Использование двухканального волоконно-оптического датчика для контроля качества моторных масел

Литературный обзор

В процессе эксплуатации ДВС в его моторном масле, в зависимости от пробега автомобиля или моточасов спецтехники, появляются компоненты различных жирных кислот, сажа (аморфный уголь), элементы несгоревшего топлива и крупицы металла от трущихся частей двигателя внутреннего сгорания.

Количество вредоносных примесей, возникающих в процессе эксплуатации автомобильного маслах, значителен и в среднем составляет 10–20 мг на 1 л масла.

Очевидный факт возникновения и увеличения количества вредоносных примесей ведет к снижению эффективной работы ДВС и сокращению срока его эксплуатации.

Приводимые в литературе способы анализа количественного состава загрязнений в отработанном моторном масле путем его замораживания либо физико-химическим способом показал в целом одинаковые результаты.

Так, средневзвешенное количество вредоносных примесей в анализируемой пробе масла при вымораживании (при температуре –50 °С в течение 20 ч, что сначала привело к помутнению пробы) и последующем выдерживании в течение семи дней при комнатной температуре дало осаживание примесей на дне колбы, что позволило отделить их от пробы масла для измерения.

Другой очевидный способ замера количества загрязнения в моторном масле выполняется с разделением фракции загрязнений и масляной основы с помощью фильтрующих элементов, позволяющих отделить загрязнения в твердой фазе от масла для последующего замера.

Также не менее трудоемким является метод электрического или электромагнетического определения растворенных в масле загрязнений через ввод в систему дополнительных сред, с помощью которых можно получить информацию о количестве загрязнений. Данный метод затратен по времени, так как предусматривает термостатирование отработанного масла при температуре +100…+110 °С в течение суток.

Очевидными недостатками всех рассмотренных методов является затраченное время на проведение исследования, от двух суток более чем до недели, а также невозможность проведения анализа непосредственно на ДВС без его удаление (слития) и перемещения в лабораторию для исследования.

Для проведения анализа загрязнения моторного масла необходимо наличие датчика, установленного непосредственно в ДВС и производящего замер, а также количественную оценку содержания вредоносных примесей с помощью фотометрии.

Таким образом, в основе метода проведения анализа загрязнений моторного масла, рассмотренного в литературе, лежит разница в яркости входящего луча и исходящего луча света после прохождения через автомобильное масло — видимая область спектра покажет предметный состав загрязняющих веществ, образовавшихся в процессе эксплуатации ДВС.

Постановка задачи

Требуется создать оптический метод, позволяющий определить количество загрязнения в масле непосредственно в ДВС, с использованием двухканального волоконно-оптического датчика, что даст не просто очевидно короткое время для анализа загрязнения масла, но и позволит повысить его чувствительность и разрешающую способность, исключить субъективные ошибки лаборанта и перевести систему в автоматический процесс информирования оператора.

Метод должен быть основан на непрерывном процессе сбора и анализа проходящего и рассеянного световых потоков в пробе исследуемого масла, вне зависимости от ее разогрева в диапазоне от начальной низкой температуры неработающего ДВС с последующим переходом к рабочей температуре ДВС.

Результаты

Первым очевидным результатом исследования стала независимость измерений, при прохождении света через объем масла, находящейся в измерительной камере датчика, при разнице в интенсивности светового потока, проходящего через пробу масла, к потоку, рассеянному объемом масла, и изменении температуры датчика при работе ДВС.

Метод позволяет вычислить зависимость отношения проходящего и рассеянного луча света как от времени, так и от температуры на заданном температурном участке пробы, приходящейся на камеру замера датчика.

Количество вредоносных примесей и остатков топлива в анализируемой пробе определяется измерением амплитуды указанного максимума с одновременным взятием той же пробы моторного масла для определения механических частиц металла при появлении электропроводности. Нагрев масла до рабочих температур ДВС позволяет убрать влагу и растворить нагар, образовавшийся в процессе остывания ДВС после его выключения.

Горячая проба масла поступает в камеру измерений датчика (рис. 1, вид сверху), представляющую собой конструкцию цилиндрической формы, с тремя герметично вмонтированными волоконно-оптическими световым источником 2 и световыми приемниками 3 и 4.

Рис. 1. Конструкция измерительной части датчика (вид сверху)

Корпус датчика 1 (рис. 1) выполнен из пластика с повышенной химической и термической стойкостью.

Световой источник 2 предназначен для ввода в датчик облучающего пробу светового потока Ф₀.

Световой приемник 3 предназначен для вывода из датчика прошедшую сквозь масло пробу светового потока Ф_п.

Световой приемник 4 предназначен для вывода из датчика рассеянного маслом светового потока Ф_р.

Внешний торец светового источника 2 находится в оптическом контакте с излучателем, в качестве которого может использоваться диодный лазер, работающий в ближней инфракрасной или видимой области спектра.

Внешние торцы световых приемников 3 и 4 находятся в оптическом контакте с пропорциональными фотоприемниками, например, фотодиодами и/или фототранзисторами, чувствительными к оптическому излучению.

Датчик термоизолирован и имеет внутренний диаметр не более 10 мм.

Для анализа поступающих сведений от источников света и его приемников используется декодер на основе DPS-компонентов (контроллер), что обеспечит прием, регистрацию и анализ сигналов от оптического излучателя и всех источников приема, в том числе показатель электропроводимости. Устройство выдает готовый сигнал на монитор оператора для принятия соответствующего решения.

Программа, находящаяся в прошивке контроллера, задает параметры начального и конечного показателя света, в том числе показатель его рассеивания, частоту и время изменения рассеивания света, показатель электропроводимости масла, а также величину начальной рабочей температуры ДВС.

Программа обработки выдает результаты замеров на дисплей оператора и производит их запись на запоминающее устройство, а также сигнализирует о критических показателях загрязнения, включающих появление и величину электропроводимости загрязненного масла.

По желанию заказчика контроллер может быть оснащен расширенной функцией записи и хранения результатов замеров, имеющих привязку к дате замера и количеству моточасов эксплуатации ДВС после прохождения последнего ТО.

Физические процессы, происходящие в измерительной камере датчика пробы масла, выглядят следующим образом:

Световой поток от источника света Ф₀ (рис. 1) создается излучающим лазером 2, проходя через масло и отражаясь от внутренних стенок датчика, поток Ф₀ формирует в световом приемнике 3 проходящий Ф_п и световом приемнике 4 рассеянный Ф_р потоки света соответственно.

Эти потоки поступают на пропорциональные фотоприемники и создают на их выходах сигналы U_п-проходящий и U_р-рассеянный соответственно.

Из простого уравнения следует, что:

U_n = A × Ф_п и U_р = B × Ф_р,    (1)

где А и В — постоянные коэффициенты чувствительности фотоприемников.

Проходящий поток Ф_п и рассеянный поток Ф_р пропорциональны входящему потоку Ф₀.

Входящий поток Ф₀ благодаря стабильности мощности излучателя не должен изменятся под воздействием температуры и/или колебаний питающих напряжений.

Потоки Ф_п и Ф_р определяются на основе величины входящего потока Ф₀, а также обусловлены геометрией датчика, а самое главное — оптическим свойством измеряемой пробы моторного масла, являющегося коллоидной системой.

Дисперсионная основа масла, с распределенной кристаллической фазой нагара в текущем объемном содержание rv зависит от общего количества нагара r в объеме масле, при рабочей температуре ДВС.

Текущий замер загрязнения rv для масла выражается через r и степень объемной кристаллизации нагара f_v:

P_v = ρ × f_v.

Степень кристаллизации нагара f_v может принимать значения от нуля до единицы в зависимости от работы масла в ДВС и его технического состояния.

При повышенном износе ДВС или его значительном пробеге между плановыми ТО, некачественном топливе и по иным причинам, в загрязнении масла начинает быть заметным переход нагара из растворенного состояния в кристаллическую форму. С повышением мотопробега величина f_v растет, то есть интенсивность роста кристаллов нагара увеличивается.

Соответственно, процессы роста кристаллов нагара в объеме масла существенно изменяют его оптические свойства, в частности, увеличивая коэффициент рассеивания света, а также снижают светопроводимость масла по отношению к проходящему через него оптическому излучению, что приводит к увеличению светопоглощающий способности масла.

Все выше перечисленные явления позволяют связать входящий, проходящий и рассеянный световые потоки следующими уравнениями:

Ф_п(t) = C × Ф₀(t) × K(t),        (2)

Ф_p(t) = D × Ф₀(t) × E(t),        (3)

где C и D — постоянные коэффициенты, определяемые геометрией датчика и оптическими свойствами используемого лазера; K(t) — общий коэффициент прохождения света через масло к торцу светового приемника 3; Е(t) — температурный коэффициент преобразования входящего нагара в рассеянный.

Коэффициент K(t) можно представить в виде математической модели:

K(t) = 1 – b × ρ_v(t),           (4)

где ρ_v(t) — текущее объемное содержание кристаллов нагара в масле; b — коэффициент влияния кристаллов нагара на поглощение света.

Объединяя уравнения (1), (2) и (4), получим:

U_n(t) = A × C × Ф₀(t) × (1 – b × ρ × f_v(t)).           (5)

Вышеуказанное уравнение описывает преобразования оптического сигнала.

Как следует из уравнения (5), для обеспечения чувствительности и разрешающей способности приводимого в настоящей статье метода (при малом в абсолютном объемном содержании нагара в исследуемой пробе масле) для увеличения значения fv необходимо обеспечивать значительную длительность испытания и поддерживать высокую стабильность входящего потока Ф₀.

Далее исследуем модель рассеянного потока Ф_р(t) от времени. Рассеянный световой поток представляет собой сумму рассеянного по поверхностью внутренних стенок датчика S в направлении торца светового приемника 4 потока Ф_рs(t), и рассеянного в объеме V масла, потока Ф_рv(t) находящегося в датчике, в направлении торца светового приемника 4.

Из данных условия следует, что:

Ф_p(t) = Ф_ps(t) + Ф_pv(t).       (7)

Алгебраические модели этих составляющих рассеянного потока Фр(t) представляются в следующем виде:

Ф_pv(t) = F × Ф₀(t) × V × p_v(t),   (8)

Ф_ps(t) = G × Ф₀(t) × S × m(t),   (9)

где: F и G — постоянные коэффициенты, определяемые геометрией датчика и оптическими свойствами используемых световых приемников; m(t) — коэффициент отражения света внутренней поверхностью стенок датчика, зависящий от количества нагара, отложенных в процессе эксплуатации ДВС между ТО.

Таким образом, алгебраическую модель m(t) можно представить в виде:

m(t) = m₀ – a × p × f_sv(t).     (10)

Соответственно: m0 — коэффициент отражения света внутренней поверхностью датчика, не покрытой кристаллами нагара; f_s(t) — средняя текущая поверхностная степень кристаллизации нагара на внутренней поверхности датчика; a — постоянный коэффициент влияния нагара на отражающие свойства поверхности датчика.

Подставляя уравнения (8)–(10) в уравнение (7), получим:

Ф_p(t) = Ф₀(t) × [F × V × p × f_v(t) + G × S × (m₀ – a × p × f_s(t))].  (11)

Подставляя уравнение (11) в уравнение (1), получим:

U_p(t) = B × Ф₀(t) × [F × V × p × f_v(t) + G × S × (m₀ – a × p × f_s(t))].  (12)

Информационной функцией j(r,t) для предлагаемого способа является отношение сигналов U_п(t) и U_р(t) соответственно (13).

 (13)

Поясним значения уравнения (13).

Функция φ(ρ,t) в широком диапазоне значений не зависит от величины входящего потока Ф0, а потому стабильная.

Буквенные коэффициенты: A, B, C, G, F, S, V являются постоянными, и определяют геометрию датчика, также являются стабильными в том числе при использовании электронных компонентов.

Коэффициенты a и b определяются исключительно свойствами исследуемого масла и степенью его загрязнения.

С учетом заданной скорости нагрева масла функции f_v(t) и f_s(t) связаны со свойствами исследуемого масла.

Коэффициент m0 также постоянен и определяется материалами внутренней поверхности датчика.

Выводы

Таким образом, имея экспериментальную зависимость φ(ρ,t), можно однозначно определять реальное значение r, испытуемой пробы масла в широком диапазоне значений объемной концентрации нагара.

На рис. 2 приводятся прогнозируемые зависимости φ(ρ,t) исследуемой пробы моторного масла при эксплуатации ДВС с разной степенью загрязнения в периоде между плановыми ТО.

Рис. 2. Функция φ(r,t)

Для удобства пик функции φ(ρ,t) является ориентиром для настройки контроллера и его выводных данных на дисплей оператора.

Очевидно что функция φ(ρ,t) соответственно уменьшается с ростом степени загрязнения в процессе эксплуатации моторного масла.

Наличие указанного максимума на функции φ(ρ,t) связано с разной скоростью изменений функций f_v(t) и f_s(t) в зависимости от растворения коллоидного нагара при нагреве.

Скорость возникновения и рост кристаллов нагара на поверхности S очевидно прогнозируемо выше скорости образования и роста кристаллов нагара в объеме масла.

В соответствии с предметом кристаллографии, следует, что твердая поверхность стенок датчика имеет многочисленные центры кристаллизации и адсорбирует микрокристаллы.

Кристаллизация на поверхности приводит к быстрому возрастанию функции f_s(t) независимо от понижения либо повышения температуры масла и соответствует уменьшению коэффициента рассеянного потока Ф_рs, что также вызывает рост функции j(r,t).

При охлаждении выключенного ДВС и понижении температуры масла кристаллизуется основа моторного масла, что приводит к резкому уменьшению Ф_п и резкому росту Ф_рv, заставляя функцию j(r,t) принимать минимальное значение.

В процессе экспериментов на рабочем прототипе ДВС продолжительность каждого анализа будет определяться на аппаратно-программном комплексе значений содержания нагаров при повторных испытаниях проб.

Таким образом, предлагаемый метод количественного определения содержания нагара в моторных маслах, использующий двухканальный волоконно-оптический датчик, позволяет не просто многократно сократить время анализа, расширить диапазон определяемых концентраций нагара в маслах, но и перевести анализ в онлайн-режим, повысив точность измерений, что обязательно положительно скажется на решениях как владельца транспортного средства или спецтехники, так и на производителе плановых работ по техническому обслуживанию.