ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОРОБОК ПРИВОДОВ ГТД ПО СОСТОЯНИЮ СМАЗКИ
3.1 НАЗНАЧЕНИЕ КАНАЛА.
Средства анализа продуктов износа в маслах подразделяются на встроенные, переносные и средства анализа масла.
В данной дипломной работе я выбираю переносной детектор с датчиком усилия.
Смена масла в системах циркуляционной смазки производится в сроки, установленные заводами-изготовителями. При определении сроков смены масла завод не может учесть всех условий, при которых эксплуатируется ГТД. Основанием для назначения срока смены масла должны служить не стабильные сроки инструкций, а действительное старение масла. В промысловом и морском флоте разрабатывают браковочные показатели для смены циркуляционного масла. К таким показателям следует отнести:
— наличие механических примесей до 1 - 1,5 %;
— наличие воды до 0,5 %;
А также такие показатели как: понижение температуры вспышки, изменение вязкости, увеличение кислотного числа.
При достижение предельного числа одного из указанных показателей в случае невозможности исправления масла в судовых условиях необходимо заменить масло в системе двигателя.
Переносной детектор с датчиком усилия позволит быстро определять наличие примесей в масле и своевременно принимать решение о замене масла.
Использовать такой детектор на судне, значительно выгоднее и проще, чем встроенную в комплексную автоматизацию судна, систему контроля масла. Это связано с простотой конструкции детектора и автономностью его работы. Сделать встроенную систему контроля, значительно сложнее и экономически не целесообразно, т. к. детектор используется периодически, в течении короткого промежутка времени, а комплексная автоматика судна работает не прерывно. В случае поломки детектор легко заменить на новый, в виду его небольшой стоимости. В случае встроенной системы контроля конструкция будет гораздо сложнее и более дорогостоящей.
Переносной детектор не требует создания специального программного обеспечения, что значительной мере упрощает работу по определению продуктов износа в моторном масле.
3.2 СОСТАВ И РАСЧЕТ КАНАЛА.
3.2.1 Функциональная схема детектора.
Функциональная схема детектора представлена на рисунке 24.
Рисунок 24 - Функциональная схема детектора.
Детектирование будет производиться следующим образом.
Из цистерны берётся проба масла 200 мл, стакан с маслом ставится на контактную площадку детектора, на усилие, производимое стаканом, реагирует датчик усилия. Выходной сигнал с датчика усиливается, проходя через двухкаскадный усилитель, после чего попадает в вычитающий усилитель, где сравнивается с номинальным сигналом. Номинальный сигнал – это аналог напряжения с датчика усилия, создаваемого воздействием на него стакана чистого масла. Реализуется номинальное напряжение источником питания. При наличии примесей в пробе масла, разность напряжений поступает на милливольтметр, шкала которого имеет три, обозначенные зелёным, жёлтым и красном цветами, зоны (рисунок 28). В зависимости от количества примесей в пробе масла, показания прибора будут находиться в определённой зоне. Зелёная зона – отсутствие или незначительное количество примесей, жёлтая – допустимый уровень примесей, красная - критический уровень примесей. При достижении красной зоны масло следует заменить.
3.2.2 Комплектующие детектора
Основным элементом детектора является датчик усилия. Для данной дипломной работы выбираем датчик усилия FSL 05N2C компании Honeywell.
Данная серия тензодатчиков предназначена для прецизионного измерения величины приложенного усилия в диапазоне 0 … 0,5 кг. Основой приборов является пьезорезистивный чувствительный элемент (измерительный мост), изготовленный с использованием современной технологии микромашининга. Выходной сигнал датчика снимается непосредственно с измерительного моста. Несмотря на отсутствие цепей термокомпенсации, выходной сигнал очень стабилен во всем диапазоне измеряемых усилий. Принцип работы датчиков основан на изменении сопротивлений имплантированных в кремниевую диафрагму пьезорезисторов измерительного моста под воздействием внешнего усилия, взывающего их деформацию. В результата происходит разбалланс моста, что влечет появление напряжения на выходе. Величина этого напряжения линейно зависит от приложенного усилия. Внешнее усилие передается к сенсору через металлический плунжер, изготовленный из нержавеющей стали, который находится в прямом контакте диафрагмой. Датчик может быть легко размещен как на печатной плате, так и на отдельном кронштейне-держателе (дополнительный аксессуар). Конструкторский дизайн с элементами передовой эластомерной технологии обеспечивает стойкость к перегрузкам до 4.5 кг.
Таблица 8 - Основные технические характеристики датчика усилия FSL05N2C
наимен. | раб. диап.,г | чувствит.,мв/г | нелин.,г | размах вых напр, мВ | входн импеданс, Ом | выходн импеданс, Ом | Траб, ºС | Uп, В | I max, мА |
FSL05N2C | 0:500 | 0.12 | +10 | 60 | 4500 | 5000 | +2:+40 | 10 | 1,6 |
На рисунке 25 представлен внешний вид датчика усилия.
Рисунок 25 - Внешний вид датчика усилия FSL05N2C.
Для определения усилия создаваемого маслом, требуется емкость, в которую будет сливаться из масло. В качестве ёмкости будем использовать стакан объёмом 200 мл и весом 70 гр. Стакан будет плотно закрываться крышкой, что бы избежать расплёскивания масла. Учитывая, что плотность масла равна 
, получим 180 гр. масла в стакане с объёмом 200мл. Таким образом, масса стакана с чистым маслом будет равна 250 гр. На выходе датчика будет напряжение 30 мВ. После усиления в 50 раз эта величина составит 1,5 В.
При наличии примесей масса масла увеличится, следовательно, напряжение на выходе датчика также увеличится. Для того, что бы найти разность напряжений создаваемых массой чистого масла и маслом с примесями используется вычитающий усилитель. Количество примесей в масле не должно превышать 1 – 1,5%, это значит что в стакане, на 180 гр. должно быть не более 1,8 – 2,7 гр. Чувствительность датчика позволяет выявить 2 гр. Таким образом, на выходе вычитающего усилителя после сравнения номинального напряжения с напряжение фактическим будет несколько милливольт.
В качестве устройства индикации будем использовать милливольтметр с пределом измерения 15 мВ (рисунок 28) . При наличии, в пробе масла, 2 гр. примесей милливольтметр покажет значение напряжения равное 12 мВ.
Усилитель детектора DD1 построен на ИМС AD8052.
Вычитающий усилитель DD2 построен на ИМС AD8051.
Напряжение питания этих микросхем 5 В.
Рисунок 26 - Принципиальная схема ИМС AD8052 и ИМС AD8051.[8]
В схеме используется блок питания 10 В. С помощью делителя напряжений (рисунок 6), создаётся номинальное напряжение 1,5 В, подаваемое на вход вычитающего усилителя, и напряжение питания ИМС 5 В.
Расчёт делителя напряжений.
кОм
В
мА
В
В
Рисунок 27 - Делитель напряжений.
Расчёт параметров усилителя:
Операционный усилитель выполняется на двух каскадах.
Коэффициент усиления масштабирующего усилителя 
Коэффициент усиления первого каскада 
Выбираем в соответствии с номинальными рядами Е24
Ом
Ом
Коэффициент усиления второго каскада 
Выбираем в соответствии с номинальными рядами Е24
кОм
кОм
Рисунок 28 - Лицевая панель вольтметра.
При включении детектора загорается светодиод (на рисунке 29 обозначен L).
Электрическая принципиальная схема детектора представлена на рисунке 29.
Рисунок 29 - Схема электрическая принципиальная детектора.
3.2.3 Энергообеспечение канала
В качестве энергоблока используется аккумуляторная батарея.
Все резисторы в схеме мощностью 0,063 Вт, количество резисторов в схеме 10 штук. Микросхема AD8052 потребляет 0,044 Вт. Микросхема AD8051 – 0,022 Вт. Датчик потребляет 0,016 Вт. Приблизительна потребляемая мощность светодиода 0,010 Вт. Таким образом, вся потребляемая детектором мощность будет равна приблизительно 0, 8 Вт, с учётом мощности потребляемой милливольтметром. Получаем 
кВтּч. Учитывая что, детектор будет работать не постоянно, а периодически по мере надобности в проведении измерений в течении нескольких минут, выберем мощность блока питания 4 Вт. Этот блок питания проработает 5 часов, этого хватит как минимум на 30 измерений. Поле чего потребуется зарядка аккумулятора.
3.2.4 Связь с ПК
В данном случае использовать прямую связь с ПК не целесообразно т. к. не требуется запоминания и обработки большого количества информации. Поэтому данные будут вноситься в статистическую базу вручную.
Следует отметить, что при необходимости детектор можно доработать для связи с ПК. Для этого надо добавить АЦП и интерфейс. Также должно быть разработано адекватное программное обеспечение для сбора и хранения информации.
3.3 ПРИНЦИП РАБОТЫ КАНАЛА
Алгоритм определения состояния рабочей среды следующий.
Проба масла берётся из сливной цистерны, плотно закрытый крышкой стакан с маслом устанавливается на специально отведённое под стакан место на детекторе. Стакан ставится непосредственно на датчик. Детектор при этом должен находиться в горизонтальном положении на ровной поверхности. По отклонению стрелки милливольтметра, можно увидеть в каком состоянии находится масло. После измерения показания милливольтметра вносятся в статистическую базу. Масло из стакана заливается обратно в масляную систему. Стакан моется и не используется до следующего измерения.
В зависимости от количества примесей в пробе масла показания прибора будут находится в определённой зоне на шкале. Зелёная зона – отсутствие или незначительное количество примесей, жёлтая – допустимый уровень примесей, красная - критический уровень примесей. При достижении красной зоны масло следует заменить.
Пробы масла берутся через определённые промежутки времени. В зависимости от состояния масла в масляной системе интервалы между измерениями уменьшаются.
Предполагается, что после запуска системы с чистым маслом интервал измерений составит одно измерение в две недели. При достижении жёлтой зоны интервал следует уменьшить в два раза, т. е. проводить одно измерение раз в неделю. По мере приближения показаний милливольтметра к критической красной зоне интервал следует уменьшать до одного измерения в 2-3 дня. При достижении красной зоны нужно заменить масло.
Наблюдая за показаниями милливольтметра и можно выявить тенденцию деградации масла и сделать предположение об остаточном ресурсе рабочей среды масляной системы. Таким образом, заранее подготовиться к смене масла системы коробки приводов.
Рисунок 30 - Алгоритм работы.
