автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Релаксационные диэлькометрические измерительные преобразователи для мониторинга моторных масел

На правах рукописи

МАКШАКОВ Евгений Дмитриевич

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Специальность: 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059286

16 т т

Ижевск - 2013

005059286

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова».

Научный руководитель: Подкин Юрий Германович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Куликов Виктор Александрович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Вычислительная техника» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»

Воробьев Андрей Владимирович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроника и биомедицинские технологии» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ»

Защита состоится «24» мая 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте механики Уральского отделения Российской Академии наук по адресу: 427067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики Уральского отделения Российской Академии наук.

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Тарасов Валерий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диэлькометрический способ измерения, основанный на взаимодействии электрического поля с веществом, является фундаментальным способом исследования и широко используется в различных технологических процессах для контроля свойств материалов, качества сырья и продукции. В настоящее время диэлькометрия применяется как один из основных способов вла-гометрии сельскохозяйственных материалов, нефти и нефтепродуктов, древесины, для определения качественных показателей нефтепродуктов, а также в технологическом контроле производства пищевых продуктов. При этом значительно сокращается время измерений, обеспечивается возможность непрерывного контроля технологического процесса, а сами измерительные устройства просты в использовании и не требуют высоких затрат при технической реализации.

Однако большинство портативных диэлькометрических анализаторов горюче-смазочных материалов, в функции которых входит оценка качественных и количественных характеристик моторных масел, не предназначены для использования в качестве средств мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации. При этом необходимость в разработке таких средств не вызывает сомнения, поскольку моторные масла являются продукцией массового производства, масштабы потребления которой носят поистине глобальный характер. Мониторинг состояния моторного масла в системе смазки двигателя позволяет своевременно производить замену масла по его фактическому состоянию. Но на сегодняшний день подобные средства мало распространены и реализуются в основном как интегрированные в системах управления и контроля транспортных средств и других машин преимущественно зарубежного производства.

Главным же недостатком существующих диэлькометрических анализаторов горюче-смазочных материалов является положенный в основу их работы принцип воздействия на исследуемый материал. Спектр частот воздействующего измерительного сигнала известных средств мониторинга, как правило, узок, в то время как диэлектрические характеристики моторных масел неравномерны в диапазоне частот от низких до сверхвысоких. Особенно ярко неравномерность диэлектрических характеристик выражена у работающих моторных масел, которые представляют собой сложные дисперсные системы. В этом случае использование узкополосных сигналов приводит к существенному снижению информативности.

По этой причине разработка диэлькометрических средств контроля смазочных материалов с улучшенными, в частности за счет оптимизации частотного спектра, характеристиками для систем мониторинга является актуальной проблемой, решение которой гарантирует увеличение срока службы моторных масел, экономию природных ресурсов, применяемых для их изготовления, и повышение качества природной среды.

Степень разработанности темы. Теория диэлькометрического способа базируется на трудах К.В. Вагнера, П. Дебая, Г.А. Лоренца, Д.К. Максвелла, Г. Фре-лиха. Методике диэлькометрии посвящены многочисленные исследования от классических работ по теории диэлектриков В. Брауна, Г.И. Сканави, Ф. Эме до современных трудов Н.П. Богородицкого, Т. Грина, В.И. Ермакова, Ю.В. Подгор-

ного, Ю.Г. Подкина, A.A. Потапова, Б. Ридли, T.JT. Челидзе, Т. Ханаи, Р. Шварт-ца, Ян-Жень Вэя и других исследователей.

Существенный вклад в развитие методов и создание средств диэлькометри-ческого контроля горюче-смазочных материалов внесли Е.В. Пахолкин, C.B. Усиков, В.Н. Шатохин, Г.В. Шувалов и другие. Изучены информационные возможности составляющих комплексной диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот и воздействий. Разнообразие диэлектрических спектров горючесмазочных материалов открывает принципиально новый подход к созданию ди-элькометрических средств контроля качественных и количественных характеристик нефтепродуктов. Но для проведения частотного диэлькометрического анализа требуется сложная аппаратура, поэтому его применение в средствах технологического контроля до сих пор не получило должного распространения.

Решение создавшейся проблемы возможно путем перехода от частотного преобразования диэлектрических характеристик к временному преобразованию. С этой целью можно использовать релаксационные диэлькометрические измерительные преобразователи. Особенно плодотворно изучение релаксационных явлений в нефтепродуктах с большими временами релаксации составляющих их компонентов. В этом случае структура разрабатываемых средств контроля и сам процесс преобразования диэлектрических характеристик значительно упрощаются.

Объектом исследования являются релаксационные диэлькометрические измерительные преобразователи для систем контроля моторных масел.

Предмет исследования - способы, алгоритмы и устройства независимого преобразования диэлектрических характеристик моторных масел в эквивалентные релаксационные электрические характеристики, возможность оценки в процессе эксплуатации состояния моторного масла по этим характеристикам.

Целью диссертационной работы является разработка релаксационных ди-элькометрических измерительных преобразователей для мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации.

Задачи исследования:

1 Анализ методов и средств определения состава и свойств моторных масел, обоснование выбора релаксационной диэлькометрии как способа непрерывного контроля изменения состояния моторных масел в процессе эксплуатации;

2 Разработка релаксационных диэлькометрических измерительных преобразователей составляющих комплексной диэлектрической проницаемости с расширенными диапазонами преобразования;

3 Разработка конструкции емкостного первичного измерительного преобразователя для контроля состояния моторных масел;

4 Экспериментальные исследования созданных диэлькометрических измерительных преобразователей, эквивалентных релаксационных электрических характеристик моторных масел, изучение возможности применимости релаксационной диэлькометрии для создания средств мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

- разработана методика измерения параметров резистивно-емкостных двухполюсников, обеспечивающая повышение разрешающей способности по составляющим комплексного сопротивления стандартных средств измерения с гармоническим измерительным сигналом, в частности, измерителей добротности, что позволяет их использовать для исследования диэлектрических спектров моторных масел;

- предложен новый способ измерения активного сопротивления резистивно-емкостного двухполюсника инвариантно емкости (Патент РФ № 2461841), на основе которого создан комплекс релаксационных измерительных преобразователей диэлектрических характеристик моторных масел с расширенными диапазонами преобразования по удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости;

- на основе анализа экспериментальных данных по кинетике эквивалентных релаксационных электрических характеристик свежих и отработавших моторных масел научно обоснована возможность оценки состояния моторного масла в процессе эксплуатации;

- разработан способ мониторинга состояния моторного масла в процессе эксплуатации на основе контроля изменений эквивалентных релаксационных электрических характеристик.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана новая методика измерения составляющих комплексного сопротивления резистивно-емкостных двухполюсников с помощью измерителя добротности, обеспечивающая повышение разрешающей способности по составляющим комплексного сопротивления эквивалентных резистивно-емкостных двухполюсников.

Создан комплекс средств инвариантного измерения составляющих резистивно-емкостных двухполюсников, эквивалентно отражающих изменение удельного сопротивления р и диэлектрической проницаемости е моторных масел в релаксационной области.

Обнаружена зависимость инкрементов эквивалентных релаксационных электрических сопротивления и емкости длительно работающих моторных масел от степени деструктуризации. Это дает возможность применять релаксационные диэлькометрические измерительные преобразователи, в комплексе с адаптированными для этой цели емкостными первичными измерительными преобразователями, для построения системы мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации.

Разработанные релаксационные диэлькометрические измерительные преобразователи могут быть выполнены в виде автономных, или интегрированных в бортовую систему контроля, микромодулей мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации.

Методология и методы исследования. При решении диссертационных задач использовались методы теории автоматического управления, элементы теории релаксационной поляризации, математического моделирования измерительных преобразователей, методы конструкторского проектирования средств диэль-кометрического контроля для создания макетов измерительных преобразователей, методы математической статистики при обработке экспериментальных данных и

при определении метрологических характеристик созданных средств измерений, методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и схемотехническая реализация комплекса релаксационных диэлькометрических измерительных преобразователей параметров резистивно-емкостных двухполюсников с расширенными диапазонами преобразования;

— конструктивное решение первичного измерительного преобразователя для оценки состояния моторных масел;

— результаты экспериментальных исследований эквивалентных релаксационных электрических характеристик свежих и отработавших моторных масел;

- способ контроля состояния моторных масел в процессе эксплуатации по их эквивалентным релаксационным электрическим характеристикам.

Степень достоверности. Теоретические модели измерительных процессов разработанных преобразователей базируются на фундаментальных положениях теоретической физики и электротехники. Достигнутые в работе результаты и выводы подтверждены применением научно обоснованных методов получения и обработки измерительной информации; данными натурных испытаний; использованием поверенных измерительных средств, применением образцовых жидкостей с известными диэлектрическими параметрами.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в программе подготовки магистров техники и технологии по направлению «Информатика и вычислительная техника» (программа «Информационно-измерительные системы», дисциплина «Аппаратные средства информационно-измерительных систем») при выполнении магистерских диссертаций в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»; при диагностике автомобилей в ООО «Прайд», автосалоне г. Сарапула.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы и обсуждены на конференциях: «Информационное обеспечение инновационных технологий», Сарапул, 2008 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», Самара, 2010 г.; Республиканская научно-методическая очно-заочная конференция «Информационное и техническое обеспечение инновационных технологий», Сарапул, 2010 г.; Научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, промышленности и образовании» факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ, Ижевск, 2010 г., 2011 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 научных публикациях, в том числе 2 статьях в издании, рекомендуемом ВАК, и патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы, содержание которых изложено на 136 страницах машинописного текста. В работу включены 47 рисунков, 15 таблиц. Список литературы включает 94 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы объект и предмет исследования, определены цель и задачи работы.

В первой главе приведен анализ методов и средств определения свойств моторных масел (ММ). В основе этих методов и средств лежат физический, химический и физико-химический способы определения качественных и количественных характеристик исследуемых материалов. Широко используемыми принципами реализации этих способов являются спектральный, колориметрический, хроматографический, трибологический, потенциометрический и полярографический. Проведен сравнительный анализ каждого способа измерительного преобразования. Доказано, что наиболее перспективным способом создания средств мониторинга ММ в процессе эксплуатации является диэлькометрический, так как он наиболее полно отвечает основным требованиям, предъявляемым к этим средствам: экспрессность измерений, возможность непрерывного контроля, простота использования, точность, надежность и невысокая стоимость средств измерений.

Проведен обзор существующих диэлькометрических средств оперативной оценки параметров ММ. Установлено, что основное внимание отечественных и зарубежных разработчиков и производителей анализаторов горюче-смазочных материалов направлено на определение базовых качественных и количественных характеристик ММ. Рынок средств мониторинга ММ в процессе эксплуатации заполняется в основном измерительными преобразователями состояния масел, выпускаемыми рядом зарубежных фирм. Наиболее широко представлены кинетические диэлькометрические и акустические измерительные преобразователи плотности и вязкости. Однако в большинстве случаев оценка состояния ММ производится по одному параметру, на фиксированной частоте, или в узком спектре частот. Эффективность известных широкополосных преобразователей снижена из-за захвата и анализа малоинформативных участков спектра. К общему недостатку всех типов датчиков состояния масла можно отнести сложность их реализации и высокую стоимость.

Моторные масла представляют собой дисперсные системы, подсистемами которых могут быть суспензии типа основание-углеводород, кислота-углеводород, а также эмульсии типа вода-углеводород. Проведен анализ известных данных о диэлектрических характеристиках таких дисперсных систем в широкой полосе частот - от 101 до З'Ю9 Гц, на основе которого установлено, что с точки зрения мониторинга систем смазки наиболее информативны дисперсионные полосы частотных характеристик, расположенные в областях низких, радиочастот и сверхвысоких частот. Это позволило сделать вывод о том, что технические требования к оптимальным рабочим частотам измерительных преобразователей можно установить лишь после детального изучения диэлектрических характеристик ММ. Вместе с тем, в известных работах по созданию средств мониторинга выбирают, в основном, фиксированные рабочие частоты, исходя из конструктивных критериев, теряя значительный объем полезной информации, или, наоборот, используют сверхширокополосные измерительные преобразователи, неоправданно усложняя используемую аппаратуру.

Отсюда следует, что для получения достаточно полной информации о диэлектрических характеристиках работающего ММ, целесообразно воздействовать на него таким образом, чтобы учесть вклад доминирующих составляющих такой дисперсной системы. Это возможно, если отклик представляет собой аддитивный процесс релаксации всех видов элементов дисперсной фазы. Кроме того, большое удельное сопротивление ММ позволяет проводить преобразование диэлектрических характеристик в эквивалентные электрические характеристики в релаксационном режиме, что упрощает структуру измерительных преобразователей при технической реализации. Эти предпосылки и определили цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы методологии преобразования диэлектрических характеристик моторных масел в эквивалентные электрические параметры. Разработана методика повышения точности измерений составляющих комплексного сопротивления резистивно-емкостных двухполюсников (ЙС-двухполюсников), основанная на использовании измерителей параметров КС-двухполюсников (в качестве примера использован измеритель добротности) и средств их калибровки на основе образцовых радиоэлементов. В калибровочной серии собственные характеристики измерителя параметров определяются в рабочем диапазоне частот. Впоследствии эти характеристики и параметры используются при расчете составляющих комплексного сопротивления измеряемых ЯС-двухполюсников.

В ходе обработки результатов измерения выяснилось, что среднее квадра-тическое отклонение значений измеренных емкостей минимально, относительная погрешность измерения емкости не превышает 3,2 % в диапазоне частот от 56,23 до 17780 кГц. Оценка значений сопротивлений возможна в ограниченном частотном диапазоне, который зависит от измеряемого сопротивления. С увеличением сопротивления ЛС-двухполюсника этот диапазон сужается, а погрешность измерения значительно возрастает (рисунок 1, а и б).

а б

Рисунок 1 - Исследование функций преобразования по каналу сопротивления для 1 МОм (а) и 10,5 МОм (б) при шунтирующих емкостях: 1 - 0 пФ; 2 - 29,5 пФ; 3 - 39 пФ; 4 - 50 пФ

Были проведены исследования по выявлению наличия дисперсии диэлектрической проницаемости £ и абсорбции удельной проводимости р моторных масел с помощью измерителя добротности. В качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) использовался изготовленный емкостный датчик коаксиального типа.

На рисунке 2 приведены результаты измерения эквивалентных емкости С = Си(ем - 1) и сопротивления Я = (ре0)/Си для трех образцов моторных масел, где Си - изменяемая емкость датчика, ем - диэлектрическая проницаемость масла, £о= 8,854-10"12 Ф/м.

Исходя из результатов эксперимента, можно сделать вывод, что диэлектрические характеристики моторных масел неравномерны в диапазонах средних и высоких частот, что характерно для дисперсных систем. Из анализа диэлектрических характеристик в области частотной дисперсии (рисунок 2), следует, что наиболее информативны низкие частоты, где интенсивно проявляются изменения диэлектрических потерь и максимальна крутизна дисперсии диэлектрической проницаемости. Исследование кинетики изменения диэлектрических характеристик в дисперсионной области обеспечивает максимальную информативность системы контроля. Однако анализ диэлектрических характеристик ММ в этой области частот требует применения довольно сложной, дорогостоящей аппаратуры. Поэтому необходим переход от частотного к временному представлению функций преобразования. Это потребует изучения диэлектрических характеристик ММ в релаксационном режиме, но существенно упростит и удешевит техническую реализацию измерительных преобразователей и обеспечит массовое применение систем контроля ММ в моторостроении.

В третьей главе представлены теоретические модели релаксационных ди-элькометрических измерительных преобразователей (РДИП). При измерительном преобразовании составляющих комплексной проводимости У = С + ум С, где 6 = 1/7?, определяются функции преобразования с —>С, р—Определение параметров С и Я относится к косвенным измерениям. В релаксационной диэлькомет-рии о значениях измеряемых параметров Я и С судят по длительности т = ЯС переходного процесса. Для формирования инвариантного по отношению к емкости канала измерения сопротивления Я эквивалентного /?С-двухполюсника предлага-

25 24

©

К 6 22

21

1

Г'4*-

3

.......—

20<-10"

10" 10 /.Гц

10

30 24 в 18 12

10

10

10

/,Гц б

10

Рисунок 2 - Эквивалентная емкость Си(ем - 1) (а) и сопротивление Я = (р£о)/Си (б) для ММ: 1 - отработавшее 7000 км «ЛУКОЙЛ СУПЕР» 5\¥-40; 2 - «КАМАОЙЛ» 20\¥-20; 3 - «ЛУКОЙЛ ЛЮКС» 5\У-40

ется «подавлять» реактивную составляющую комплексного сопротивления. На рисунке 3 схематично изображен процесс измерения параметров ЯХСХ-двухполюсника. Если значение емкости конденсатора С' на несколько порядков

превышает значение изме-

® т

©

і с"

С'»С,

©

и>

ЦБ и0 1 С ©

иф

т /.с

с'

п.

®

и, в и, и0/е

'■с 0

Рисунок 3 - Формирование каналов измерения сопротивления (а) и емкости (б)

ряемой емкости Сх, то схема, образованная конденсатором С" и измеряемым /^Сс-двухполюсни-ком, преобразуется в дифференцирующую цепь с постоянной времени х (рисунок 3, а) (доказательство этого утверждения приведено в тексте диссертации) и Ях = т/С'. Определение Сх сводится к заряду ^Сх-двухполюсника и измерению постоянной времени переходного процесса хх (рисунок 3, б), при этом Сх = хх!Ях. Диод УЛ (рисунок 3, б) реализует функцию быстродействующего ключа.

Для экспериментального исследования процессов измерительного преобразования разработана система, функциональная схема которой представлена на рисунке 4. Система включает в себя ПИП, вторичный измерительный преобразователь (ВИП), блоки которого обведены пунктиром, датчик температуры масла (ДТМ) и персональный компьютер (ПК). ВИП составляют коммутатор (К), внутренний датчик температуры (ДТ), блок заряда-разряда (БЗР), цепь измерения сопротивления (ЦИС), буфер (БФ), релаксационный автогенераторный измерительный преобразователь (РАП), генератор уставки (ГУ) и микроконтроллер (МК). По сигналу МК коммутатор подключает ПИП к ЦИС, с выхода которой через БФ на вход МК поступает информация о значении измеряемого эквивалентного сопротивления Ях ПИП. Измерительное преобразование в ЦИС инициируется подачей на ее вход измерительного сигнала от МК. Если значение Ях > Якр, при котором еще можно отследить продолжительность переходного процесса и разделить оставляющие комплексной диэлектрической проницаемости, МК подключает ПИП к БЗР. На вход БЗР от МК подается измерительный сигнал, а с выхода на вход МК поступает информация о значениях эквивалентной емкости Сх и Кх. При Лх< Ккр, Сх определяется по выход-

ПК

ПИП

ДТМ

і

БЗР

ДТ

ГУ

1

ЦИС БФ МК

РАП "И

А

Рисунок 4 - Функциональная схема системы измерения эквивалентных релаксационных электрических характеристик ММ

ному сигналу РАП.

Общая принципиальная электрическая схема БЗР и ЦИС (РДИП-1) представлена на рисунке 5. ЦИС реализована в виде дифференцирующей цепи, образованной элементами С', Я' и Ях при замкнутых ключах 51, 52, 53 и нулевом потенциале на входе диода У О.

Для температурной компенсации емкости образцового конденсатора С" при замкнутых 51 и 52 определяется:

т ' = Я'С'. (1)

С учетом (1) значение измеряемого сопротивления

(2)

Рисунок 5 — Общая принципиальная схема БЗР и ЦИС (РДИП-1)

т - Т

где т - постоянная времени цепи при замыкании всех ключей. Резистор Я' в схеме (рисунок 5) прецизионный с малым температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление резистора Я' следует выбирать, исходя из соображений нахождения компромисса между увеличением верхнего предела измерения Ях по формуле (2) и уменьшением продолжительности измерения, так как с ростом /?х необходимо увеличивать значение Я', что ведет к увеличению времени переходного процесса (1) и затруднению применения измерительного преобразователя при оперативном контроле. Решить проблему можно, применив метод свободного разряда измеряемой емкости Сх через эквивалентное сопротивление Ях. В режиме работы БЗР ключ 51 разомкнут и С' отключен, 53 замкнут. Диод VI) выполняет функцию быстродействующего ключа. При подаче на его вход высокого уровня напряжения происходит заряд емкости Сх. При смене логического уровня с высокого на низкий Сх разряжается через Я' и Ях (ключи 52 и 53 замкнуты) и тогда:

либо только через Ях (52 разомкнут):

т. - СГЯГ.

Из (1)...(4): Сх =

(4)

тт.

Я, =

Я'т Гх

Принципиальная электрическая схема РАП приведена на рисунке 6. Здесь ФИСТ - формирователь искусственной средней точки. Транзистор УТ выполняет роль электронного ключа, управляющего зарядом измеряемого двухполюсника СХЯХ, шунтирующих его начальных емкости Со, сопротивления Я0 РАП и модулирующего конденсатора Ст. Кроме того, он препятствует срыву колебаний при значении Ях меньшем, чем минимальное сопротивление нагрузки операционного усилителя ОА. Измеряемая емкость вычисляется по формуле:

у I у» / у у

где Т, Г, Тм, Ты - периоды следования импульсов РАП с разомкнутыми ключами 51 и 52, с замкнутым ключом 51, с замкнутыми ключами 51 и 52, с замкнутым 52 и разомкнутым 51 соответственно. Измеряемая емкость (5) определяется с учетом изменения значений емкостей, входящих в состав РАП, под воздействием температуры окружающей среды, поскольку их изменение ведет к изменению периода колебаний РАП.

Анализ конструкций ПИП показал, что наилучшую точность и воспроизводимость результатов измерений обеспечивает трехэлектродная коаксиальная система с охранным эквипотенциальным электродом 1 (рисунок 7), исключающим влияние непостоянства уровня заполнения рабочего объема. Для уменьшения собственной неизменяемой емкости датчика

был введен дополнительный разделяющий эквипотенциальный электрод 4 между измерительным 3 и общим 2 в той части конструкции, которая не входит в измерительный объем. Тем самым удалось добиться повышения чувствительности и стабильности выходных параметров ПИП. Позиция 5 на рисунке 7 - диэлектрические прокладки.

Функцию электрической развязки измерительного электрода от охранного и разделительного выполняет повторитель напряжения на операционном усилителе с высоким входным сопротивлением.

В четвертой главе приведены результаты исследования созданных измерительных преобразователей (ИП), эквивалентных релаксационных электрических характеристик исходных и работающих ММ, а также композиций вода-масло.

При определении метрологических характеристик разработанных измерительных преобразователей (таблица 1) использовался набор образцовых двухполюсников на основе конденсаторов и резисторов.

Таблица 1 - Метрологические характеристики разработанных РДИП

ИП С, пФ 5 С, % я, Юм 8Я, % Ітм, МС

РДИП-1 22,35...66,7 0,5 (2„.100)-103 1 800

66,7...330,9 3 800

РАП 110...470 4,4 - - 700

420... 560 3,3 - - 700

ЦИС - - 1...1000 4 6,6...660

В таблице 1: С, Я - диапазон измеряемых емкостей и сопротивлений, соответственно; 5С, ОН - относительная погрешность измерения емкости и сопротивления, соответственно; /1ПМ - продолжительность единичного измерения.

Рисунок 6 — Принципиальная электрическая схема РАП

Рисунок 7 - Конструкция ПИП

Для определения функции преобразования ПИП использовался метод калибровки по двум эталонам. В качестве образцовых жидкостей использованы ацетон (е = 20,54) и толуол (е = 2,376). Значение изменяемой емкости Си ПИП составило 15,1 пФ, диэлектрические проницаемости исходных и отработавших ММ находятся в пределах 2...3, поэтому при их исследовании значения измеряемых емкостей не превысят 63,3 пФ, то есть окажутся в интервале, где погрешности измерения Я и С РДИП-1 минимальны.

Экспериментально исследованы эквивалентные релаксационные электрические параметры свежих ММ, которые сведены в таблицу 2. Все измерения проводились при температуре исследуемых жидкостей 22 °С. Как видно из результатов эксперимента, каждая марка ММ характеризуется отличными от других марок эквивалентными релаксационными электрическими параметрами, что дает основание для начальной идентификации вида ММ по этим параметрам.

В таблице 3 приведены результаты измерения эквивалентных электрических характеристик ММ в зависимости от продолжительности эксплуатации 5 в двигателе ЗМЗ-405 автомобиля ГАЗель.

Таблица 3 - Эквивалентные электрические характеристики ММ в зависимости _от продолжительности эксплуатации в двигателе _

Марка ММ S, км С, пФ R, MOm

«ЛУКОЙЛ СУПЕР» 5W-40 0 47,6 13,2

7000 48,9 48,5

«SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS 0 47,3 33,5

8500 48,1 36,5

12000 48,9 52,9

На рисунке 8 приведены эквивалентные электрические характеристики ММ в зависимости от количества содержания загрязняющих примесей. Для снятия зависимостей в ходе эксперимента использовалось свежее ММ «SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS, а также отработавшее 12000 км ММ этой же марки, хранившееся после слива из двигателя в течение четырех месяцев.

Различные концентрации загрязненности были получены в результате смешения свежего и отработавшего ММ. Величина W! Wo, отложенная по оси абс-

Таблица 2 — Эквивалентные релаксационные электрические _параметры свежих ММ__

Марка ММ С, пФ R, MOm

«ЛУКОЙЛ СУПЕР» 5W-40 47,6 13,2

«ЛУКОЙЛ СУПЕР» 10W-40 48,2 14,4

«ЛУКОЙЛ ЛЮКС» 5W-40 48,4 15,9

«ЛУКОЙЛ СТАНДАРТ» 10W-40 46,8 30,9

«КАМАОИЛ» 20W-20 47,4 33,0

«SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS 47,3 33,5

«ZIC A+» 10W-40 47,1 45,1

цисс (рисунок 8), отражает загрязненность смеси относительно загрязненности отработавшего ММ.

Наблюдается рост абсорбционной составляющей р в зависимости от продолжительности работы ММ, что подтверждает факт уменьшения концентрации моющих и диспергирующих присадок в процессе эксплуатации, которые носят ионный характер. Так же увеличение R ММ с увеличением загрязняющих примесей (таблица 3 и рисунок 8) можно трактовать как увеличение числа макровключений - частиц загрязнений, находящихся во взвешенном состоянии с одноименными зарядами на поверхности раздела фаз -молионов. С увеличением продолжительности работы ММ возрастает количество и время релаксации молионов по сравнению с временами релаксации молекул и ионов свежего масла, что приводит к увеличению измеренной постоянной времени переходного процесса. Эквивалентная емкость возрастает как следствие повышения дисперсной составляющей е, что обусловливается присутствием в отработавшем ММ металлических включений, золы, образующейся при сгорании детергентов и других загрязнений, не вносящих, однако, вклада в проводимость, так как они находятся во взвешенном состоянии вследствие действия дисперсантов.

Для изучения влияния воды в составе работающего ММ на его эквивалентные релаксационные электрические характеристики (рисунок 9) были приготовлены композиции вода-масло с разной массовой долей ^дистиллированной воды.

В качестве масла было использовано отработавшее «SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS с «пробегом» 8000 км, хранившееся после слива из двигателя пять месяцев. Наблюдается повышение С (рисунок 9, б) при образовании эмульсии воды в масле. Увеличение R (рисунок 9, а) можно объяснить тем, что присутствие воды, находящейся в диспер-

62

б 59

S56 QÍ

53

50'-

0.01

0.1 If7 Wo

0.01

0.1 W!Wa

Рисунок 8 - Зависимости эквивалентных электрических характеристик ММ от количества загрязняющих примесей

0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20

И'(Н20), % (Г(Н20), %

а б

Рисунок 9 - Зависимости эквивалентных электрических сопротивления (а) и емкости (б) композиции вода-масло от массовой доли воды

тированном состоянии, ведет к увеличению общего количества молионов смеси. Как следствие, увеличивается длительность переходного процесса при измерительном преобразовании.

Снижение скорости роста R, наблюдаемое в проведенном эксперименте при достижении (К(Н20) =14 %, можно трактовать как начало вырождения диспергированной воды в дисперсионную среду и, при дальнейшем увеличении W(Н2О), образованием эмульсии масла в воде, что сопровождается увеличением электрической проводимости смеси.

На рисунке 10 приведены результаты исследования влияния температуры на эквивалентные электрические характеристики ММ: 1 - «SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS, проэксплуатировавшееся в двигателе автомобиля 12000 км; 2 и 3 - свежие ММ «SUPREMA FORMULA GT» 10W-40 TS из различных партий; 4 - свежее ММ «ЛУКОЙЛ СУПЕР» 5W-40.

а б

Рисунок 10 - Температурные зависимости эквивалентных электрических сопротивления (а) и емкости (б) для различных ММ

В интервале температур ММ, находящемся ниже рабочего теплового режима двигателя, возможна однозначная интерпретация состояния ММ по изменению значения Я. Это обеспечивается стабильностью и предсказуемостью тепловых характеристик по Я ММ (рисунок 10, а). Эквивалентная электрическая емкость ММ может служить параметром, который повышает информативность и снижает вероятность ошибок при оценке состояния ММ в этом температурном диапазоне. Таким образом, определение кондиционности ММ целесообразно производить в два этапа: на стадии прогрева двигателя при фиксированном значении температуры /о, находящейся в интервале от 20 до 50 °С, и в рабочем тепловом режиме двигателя.

На основе выявленных закономерностей разработан способ контроля состояния моторных масел в процессе эксплуатации по их эквивалентным релаксационным электрическим характеристикам, заключающийся в том, что для распространенных марок моторных масел записывают в базу данных бортового кон-

троллера экспериментально определенные исходные эквивалентные релаксационные параметры Ко, С0, пороговые параметры Rm)p, Спор при значении температуры to, выбираемом в интервале от 20 до 50 °С индивидуально для каждого масла по критерию кондиционности, рассчитанные относительные изменения

С -^пор — -^о <, Оюр — О)

®порл =--; 5П0РС =--- и пороговую степень деструктуризации

С0

Агар = lg(8Ilopя lg(8nop J, на стадии прогрева двигателя при достижении температуры íq, измеряют текущие эквивалентные релаксационные параметры ММ R(to)

В R('o)-Ro я С(г0) - С0 и C(to), рассчитывают относительные изменения óR =----; ос =----,

Rn с0

текущую степень деструктуризации D = lg(5^)+ lg(5c) и если D > Dnop, принимают решение о некондиционности ММ. При рабочей температуре двигателя tv для распространенных марок моторных масел экспериментально определяют по критерию кондиционности масла и записывают в базу данных бортового контроллера значения пороговых рабочих эквивалентных электрических емкостей Спор, исходные эквивалентные электрические емкости Сор, рассчитанные значе-

С - С

ния второй пороговой степени деструктуризации Dc = lg——-—, измеряют

Сор

текущее рабочее значение эквивалентной релаксационной емкости С(!р), рассчитывают рабочее значение степени деструктуризации Ос = lg-^--, при

Dc > Dc принимается решение о некондиционности ММ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы созданы релаксационные диэлькометри-ческие измерительные преобразователи для мониторинга моторных масел в процессе эксплуатации.

1 Анализ источников информации о составе и состоянии моторных масел позволил сделать вывод о том, что в процессе эксплуатации в двигателе внутреннего сгорания они представляют собой сложную дисперсную систему с наиболее выраженными низкочастотными механизмами электрической поляризации, поэтому мониторинг такой системы целесообразно базировать на анализе диэлектрических характеристик в низкочастотной релаксационной области.

2 Разработана усовершенствованная методика проведения измерений составляющих комплексного сопротивления ЛС-двухполюсников с применением измерителя добротности, обеспечивающая повышение разрешающей способности по составляющим комплексного сопротивления эквивалентных КС-двухполюсников. Это позволило оценить диэлектрические характеристики ММ в диапазоне частот от 56,23 до 3000 кГц.

3 Предложен новый способ измерения активного сопротивления резистив-но-емкостного двухполюсника инвариантно емкости, на основе которого создан комплекс релаксационных измерительных преобразователей диэлектрических характеристик моторных масел с расширенными диапазонами преобразования по удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости

4 Разработан, изготовлен и исследован емкостный трехэлектродный первичный измерительный преобразователь коаксиального типа с термодатчиком погружного типа, пригодный для исследования жидких диэлектриков с диэлектрической проницаемостью 2...40 ед. Для уменьшения собственной неизменяемой емкости первичного измерительного преобразователя введен дополнительный разделяющий эквипотенциальный электрод.

5 Обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения релаксационной диэлькометрии для двухуровневого мониторинга степени дест-руктуризации моторных масел в процессе эксплуатации. Полученные данные согласуются с фактом «вымывания» присадок в процессе эксплуатации и образованием в структуре масел макрочастиц загрязнений с одноименным зарядом на поверхности раздела фаз. На основе выявленных закономерностей разработан способ контроля состояния моторных масел в процессе эксплуатации по изменениям их эквивалентных релаксационных электрических характеристик.

Результаты диссертационной работы использованы в программе подготовки магистров техники и технологии по направлению «Информатика и вычислительная техника» (программа «Информационно-измерительные системы», дисциплина «Аппаратные средства информационно-измерительных систем») при выполнении магистерских диссертаций в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»; при диагностике автомобилей в ООО «Прайд», автосалоне г. Сарапула.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Издания, рекомендованные ВАК

1 Макшаков, Е.Д. Температурная коррекция в релаксационном автогенераторном измерительном преобразователе // Вестник ИжГТУ, 2011. - № 3. - С. 110112.

2 Макшаков, Е.Д. Система экспресс-анализа качества моторных масел // Вестник ИжГТУ, 2012. - № 2. - С. 125-127.

3 Пат. № 2461841 Российская Федерация, МПК G01R27/02. Устройство измерения активного сопротивления диссипативных CG-двухполюсников / Макшаков Е.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова». - № 2011118081/28; заявл. 04.05.2011; опубл. - 20.09.2012.

Другие публикации

4 Макшаков, Е.Д. Исследование и разработка макета измерителя составляющих комплексной диэлектрической проницаемости жидких сред // Информа-

ционное и техническое обеспечение инновационных технологий // Сборник трудов молодых исследователей. Ижевск: Изд. дом «Удмуртский университет», 2008. - С. 68-76.

5 Макшаков, Е.Д. Измерение параметров диссипативных СО-двухполюсников. Часть I / Е.Д. Макшаков, Ю.Г. Подкин // Информационное и техническое обеспечение инновационных технологий // Материалы республиканской науч.-методической очно-заочной конф. - Сарапул: Изд-во СПИ, 2010. - С. 61-70.

6 Макшаков, Е.Д. Измерение параметров диссипативных СЄ-двухполюсников. Часть II // Информационное и техническое обеспечение инновационных технологий // Материалы республиканской науч.-методической очно-заочной конф. - Сарапул: Изд-во СПИ, 2010. - С. 70-76.

7 Макшаков, Е.Д. Разработка измерителя составляющих комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании // Сборник трудов на-уч.-техн. конференции факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 24-31.

8 Макшаков, Е.Д. Релаксационный измеритель проводимости // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций // Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. - Самара: Изд-во СГАУ, 2010. - С. 88-91.

9 Макшаков, Е.Д. Термокомпенсация в релаксационном измерителе активного сопротивления // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании //Сборник трудов науч.-техн. конф. факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 186-189.

10 Макшаков, Е.Д. Емкостный первичный измерительный преобразователь для сыпучих и жидких материалов // Информационное и техническое обеспечение инновационных технологий: Материалы республиканской науч.-методической очно-заочной конф. - Сарапул: Изд-во СПИ, 2011. - С. 34-36.

Подписано в печать 10.04.2013 Бумага офсетная. Формат 60x84/16 Объем 1,2 п. л. Тираж 100 экз. Отпечатанов МУП г. Сарапула «Сарапульская типография» 427960, г. Сарапул, ул. Раскольникова, 152. Заказ 1463.