Микроволновое устройство для контроля качества моторного масла

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИКРОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МОТОРНОГО МАСЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Любецкий Николай Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Микроволновое устройство для контроля качества моторного масла, содержащее измерительный датчик, отрезок коаксиального кабеля, направленный ответвитель, микроволновой генератор, детектор и индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком обработки сигнала, включенным между детектором и индикатором, а также цифроаналоговым преобразователем, установленным между вторым выходом блока обработки сигнала и входом микроволнового генератора.(56) 1.4345202, . .01 27/04,.,. .. . 17, 1982. Метод определения сажи в моторном масле при использовании микроволн. 72512011.04.30 2.6788072, . .01 27/32,.,.. . 7, 2004. Аппаратура и метод для измерения содержания накопленных частиц в среде. 3.4543823, . .01 27/04,.,... . 1, 1985. Микроволновое устройство для определения уровня масла. Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к устройствам контроля жидких нефтепродуктов. Она может найти применение в автомобильной и автотракторной промышленностях, так как от качества моторного масла зависит ресурс двигателей внутреннего сгорания. Также она может найти применение в нефтехимической промышленности и авиационной технике для высокоточного и экспрессного определения состава и качества горюче-смазочных материалов. Известно устройство для определения процентного содержания сажи в моторном масле с помощью микроволн 1, содержащее последовательно соединенные микроволновой генератор, передающую коаксиальную линию, состоящую из внешнего и внутреннего проводников, измерительный датчик, а также блок детекторов, установленный внутри коаксиальной линии и соединенный с индикатором через электронную схему, причем измерительный датчик является продолжением коаксиальной линии, отделен от нее диэлектрической пластиной и имеет сетчатую металлическую боковую поверхность со сплошным металлическим основанием. Недостатком данного устройства является низкая точность контроля из-за влияния нестабильности частоты микроволнового генератора, а также требуется осуществление новой калибровки при использовании моторного масла другого типа. Известно микроволновое устройство для определения содержания сажи в моторном масле 2, содержащее отрезок коаксиального кабеля, конец которого соединен с измерительным датчиком, состоящим из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре проволочки запаяны к внешнему проводнику, при этом пятая присоединена к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с индикатором через микроволновой генератор, варакторный диод и процессор, а также детектор, подключенный между внутренним проводником коаксиального кабеля и вторым входом процессора. Недостатком данного устройства является низкая точность контроля,так как количество сажи определяется по величине напряжения на варакторном диоде при минимальных показаниях детектора. При этом положение минимума стоячей волны в коаксиальном кабеле зависит от большого числа факторов количества сажи, электрофизических свойств моторного масла, которые отличаются при его смене, изменении температуры и длительности эксплуатации. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является микроволновое устройство для определения содержания сажи (или воды) в моторном масле 3, содержащее отрезок коаксиального кабеля, конец которого соединен с измерительным датчиком,состоящим из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре проволочки запаяны к внешнему проводнику, а пятая присоединена к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с микроволновым генератором через направленный ответвитель, второй выход которого подключен к индикатору через детектор. Недостаток данного устройства состоит в том, что количество сажи определяется по величине характеристического импеданса измерительного датчика, заполненного загрязненным маслом (с сажей), и сравнивается с импедансом датчика с чистым маслом. При этом величина изменения характеристического импеданса измерительного 2 72512011.04.30 датчика лежит в небольших пределах, в связи с чем невозможно получить высокую точность контроля. Также при заливке в двигатель других типов моторных масел требуется проведение новой калибровки. Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в повышении точности контроля, а также исключается потребность в проведении дополнительных калибровок при смене типа (сорта) моторного масла. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она состоит из отрезка коаксиального кабеля, конец которого соединен с измерительным датчиком, состоящим из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре проволочки запаяны к внешнему проводнику, а пятая присоединена к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с микроволновым генератором через направленный ответвитель, второй выход которого подключен к индикатору через детектор, дополнительно снабжена блоком обработки сигнала, включенным между детектором и индикатором, а также цифроаналоговым преобразователем, установленным между вторым выходом блока обработки сигнала и входом микроволнового генератора. Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является наличие блока обработки сигнала, включенного между детектором и индикатором, а также цифроаналогового преобразователя, установленного между вторым выходом блока обработки сигнала и входом микроволнового генератора, при этом обеспечивается одновременное измерение величины характеристического импеданса измерительного датчика, заполненного контролируемым моторным маслом, а также частоты и амплитуды резонансной зависимости измерительного датчика с контролируемой жидкостью, что позволяет повысить точность контроля, а также исключить необходимость проведения дополнительной калибровки при смене типа (сорта) моторного масла. Предлагаемая полезная модель представлена на фигуре. Согласно фигуре, она состоит из измерительного датчика 1, коаксиального кабеля 2, направленного ответвителя 3, детектора 4, блока обработки сигнала 5, индикатора 6, микроволнового генератора 7, цифроаналогового преобразователя 8 (ЦАП). Работа устройства осуществляется следующим образом. Измерительный датчик 1, состоящий из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре проволочки запаяны к внешнему металлическому (медному) цилиндрическому проводнику(полужесткого коаксиального кабеля), а пятая присоединена к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, помещается в емкость с контролируемым моторным маслом. При включении питания блок обработки сигнала 5 образует последовательность цифровых кодов, которые со второго его выхода поступают на ЦАП 8, где происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Этот сигнал поступает на вход микроволнового генератора 7 и осуществляет перестройку его частоты в требуемой полосе частот . Сигнал переменной частоты с микроволнового генератора 7 проходит через направленный ответвитель 3, коаксиальный кабель 2 и попадает в измерительный датчик 1, в котором электромагнитная волна проходит через контролируемое масло и, отразившись от металлического основания (к которому припаяны пять проволочек датчика), снова проходит через масло, коаксиальный кабель 2, направленный ответвитель 3 (через второй выход) и детектируется детектором 4. Характеристический импеданспятипроводного измерительного датчика равен 1(173 / ) ( / 0,933), где- - диэлектрическая проницаемость среды, которая заполняет измерительный датчик 1- диаметр проволочек измерительного датчика- расстояние между внешними проволочками измерительного датчика. Диэлектрическая проницаемость моторного масла повышается с увеличением процентного содержания сажи в нем. Так, диэлектрическая проницаемость моторного масла растет от значения 2,2 до 2,7 при увеличении содержании сажи от 0 до 3 72512011.04.30 5 . Изменение диэлектрической проницаемости контролируемого масла ведет к изменению характеристического импедансаизмерительного датчика 1, который измеряется в блоке обработки сигнала 5 и по которому определяется процентное содержание сажи. Однако, кроме этого, было установлено, что измерительный датчик 1 образует микроволновый резонатор, резонансная частота которого зависит, главным образом, от длины проводников, а также от расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды в датчике. При незаполненном измерительном датчике (1, воздух) резонансная частота рез при использовании коаксиального полужесткого кабеля марки 402 с внешним диаметром 3,58 мм и при длине проволочек, равной 40 мм (0,9 мм), лежит в районе 4 ГГц. При установлении измерительного датчика 1 в моторное масло без сажи резонансная частота равна 2,72 ГГц. При появлении сажи в масле значение резонансной частоты уменьшается от 2,72 до 2,7 ГГц (на 20 МГц) при изменении ее содержания от 0 до 5 . Кроме этого, при увеличении содержания сажи в моторном масле уменьшается не только резонансная частота, но и амплитуда резонансной зависимости. Сигнал после детектирования поступает в блок обработки сигнала 5 и несет информацию не только об уровне сигнала, но и об амплитудно-частотной зависимости (резонансном отклике) измерительного датчика 1. В блоке обработки сигнала 5 принятый аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и анализируется во всей полосе частот , при этом измеряются 1) пиковое значение сигнала и код числовой последовательности в момент появления резонансной зависимости, по которым определяются ее амплитуда и частота 2) среднее значение продетектированного сигнала, по которому определяется характеристический импеданс измерительного датчика. Таким образом, в блоке обработки сигнала 5 первоначально по характеристическому импедансу измерительного датчика 1, усредненное значение которого измеряется в полосе частот, определяется количество сажи в масле. Также по измеренным значения амплитуды и частоты резонансной зависимости находится процентное содержание сажи, при этом крутизна изменения амплитуды и частоты значительно больше, чем по характеристическому импедансу. Экспериментальные исследования показали, что свойства моторных масел различных сортов без содержания сажи отличаются друг от друга. В связи с этим имеют место отличия как в характеристических импедансах, так и в резонансных частотах, однако при этом амплитуда резонансной зависимости практически постоянна. Это позволяет исключить необходимость проведения дополнительной калибровки при смене типа (сорта) моторного масла. При калибровке устройства в память блока обработки сигнала 5 заносятся значения резонансных амплитуд, частот и характеристических импедансов при различных процентных содержаниях сажи в масле. По измеренному значению характеристического импеданса определяется искомый параметр, который затем уточняется по найденным значениям амплитуды и частоты резонансной зависимости, и индицируется с помощью индикатора 6. Экспериментальная проверка результатов была осуществлена с использованием векторного анализатора цепей 5071, работающего в диапазоне частот от 300 кГц до 8,5 ГГц. Было установлено, что дополнительное использование информации о резонансной зависимости измерительного датчика, а также определение усредненного значения характеристического импеданса в полосе частот позволяют повысить точность и исключить необходимость проведения дополнительной калибровки при смене типа (сорта) моторного масла. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.