УДК 536.2.083
ИМПУЛЬСНО-ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ ЛЕТУЧИХ ПРИМЕСЕЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ1
К. В. Лукьянов, А. Н. Котов, А. А. Старостин
Описана методика импульсно-теплового контроля содержания летучих примесей, основанная на определении термоустойчивости жидкости с помощью проволочного зонда, погруженного в исследуемую жидкость. Разработано устройство автоматического импульсно-теплового контроля и приведены результаты его испытаний на гексадекане, обводняемом из паровой фазы.
Ключевые слова: мониторинг, влагосодержание, импульсно-тепловой метод, термоустойчивость, технологические жидкости.
ВВЕДЕНИЕ
Диэлектрические жидкости, такие как топливные, изолирующие, смазочно-охлаждающие и другие играют важную роль в обеспечении эффективной и безотказной работы машин, механизмов, электротехнического оборудования и требуют тщательного контроля. Свойства многих технических жидкостей (нефтепродуктов, моторных топ-лив и масел, турбинных и трансформаторных масел) в большой степени зависят от их чистоты. Загрязнение жидкостей летучими примесями и повышенное влагосодержание могут приводить к выходу из строя дорогостоящего оборудования. Весьма важна оценка содержания влаги в дизельном топливе, так как увлажнение повышает вероятность коррозии и отказа двигателей при низких температурах [1, 2]. Поэтому контроль состояния технологических жидкостей для их своевременной очистки и регенерации является актуальной задачей.
1 Работа проведена в рамках Программы ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 12-2-1-011-АРКТИКА).
Устройства лабораторного контроля технических жидкостей получили широкое распространение. Значительно меньше приборов текущего контроля и мониторинга для применения в производственных условиях на действующем оборудовании.
Известны, например, специализированные устройства экспресс-анализа, позволяющие оценивать состояние электротехнических масел. Большинство из них (ВТМ-МК, АКВА-901, PALL WS04 и др.) определяют только один параметр — влаго-содержание и требуют периодической замены чувствительных элементов и/или химических реактивов. Комплексные экспресс-анализаторы состояния масел (KELMAN TRANSFIX, MINITRANS, HYDROCAL 1002 и др.) вдобавок имеют высокую стоимость. В этой связи востребована разработка недорогих методов контроля, совместимых с действующим оборудованием.
МЕТОДИКА
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
Традиционная методика теплового контроля отличается простотой и эффективностью, но не обладает достаточной чувстви-
тельностью. Для выявления влаги производится медленный нагрев объема масла порядка десятков миллилитров до появления характерных тресков, сопровождающих вскипание эмульгированных капель воды, что свидетельствует о наличии примеси [3]. Такая методика оценки содержания летучих примесей носит субъективный характер и не обладает необходимой оперативностью. Вместе с тем, развиваются исследования кратковременной термоустойчивости веществ и материалов, использующие методики быстрого нагрева [4-7].
МЕТОД
ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА
Современные решения позволяют при исследовании диэлектрических жидкостей нагревать тонкие слои масла со скоростями до 10 К/с. Высокие скорости нагрева дают качественный скачок для достижения высокой чувствительности и оперативности устройств теплового контроля при выявлении легкокипящих примесей. В качестве нагревателя используется тонкая (10—20 мкм) проволока из терморезистивного материа-
46
Sensors & Systems • № 10.2014
ла, например, платины. Такой зонд одновременно является термометром сопротивления. Для определения значения быстро меняющегося сопротивления используются современные средства регистрации тока и напряжения в микросекундном диапазоне [4].
Экспериментальные исследования жидкостей с помощью проволочных нагревателей-зондов показали, что при импульсном нагреве тонкого слоя жидкости, прилегающего к зонду, достигается максимально высокая температура ее относительно устойчивого состояния, связанная с термоустойчивостью жидкости на заданном интервале времени. Оказалось, что при таких высоких температурах поведение жидкости гораздо в большей степени зависит от малых концентраций примеси, чем при более низких температурах [5]. Предварительные исследования показывают возможность создания на этой основе нового класса датчиков для задач быстрой оценки чистоты и идентификации диэлектрических технологических жидкостей.
МЕТОДИКА
ДВУХИМПУЛЬСНОГО
НАГРЕВА
Предлагаемый вариант методики импульсного теплового контроля реализован в виде устройства для двухимпульсного нагрева тонкого проволочного зонда, помещенного в жидкость. Первый импульс разогревает проволоку за несколько десятков микросекунд до заданной температуры (200—400 °С), превышающей температуру кипения летучей примеси. Второй
импульс, на порядок меньшей мощности, удерживает зонд в разогретом состоянии вблизи заданной температуры на интервале времени догрева продолжительностью несколько миллисекунд (рис. 1). Во время второго импульса жидкость может потерять термоустойчивость и вскипеть, что сопровождается резким увеличением теплоотво-да с проволоки и падением температуры. Из рис. 1 видно, что в этом случае длительность второго импульса будет увеличиваться до заданного порогового значения ?п, что свидетельствует о достижении максимального в данных условиях значения температуры термоустойчивости Т*. Длительности участков нагрева (¿1 — ?0) и измерения (^ — ¿1) составляют 10 с и 10 с, соответственно. В опытах установлено, что увеличение содержания летучих примесей приводит к уменьшению температуры Т*. Правильная настройка режима теплового тестирования позволяет обнаруживать наличие при-
меси при относительном ее содержании от единиц граммов на тонну (единиц ррт) [6].
СХЕМА УСТРОЙСТВА
Для реализации предложенного подхода была разработана схема модифицированного моста Уинстона (Лг, ^1, % Л4) с сопротивлением % настраиваемым цифровым потенциометром (рис. 2).
Устройство состоит из трех прецизионных резисторов Л1, Л4, Л3, буферного усилителя У на основе операционного усилителя, проволочного термосопротивления зонда Л^, цифровых потенциометров ЦП1, ЦП2, генератора тока ГТ, микроконтроллера МК. При нагреве МК управляет ГТ через регулятор опорного напряжения с помощью ЦП1 и формирует заданные значения тока нагрева на участках ?0 — ¿1 и ¿1 — ¿2 (см. рис. 1). Ток, в основном, протекает в ветви Л1, Яг, так как сопротивления резисторов Л3, Л4
Рис. 2. Структурная схема устройства
Рис. 3. Температурные кривые на втором участке нагрева в чистом гексадекане
пользуя для расчета следующие формулы:
много больше, и определяется формулой
/гт =
и
ЦП1
Л,
(1)
За время протекания стабилизированного тока сопротивление зонда увеличивается и падение напряжения на нем растет. Это приводит к уменьшению напряжения разбаланса моста до нуля, что соответствует балансу моста. В этот момент формируется управляющий импульс, по сигналу кото-
Л4 Л1
(2)
3КЦП2
рого происходит переключение токов, т. е. формируется переход межу участками нагрева в момент ?! и ?2 (см. рис. 1). Блок ЦП2 через Л3 задает требуемый коэффициент настройки моста. Это дает возможность программного задания температуры 7\, так как при задаваемом коэффициенте деления напряжения ЦП2 (Кцп2) в точке баланса моста = 0), можно рассчитать сопротивление зонда и вычислить его температуру, ис-
Л = Ло(1 + АТ + ВТ2), (3)
где — сопротивление зонда при температуре Т; Ло — сопротивление зонда при 0 °С; А, В — коэффициенты для платины. Формула (3) является общепринятой и применяется с целью пересчета сопротивления в температуру для большинства температурных датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента платину.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве исследуемой жидкости был выбран гексадекан С16Н34, как основной компонент дизельного топлива и как однокомпонентная жидкость с известными теплофизическими характеристиками.
На рис. 3 показаны кривые догрева на втором участке нагрева (?1 — ?2). Верхняя кривая свидетельствует о вскипании при температуре 314 °С на 15-й миллисекунде от начала второго импульса. Каждая следующая кривая соответствует уменьшению заданной температуры 7\ на 19 °С (4 единицы шага ЦП). Опыт работы с перегретыми жидкостями показал [7], что для достижения высокой чувствительности метода необходимо поддерживать температуру зонда вблизи заданного значения в течение нескольких миллисекунд.
Подготовка образца гексаде-кана к испытаниям производилась осушкой с помощью сили-
48
вепвогв & Эувгетв • № 10.2014
Рис. 4. Изменение температуры вскипания гексадекана при насыщении его влагой через паровую фазу
кагеля в течение 4 ч, затем была взята проба и проверена в лаборатории химического анализа. Влагосодержание образца составило 15 г/т (15 ррт).
После подготовки образец обводнялся через паровую фазу в течение 5 ч с одновременным контролем температуры потери термоустойчивости. Поиск этой температуры производился путем ступенчатого повышения значения 7\ изменением шага цифрового потенциометра, цикл поиска занимал порядка 1 мин. Время между шагами изменения температуры нагрева 7\ составляло 5 с.
На рис. 4 показано изменение температуры вскипания гексадекана при его насыщении влагой через паровую фазу. На начальном этапе влагосодержание составляло 15 г/т, на конечном этапе — 37 г/т. Значения влагосодержания определялись по методу Фишера в специализированной лаборатории.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проверена зависимость температуры вскипания исследуемой жидкости от содержания
летучей примеси. Показано, что температура потери термоустойчивости Т* образца уменьшается с 300 до 240 °С в процессе увлажнения гексадекана из паровой фазы в нормальных условиях.
Разработано устройство для импульсно-теплового контроля диэлектрических жидкостей, содержащее элементы автоматической подстройки для работы с образцами, значительно различающимися по своим свойствам. Работа устройства продемонстрирована в режиме мониторинга процесса увлажнения гексадекана. Регулировка интенсивности нагрева на измерительном участке позволяет выбрать интервал наибольшей чувствительности к с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.