RU2291308C1

RU2291308C1 - Device for checking concentration of foot particles in diesel oil

Info

Publication number: RU2291308C1
Application number: RU2005112958/06A
Authority: RU
Inventors: Любовь Васильевна Маркова (BY); Любовь Васильевна Маркова; Николай Константинович Мышкин (BY); Николай Константинович Мышкин; Михаил Саввич Семенюк (BY); Михаил Саввич Семенюк; Владимир Михайлович Макаренко (BY); Владимир Михайлович Макаренко
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2007-01-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used for estimating contamination of diesel oil with particles of soot for replacement of oil in due time. Level of oil contamination is estimated by change of intensity of optical radiation passing through optical rod owing to complete internal reflection on interface of sensitive cylindrical surface - oil. Change of intensity is measured caused both by change of absorption in layer of penetration of radiation into oil and change of refraction index of oil at increase of concentration of soot particles in oil. Optical rod is made of optical material whose refraction index of which is greater than refraction index of engine oil under testing, ratio of length of rod to its diameter being not less than 10:1. first end face of rod square to optical axis is in contact with source and receiver of optical radiation, and second end face of rod square to optical axis is provided with reflecting mirror coating. Cleaning of sensitive surface of optical element is done by means of electrostatic field. Concentration of soot particles in oil is evaluated basing on change of measured signal relative to signal received at testing of clean oil with use of calibration relationship.

EFFECT: provision of high accuracy and reliability of evaluation of contamination of diesel oil with particles and replacement of contaminated oil in due time.

11 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оценки уровня загрязненности частицами сажи масла дизельного двигателя для своевременной его замены.The invention relates to mechanical engineering and can be used to assess the level of contamination by soot particles of diesel engine oil for its timely replacement.

Современные малогабаритные дизельные двигатели все шире используются в моделях легковых автомобилей благодаря высокой эффективности использования топлива и его низкой стоимости относительно топлива бензиновых двигателей. В то же время организации защиты окружающей среды требуют соблюдения более строгих норм выхлопов оксидов азота и углерода как двигателей легковых автомобилей, так и тяжело нагруженных дизельных двигателей грузовых автомобилей и автобусов. Ужесточенный контроль за выхлопом оксидов азота и сажи привел, в частности, к использованию рециркуляции выхлопного газа. Как следствие концентрация сажи в масле сильно увеличивается, вызывая ряд проблем: потеря диспергирующе-стабилизирующих и противоизносных свойств масла, образование шлама, осаждение на стенках и перекрытие прохода масла, увеличение вязкости, забивка фильтра.Modern small-sized diesel engines are increasingly used in passenger car models due to the high fuel efficiency and its low cost relative to gasoline fuel. At the same time, environmental organizations require compliance with more stringent nitrogen and carbon oxide emissions standards for both passenger car engines and heavily loaded diesel engines for trucks and buses. Tighter control of the exhaust of nitrogen oxides and soot has led, in particular, to the use of exhaust gas recirculation. As a result, the concentration of soot in the oil increases significantly, causing a number of problems: loss of the dispersing-stabilizing and antiwear properties of the oil, sludge formation, deposition on the walls and blocking of the oil passage, increase in viscosity, filter clogging.

В настоящее время срок службы масла до замены обычно определяется согласно нормам, установленным по пробегу автомобиля или времени эксплуатации. Эти нормы основаны на работе двигателя в нормальном эксплуатационном режиме и не принимают во внимание фактическое качество масла. В связи с этим актуальной задачей является разработка способов и соответствующих устройств оперативной оценки качества масла, в частности, по концентрации частиц сажи.At present, the life of the oil before replacement is usually determined according to the norms established by the vehicle mileage or operating time. These standards are based on normal engine operation and do not take into account the actual quality of the oil. In this regard, the urgent task is to develop methods and appropriate devices for the rapid assessment of oil quality, in particular, by the concentration of soot particles.

Известно устройство для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле, состоящее из корпуса с защитной сеткой, оптического элемента с чувствительной поверхностью, источника и приемника оптического излучения, электронного блока, причем оптический элемент выполнен в виде оптического стержня, боковая цилиндрическая поверхность которого является чувствительной, первый перпендикулярный к оптической оси торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй перпендикулярный к оптической оси торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие, (прототип патент США №6842234, МПК G 01 N 33/28, опубл. 11.01.2005.).A device for measuring the concentration of soot particles in diesel engine oil, consisting of a housing with a protective grid, an optical element with a sensitive surface, an optical radiation source and receiver, an electronic unit, the optical element is made in the form of an optical rod, the lateral cylindrical surface of which is sensitive, the first end of the rod perpendicular to the optical axis is in contact with the source and receiver of optical radiation, and the second perpendicular to the optical Coy axis of the rod end has a specularly reflective coating (prototype US patent №6842234, MPK G 01 N 33/28, publ. 11.01.2005.).

Однако в известном устройстве не предусмотрена очистка чувствительной поверхности оптического элемента, что снижает достоверность измерений.However, the known device does not provide for cleaning the sensitive surface of the optical element, which reduces the reliability of the measurements.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения концентрации частиц сажи в дизельном моторном масле, состоящем из корпуса с защитной сеткой, оптического элемента, выполненного в виде оптического стержня с чувствительной боковой цилиндрической поверхностью, первый, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие, устройство снабжено блоком очистки чувствительной поверхности оптического элемента, корпус изготовлен из электрически непроводящего материала, блок очистки состоит из изолированных электродов, установленных в корпусе коаксиально оптическому стержню, и нанесенного на боковую поверхность стержня прозрачного электрически проводящего покрытия, а защитная сетка имеет ячейки размером 0,25 мм.The problem is solved in that in the device for measuring the concentration of soot particles in diesel engine oil, consisting of a housing with a protective net, an optical element made in the form of an optical rod with a sensitive lateral cylindrical surface, the first end face perpendicular to the optical axis is in contact with the source and receiver of optical radiation, and the second, the end face of the rod perpendicular to the optical axis, has a mirror-reflective coating, the device is equipped with a sensing cleaning unit tion surface of the optical element, the housing is made of electrically non-conductive material, the purification unit consists of isolated electrodes arranged in the housing coaxially with an optical rod, and supported on a side surface of the rod transparent electrically conductive coating, and the protective mesh has a cell size of 0.25 mm.

Очистка чувствительной поверхности оптического элемента от загрязнений осуществляется наложением электростатического поля. Электростатическое поле создается в пространстве между чувствительной поверхностью, имеющей оптически прозрачное электрически проводящее покрытие и системой электродов, расположенной коаксиально оптическому стержню. При этом электростатическое поле воздействует на всю чувствительную поверхность, вызывает наведение электрического заряда на частицах загрязнения и эффективно удаляет их с поверхности за счет сил электростатического отталкивания, не вызывая повреждения чувствительной поверхности, что повышает достоверность результатов измерения.Cleaning the sensitive surface of the optical element from contamination is carried out by applying an electrostatic field. An electrostatic field is created in the space between a sensitive surface having an optically transparent electrically conductive coating and an electrode system located coaxially with the optical rod. In this case, the electrostatic field acts on the entire sensitive surface, induces an electric charge on the pollution particles and effectively removes them from the surface due to electrostatic repulsion forces, without causing damage to the sensitive surface, which increases the reliability of the measurement results.

Изобретение поясняется чертежом, где изображеныThe invention is illustrated in the drawing, which shows

на фиг.1 - схема устройства, в котором источник и приемник оптического излучения представляют собой излучающий диод и фотодиод соответственно;figure 1 - diagram of a device in which the source and receiver of optical radiation are a radiating diode and a photodiode, respectively;

на фиг.2 - сечение А-А фиг.1figure 2 - section aa figure 1

на фиг.3 - схема устройства, в котором источник и приемник оптического излучения представляют собой совокупность излучающего диода и передающего оптического волокна и совокупность фотодиода и приемного оптического волокна соответственно;figure 3 is a diagram of a device in which the source and receiver of optical radiation are a combination of a radiating diode and a transmitting optical fiber and a combination of a photodiode and a receiving optical fiber, respectively;

на фиг.4 - двойное оптическое волокно;figure 4 - dual optical fiber;

на фиг.5 - одно передающее и шесть приемных оптических волокон;figure 5 - one transmitting and six receiving optical fibers;

на фиг.6 - устройство для измерения концентрации частиц сажи, погруженное в масляный бак;figure 6 - a device for measuring the concentration of soot particles, immersed in an oil tank;

на фиг.7 - устройство для измерения концентрации частиц сажи, установленное в линию циркуляции масла;Fig.7 - a device for measuring the concentration of soot particles installed in the oil circulation line;

на фиг.8 - схема, поясняющая прохождение оптического излучения через оптический стержень при тестировании чистого масла;on Fig is a diagram explaining the passage of optical radiation through the optical rod when testing pure oil;

на фиг.9 - схема, поясняющая прохождение оптического излучения через оптический стержень при тестировании масла, загрязненного частицами сажи;Fig.9 is a diagram explaining the passage of optical radiation through the optical rod when testing oil contaminated with soot particles;

на фиг.10 - схема, поясняющая прохождение оптического луча от источника оптического излучения к приемнику через оптический стержень с зеркальным покрытием на втором торце;figure 10 is a diagram explaining the passage of the optical beam from the optical radiation source to the receiver through the optical rod with a mirror coating on the second end;

на фиг.11 - график калибровочной зависимости между концентрацией частиц сажи и выходным сигналом предлагаемого устройства.figure 11 is a graph of the calibration relationship between the concentration of soot particles and the output signal of the proposed device.

Измерение ослабления интенсивности оптического излучения, вызванного увеличением показателя преломления тестируемого масла, осуществляется путем использования источника неколлимированного пучка оптического излучения. Выбирается источник излучения с таким апертурным углом φ_А (максимальный угол между лучом оптического пучка и осью излучателя), чтобы при тестировании чистого моторного масла для всех лучей пучка выполнялось условие полного внутреннего отражения на границе раздела чувствительная поверхность - масло, т.е. чтобы выполнялось условие (фиг.8):The measurement of attenuation of the intensity of optical radiation caused by an increase in the refractive index of the test oil is carried out by using a source of an uncollimated beam of optical radiation. A radiation source with such an aperture angle φ _A (maximum angle between the beam of the optical beam and the axis of the emitter) is selected so that, when testing pure engine oil, the condition of total internal reflection at the sensitive surface-oil interface is satisfied for all beam rays, i.e. to satisfy the condition (Fig):

где θ - угол падения лучей на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло;where θ is the angle of incidence of the rays at the interface, the sensitive surface is the test oil;

θ_кр.0 - критический угол полного внутреннего отражения (ПВО) на границе раздела чувствительная поверхность - чистое масло;θ _kr.0 is the critical angle of total internal reflection ( _AA ) at the interface of the sensitive surface is pure oil;

n₁ - показатель преломления оптического элемента;n ₁ is the refractive index of the optical element;

n_2,0 - показатель преломления чистого тестируемого масла.n _2.0 is the refractive index of the pure test oil.

Взаимосвязь углов φ, образованных лучами пучка излучения источника с осью излучателя в воздухе, с углами θ падения этих лучей на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло, определяется законом преломления. Угол φ_кр (фиг.9), под которым распространяется относительно оси излучателя в воздухе луч пучка, соответствующий критическому углу падения на границу раздела чувствительная поверхность - тестируемое масло (θ_кр), определяется из соотношения:The relationship of the angles φ formed by the rays of the source radiation beam with the axis of the emitter in the air, with the angles θ of incidence of these rays at the interface between the sensitive surface and the test oil, is determined by the law of refraction. The angle φ _cr (Fig. 9), at which the beam beam propagating relative to the axis of the emitter in the air, corresponds to the critical angle of incidence at the interface of the sensitive surface — test oil (θ _cr ), is determined from the relation

Определенный таким образом угол φ_кр является приведенным к воздуху критическим углом.The angle φ _cr defined in this way is the critical angle reduced to air.

При тестировании чистого масла пучок лучей источника, для которых выполняется условие ПВО, ограничится условием (фиг.8)When testing pure oil, the beam of the source rays for which the air defense condition is fulfilled is limited to the condition (Fig. 8)

где φ_кр.0 - приведенный к воздуху критический угол для чистого масла;where φ _kr.0 is the critical angle reduced to air for pure oil;

n_2,0 - показатель преломления чистого масла.n _2.0 is the refractive index of pure oil.

Если апертурный угол источника излучения равен приведенному к воздуху критическому углу для чистого масла:If the aperture angle of the radiation source is equal to the critical angle reduced to air for pure oil:

то все оптическое излучение при тестировании чистого масла проходит через оптический элемент (фиг.8). При увеличении концентрации сажи показатель преломления масла n₂ увеличивается, вследствие чего приведенный к воздуху критический угол φ_кр уменьшается, и часть оптического пучка, проходящего через оптический элемент, уменьшается. Фиг.9 показывает часть потока оптического излучения (заштрихованная часть), прошедшего без отражения границу раздела чувствительная поверхность - масло, т.е. совокупность лучей, для которых не соблюдается условие ПВО.then all the optical radiation when testing pure oil passes through the optical element (Fig. 8). With increasing soot concentration, the refractive index of oil n ₂ increases, as a result of which the critical angle φ _cr reduced to air decreases, and part of the optical beam passing through the optical element decreases. Fig. 9 shows a part of the optical radiation flux (shaded part) that has passed without reflection the interface between the sensitive surface - oil, i.e. set of rays for which the air defense condition is not met.

Т.е. вследствие загрязнения масла частицами сажи увеличивается показатель преломления тестируемого масла, что приводит к увеличению значения критического угла θ_кр, что, в свою очередь, уменьшает часть лучей пучка источника излучения, для которых соблюдается условие ПВО, в результате чего интенсивность излучения на выходе оптического стержня дополнительно уменьшается.Those. as a result of oil pollution by soot particles, the refractive index of the tested oil increases, which leads to an increase in the critical angle θ _cr , which, in turn, reduces the part of the beam of the radiation source for which the air-condition is satisfied, as a result of which the radiation intensity at the output of the optical rod is additionally decreases.

Таким образом, в предлагаемом изобретении при увеличении содержания сажи в масле интенсивность излучения на выходе оптического стержня уменьшается не только за счет его поглощения в слое проникновения излучения в масло, но и за счет уменьшения части лучей пучка источника излучения, прошедшего через оптический стержень вследствие ПВО. Т.е. увеличивается изменение интенсивности излучения на выходе оптического стержня, а следовательно, и сигнала на выходе фотоприемника, что повышает чувствительность измерения концентрации частиц сажи в масле.Thus, in the present invention, with an increase in the carbon black content in the oil, the radiation intensity at the output of the optical rod decreases not only due to its absorption in the layer of radiation penetrating into the oil, but also due to a decrease in the part of the beam of the radiation source transmitted through the optical rod due to air defense. Those. the change in the radiation intensity at the output of the optical rod and, consequently, the signal at the output of the photodetector increases, which increases the sensitivity of measuring the concentration of soot particles in oil.

В изобретении оптический элемент выполнен в виде оптического стержня, боковая цилиндрическая поверхность которого является чувствительной, первый, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня находится в контакте с источником и приемником оптического излучения, а второй, перпендикулярный к оптической оси, торец стержня имеет зеркально отражающее покрытие. Такое исполнение оптического элемента конструктивно упрощает ввод оптического излучения к чувствительной поверхности оптического элемента. Наличие зеркально отражающего покрытия на втором торце стержня удваивает длину оптического пути в стержне, что соответственно удваивает число отражений на границе раздела чувствительная поверхность - масло. В результате увеличивается длина оптического пути излучения в масле, которая равна произведению длины оптического пути луча в слое проникновения излучения толщиной h в масло при одном ПВО на число отражений m. Фиг.10 поясняет происхождение луча от источника к приемнику через оптической стержень с зеркальным отражающим покрытием на втором торце.In the invention, the optical element is made in the form of an optical rod, the lateral cylindrical surface of which is sensitive, the first, perpendicular to the optical axis, the end of the rod is in contact with the source and receiver of optical radiation, and the second, perpendicular to the optical axis, the end of the rod has a mirror-reflective coating . This embodiment of the optical element structurally simplifies the input of optical radiation to the sensitive surface of the optical element. The presence of a specularly reflecting coating on the second end of the rod doubles the length of the optical path in the rod, which accordingly doubles the number of reflections at the sensitive surface – oil interface. As a result, the length of the optical path of radiation in oil increases, which is equal to the product of the length of the optical path of the beam in the penetration layer of radiation of thickness h into the oil at one air defense by the number of reflections m. Figure 10 explains the origin of the beam from the source to the receiver through an optical rod with a mirror reflective coating on the second end.

Изменение интенсивности при прохождении излучения по оптическому стержню зависит от концентрации сажи и от длины оптического пути в масле согласно закону Бутера-Ламберта-Бера [Физическая энциклопедия/Гл.ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов.энциклопедия. Т.1. 1988. 704 с.]The change in intensity during the passage of radiation through the optical rod depends on the concentration of soot and on the length of the optical path in the oil according to the Buter-Lambert-Behr law [Physical Encyclopedia / Gl.red. A.M. Prokhorov. - M .: Sov.Encyclopedia. T.1. 1988. 704 p.]

I_вых=I_вх exp(-K_ext,_λd),I _{o out} = I _in exp (-K _ext , _λ d),

где d - оптическая длина пути в масле, d=2hm (m - число отражений); K_ext,λ - показатель экстинкции на длине волны λ, равный сумме натуральных показателей поглощения и рассеяния. В рассматриваемом случае частиц сажи, когда рассеяние намного меньше поглощения, показатель экстинкции равен натуральному показателю поглощения K_ext.λ=α_λ. Натуральный показатель поглощения может быть записан в виде α_λ=k_λ·С_с, где С_с - концентрация частиц сажи в масле, k_λ - коэффициент, не зависящий от С_с и характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества с излучением на длине волны λ. Т.о. увеличение длины оптического пути излучения в масле увеличивает изменение выходного сигнала, т.е. повышает чувствительность к концентрации частиц сажи.where d is the optical path length in oil, d = 2hm (m is the number of reflections); K _{ext, λ} is the extinction index at the wavelength λ, equal to the sum of the natural absorption and scattering indices. In the case of soot particles under consideration, when the scattering is much less than the absorption, the extinction coefficient is equal to the natural absorption coefficient K _ext.λ = α _λ . The natural absorption index can be written in the form α _λ = k _λ · C _s , where C _c is the concentration of soot particles in the oil, k _λ is a coefficient independent of C _s and characterizing the interaction of the molecule of the absorbing substance with radiation at the wavelength λ. T.O. an increase in the length of the optical radiation path in the oil increases the change in the output signal, i.e. increases sensitivity to the concentration of soot particles.

Оптический стержень изготовлен из оптического материала, показатель преломления которого больше показателя преломления тестируемого моторного масла (больше 1,5) для реализации условия ПВО. Если использовать оптический материал с показателем преломления меньшим или равным показателю преломления масла, то ни для одного пучка излучения не будет выполняться условие ПВО (уравнение 1) и на выходе сигнал будет близок к нулю. Отношение длины стержня L к его диаметру D выбирается максимально возможным для обеспечения максимального числа отражений (среднее число отражений определяется по формуле

), ограничивается технологическими возможностями изготовления таких стержней и составляет не менее 10:1.The optical rod is made of optical material, the refractive index of which is greater than the refractive index of the test engine oil (more than 1.5) to realize the air defense condition. If you use optical material with a refractive index less than or equal to the refractive index of the oil, then for no radiation beam the air defense condition (equation 1) will be satisfied and the signal will be close to zero at the output. The ratio of the length of the rod L to its diameter D is selected as maximum as possible to ensure the maximum number of reflections (the average number of reflections is determined by the formula

), is limited by the technological capabilities of manufacturing such rods and is at least 10: 1.

Дополнительно к этому выбирается такой источник излучения, апертурный угол которого равен приведенному к воздуху критическому углу полного внутреннего отражения для границы раздела чувствительная поверхность - чистое тестируемое масло. Если апертурный угол источника излучения больше приведенного к воздуху критического угла для чистого масла, то не все излучение при тестировании чистого масла проходит через оптический стержень, и выходной сигнал будет меньше, чем в случае выполнения равенства (2). Если же апертурный угол источника излучения меньше приведенного к воздуху критического угла для чистого масла, то весь пучок излучения будет проходить через оптический стержень при низких концентрациях частиц сажи до тех пор, пока содержание сажи и соответственно показатель преломления масла повысится настолько, что приведенный к воздуху критический угол станет равным апертурному углу источника излучения. Т.е. в этом случае не обеспечена чувствительность к малым концентрациям частиц сажи. Таким образом, оптимальным для реализации максимальной чувствительности к содержанию сажи в масле является источник с апертурным углом, равным приведенному к воздуху критическому углу для чистого масла.In addition to this, a radiation source is selected whose aperture angle is equal to the critical angle of total internal reflection reduced to air for the interface between the sensitive surface and the pure test oil. If the aperture angle of the radiation source is greater than the critical angle for pure oil reduced to air, then not all radiation when testing pure oil passes through the optical rod, and the output signal will be smaller than in the case of equality (2). If the aperture angle of the radiation source is less than the critical angle for pure oil reduced to air, then the entire radiation beam will pass through the optical rod at low concentrations of soot particles until the soot content and, accordingly, the refractive index of the oil increase so much that the critical value brought to air the angle becomes equal to the aperture angle of the radiation source. Those. in this case, sensitivity to low concentrations of soot particles is not ensured. Thus, a source with an aperture angle equal to the critical angle reduced to air for pure oil is optimal for realizing maximum sensitivity to soot content in oil.

Кроме того, блок очистки чувствительной поверхности оптического элемента состоит из системы изолированных электродов, установленных в корпусе коаксиально оптическому стержню, и нанесенного на боковую цилиндрическую поверхность оптического стержня оптически прозрачного электрически проводящего покрытия. Система изолированных электродов представляет собой совокупность тонких металлических цилиндрических стержней (двух или более), установленных в корпусе равномерно по окружности вокруг оптического стержня таким образом, что их оси параллельны оси оптического стержня, а расстояние между поверхностями оптического стержня и электрода не превышает диаметра оптического стержня. В качестве оптически прозрачного электрически проводящего покрытия может использоваться, например, проводящее покрытие из оксидов индия и олова, известное как ITO (Indium Tin Oxide), толщина которого намного меньше (в десять раз и более) волны оптического излучения. Такая толщина покрытия не оказывает существенного влияния на проникновение оптического излучения в тестируемое масло. На электроды подается потенциал одной полярности, а на проводящее покрытие - противоположной полярности. Разность потенциалов составляет 20-50 В в зависимости от конструктивных размеров. Для более эффективной очистки полярность прикладываемого напряжения периодически меняется. Так, если полная очистка выполняется в течение 5 минут, то полярность переключается каждые 0,5 минут. Такая конструкция блока очистки позволяет заменить механический метод очистки электростатическим, что обеспечивает повышение качества очистки и соответственно достоверности измерений.In addition, the cleaning unit for the sensitive surface of the optical element consists of a system of insulated electrodes mounted in a housing coaxially to the optical rod, and an optically transparent electrically conductive coating deposited on the side cylindrical surface of the optical rod. The system of insulated electrodes is a collection of thin metal cylindrical rods (two or more) installed in the housing uniformly around the circumference around the optical rod in such a way that their axes are parallel to the axis of the optical rod and the distance between the surfaces of the optical rod and electrode does not exceed the diameter of the optical rod. As an optically transparent electrically conductive coating, for example, a conductive coating of indium and tin oxides, known as ITO (Indium Tin Oxide), the thickness of which is much less (ten times or more) of the wave of optical radiation, can be used. This coating thickness does not significantly affect the penetration of optical radiation into the test oil. The potentials of one polarity are applied to the electrodes, and the opposite polarity to the conductive coating. The potential difference is 20-50 V, depending on the structural dimensions. For more effective cleaning, the polarity of the applied voltage changes periodically. So, if a complete cleaning is performed within 5 minutes, then the polarity is switched every 0.5 minutes. This design of the cleaning unit allows you to replace the mechanical cleaning method with an electrostatic one, which improves the quality of cleaning and, accordingly, the reliability of the measurements.

Кроме того, защитная сетка расположена коаксиально оптическому стержню и имеет ячейки размером 0,25 мм. Защитная сетка служит для предотвращения попадания на чувствительную поверхность оптического стержня крупных загрязнений и воздушных пузырей.In addition, the protective mesh is located coaxially with the optical rod and has 0.25 mm cells. A protective net is used to prevent large contaminants and air bubbles from entering the sensitive surface of the optical rod.

Устройство содержит оптический стержень 1, источник и приемник оптического излучения, в качестве которых могут, в частности, использоваться излучающий диод 2 и фотодиод 3 (фиг.1). Дополнительно могут быть использованы оптические волокна 5 (фиг.3), позволяющие удалить излучающий диод и фотодиод из зоны измерений, устранив тем самым влияние температуры, и разместить их в электронном блоке, что позволяет снизить электрические помехи. Источник и приемник оптического излучения состыкованы с первым торцом оптического стержня 1, а на втором торце стержня нанесено отражающее зеркальное покрытие 4. Кроме того, боковая цилиндрическая поверхность оптического стержня, являющаяся чувствительной, имеет оптически прозрачное электрически проводящее покрытие 7, которое является элементом блока очистки чувствительной поверхности, включающего также систему изолированных электродов 6, установленных коаксиально оптическому стержню в корпусе 9, изготовленном из электрически непроводящего материала. Напряжение на электроды и проводящее покрытие подается от электронного блока (на фиг.1 и 3 не показан) по кабелю 12. Оптический стержень установлен в корпусе 9 с помощью резинового кольца 11 и втулки 10. Кроме того, коаксиально оптическому стержню в корпусе 9 установлена защитная сетка 8, служащая для предотвращения попадания на чувствительную поверхность оптического стержня крупных загрязнений и воздушных пузырей. В устройстве может использоваться два волокна или более. На фиг.4 показано применение двойного оптического волокна 5' и 5". Передающее волокно 5' служит для передачи излучения от источника излучения к оптическому элементу 1, приемное оптическое волокно 5" служит для передачи излучения от оптического элемента к фотоприемнику. В этом случае только часть оптического пучка, отраженного от цилиндрической поверхности, попадает в передающее волокно и на фотоприемник. Использование же нескольких оптических волокон позволяет направить в фотоприемник большую часть оптического излучения. Фиг.5 иллюстрирует использование одного передающего 5' и шести приемных оптических волокон 5", окружающих передающее. В этом случае большая часть пучка излучения, вышедшего из оптического стержня, попадает на приемные волокна и на фотоприемник.The device contains an optical rod 1, a source and a receiver of optical radiation, which can, in particular, be used emitting diode 2 and photodiode 3 (figure 1). Optionally, optical fibers 5 can be used (FIG. 3), which allow one to remove the emitting diode and photodiode from the measurement zone, thereby eliminating the influence of temperature, and place them in the electronic unit, which can reduce electrical noise. The optical radiation source and receiver are connected to the first end of the optical rod 1, and a reflective mirror coating 4 is applied to the second end of the rod 4. In addition, the lateral cylindrical surface of the optical rod, which is sensitive, has an optically transparent electrically conductive coating 7, which is an element of the sensitive cleaning unit surface, which also includes a system of insulated electrodes 6 mounted coaxially to an optical rod in a housing 9 made of electrically non-conductive odyaschego material. The voltage to the electrodes and the conductive coating is supplied from the electronic unit (not shown in FIGS. 1 and 3) via cable 12. An optical rod is installed in the housing 9 using a rubber ring 11 and a sleeve 10. In addition, a protective coaxial to the optical rod is installed in the housing 9 mesh 8, which serves to prevent large contaminants and air bubbles from entering the sensitive surface of the optical rod. The device may use two or more fibers. Figure 4 shows the use of a double optical fiber 5 'and 5 ". The transmitting fiber 5' serves to transmit radiation from the radiation source to the optical element 1, the receiving optical fiber 5" serves to transmit radiation from the optical element to the photodetector. In this case, only a part of the optical beam reflected from the cylindrical surface enters the transmitting fiber and the photodetector. The use of several optical fibers allows directing most of the optical radiation into the photodetector. Figure 5 illustrates the use of one 5 'transmitting and six 5 "receiving optical fibers surrounding the transmitting. In this case, most of the radiation beam emerging from the optical rod enters the receiving fibers and the photodetector.

Устройство может быть выполнено погружным, установлено в стенке 18 масляного бака (фиг.6). Излучающий диод и фотодиод устанавливаются в электронном блоке 13, на индикаторе 14 которого отображается результат тестирования.The device can be made submersible, installed in the wall 18 of the oil tank (Fig.6). The emitting diode and photodiode are installed in the electronic unit 13, on the indicator 14 of which the test result is displayed.

На фиг.7 представлено устройство, установленное с помощью держателей 17, в линию циркуляции масла с помощью переходной втулки 16, которая вмонтирована в разрыве трубопровода 20. Во втулке 16 закреплен также оптический разъем 15 для стыковки оптических волокон 5, находящихся в трубопроводе 20, с волокнами 21, расположенными вне трубопровода и служащими для передачи оптических сигналов к электронному блоку 13.7 shows a device installed using the holders 17, in the oil circulation line using the adapter sleeve 16, which is mounted in the gap of the pipe 20. In the sleeve 16 is also attached an optical connector 15 for connecting optical fibers 5 located in the pipe 20, fibers 21 located outside the pipeline and serving to transmit optical signals to the electronic unit 13.

Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливается в область циркуляции масла (масляный бак или трубопровод). После заполнения масляной системы чистым маслом измеряется сигнал U₀ на выходе фотоприемника 3 и наносится в память микропроцессора. Затем измерения выходного сигнала U выполняются периодически через фиксированный интервал времени ΔТ_изм. Измеренные значения сигнала U сравниваются со значением U₀ и по относительному изменению сигналов (U-U₀)/U₀ с использованием калибровочной зависимости (фиг.11) определяется концентрация частиц сажи, содержащихся в масле. Вся обработка сигнала выполняется микропроцессором в электронном блоке 13. Результат выводится на индикатор 14. В начальный момент после запуска двигателя включается система очистки чувствительной поверхности оптического стержня 1 - включается размещенный в электронном блоке источник напряжения, подаваемого на электроды 6 в течение времени Δτ_старт. При дальнейшей работе двигателя очистка проводится периодически через заданные интервалы времени ΔТ_очист. в течение времени Δτ. Управление подачей напряжения в блок очистки (проводящее покрытие и электроды) осуществляется с помощью микропроцессора электронного блока.The device operates as follows. The device is installed in the oil circulation area (oil tank or pipeline). After filling the oil system with clean oil, the signal U ₀ is measured at the output of the photodetector 3 and is stored in the microprocessor memory. Then the measurements of the output signal U are carried out periodically through a fixed time interval ΔT _meas . The measured values of the signal U are compared with the value U ₀ and the relative change in the signals (UU ₀ ) / U ₀ using the calibration curve (Fig. 11) determines the concentration of soot particles contained in the oil. All signal processing is performed by the microprocessor in the electronic unit 13. The result is displayed on the indicator 14. At the initial moment after the engine starts, the system for cleaning the sensitive surface of the optical rod 1 is turned on - the voltage source located in the electronic unit is turned on and supplied to the electrodes 6 for the time Δτ _start . With further engine operation, cleaning is carried out periodically at predetermined time intervals ΔT _cleaning . over time Δτ. The voltage supply to the cleaning unit (conductive coating and electrodes) is controlled by the microprocessor of the electronic unit.

Устройство конструкции, приведенной на фиг.6, устанавливали в масляный бак системы циркуляции масла. Тестируемым маслом являлось дизельное моторное масло API CF-4, имеющее вязкость 15 W-40 и оптический показатель преломления n_2,0=1,48. Оптический стержень изготовлен из оптического стекла БК-8 (показатель преломления n₁=1,55) и имеет длину L=40 мм и диаметр D=3 мм. На чувствительную поверхность нанесено оптически прозрачное электрически проводящее покрытие ITO, имеющее поверхностное сопротивление

и толщину около 30 Å (3 нм). В качестве источника излучения в устройстве использовался ИК-диод EL-1ML2 с длиной волны оптического излучения 940 нм, состыкованный с оптическим стержнем через оптическое волокно. Для обеспечения максимальной чувствительности выбрано оптическое волокно, апертурный угол которого удовлетворяет условию (2):

The design device shown in Fig.6, was installed in the oil tank of the oil circulation system. The test oil was API CF-4 diesel engine oil having a viscosity of 15 W-40 and an optical refractive index of n _2.0 = 1.48. The optical rod is made of BK-8 optical glass (refractive index n ₁ = 1.55) and has a length L = 40 mm and a diameter D = 3 mm. An ITO optically transparent electrically conductive coating having a surface resistance is coated on a sensitive surface.

and a thickness of about 30 Å (3 nm). An EL-1ML2 infrared diode with a wavelength of optical radiation of 940 nm coupled to an optical rod through an optical fiber was used as a radiation source in the device. To ensure maximum sensitivity, an optical fiber was chosen whose aperture angle satisfies condition (2):

Полимерное оптическое волокно, имеющее диаметр сердцевины 1 мм и апертурный угол 28°, удовлетворяет этому требованию и является достаточно дешевым для широкого применения. В качестве фотоприемника использовался фотодиод SP-1ML, на который оптическое излучение от оптического стержня передается по полимерному оптическому волокну. Электроды изготовлены из нержавеющей стали и имеют диаметр 1 мм. Расстояние между поверхностями электродов и оптического стержня составляет 1 мм. В управляющей программе задавались следующие значения интервалов времени: ΔТ_изм=10 мин, ΔТ_очист=185 мин, Δτ=5 мин. Для очистки на электроды и проводящее покрытие оптического стержня подавалась разность потенциалов, равная 30 В, полярность напряжения при очистке в течение Δτ=5 мин менялась каждые 0,5 минуты. Масляный бак заполнялся чистым дизельным моторным маслом API CF-4, имеющим вязкость 15W-40. Включалась система циркуляции масла и измерялся выходной сигнал U₀=7,6 В и автоматически заносился в память микропроцессора. Затем в масло вводились частицы сажи (печная сажа - Degussa Furnace Black S160) таким образом, что в масле концентрация сажи менялась ступенчато. Измерения выходного сигнала выполнялись периодически через интервал времени ΔТ_изм=10 мин. Средние значения сигналов при изменении концентрации частиц сажи составили U=6,6 В, U=5,7 В, U=4,6 В и U=2,8 В. В ходе измерений вычислялось относительное изменение сигнала (U-U₀)/U₀ и с использованием калибровочной зависимости (фиг.11) определялась концентрация частиц сажи, содержащихся в масле. Так, результаты тестирования показали, что концентрация частиц сажи в масле изменялась ступенчато и составляла 1%, 2%, 3% и 5% соответственно измеренным выходным сигналам.A polymer optical fiber having a core diameter of 1 mm and an aperture angle of 28 ° satisfies this requirement and is cheap enough for widespread use. As the photodetector, a SP-1ML photodiode was used, to which optical radiation from the optical rod is transmitted through a polymer optical fiber. The electrodes are made of stainless steel and have a diameter of 1 mm. The distance between the surfaces of the electrodes and the optical rod is 1 mm. The control program asked the following values of the time intervals: _MOD? T = 10 min, _wat? T = 185 min, Δτ = 5 min. For cleaning, the potential difference equal to 30 V was applied to the electrodes and the conductive coating of the optical rod; the polarity of the voltage during cleaning for Δτ = 5 min changed every 0.5 minutes. The oil tank was filled with API CF-4 pure diesel engine oil having a viscosity of 15W-40. The oil circulation system was switched on and the output signal U ₀ = 7.6 V was measured and automatically entered into the microprocessor memory. Then soot particles (furnace soot — Degussa Furnace Black S160) were introduced into the oil in such a way that the soot concentration in the oil changed stepwise. Measurements of the output signal were carried out periodically through the time interval ΔТ _ISM = 10 min. The average signal values when changing the concentration of soot particles were U = 6.6 V, U = 5.7 V, U = 4.6 V and U = 2.8 V. During the measurements, the relative signal change (UU ₀ ) / U was calculated ₀ and using the calibration dependence (Fig. 11), the concentration of soot particles contained in the oil was determined. So, the test results showed that the concentration of soot particles in the oil changed stepwise and amounted to 1%, 2%, 3% and 5%, respectively, of the measured output signals.

Предложенное изобретение позволит с высокой точностью и достоверностью проводить оценку уровня загрязненности частицами сажи масла дизельного двигателя и своевременно выполнять замену загрязненного масла.The proposed invention will allow with high accuracy and reliability to assess the level of contamination by soot particles of diesel engine oil and timely replace the contaminated oil.

Claims

A device for measuring the concentration of soot particles in diesel engine oil, consisting of a housing with a protective net, an optical element made in the form of an optical rod with a sensitive lateral cylindrical surface, the first end face of the rod perpendicular to the optical axis is in contact with the source and receiver of optical radiation, and the second end of the rod perpendicular to the optical axis has a mirror-reflective coating, characterized in that the device is equipped with a cleaning unit for sensitive surface and the optical element, the housing is made of electrically non-conductive material, the purification unit consists of isolated electrodes arranged in the housing coaxially with an optical rod, and supported on a side surface of the rod transparent electrically conductive coating, and the protective mesh has a cell size of 0.25 mm.