Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7251
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
G 01R 27/04
(54) МИКРОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ
КАЧЕСТВА МОТОРНОГО МАСЛА
(21) Номер заявки: u 20100859
(22) 2010.10.14
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт прикладной
физики Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Любецкий Николай Васильевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт при-
кладной физики Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Микроволновое устройство для контроля качества моторного масла, содержащее из-
мерительный датчик, отрезок коаксиального кабеля, направленный ответвитель, микро-
волновой генератор, детектор и индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно
снабжено блоком обработки сигнала, включенным между детектором и индикатором, а
также цифроаналоговым преобразователем, установленным между вторым выходом блока
обработки сигнала и входом микроволнового генератора.
(56)
1. Patent US № 4345202, Int. Cl. G 01R 27/04, Louis L.Nagy, Mark E. Myers. Method of
detecting soot in engine oil using microwaves. Aug. 17, 1982. Метод определения сажи в мо-
торном масле при использовании микроволн.
BY7251U2011.04.30

2. BY 7251 U 2011.04.30
2
2. Patent US 6788072, Int. Cl. G 01R 27/32, Louis L.Nagy, Warren Baxter Nicholson. Ap-
paratus and method for sensing particle accumulation in medium. Sep. 7, 2004. Аппаратура и
метод для измерения содержания накопленных частиц в среде.
3. Patent US 4543823, Int. Cl. G 01R 27/04, Louis L.Nagy, Michael J. O' Rourke. Micro-
wave probe for detecting oil level. Oct. 1, 1985. Микроволновое устройство для определения
уровня масла.
Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к устрой-
ствам контроля жидких нефтепродуктов. Она может найти применение в автомобильной и
автотракторной промышленностях, так как от качества моторного масла зависит ресурс
двигателей внутреннего сгорания. Также она может найти применение в нефтехимической
промышленности и авиационной технике для высокоточного и экспрессного определения
состава и качества горюче-смазочных материалов.
Известно устройство для определения процентного содержания сажи в моторном мас-
ле с помощью микроволн [1], содержащее последовательно соединенные микроволновой
генератор, передающую коаксиальную линию, состоящую из внешнего и внутреннего
проводников, измерительный датчик, а также блок детекторов, установленный внутри ко-
аксиальной линии и соединенный с индикатором через электронную схему, причем изме-
рительный датчик является продолжением коаксиальной линии, отделен от нее
диэлектрической пластиной и имеет сетчатую металлическую боковую поверхность со
сплошным металлическим основанием. Недостатком данного устройства является низкая
точность контроля из-за влияния нестабильности частоты микроволнового генератора, а
также требуется осуществление новой калибровки при использовании моторного масла
другого типа.
Известно микроволновое устройство для определения содержания сажи в моторном
масле [2], содержащее отрезок коаксиального кабеля, конец которого соединен с измери-
тельным датчиком, состоящим из пяти металлических проволочек, расположенных парал-
лельно между собой и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой
стороны четыре проволочки запаяны к внешнему проводнику, при этом пятая присоеди-
нена к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с
индикатором через микроволновой генератор, варакторный диод и процессор, а также де-
тектор, подключенный между внутренним проводником коаксиального кабеля и вторым
входом процессора. Недостатком данного устройства является низкая точность контроля,
так как количество сажи определяется по величине напряжения на варакторном диоде при
минимальных показаниях детектора. При этом положение минимума стоячей волны в ко-
аксиальном кабеле зависит от большого числа факторов: количества сажи, электрофизи-
ческих свойств моторного масла, которые отличаются при его смене, изменении
температуры и длительности эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является микроволновое устрой-
ство для определения содержания сажи (или воды) в моторном масле [3], содержащее от-
резок коаксиального кабеля, конец которого соединен с измерительным датчиком,
состоящим из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой
и закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре
проволочки запаяны к внешнему проводнику, а пятая присоединена к внутреннему про-
воднику коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с микроволновым генера-
тором через направленный ответвитель, второй выход которого подключен к индикатору
через детектор. Недостаток данного устройства состоит в том, что количество сажи опре-
деляется по величине характеристического импеданса измерительного датчика, заполнен-
ного загрязненным маслом (с сажей), и сравнивается с импедансом датчика с "чистым"
маслом. При этом величина изменения характеристического импеданса измерительного

3. BY 7251 U 2011.04.30
3
датчика лежит в небольших пределах, в связи с чем невозможно получить высокую точ-
ность контроля. Также при заливке в двигатель других типов моторных масел требуется
проведение новой калибровки.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в повышении
точности контроля, а также исключается потребность в проведении дополнительных ка-
либровок при смене типа (сорта) моторного масла.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она состоит из от-
резка коаксиального кабеля, конец которого соединен с измерительным датчиком, состо-
ящим из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и
закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре про-
волочки запаяны к внешнему проводнику, а пятая присоединена к внутреннему проводни-
ку коаксиального кабеля, второй конец которого соединен с микроволновым генератором
через направленный ответвитель, второй выход которого подключен к индикатору через
детектор, дополнительно снабжена блоком обработки сигнала, включенным между детек-
тором и индикатором, а также цифроаналоговым преобразователем, установленным меж-
ду вторым выходом блока обработки сигнала и входом микроволнового генератора.
Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является наличие блока
обработки сигнала, включенного между детектором и индикатором, а также цифро-
аналогового преобразователя, установленного между вторым выходом блока обработки
сигнала и входом микроволнового генератора, при этом обеспечивается одновременное
измерение величины характеристического импеданса измерительного датчика, заполнен-
ного контролируемым моторным маслом, а также частоты и амплитуды резонансной зави-
симости измерительного датчика с контролируемой жидкостью, что позволяет повысить
точность контроля, а также исключить необходимость проведения дополнительной ка-
либровки при смене типа (сорта) моторного масла.
Предлагаемая полезная модель представлена на фигуре. Согласно фигуре, она состоит
из измерительного датчика 1, коаксиального кабеля 2, направленного ответвителя 3, де-
тектора 4, блока обработки сигнала 5, индикатора 6, микроволнового генератора 7, цифро-
аналогового преобразователя 8 (ЦАП).
Работа устройства осуществляется следующим образом. Измерительный датчик 1, со-
стоящий из пяти металлических проволочек, расположенных параллельно между собой и
закороченных с одной стороны металлической пластиной, с другой стороны четыре про-
волочки запаяны к внешнему металлическому (медному) цилиндрическому проводнику
(полужесткого коаксиального кабеля), а пятая присоединена к внутреннему проводнику
коаксиального кабеля, помещается в емкость с контролируемым моторным маслом. При
включении питания блок обработки сигнала 5 образует последовательность цифровых ко-
дов, которые со второго его выхода поступают на ЦАП 8, где происходит преобразование
цифрового сигнала в аналоговый. Этот сигнал поступает на вход микроволнового генера-
тора 7 и осуществляет перестройку его частоты в требуемой полосе частот ∆F. Сигнал пе-
ременной частоты с микроволнового генератора 7 проходит через направленный
ответвитель 3, коаксиальный кабель 2 и попадает в измерительный датчик 1, в котором
электромагнитная волна проходит через контролируемое масло и, отразившись от метал-
лического основания (к которому припаяны пять проволочек датчика), снова проходит
через масло, коаксиальный кабель 2, направленный ответвитель 3 (через второй выход) и
детектируется детектором 4. Характеристический импеданс Z пятипроводного измери-
тельного датчика равен [1]: ),d933,0/D(Log)/173(Z ε= где ε = ε'-jε'' - диэлектрическая
проницаемость среды, которая заполняет измерительный датчик 1; d - диаметр проволо-
чек измерительного датчика; D - расстояние между внешними проволочками измеритель-
ного датчика. Диэлектрическая проницаемость моторного масла повышается с
увеличением процентного содержания сажи в нем. Так, диэлектрическая проницаемость
моторного масла растет от значения 2,2 до 2,7 при увеличении содержании сажи от 0 до

4. BY 7251 U 2011.04.30
4
5 %. Изменение диэлектрической проницаемости контролируемого масла ведет к измене-
нию характеристического импеданса Z измерительного датчика 1, который измеряется в
блоке обработки сигнала 5 и по которому определяется процентное содержание сажи. Од-
нако, кроме этого, было установлено, что измерительный датчик 1 образует микроволно-
вый резонатор, резонансная частота которого зависит, главным образом, от длины
проводников, а также от расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды
в датчике. При незаполненном измерительном датчике (ε = 1, воздух) резонансная частота
Fрез при использовании коаксиального полужесткого кабеля марки RG 402 с внешним
диаметром 3,58 мм и при длине проволочек, равной 40 мм (d=0,9 мм), лежит в районе
4 ГГц. При установлении измерительного датчика 1 в моторное масло без сажи резонанс-
ная частота равна 2,72 ГГц. При появлении сажи в масле значение резонансной частоты
уменьшается от 2,72 до 2,7 ГГц (на 20 МГц) при изменении ее содержания от 0 до 5 %.
Кроме этого, при увеличении содержания сажи в моторном масле уменьшается не только
резонансная частота, но и амплитуда резонансной зависимости. Сигнал после детектиро-
вания поступает в блок обработки сигнала 5 и несет информацию не только об уровне
сигнала, но и об амплитудно-частотной зависимости (резонансном отклике) измеритель-
ного датчика 1. В блоке обработки сигнала 5 принятый аналоговый сигнал преобразуется
в цифровой и анализируется во всей полосе частот ∆F, при этом измеряются:
1) пиковое значение сигнала и код числовой последовательности в момент появления
резонансной зависимости, по которым определяются ее амплитуда и частота;
2) среднее значение продетектированного сигнала, по которому определяется характе-
ристический импеданс измерительного датчика.
Таким образом, в блоке обработки сигнала 5 первоначально по характеристическому
импедансу измерительного датчика 1, усредненное значение которого измеряется в полосе
частот, определяется количество сажи в масле. Также по измеренным значения амплитуды
и частоты резонансной зависимости находится процентное содержание сажи, при этом
крутизна изменения амплитуды и частоты значительно больше, чем по характеристиче-
скому импедансу. Экспериментальные исследования показали, что свойства моторных
масел различных сортов без содержания сажи отличаются друг от друга. В связи с этим
имеют место отличия как в характеристических импедансах, так и в резонансных часто-
тах, однако при этом амплитуда резонансной зависимости практически постоянна. Это
позволяет исключить необходимость проведения дополнительной калибровки при смене
типа (сорта) моторного масла. При калибровке устройства в память блока обработки сиг-
нала 5 заносятся значения резонансных амплитуд, частот и характеристических импедан-
сов при различных процентных содержаниях сажи в масле. По измеренному значению
характеристического импеданса определяется искомый параметр, который затем уточня-
ется по найденным значениям амплитуды и частоты резонансной зависимости, и индици-
руется с помощью индикатора 6. Экспериментальная проверка результатов была
осуществлена с использованием векторного анализатора цепей Agilent E5071B, работаю-
щего в диапазоне частот от 300 кГц до 8,5 ГГц. Было установлено, что дополнительное
использование информации о резонансной зависимости измерительного датчика, а также
определение усредненного значения характеристического импеданса в полосе частот поз-
воляют повысить точность и исключить необходимость проведения дополнительной ка-
либровки при смене типа (сорта) моторного масла.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.