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油液分析技术---旋转圆盘电极技术(RDE)
点击次数:378 发布时间:2019-05-22

、元素分析

  元素分析仍然是油液分析的首要技术。其以定量方式探测污染、添加剂和精确定位机械磨损的能力是任何其他类型的分析无法匹敌的。

 元素光谱学是油液分析程序的主干,因而其广泛应用于闭环润滑系统的油液分析中,诸如燃气涡轮机、柴油和汽油发动机、变速器、齿轮箱、压缩机和液压系统中。在实践中,要进行分析需要从系统中周期性地取出油样品并进行分析。与先前常规分析相比,所得到的数据不仅可以指示机械系统的正常磨损状态,还可以在故障发生的早期阶段发出预警。基于这些预警信息,维护人员可以在设备发生严重损坏之前采取措施予以纠正。

  光谱油液分析关于磨损状态的评估结论是通过检测润滑系统中相对运动部件之间产生的金属细颗粒而实现的。光谱分析除了能够分析污染物,还能通过分析油液添加剂元素浓度来识别油液污染与降解恶化的程度。多元素分析,配合以对制造内燃机所用材料属性的理解,可以用来识别设备上特定组件的失效故障。

二、光谱学原理

  常见的元素分析技术有旋转圆盘电极(RDE)和基于电感耦合等离子体(ICP)的原子发射光谱(OES)系统。RDE和ICP描述了油液中的元素气化的方式。在元素气化时,存在的元素以其特征波长发射光,其由 ES系统检测并定量为ppm水平。

   光谱分析是基于每个元素具有独特的原子结构的事实来实现的。当样本吸收激励能量时,每个元素会发射出特定波长或颜色的光。如果通过使用诸如棱镜的分光元件来分散该光,就能产生线状光谱。由于自然界没有两个元素具有相同的谱线图案,我们可以通过分析谱线来识别样品中包含的每个元素种类。另外,发射光的强度与样品中存在的元素的量成比例,因而也可以据此确定该元素的浓度。

  这些谱线对应单个元素的原子结构是唯yi的。对于氢原子,原子序数为1,光谱相当简单(图1)。而,原子序数为26的铁的光谱更为复杂,在光谱中出现了许多谱线,分别对应于多次发生的电子跃迁(图2)。如果样品中存在多于一种元素,则对于每个元素将出现明显不同波长的光谱线。这些线必须被合理地分开以便对样品中存在的元素进行识别和量化。为了实现这一点,需要光学系统。

三、旋转圆盘电极技术

  用来观测被加热或“激发”样品的多个谱线的光谱仪称为光电直读光谱仪。这类光谱仪都由三个主要部分组成。

 1、激发源——向样品发射能量。

 2.、光学系统——将被激发产生的射线分离并分解成其具体组分的波长 。

 3、读出系统——由光学系统检测和测量分离。

  为特定组分波长的光,并以易读的方式将该信息提供给操作者。

  现代光谱仪的激发源使用的一种典型方法是放电。在电弧或火花中产生的能量作为激发源传递给样品。对于油液分析光谱仪,在充满油液样本的盘状电极和杆状电极间的间隙中会产生极高的电势。由电容器存储的电荷通过该间隙放电,产生高温电弧,使一部分样品汽化,形成等离子体。等离子体是一种会发射强光的高温、高度电离化气体。所发出的强光中包含了样本中所有元素所特有的射线。经过精心设计的光学系统,这些射线会被分离为不同的波长,然后被收集记录下来。测试温度可高达5000至6000℃,甚至难以激发元素都发射出足以被检测到的光。

  在光谱油液分析的早期,油液是在旋转碳盘电极和碳棒电极之间被点燃或“燃烧”的。将样品放置在样品盖中,将圆盘部分浸入油样品中,圆盘随着燃烧过程而不断旋转(图3)。这一分析需要使用约2ml或3ml样品,具体用量取决于所使用的样品盖容积。

  每个样品需要一个新的圆盘和一个新磨尖的棒,以避免样品夹带对分析结果引起干扰。

  这种方法称为旋转圆盘电极(RDE)光发射光谱(OES),或二者的组合,RDE-OES。或者其被称为RDE-AES,其代表旋转圆盘电极原子发射光谱法。在光学系统中,来自等离子体的光在光谱仪中被分离成的离散波长。用于分离离散波长的光学装置称为衍射光栅。衍射光栅的表面上具有非常细的线的凹面镜,其使入射的多色光被分离成特定波长并聚焦在光检测器阵列上。

  下图显示出了基于Rowland Circle概念的使用多色仪光学器件的油液分析光谱仪的主要部件。来自激发过程的光或“燃烧”离开光纤电缆并通过入口狭缝,在那里其通过透镜集中在衍射光栅上。由油样中存在的所有元素构成的光通过入射狭缝,并且由光栅衍射之后在聚焦曲线处形成具有特定形状的光谱线。光栅的目的是将该光分离或“衍射”成其分量波长。以便通过光电倍增管(PMT)或电荷耦合器件(CCD)对光谱线进行拍照或电子量化。

  光谱仪的读取系统通常选用工业级处理器和软件进行控制。时钟电路和放大器周期性地读取光电倍增管或CCD芯片上的电荷,并将其从模拟信号转换为数字(ADC)信号以测量像素上的光。累积在像素上的电荷被转换为定义为“强度”单位的数值。在分析结束时,将每个元素的总强度与存储在存储器中的校准曲线进行比较,最终转换为样品中存在元素的浓度信息。浓度通常用百万分之几(ppm)表示。该信息可以显示在屏幕上,也可以打印出来。一旦分析完成并记录结果,系统就可以进行下一次分析。分析结果可以保留在屏幕上,存储在硬盘上或发送到外部计算机。

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