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直读式铁谱仪原理及磨粒在沉积管沉积规律

作者:   发布日期:2016-7-21   点击数:579

  直读式铁谱仪是继分析式铁谱仪之后发明的具有准确定量和快速测试特点的铁谱仪。

  一、直读式铁谱仪工作原理

  直读式铁谱仪其核心部分仍是一块高梯度强磁铁,磁铁以一定角度与油样流动方向相反地倾斜设置,在其磁场狭缝处平行放置一透明玻璃制成的沉积管,被分析油样在虹吸作用下由试管进入毛细管,再因自身重力流入沉积管即进入磁场。油中的磨粒在高梯度强磁场作用下克服油样的粘滞阻力,依其自身粒度由大到小依序沉积在沉积管内壁上,为了直接测出油样中大磨粒和小磨粒的浓度,在相应的两个测点处利用光导纤维引入两束稳定光源,这两点相当于分析式铁谱仪中铁谱片入口区和50mm的位置,光束穿过沉积层和沉积管射入与其相对的两个光电池,光电池将光信号转换为电信号,再经电子线路进行放大和A/D转换,最终在两个数显屏上以数字形式显示出来。由于穿过磨粒沉积层的光信号的衰减量与磨粒沉积量在一定条件下成正比关系,所以经过电路的处理后可以在数显屏上直接读出与磨粒沉积量成线性关系的读数(大磨粒直读数)和(小磨粒直读数)。这样,就达到了直接测读被分析油样中大磨粒和小磨粒浓度的目的。

直读式铁谱仪工作原理图

  二、磨粒在沉积管中的沉积规律

  与分析式铁谱仪有所不同,直读式铁谱仪中磨粒是在一个透明的玻璃管---沉积管中被磁场分离和沉积下来的,因此,它的沉积规律以及与这个规律相关因素显然与分析式铁谱仪存在差异。

  为了从理论上进行计算,同样要对直读式铁谱仪中伴随磨粒沉积过程的流体力学现象在其条件上做如下理论假设:

  (1) 油样是牛顿流体。其中所含的微粒可近似简化为球形,且浓度较低均匀地悬浮在油样液体中,它们的存在不会影响液体的粘度和流动。

  (2) 液体中所有不同磁质的颗粒其所受磁场作用力可以利用如下公式加以计算

  (3) 液体在虹吸作用下流动的过程其试管中的液面因油样不断流下而逐渐降低,这个降低量可以忽略不计,因此,沉积管中的油液是在不变的压强下流动,其流速保持恒定,玻璃管与油液流动方向是反向倾斜装置,这保证了管内的油流是一个稳定的层流状态。

  (4) 油液分子的布朗运动所带来的对磨粒运动的影响忽略不计

  如图所示是处在磁场中的沉积管之纵剖和横剖图,同样只考虑A区内情况可以使问题简化,由于油样与沉积管内壁的粘滞作用,沉积管内油液的流速是以管中轴为中心环形对称分布的,中心最高,管壁处为零,如图所示:

沉积管中的油流和磨粒

处在不同流速层内的磨粒会因旋转产生能量的消耗,只是旋转方向恰恰相反


  与分析式铁谱仪所不同的是,沉积管与水平方向存在夹角(约15-20度),因此重力、浮力与磁场作用力、粘滞力成一定角度,前两者的量值比起后者相对极小,且在此条件下只是沿Z方向的分量起作用,因此可以忽略不计,根据牛顿第二定律

油样、磨粒速度沿沉积管直径Z方向的分布

沉积管中磨粒的受力分析计算公式,通过解析此微分方程可以得出在直读式铁谱仪沉积管中初始高度磨粒与其沉积的距离

  通过对此解的分析可以得出与分析式铁谱仪相似的磨粒沉积规律

  1、 在其他因素不变的条件下,处在沉积管内同一高度上的磨粒其沉积距离与其自身的直径平方成反比,即大磨粒先沉积,小磨粒后沉积,因此,油样所经过的第一个传感器应是大磨粒浓度值测读的位置,而第二个传感器的位置则对应着小磨粒沉积区。

  2、 必须创造一个高梯度的强磁场才能实现对微米级磨粒的沉积,按照测试结果,沉积管正处在磁场梯度达到最高值的空间区域内。

但是,由于仪器的结构及油样流动方式的不同,直读式铁谱仪中磨粒沉积规律与分析式铁谱仪有以下三点主要区别:

  1、 分析式铁谱仪中铁谱片上油膜厚度约为0.8mm,是油流宽度的(4.5-5mm)的1/6,油中处于不同流层的磨粒初始高度Z相差无几,因而磨粒初始高度的差异对磨粒沉积距离Y影响不大,大磨粒与小磨粒沉积区间的界限比较清楚。然而,在直读式铁谱仪中,油样和磨粒通过的是一个截面为圆形的玻璃管,磨粒的初始高度是不能忽略的因素,较高层的大磨粒与较低层的小磨粒有可能沉积在同一位置上。如图示是这种特殊沉积状态的示意图

直读式铁谱仪中磨粒沉积状态示意图

  该式中己不再存在粘度这个物理量,这表明,用于直读式铁谱仪的毛细管的内径、长度一旦确定油样中某特定粒度的磨粒之沉积位置不因油样粘度的变化而改变,起重要作用的是C值的大小,这一点为直接操作仪器的分析人员提供这样的指导:即比起准确掌握在油样中加以稀释粘度的固定剂之比例来说,严格控制装有油样的试管高度显得更为重要。

 3、 油样和其中的固态磨粒同时通过的是管状的而不是开放的通道,实验观测表明,这种流动方式会对固体颗粒产生一种“径向迁移”效应。由于这种效应的存在,油样中那些密度与液体相差不大的污染物颗粒会在毛细管中形成以管中心轴为圆心的环形分布而被冲出沉积管,那些密度大于油液的如铜、铝有色金属颗粒,除了其中有的因与钢对磨发生金属转移后,增加了磁性而被磁场吸留在沉积管内之外,大部分也由于此效应集中在油流流速最高的沉积管中心而轴附近而被油流冲出沉积管,因此,直读式铁谱仪几乎不能沉积下非铁磁性磨粒,它只对铁磁性磨粒具有较高的灵敏度,大量的统计性实验也表明:直读式铁谱读数与光谱分析的铁含量测量值其趋势有着较好的吻合。

  了解直读式铁谱仪中磨粒沉积规律的这些特点,对正确操作仪器和运用所测出直读数据将是十分重要的。

  本文摘自杨其明著《磨粒分析--磨粒图谱与铁谱技术》一书部分章节,版权归原作者所有,出于传递更多信息和学习之目的,并不意味亚泰光电赞同其观点或证实其内容真实性,本文内容仅供参考。本文首发亚泰光电官网,由深圳市亚泰光电技术有限公司编辑整理,亚泰光电,国内知名工业内窥镜油品分析仪研发、生产厂家,致力于为客户提供针对性、专业化、系统性的设备诊断和状态监测产品解决方案,欢迎您的咨询与洽谈。0755-86656390)