет конструкцию и увеличивает 10996 1 2008.08.30 габаритные размеры устройства, что является важным аспектом для устройств, встроенных в систему смазки оборудования. Задача заявляемого изобретения состоит в повышении чувствительности и достоверности оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла путем использования диагностического параметра, не зависящего от оптической плотности и температуры масла, а также усовершенствовании конструкции устройства с целью повышения чувствительности, упрощения конструкции и уменьшения его размеров. Поставленная задача решается тем, что известный способ оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, заключающийся в том, что на исследуемое масло направляют пучок оптического излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла, измеряют интенсивность флуоресценции свежего масла, вычисляют диагностический параметр, измеряют интенсивность флуоресценции в процессе эксплуатации масла, вычисляют диагностический параметр и по изменению диагностического параметра работавшего масла относительно диагностического параметра свежего судят о степени окисления масла, изменен в части условий измерения интенсивности флуоресценции масла и дополнен новой совокупностью операций. Изменение условий измерения интенсивности флуоресценции масла заключается в том, что интенсивность флуоресценции измеряют одновременно в трех спектральных диапазонах. Новая совокупность операций заключается в том, что при тестировании свежего масла из трех контролируемых спектральных диапазонов определяют два рабочих спектральных диапазона, в которых значения интенсивностей больше, чем в третьем, а диагностический параметрвычисляют из выражения дл , кор где дл - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в длинноволновом рабочем спектральном диапазоне кор - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в коротковолновом рабочем спектральном диапазоне. В известном способе диагностическим параметром служит квантовый выход флуоресценции, который определяется интегральной интенсивностью флуоресценции, зависящей от окисления масла. Квантовый выход флуоресценции зависит от температуры масла, и, кроме того, при его вычислении необходимо учитывать оптическое поглощение (оптическую плотность) масла 7. Фиг. 1 показывает изменение спектров интенсивности флуоресценции, измеренной на флуорометре ( 2,., США), свежего гидравлического масла и двух проб (А и Б) работавшего масла, причем время эксплуатации масла Б больше, чем масла А. В заявляемом способе диагностическим параметром является отношение интенсивности флуоресценции масла в диапазоне более длинных волн спектра флуоресценции к интенсивности флуоресценции масла в диапазоне более коротких длин волн спектра флуоресценции. То есть диагностический параметр характеризует смещение интенсивности флуоресценции масла в длинноволновую область спектра. Смещение же интенсивности флуоресценции в длинноволновую область определяется окислением масла и не зависит от его температуры и оптической плотности. Изменение условий измерения и введение новой совокупности операций позволяет использовать для оперативного контроля окисления масла диагностический параметр, не зависящий от температуры и оптической плотности масла, в результате чего уменьшается минимально обнаруживаемое изменение диагностического параметра, т.е. повышается чувствительность и достоверность контроля. Для осуществления предложенного способа предлагается устройство, содержащее корпус с закрепленным в нем оптическим окном и приемопередающий узел, в котором установлены излучатель и приемник оптического излучения с измерительным фотоприемником, 5 10996 1 2008.08.30 причем, согласно изобретению, измерительный фотоприемник, являющийся элементом приемника оптического излучения, выполнен в виде датчика цвета с возможностью одновременного измерения интенсивности флуоресценции масла в трех спектральных диапазонах, что позволяет вычислять независимый от температуры и оптической плотности масла диагностический параметр, характеризующий смещение спектра флуоресценции. Использование такого измерительного фотоприемника исключает необходимость использования второго приемопередающего узла и отражающего зеркала. Это упрощает конструкцию и уменьшает габаритные размеры устройства. Кроме того, для обеспечения максимального приема излучения флуоресценции масла приемником оптического излучения толщина оптического окна и взаимное расположение излучателя, оптического окна и приемника оптического излучения удовлетворяют следующему соотношениюДЦУФ, ( УФУФ )(ДЦДЦ ) где- расстояние между точками пересечения оптических осей излучателя и приемника оптического излучения с входной поверхностью оптического окна УФ - размер излучающей площадки излучателя ДЦ - размер приемной площадки приемника оптического излучения УФ - угол между оптической осью оптического окна и оптической осью излучателя ДЦ - угол между оптической осью оптического окна и оптической осью приемника оптического излученияУФ УФв о УФ, ДЦ - апертурный угол излучателя и входной апертурный угол приемника оптического излучения соответственно в - показатель преломления воздуха о - показатель преломления материала оптического окна. Приведенное соотношение получено из условия максимального приема излучения флуоресценции масла приемником оптического излучения, которое поясняется на фиг. 2,3. Необходимо согласовать апертуры излучателя и приемника таким образом, чтобы весь пучок излучения излучателя, которое возбуждает флуоресценцию, при попадании в масло охватывался апертурой приемника, т.е. чтобы крайние лучи апертурных углов излучателя и приемника пересекались при попадании в масло. Выполнение этого условия обеспечивается путем использования оптического окна такой толщины, что крайние лучи апертурных углов пересекались на контактирующей с маслом поверхности окна (в точке А,фиг. 2, 3). На фиг. 3 представлен частный случай, когда УФДЦ 0 иУФДЦ, тогда.ДЦУФ Дополнительно в приемопередающем узле устройства установлен фотоприемник обратной связи, который измеряет интенсивность излучения излучателя, и его выходной сигнал используется в цепи обратной связи для стабилизации излучения излучателя, что снижает флуктуации измерительных сигналов и соответственно повышает чувствительность устройства. Кроме того, на поверхность оптического окна, контактирующую с маслом, нанесено олеофобное покрытие, которое предотвращает загрязнение поверхности, что увеличивает 10996 1 2008.08.30 достоверность и чувствительность устройства. В качестве такого покрытия может использоваться, например, покрытие-1720 (3 М ., США). Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - изменение спектров интенсивности флуоресценции, измеренной на флуорометре ( 2,., США), свежего гидравлического масла и двух проб (А и Б) работавшего масла фиг. 2, 3 иллюстрируют взаимосвязь между толщиной оптического окна, апертурами излучателя и приемника оптического излучения и взаимным расположением излучателя,оптического окна и приемника оптического излучения на фиг. 4 - конструкция устройства для осуществления предложенного способа оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, в котором излучатель состоит из источника оптического излучения и оптического волокна, а приемник оптического излучения включает в себя измерительный фотоприемник и оптическое волокно на фиг. 5 - конструкция устройства для осуществления предложенного способа оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, в котором излучатель представляет собой источник оптического излучения, а приемник оптического излучения - измерительный фотоприемник фиг. 6 иллюстрирует использование предложенного способа и устройства для контроля окисления масла гидравлической системы изменение диагностического параметра и общего кислотного числа от времени эксплуатации. Основные узлы устройства, реализующего способ оперативного контроля окисления смазочного или трансформаторного масла, показаны на фиг. 4. Устройство содержит корпус 12, оптическое окно 9 и приемопередающий узел, защитную крышку 4, монтажную плату 16 и электрический кабель 15. Оптическое окно 9 установлено в корпусе 12 с помощью гайки 8 и уплотнительного кольца 11. Приемопередающий узел включает в себя втулки 3, 13, в которых установлены излучатель, приемник оптического излучения и фотоприемник обратной связи 2. Излучатель состоит из источника оптического излучения 1,оптического волокна 17 и установленной между ними через переходное кольцо 6 сферической линзы 5. При этом входной торец оптического волокна 17 обращен к источнику излучения 1, а выходной - к оптическому окну 9. Сферическая линза 5 используется для фокусировки оптического излучения источника 1 на входной торец оптического волокна 17. Приемник оптического излучения содержит измерительный фотоприемник 14 и оптическое волокно 10, входной торец которого обращен к оптическому окну 9, а выходной - к измерительному фотоприемнику 14. Источник излучения, сферическая линза, измерительный фотоприемник и фотоприемник обратной связи установлены во втулке 3 приемопередающего узла. Оптические волокна 10, 17 установлены во втулке 13 приемопередающего узла, которая соединена с втулкой 3. Электрические выводы источника излучения, измерительного фотоприемника и фотоприемника обратной связи выведены на монтажную плату 16, закрепленную на втулке 3 и соединенную электрическим кабелем 15 с электронным блоком (не показан). Для защиты от механических повреждений и экранировки от электрических помех используется защитная крышка 4, закрепленная винтами на втулке 13. На фиг. 5 показан вариант конструкции устройства, в котором излучатель и приемник оптического излучения не содержат оптических волокон, а представляют собой источник излучения 1 и измерительный фотоприемник 14. Здесь корпус 12 одновременно выполняет роль защитной крышки, а оптическое окно 9 вклеено в корпус 12. В качестве источника излучения в предлагаемом устройстве используется источник такого излучения, которое возбуждает флуоресценцию масла, т.е. с длиной волны, находящейся в диапазоне 350-450 нм (например, УФ-диод 3395-30 фирмы.,США). Измерительный фотоприемник представляет собой датчик цвета, позволяющий 10996 1 2008.08.30 одновременно измерять интенсивность флуоресценции масла в трех спектральных диапазонах, в частности в красном, зеленом и голубом. Таким приемником могут служить,например,3/3 ( , Германия) и 230 (., США). Устройство с применением уплотнительного кольца 7 устанавливается в систему циркуляции масла или в бак с маслом. Устройство работает следующим образом. Пучок оптического излучения излучателя через оптическое окно 9 направляется на исследуемое масло. При этом в облученном объеме масла возбуждается его флуоресценция. Поток излучения флуоресценции, пройдя оптическое окно 9, попадает в приемник оптического излучения. При заполнении системы смазки свежим маслом измеряется интенсивность флуоресценции (,и ) одновременно в трех спектральных диапазонах - красном , зеленоми голубом В - с помощью датчика цвета, используемого в качестве измерительного фотоприемника 14. Затем из трех спектральных диапазонов определяют два рабочих диапазона дл и кор, в которых значения интенсивностей больше, чем в третьем. Диагностический параметр ,используемый для контроля окисления масла, вычисляют по формуле дл , кор где дл - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в длинноволновом рабочем спектральном диапазоне кор - значение интенсивности флуоресценции, измеренное в коротковолновом рабочем спектральном диапазоне. В ходе эксплуатации оборудования происходит окисление масла, что сопровождается смещением спектра флуоресценции в длинноволновую область и увеличением дл относительно кор, т.е. увеличением диагностического параметра . Таким образом, увеличение диагностического параметра свидетельствует об увеличении степени окисления масла. При увеличении параметрадо предварительно установленного критического значения срабатывает сигнал предупреждения о необходимости замены масла. Пример реализации предложенного способа и устройства для контроля окисления масла-24 в гидравлической системе. Устройство конструкции, приведенной на фиг. 4, устанавливали в бак с маслом. Система смазки заполнялась чистым маслом-24, и включалось устройство контроля окисления масла. На выходе датчика цвета, в качестве которого использовался 3/3, с помощью микроконтроллера регистрировались одновременно три сигнала (99 мВ,245 мВ и 296 мВ), соответствующие интенсивности флуоресценции масла (,и ) в красном , зеленоми голубом В спектральных диапазонах. Дальнейшая обработка сигналов выполнялась также с помощью микроконтроллера. А именно, было определено, что минимальным значением из трех сигналов (, и ) является сигнал в красном спектральном диапазоне, то есть рабочими спектральными диапазонами являются зеленый и голубой, и дл, кор. Следовательно,диагностический параметрпри оценке окисления масла-24 определялся как отношение, так какдл. В таблице приведены измеренные значения корсигналов в трех спектральных диапазонах для свежего масла (время эксплуатации 0) и для масла, работавшего в гидравлической системе в течение времени 1 и 2, и соответствующие значения диагностического параметра . В таблице приведены также значения общего кислотного числа , измеренные стандартным методом 1 для свежего масла и проб масла, взятых в моменты времени 1 и 2. На фиг. 6 показаны изменение диагностического параметра и общего кислотного числа в ходе эксплуатации и критическое значение диагностического параметра. Значения диагностического параметравыводились на индикатор электронного блока. Как видно из фиг. 6, значения диагностического параметрав течение приведенного на графике времени эксплуатации не превышали критического и сигнал предупреждения о необходимости замены масла (индикаторный светодиод электронного блока) не срабатывал. Приведенный пример показывает, что предлагаемый диагностический параметрпозволяет проводить оперативный контроль окисления масла. Корреляция параметрас общим кислотным числом свидетельствует о высокой достоверности предлагаемого способа и устройства. Источники информации 1. ГОСТ 11362-96. Нефтепродукты и смазочные материалы. Число нейтрализации. Метод потенциометрического титрования. 2.,.., 2003. 3. Патент США 6459995, МПК 01 031/00, 2002. 4. Патент США 5789665, МПК 01 027/2601 033/30, 1998. 5. Патент США 6633043, МПК 01 021/64, 2003. 6. Заявка 20050088646 на патент США, МПК 01 021/00, 2005 (прототип). 7. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Люминесценция и ее измерение Молекулярная люминесценция. - М. Изд-во МГУ, 1989. - С. 272. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.