Резистивный метод и устройство контроля электрических параметров жидких смазочных материалов 05. 11. 13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий icon

Резистивный метод и устройство контроля электрических параметров жидких смазочных материалов 05. 11. 13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий


Смотрите также:
Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел по параметрам...
Электрофизические методы неразрушающего контроля и формирования металлодиэлектрических структур...
Метод контроля модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры в железобетонных балках 05. 11...
Паспорт специальности 05. 11. 13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ...
Совершенствование метода контроля и учёта качества отопления в городском хозяйстве 05. 11...
Федеральное агентство железнодорожного транспорта...
Оптимизация параметров многоканальных непрерывно -сканирующих систем цифровой рентгенографии...
Система сбора и представления информации о качестве изготовления кабельного изделия...
Система сбора и представления информации о качестве изготовления кабельного изделия...
Повышение эффективности управления импульсными невзрывными источниками «Енисей» при...
Измерение параметров рассеяния устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных...
Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при...



Загрузка...
скачать


На правах рукописи


ДАВЫДОВА НАДЕЖДА ВЛАДИМИРОВНА


РЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ


05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Орел - 2012 г.


Работа выполнена на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор




кандидат технических наук, доцент

Ногачёва Татьяна Ивановна


Официальные оппоненты: Куценко Станислав Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»,

зав. кафедрой «Химия


Щекотихин Сергей Николаевич,

кандидат технических наук

Академии ФСО России,

ст. преподаватель кафедры №7


Ведущая организация: МГТУ им. Н.Э. Баумана


Защита состоится «17» апреля 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» по адресу: 302020, Россия, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»


Автореферат разослан «15» марта 2012 г.


Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.182.01,

кандидат технических наук, доцент __________ Волков В. Н.
^

Общая характеристика работы


Актуальность работы. Подавляющее большинство машин и механизмов при своей работе используют смазочные материалы, от качества которых напрямую зависит их работоспособность и долговечность. Своевременная диагностика текущего состояния жидкого смазочного материала представляет важную задачу при решении широкого круга вопросов анализа качества горюче-смазочных материалов.

Качество смазочного материала зависит от множества физико-химических свойств, зачастую изменяющихся в процессе эксплуатации. Для оценки состояния любого смазочного материала ГОСТ 4.24-84 предлагает широкую номенклатуру показателей качества. При этом процедура определения качества смазочного материала по этим рекомендуемым показателям оказывается достаточно трудоёмкой и длительной, требующей наличия специально оборудованной лаборатории и квалифицированных специалистов.

Поэтому в настоящее время проводят поиск новых более доступных, простых и точных способов оценки текущего состояния смазочного материала. Для этих целей начинают активно использовать такие электрические показатели качества смазочных материалов как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, а также их частотные дисперсии, для которых можно найти функциональные или корреляционные связи между их значениями и значениями стандартных показателей их качества.


Существенный вклад в развитие этого направления внесли В.Ф. Кукоз, В.Д. Хула, А.В. Тарасов, Н.Г. Подгайный (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)), В.Л. Лашхи, Г.И. Шор, В.А. Золотов (ФГУП «25 ГосНИИ МО РФ»), Б.В. Скворцова (СГАУ), Ю.Г. Подкин (ФГБОУ ВПО ИжГТУ), С.Н. Сычёв, Е.В. Пахолкин (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» г. Орел) и другие.

Однако одним из основных препятствий для широкого применения электрических параметров при диагностике состояния масел является невысокая точность методов их измерения. Так, например, широко используемые для измерения электрических параметров масел мостовые и резонансные методы позволяют получить достаточную точность измерения только на тех частотах, для которых изготовлены используемые в них образцовые реактивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), при переходе на другие частоты рабочего диапазона точность этих методов снижается. При этом погрешность определения диэлектрической проницаемости достигает 5 %, а тангенса угла диэлектрических потерь − 10 %. Так как диэлектрическая проницаемость при эксплуатации масла меняется не более чем на 30%, а тангенс угла диэлектрических потерь на − 70%, то использование существующих методов измерения не позволяет с достаточной степенью достоверности оценивать состояние смазочных масел. Кроме того существующие методы трудоемки, требуют балансировки или настройки в резонанс и не позволяют исследовать электрические параметры и их частотные дисперсии в тех случаях, когда эти параметры изменяются во времени. И, наконец, в настоящее время не существует методов, позволяющих исследовать дисперсию этих параметров в низкочастотной области.

Таким образом, вопрос разработки методов, позволяющих повысить точность и быстродействие, расширить рабочий частотный диапазон и упростить процедуру определения электрических параметров жидких смазочных материалов является весьма важным и актуальным. Решению этой задачи и посвящена диссертационная работа.


^ Объект исследования: резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

Предмет исследований: принципы реализации и метрологические характеристики резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

^ Целью диссертационной работы является повышение точности и быстродействия измерения электрических параметров жидких смазочных материалов, расширение рабочего частотного диапазона, упрощение процедуры измерения, обеспечение возможности исследования зависимостей электрических параметров жидких смазочных материалов от времени, температуры, напряженности и частоты электрического поля и т. д.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ существующих методов оценки качества смазочного материала с точки зрения их быстродействия, объективности, ширины рабочего частотного диапазона, обеспечения требуемой точности, простоты процесса измерения и его автоматизации;

2) обосновать принцип и способ реализации резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов без использования образцовых реактивных элементов;

3) провести теоретические исследования чувствительности и точности резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных масел, на основе которого разработать научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов реализации резистивного метода, исходя из условия обеспечения наибольшей точности и чувствительности;

4) разработать методику определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом;

5) разработать экспериментальную установку для апробации резистивного метода контроля электрических параметров жидких смазочных материалов;

6) провести экспериментальные исследования электрических параметров стандартных калибровочных жидкостей и смазочных масел резистивным методом с целью апробации метода и подтверждения достоверности заложенных в его основу теоретических положений и достижения улучшенных метрологических характеристик.

^ Методы и средства исследования. В работе используются методы анализа эквивалентных электрических схем при исследовании процессов протекающих в жидких диэлектриках под действием переменного электрического поля, математический аппарат теории статистики, спектрального анализа, численного и дифференциального исчисления, а также цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных средств измерения и на оригинальных установках, выполненных с использованием средств вычислительной техники.

Достоверность научных положений подтверждается корректностью использования математического аппарата, их практической реализацией и соответствием аналитических данных и выводов, полученных по итогам теоретических исследований, результатам обработки данных экспериментальных исследований.

^ Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

− разработан резистивный метод раздельного определения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостной ячейки, заполненной жидким смазочным материалом, отличающийся тем, что вместо образцовых реактивных элементов в измерительную цепь последовательно с емкостной ячейкой включаются поочередно или одновременно два образцовых активных сопротивления, основанный на поочередном или одномоментном измерении отношений напряжений, создаваемых током, протекающим в измерительной цепи, на соответствующих участках этой цепи к напряжению, падающему на измеряемом сопротивлении емкостной ячейке, и позволяющий по результатам измерения отношений напряжений и значениям образцовых активных сопротивлений определять искомые составляющие сопротивления исследуемой емкостной ячейки;

– теоретически установлены зависимости между параметрами исследуемого смазочного материала, соотношениями образцовых активных сопротивлений, включаемых в измерительную цепь, реализующую резистивный метод, и его чувствительностью и точностью, позволяющими оптимизировать режим измерения;

– разработана методика определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом.

Практическая ценность:

1. Разработаны резистивный метод и устройство контроля электрических параметров смазочных масел, защищенные патентами Российской Федерации на изобретения №2431855 и №2433416.

2. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов измерения резистивным методом.

3. Разработана методика определения электрических параметров жидких смазочных материалов: диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь резистивным методом.

4. Экспериментально обоснована возможность использования резистивного метода для исследования зависимостей электрических параметров жидких смазочных масел от времени, температуры, напряженности и частоты электрического поля и т.д.

5. Показана возможность использования резистивного метода контроля для оценки степени старения смазочных масел.

Результаты диссертации приняты к внедрению на ЗАО «Научприбор» и внедрены в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» в учебный процесс при подготовке специалистов и бакалавров по специальности и направлению «Приборостроение». Кроме того отдельные результаты, полученные соискателем в рамках выполнения диссертационного исследования, использованы при выполнении финансируемых Минобрнауки России научных проектов « Разработка научной базы для технологий триботехнических испытаний и диагностики электрическими методами» по программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 г. № ГР 0120.0504036) и «Теория и принципы интеллектуализации электрических методов мониторинга узлов трения» ( в рамках формирования государственных заданий в высшем учебном заведении на 2012-2014 г.).

^ Положения, выносимые на защиту:

- резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов, включающий оригинальные принципы и способы его реализации без применения образцовых реактивных элементов;

- научно-обоснованные рекомендации по оптимизации режимов измерения резистивным методом, а также методика определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь смазочных материалов;

- принцип действия устройства, реализующего резистивный метод контроля электрических параметров жидких смазочных материалов, позволяющего уменьшить влияние паразитных емкостей и нелинейных искажений напряжения питания измерительной цепи.

^ Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 5 Международных конференциях и семинарах: Международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (Орел, 2006 г.); Международная 5-я научно-практическая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2006 г.); Международная школа-семинар молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества» (Тамбов, 2006 г.); Шестая международная научно-техническая конференция «Чкаловские чтения»( Егорьевск, 2007 г.); Международная научно-техническая интернет-конференция «Информационные системы и технологии 2011» (Орёл, 2011г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе два патента РФ.

^ Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 243 страницах машинописного текста, иллюстрируется 43 рисунками, 59 таблицами (в том числе 34 в приложении), состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 186 наименований, 6 приложений.

^ Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, а также сведения об апробации и реализации результатов работы.


^ В первой главе проведен анализ показателей качества смазочных материалов, характеризующих их физико-химические свойства, и методов их определения. Отмечено, что число таких показателей весьма велико (более 50). Учитывая обширную номенклатуру показателей и сложность испытаний по каждому из параметров, для отдельных видов масел, в зависимости от области применения, назначается свой ограничительный перечень показателей качественного состояния, но даже в этом случае процедура оценки качества смазочного материала оказывается достаточно трудоёмкой и длительной, требующей наличия специально оборудованной лаборатории и квалифицированных специалистов.

Другим существенным недостатком оценки качества смазочных материалов по отдельным единичным показателям (даже всего лишь по семи) является сложность сопоставления этих показателей на разных стадиях контроля или при выборе нужной смазки из нескольких аналогичных материалов. В связи с этим рассмотрены современные тенденции развития способов и подходов к оценке качества смазочных материалов. Анализ литературных источников, посвящённых методам исследования свойств смазочных масел, показал, что все чаще начинают использовать электрические параметры смазочных масел, для которых можно найти функциональную или корреляционную связь между их значениями и значениями стандартных показателей их качества.


Тенденция перехода к оценке качества смазочных масел по их электрическим параметрам объясняется большим опытом, накопленным в области электрических измерений, высоким быстродействием, возможностью непосредственного введения результатов измерения в информационно измерительные системы, позволяющие одновременно оценивать целый ряд электрических параметров, а также исследовать зависимости последних от влияющих факторов.

^ Во второй главе рассмотрены электрические эквивалентные схемы емкостной измерительной ячейки, частично заполненной жидким смазочным материалом, позволяющей уменьшить влияние «выпучивания» электрического поля, и основные выражения для расчета электрических параметров исследуемой жидкости.

Проведен анализ электрических методов, наиболее часто применяемых для определения электрических параметров жидких диэлектриков. На основании анализа литературных источников предложено разделить все методы на две группы: методы с применением образцовых реактивных элементов (катушек индуктивности и конденсаторов) и методы без применения образцовых реактивных элементов. В первой группе рассмотрены мостовой и резонансный методы. Показано, что применение того или иного метода, в первую очередь, обусловлено диапазоном частот, в котором проводятся измерения. Мостовые методы применяются преимущественно на низких частотах, так как на высоких частотах велико влияние паразитных емкостей. Резонансные методы используются на высоких частотах, причём точность измерения повышается с уменьшением угла диэлектрических потерь. Во второй группе рассмотрен метод вольтметра-амперметра и его различные модернизированные варианты.

Наиболее перспективным вариантом модернизированного метода вольтметра-амперметра является резистивный метод, сущность которого заключается в том, что измерительная ячейка с исследуемым материалом включается в резистивную цепь, не содержащую других реактивных элементов кроме исследуемой ячейки, и последующем измерении напряжений на соответствующих участка измерительной цепи. Основным препятствием в использовании резистивного метода является невысокая точность определения электрических параметров жидких смазочных материалов, важной особенностью которых является широкий диапазон изменения значений диэлектрической проницаемости (от 2 до 6) и тангенса угла диэлектрических потерь (от 10-3 до 1).

^ В третьей главе проведен теоретический анализ особенностей резистивного метода определения электрических параметров жидких диэлектриков, помещенных в измерительную емкостную ячейку. Разработаны четыре варианта схем и устройство, позволяющие реализовать резистивный метод.










Рисунок 1 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и RII=(R1+R2)

(Патент №2431855.)

Рисунок 2 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и RII=R2


Рисунок 3 - Резистивный метод поочерёдного измерения напряжения на ячейке при RI=R1 и




Рисунок 4 - Резистивный метод одновременного измерения всех напряжений

(^ Патент №2433416)



Схемы, приведенные на рисунках 1-3, позволяют реализовать резистивный метод поочередного измерения напряжений U1 на ячейке и общего U2,, подводимого к измерительной цепи, сначала при образцовом активном сопротивлении RI, а затем − измерения напряжений U1 на ячейке и общего U3, подводимого к измерительной цепи, при образцовом активном сопротивлении RII. Следует отметить, что для всех схем RI=R1, а сопротивление RII равно: (R1+R2) для схемы 1; R2 − для схемы 2 и − для схемы 3. В 4-ой схеме последовательно с измерительной ячейкой одновременно включаются два резистора R1 и R2 и одномоментно измеряются три напряжения: U1 на измерительной ячейке, U2 на участке цепи с последовательным соединением измерительной ячейки и образцового сопротивления RI и U3, подводимое к измерительной цепи. Эта схема решает задачу одновременного измерения напряжений на соответствующих участках измерительной цепи, что исключает погрешности за счёт нестабильности источника питания, как по напряжению, так и по частоте. Кроме того эта схема позволяет исследовать процессы, сопровождающиеся изменением электрических параметров во времени со скоростями, ограниченными только инерционностью применяемых измерительных средств, и автоматизировать процесс исследования частотных характеристик за счёт применения источников питания с изменяющейся частотой.

Автором получены патенты на способ и устройство, позволяющие реализовать резистивный метод поочередного измерения напряжений в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 1, и на способ, позволяющий реализовать резистивный метод одновременного измерения напряжений в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 4.

Для всех рассмотренных схем реализации резистивного метода напряжения U1, U2 и U3 связаны с параметрами измерительной электрической цепи следующими уравнениями:

и , (1)

Активная и реактивная составляющие сопротивления измерительной ячейки определяются выражениями, полученными путём решения системы уравнений (1):

; , (2)

где , .

Абсолютные суммарные погрешности определения параметров емкостной ячейки и резистивным методом можно рассчитать с помощью выражений:

, (3)

, (4)

а относительные суммарные погрешности − с помощью выражений:

, (5)

, (6)

где; ; ; − относительные коэффициенты влияния погрешностей определения значений резисторов, и коэффициентов и , соответственно, на погрешности определения параметра r;.

; ; − относительные коэффициенты влияния погрешностей определения значений резистор, коэффициента и параметра r, соответственно, на погрешности определения параметра x.

Целесообразность использования резистивного метода может быть оправдана лишь при условии повышения точности измерения величин, входящих в выражения (3) и (4), а именно: значений образцовых сопротивлений RI, RII, и значений коэффициентов и , рассчитываемых по результатам измерения напряжений. Поэтому для реализации резистивного метода необходимо использовать безъиндукционные резисторы, (например, резисторы марок С2-10, P1-69, P1-24, МР 3040 и т.д.), значения которых не изменяются при работе в цепях переменного тока с достаточно широким диапазоном изменения частот. Причем марки резисторов , и обеспечивающие заданные значения образцовых сопротивлений, должны быть выбраны такими, чтобы их номинальные погрешности были минимальными, (например, резисторы марок P1-24), а если это невозможно, то значения сопротивлений резисторов необходимо предварительно измерять с помощью мостовых методов, обеспечивающих высокую точность.

Повышение точности определения коэффициентов и возможно при повышении точности измерения напряжений. Несинусоидальность измеряемых напряжений влияет на погрешность измерения переменных напряжений вольтметрами, так как погрешности, нормируемые для измерительных средств переменных напряжений, относятся только к измерению чисто синусоидальных напряжений. В действительности источников питания, генерирующих чисто синусоидальные напряжения, не существует и все современные генераторы синусоидального напряжения генерируют напряжения с той или иной степенью нелинейных искажений, то есть напряжения на выходе генераторов кроме основной (первой) гармоники содержат также гармоники высшего порядка.

В настоящее время для более точных измерений напряжений можно использовать АЦП, сопряжённые с ПК, которые позволяют измерять множество мгновенных значений сигнала в течение нескольких его периодов с последующим спектральным анализом в среде Matcad. В результате спектрального анализа определяют значения амплитуды и частоты первой гармоники, причем в этом случае погрешности измерения значений амплитуды первой гармоники становятся случайными и их значения могут быть уточнены по законам математической статистики. Результаты предварительно проведенного экспериментального исследования на частотах 2 и 20 кГц показали, что максимальное значение относительного стандартного отклонения среднего результата для отношения напряжений не превышает 0,02%, а для квадратов отношений напряжений (коэффициентови) − не превышает, соответственно, 0,04% при различных значениях времени измерения. Таким образом, точность предлагаемого метода определения коэффициентов и превосходит точность обычных методов определения этих коэффициентов, и он может быть рекомендован при использовании резистивного метода определения параметров комплексного сопротивления жидких диэлектриков, помещенных в измерительную емкостную ячейку.

Дальнейшее уменьшение погрешностей определения параметров и можно получить за счет уменьшения значений коэффициентов влияния, путём подбора соответствующих значений образцовых сопротивлений RI и RII.

Задавшись различными значениями отношения образцовых сопротивлений , параметров и , были рассчитаны значения коэффициентов влияния , , , , , и для случаев . Результаты расчетов показали, что наименьшие значения рассмотренных коэффициентов влияния соответствуют значениям отношений, равным 0,5 и меньше или 2 и больше для всех значений параметров , и тангенса диэлектрических потерь .

С учетом полученных значений коэффициентов влияния и погрешностей и определения значений резисторов и коэффициентови были рассчитаны зависимости относительных суммарных погрешностей и определения параметров и емкостной ячейки при различных значениях отношения , разных значениях параметров , и значениях ; 0,5: 0,01. Все полученные зависимости подобны. На рисунках 5 и 6 приведены зависимости относительных погрешностей и для случая .








1 – l= 0,04; 2 – l = 0,25; 3 – l = 0,5;

1 – j= 0,4; 2 – j = 2,5; 3 – j = 5;

Рисунок 5 − Зависимости относительной суммарной погрешности от отношения при разных значениях параметра l и

Рисунок 6 − Зависимости относительной суммарной погрешности от отношения при разных значениях параметра j и


Таким образом, наименьшие значения погрешностей определения параметров и могут быть получены при отношениях образцовых сопротивлений , равных 0,5 и меньше или 2 и больше, при разных значениях параметров l и j для всех рассмотренных случаев: =0.1; 0,05; и 0,01.

Следует отметить, что все расчеты проводились при условии, что: относительные погрешности и определения значений образцовых сопротивлений RI и RII равны 0,01%; относительные погрешности и определения значений коэффициентови равны 0,04% при использовании для этой цели АЦП, сопряженного с ПК (в соответствии с результатами предварительных экспериментальных исследований); относительная погрешность определения активной составляющей сопротивления измерительной ячейки, заполненной исследуемым диэлектриком, равна 3%, (значение последней рассчитывалось в соответствии с выражением (5)). Значения тангенсов углов диэлектрических потерь =0,1; 0,05: 0,01 выбирались, исходя из того, что эти значения лежат в области возможных значений для таких диэлектриков, как смазочные масла.

С целью определения оптимального значения параметра был проведен анализ чувствительности резистивного метода по напряжению для параметров и . На рисунках 8 и 9 приведены зависимости относительной чувствительности резистивного метода для параметра и для параметра от значений параметра для случаев =0,1; 0,03; и 0,01. Зависимости относительной чувствительности от параметра имеют максимум при некоторых значениях параметра , причем при уменьшении значений этот максимум смещается в сторону больших значений параметра , а само значение максимальной чувствительности при этом уменьшается. При некоторых значениях параметра чувствительность становится равной нулю и, следовательно, в области значений , близких к указанному значению, измерения невозможны.

Чувствительность для параметра возрастает с увеличением параметра и при некоторых его значениях достигает своего максимального значения для всех значений (рисунок 9).







1 – tgδ= 0,1; 2 – tgδ= 0,031; 3 – tgδ= 0,01;

1 – tgδ= 0,1; 2 – tgδ= 0,031; 3 – tgδ= 0,01;

Рисунок 8− Зависимости относительной чувствительности от параметра при различных значениях .

Рисунок 9 - Зависимости относительной чувствительности от параметра при различных значениях .


Максимальная чувствительность по напряжению для параметра больше чувствительности для параметра примерно в 2,5 раза. Поэтому выбор параметра должен осуществляться в зависимости от требований, предъявляемых к точности измерения активной и реактивной составляющих сопротивления смазочного материала или его тангенса угла диэлектрических потерь . Так как измерительные схемы, реализующие резистивный метод, требуют использования не менее двух образцовых сопротивлений, то были проанализированы значения функции относительной чувствительности на различных её уровнях с целью выбора двух таких значений параметра , при которых относительная чувствительность приблизительно одинакова и достаточно высока. На рисунке 10 приведены зависимость относительной чувствительности метода по параметру от значений отношений . Максимальная чувствительность резистивного метода при исследовании жидких смазочных материалов с различными значениями достигается при значениях отношений образцовых сопротивлений , примерно равных 0,4-0,7 и больше. Полученные данные хорошо согласуются с рекомендациями по выбору отношений значений образцовых сопротивлений, соответствующих минимальным значениям погрешностей определения параметров r и x.




1 – = 0,333; 2 – = 0,1; 3 – = 0,031; 4 – = 0,01; 5 – < 0,031;


Рисунок 10 – Зависимости относительной чувствительности от отношения образцовых сопротивлений для разных значений


Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь исследуемых жидких смазочных материалов для параллельной эквивалентной схемы определяются выражениями:

, (7)

, (8)

где , . − реактивные сопротивления пустой, заполненной исследуемым материалом и калибровочной жидкостью ячейки;

и − сопротивления потерь пустой и заполненной исследуемым материалом ячейки;

− диэлектрическая проницаемость калибровочной жидкости.

Относительные погрешности определения электрических параметров и исследуемых смазочных материалов определяются выражениями:

, (9)


. (10)

На основании результатов теоретического анализа возможностей резистивного метода измерения разработаны рекомендации по применению резистивного метода для исследования электрических параметров жидких смазочных материалов.

^ Четвертая глава посвящена апробации резистивного метода и исследованию с его помощью электрических параметров смазочных масел. На основе патента РФ №2431855, полученного автором, разработано устройство и методика определения параметров жидких диэлектриков. Апробация метода проводилась по одной из стандартных калибровочных жидкостей – химически чистому толуолу на экспериментальной установке, представленной на рисунке 11. В качестве калибровочной жидкости для определения константы измерительной ячейки (ее рабочей емкости) использовался бензол. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с разработанной методикой.



1 – измерительная ячейка; 2 – внешний электрод; 3 –измерительный электрод; 4 – внутренний провод

коаксиального кабеля; 5, 6 – внутренняя и внешняя экранирующие оболочки кабеля; 7 – повторитель напряжения, 8 – генератор напряжения, 9 –регулятор напряжения

Рисунок 11 – Схема экспериментальной установки, реализующей резистивный метод измерения с помощью АЦП, сопряжённого с ПК


Достоверность экспериментально полученных данных подтверждается результатами апробации. Значение диэлектрической проницаемости толуола =2,3578 для температуры 29, при которой проводились измерения, хорошо согласуется с табличными данными, по которым для той же температуры 29 диэлектрическая проницаемость толуола равна 2,3568. Расхождение между табличными и экспериментальными данными составляет всего 0,04 %.

После апробации резистивного метода было проведено экспериментальное исследование электрических параметров смазочных масел: минерального марки ESSO Uniflo Multigrade, полусинтетического марки Maximum Diesel CH-4/SJ и дизельного марки Дп-11 на разных частотах. Результаты исследования представлены на рисунке 12, а также в таблицах 1 и 2.










1 – ; 2 – ; 3 –

1 – ; 2 – ; 3 –

Рисунок 12 а) – Зависимость диэлектрической проницаемости ε от частоты f для разных масел

Рисунок 12 б) – Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ от частоты f для разных масел

Рисунок 12 - Зависимости электрических параметров и смазочных масел от частоты


Таблица 1 - Средние значения электрических параметров смазочных масел на разных частотах

Частота напряжения питания f, кГц

Диэлектрическая проницаемость εм и тангенс диэлектрических потерь tgδм

Масло минеральное марки ESSO Uniflo Multigrade

Масло полусинтетическое марки Maximum Diesel CH-4/SJ

Масло дизельное марки Дп-11

εмм

tgδмм

εмп

tgδмп

εмд

tgδмд

7

2,3706

0,0753

2,4607

0,1409

2,5167

0,0378

11

2,2435

0,1125

2,2120

0,2229

2,3141

0,1147

22

2,2117

0,1111

2,0143

0,3778

2,2650

0,1610


Таблица 2 – Погрешности определения электрических параметров смазочных масел на разных частотах

Частота напряжения питания f, кГц

Стандартные отклонения средних значений диэлектрической

проницаемости и тангенса диэлектрических потерь для различных

типов смазочных масел, %

Масло минеральное марки ESSO Uniflo Multigrade

Масло полусинтетическое марки Maximum Diesel CH-4/SJ

Масло дизельное марки Дп-11

Sε

Stgδ

Sε

Stgδ

Sε

Stgδ

7

0,1549

2,6444

0,1505

1,5560

0,1399

2,8014

11

0,1473

1,5848

0,1425

1,0550

0,1281

1,4767

22

0,0696

1,3083

0,2871

1,3262

0,1059

1,1416


Результаты экспериментальных исследований показали, что с увеличением частоты значения диэлектрической проницаемости уменьшаются, а значения тангенса угла диэлектрических потерь увеличивается, погрешности определения значений диэлектрической проницаемости смазочного масла не превышают 0,3%, а тангенса угла диэлектрических потерь −2,8%. Таким образом, можно считать, что резистивный метод позволяет определять электрические параметры смазочных масел с более высокой точностью, чем другие известные методы.

Проведено исследование зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь полусинтетического смазочного масла марки Maximum Diesel CH-4/SJ от наработки (пробега) автомобиля.

Результаты исследования показали, что изменения параметров и полусинтетического смазочного масла от наработки составляют для диэлектрической проницаемости 5,4; 9,7; 15,5 %, а для тангенса угла диэлектрических потерь 46,7; 54,86; 64,24 % соответственно на частотах 7, 12, 20 кГц. Следовательно, резистивный метод может быть рекомендован для оценки состояния смазочного масла в процессе его эксплуатации.

Рассмотрены перспективы развития резистивного метода, предложены схема и устройство для реализации обобщённого резистивного метода с одновременным измерением напряжений, позволяющие исследовать зависимости быстро изменяющихся электрических параметров смазочных материалов от времени, наработки, температуры, напряженности и частоты электрического поля.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты работы.
^

Основные результаты и выводы


1 Анализ существующих методов определения электрических параметров смазочных масел показал, что единственным методом, позволяющим раздельно определять активную и реактивную составляющие сопротивления исследуемого смазочного масла без использования реактивных элементов, является резистивный метод. Однако его использование целесообразно только при условии повышения точности измерения.

2 Разработаны основные теоретические положения и научно обоснованные рекомендации по применению резистивного метода для контроля электрических параметров жидких смазочных материалов.

3 Показано, что повышение точности резистивного метода можно обеспечить путём повышения точности измерения значений образцовых резисторов и напряжений на измерительной ячейке и измерительной цепи, а также уменьшением значений коэффициентов влияния в выражениях, определяющих относительные погрешности, путём подбора оптимального соотношения между значениями сопротивлений образцовых резисторов.

4 Проведены исследования возможности повышения точности за счёт использования при измерениях многоканального АЦП, сопряжённого с ПК, реализующими спектральный анализ измеряемых сигналов, позволяющий определить амплитуду и частоту первой гармоники, с целью исключения влияния нелинейных искажений напряжения питания измерительной цепи.

5 Разработано устройство и экспериментальная установка для апробации резистивного метода, позволяющие уменьшить влияние паразитных ёмкостей и нелинейных искажений напряжения питания.

6 Экспериментальные исследования подтвердили возможность применения резистивного метода для исследования электрических параметров исследуемых смазочных масел. Погрешности измерения составили: для параметра r не более 0,8%; для параметра x не более 0,07%; для параметра εм не более 0,3%; для параметра tgδм не более 2,8 %.

7 Показана возможность использования резистивного метода для оценки степени старения смазочных масел, на примере полусинтетического смазочного масла марки Maximum Diesel CH-4/SJ.

8 Предложены схема и устройство для реализации обобщённого резистивного метода с одновременным измерением напряжений, позволяющие исследовать зависимости электрических параметров смазочных материалов от времени, наработки, температуры, напряженности и частоты электрического поля.
^

Список опубликованных работ



Публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Давыдова, Н.В. Определение параметров емкостной ячейки методам вольтметра-амперметра [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачёва // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2010. – №2(280) . – С. 78-81 (Личное участие 33%)

2 Давыдова, Н.В Электрорезистивный метод измерения параметров комплексного сопротивления [Текст] / Давыдова Н.В., Ногачёва Т.И.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.- 2010, №4(282) .-С.92-95. (Личное участие 50%)

3 Давыдова, Н.В. Выбор оптимальных значений образцовых сопротивлений при измерении электрических характеристик диэлектрической жидкости методом включения измерительной ячейки в резистивную цепь [Текст] / Н.В. Давыдова, Т.И. Ногачёва // Контроль. Диагностика. – 2010. – № 6(144). – С. 16-19. (Личное участие 50%)

4 Давыдова, Н.В. Анализ параметров измерительной ячейки, заполненной смазочным материалом [Текст] / Н.В. Давыдова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2010. – № 6-2(284). – С. 84-88.

^ Прочие публикации

5 Давыдова, Н.В. Использование многоканального аналого-цифрового преобразователя с одновременным сэмплированием для реализации резистивного метода измерения электрических параметров жидких [Текст] / Н.В. Давыдова, Т.И. Ногачёва // Сборник материалов международной научно-техническая интернет-конференция «Информационные системы и технологии 2011» - Орёл: «Госуниверситет –УНПК», 2011. – С. 153-156. (Личное участие 50%)

6 Давыдова, Н.В. Выбор оптимального значения добавочногосопротивленияпри измерении параметров двухполюсника методом двух вольтметров [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». – 2009. – № 1/273(559). – С. 99-101. (Личное участие 33%)

7 Давыдова, Н.В. Определение электрических параметров измерительной емкостной ячейки [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» – 2009. – № 3-275(561). – С. 99-101. (Личное участие 50%)

8 Давыдова, Н.В. Разделение потерь в жидком диэлектрике на потери от переполяризации и электронной проводимости [Текст] / Н.В. Давыдова, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». – 2008. – № 3/271(546). – С. 90-95. (Личное участие 33%)

9 Чекашова, Н.В. Возможность применения емкостного метода для определения температуры в зоне трения [Текст] / Н.В. Чекашова // Известия ОрелГТУ. Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». – Орёл: ОрёлГТУ, 2007. – № 2/266(532). – С. 135-138.

10 Чекашова, Н.В. Контроль температуры смазочной плёнки в зоне трения, работающего трибосопряжения [Текст] /Н.В. Чекашова // Чкаловские чтения: сборник материалов Шестой международной научно-технической конференции. (7-9 июня 2007г., г. Егорьевск)– Егорьевск.: ЕАТК ГА им. В.П. Чкалова, 2007. – С.70-71.

11 Чекашова Н.В. Оценка температуры в зоне жидкостного трения по интенсивности тепловых шумов смазочной плёнки/Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф [Текст] // Гидродинамическая теория смазки – 120 лет: Труды Международного научного симпозиума. В 2-х томах. Т.2. – М.: Машиностроение 1, 2006. – С.295-302. (Личное участие 50%)

12 Чекашова, Н.В. Контроль температуры смазочного материала в зоне трения [Текст] / Чекашова Н.В. // Проблемы экономики и менеджмента качества: материалы Международной школы-семинара молодых ученых. (25-30 сентября 2006г., Тамбов) – Тамбов.: ТГТУ, 2006. – С.295-296.

13 Чекашова, Н.В. Термошумовой электрический метод контроля температуры в зоне жидкостного трения [Текст] / Н.В. Чекашова // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. – Орёл: ОрёлГТУ, 2006. – № 2. – С. 82-86

14 Чекашова, Н.В. Разделение каналов по частоте при измерении температуры смазочной плёнки в зоне трения термошумовым методом [Текст] / Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. – Орёл: ОрёлГТУ, 2006. – № 1. – С. 32-35 (Личное участие 50%)

15 Чекашова, Н.В. Возможность применения шумовой термометрии для определения температуры смазывающей плёнки[Текст] / Н.В. Чекашова, С.Ф. Корндорф // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. – Орёл: ОрёлГТУ, 2005. – № 1. – С. 46-48 (Личное участие 50%)

16 Патент № 2431855 Российская Федерация, МПК G 01 R 27/26. Способ и устройство для измерения электрических характеристик жидких электролитов и диэлектриков [Текст] / С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, Н.В. Давыдова. – Опубл. 20.10.11, БИМП №29. (Личное участие 33%)

17 Патент № 2433416 Российская Федерация, МПК G 01 R 27/26. Способ измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков [Текст] / С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, Н.В. Давыдова.– Опубл. 10.11.11, БИМП №31 (Личное участие 33%)


Лицензия ИД №00670 от 05.01.2000

Подписано в печать 12 марта 2012 г.

Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз.

Заказ № 147


Полиграфический отдел ФГБОУ ВПО «Госуниверситет − УНПК»

302030, г. Орел, ул. Московская, 65





Скачать 319,31 Kb.
оставить комментарий
ДАВЫДОВА НАДЕЖДА ВЛАДИМИРОВНА
Дата04.04.2012
Размер319,31 Kb.
ТипАвтореферат, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх