赵渝民等著 

中国科学院 兰州化学物理研 究所 , 兰 州

内燃机 润 滑 油 清净性测 定法 热管氧化 法在 国 内石 化 行 业 逐 渐 推 广 , 愈 来 愈 多 的 企 业 采用 热 管 氧化 试验仪评 定 油 品抗 氧化清净 性 。

热管 氧化试验在 玻璃 反应 管 内壁 中形成漆膜 积 炭沉 积 , 沉 积 物 颜 色 深 浅及覆 着 面 积 与油品 的抗 氧化性 能相 关 , 存在 着 定量 关 系 , 即清净性 的评 定 等级 。 目前该 试验方 法 已 形 成标 准 , 即

《柴 油机 油 清净 性 测 定 法 热管氧化 法 》

。

热 管氧化 法评 级采用 试 验样 管 与标准 管对

比 , 依靠人 眼 观察确定 级别 。 这种方法存 在人为

误差 因 素 , 且标 准样 管随时 间 推移 , 漆膜颜色 可能褪化 , 影 响评 级 准确 度 。 为此 , 开 展 了热 管 氧化 数 字 比 色 定 级 方 法 及 仪 器 的 研 究 工 作 , 期 望使用仪 器 评 定热管级别 , 提 高测 试准确性 。

经 过 一 年 多 时 间 , 对 测 量 及 数 据 处 理 系统进行 了设计 组 装 、 调试 及 数据采集 , 做 了软件 和硬 件 方 面 的多次 改进 , 最 后 确 定 了 定级方 法 和仪 器 的结构 。方法 基本原 理

数字 比色 定 级 法 基本 原 理采用 光 电扫描技术 , 对 反 应 管 内壁 形 成 的漆膜沉积进行 光透射 , 沿沉 积 区 域 逐 点扫 描 收 集 光 学 信息 , 进 行 计算机 积分运 算 及 数据处理 、 分析评级 。

信息采集装 置 由步进 电机经 丝杠传 动光 电祸 合 器 件 运 动 , 光 电 器件 由一 只 砷 化 钵红 外 发

光 二 级 管 作 为 透 射 光 源 , 它 射 出 波 长 入 为

一 人的红 外 射线 穿过玻璃 管壁 及 沉 积物

层 到 达接 收器 。 接 收 器 是 一 只硅 光 敏三极 管 , 它可 以 根 据 穿 透 管 壁 沉 积 层 的光强 度 变化 , 输 出相 应 的模 拟 电平 信 号 , 经整 形 放 大及 转 换电 路输 人 计 算 机 进 行 信 息

、 处 理 分 析 , 计算 出 沉积 层 的厚 度 和 面 积 的相 关 数值 , 绘 制 出 沉 积 分布 曲线 图形 , 同时 在 屏 幕上 显 示 评 级 结果 。热管氧化 比色评 定 仪 的结构 组成

仪 器 系 统 由扫 描 试 验 台 、 控 制 仪 及 微 机 系统 部 分 构成 。

扫描 试验 台主 要 由步进 电 机 驱 动 系统 及 装有 光 电祸合器 件 的扫 描 头 部件 组 成 。 它 负责沉积 区 域全长度 采集光强 信息 及 光 电信号 的转换任务 。

控 制 仪 主 要 由步进 电 机 驱 动 电源 及 信号 整形 、 转 换 和 预 处 理 电路 组 成 。 它 控 制扫 描部 件 的 运 动 位 置 和 状 态 , 负 责移 位 调 整 及 显 示综 合参数等项 任 务 。

微机 系统 配 置 主要 为 满足 比 色 仪 的 图形 界面及处 理信息 的数量和速度 的要 求 。 微机 系统硬件 的基本 配 置 为 ①各 系 列 微型 机及 其兼 容机② 彩 显 及 其 彩 卡 、 功 能 卡 ③标 准 键 盘 和鼠标器 ④各类 打 印机 。 软件环境 为 或

以上版本 , 和 及比 色 专 用 控 制程 序 。 软 件 设 计 了 评 定 专 用 的中 文 界 面 , 可 计 算 各 项 指 标 、 评 定 级

别 , 还可 比较 、 显 示 、 存贮 、 打 印图形 及各项参数 。

收稿 日期 一 。 一

第 期 赵 渝 民 等 热 管 氧化数字 比色 定 级 法 及 仪器研 究

方法 及仪器 的研 究

在方法和仪器 的研制 中解决的主要难题是建立合理的数学模 型 , 以 描述光 电扫描数据 和热管评级的相关性 。 在调试过程 中发现 了玻璃管壁对光线的折射率和全 内反射率的干扰 以及漆膜沉积层的类型 和分布不均匀性对评定结果的影 响 。 这些问题归纳为 ①玻璃管几何尺寸 外径 、 壁厚 、 圆度、 同轴度误差 的不均一性对光 电扫描透射率的干扰 ②内管壁漆膜沉积类型 白雾状 、 黄褐色 、 黑斑点等 及分布不均匀对评定结果 的影响 。

在近万次扫描测试基础上 , 采集了 万多个数据, 运用数学归纳法 归纳整理 , 建立 了相关的数学模型 , 较好解决了抗干扰及消除误差等关键问题 口

玻璃 管光透射 的物理学分析

根据 几 何 光 学 惠 更 斯 原 理 、 反 射 及 折 射定律, 光 电 扫 描 时 透 射 光 线 穿 越 光 媒 质 要 途 经 二层有曲率表 面 的 玻 璃 及 沉 积层 和 空 气层 到达 光敏接收器 。 在 穿 透 过程 中 , 除少数 中心 轴 线附近的光线直 线 透 射外 , 其 余 均 受 到 曲率 表 面 的 反射、 折射及 全 内反 射 而 减弱 或被 吸 收 。

因此 , 玻璃管外径 和 壁厚 尺 寸变化是影 响扫描结果的直接因 素 。 采 用 中 , 左右 的发射孔径可抑制 和 消 除这 些 干 扰 因 素 。 实 测 结 果证

明 缩小 到 中 的 发 射孔 径 可 有 效 的解 决外径 、壁厚 以及玻璃管公差所带来 的误差 问题 。

漆膜沉积 类型及 分布不 匀 的 问题

热管氧化试验 样 管 的漆 膜沉积类 型 与基础油和添加剂 的种类 、 数 量有关 。 而分布不匀则 与反应管与炉 芯 的传热距离及管 内壁粗糙度 有关 。扫描测 试 时 , 沉 积 偏 向一 侧 的样 管 必 须 将有沉积且漆膜颜色 最 深 的一 侧 对 准发射孔 。 对于透明度差 且 漆 膜 呈 白色 雾 状 的沉 积 层 , 比 色扫描的评级结果 并 不 比 黄褐 色 沉 积层 低 。 如果采用目测评 定这 种 沉 积 , 则 结果 差 别较大 。

比色扫描评 定 与 目测 评定 这 种 方 法 的 区别在于人 的眼 睛和 经 验 与仪器 透射光强 的变化信息的处理 。 所 以评 定结 果是基 本对应 的相对

关 系 , 实 测 结 果 表 明 这 种 方 法 对 应 性 约 为左 右 。 而评价热 管试验结果 的准确性 即与台架试 验 的相 关性 还需 要 做一 些 工 作 。

数字 比 色定级标准 说 明

经 过 只 反 应 样 管 近 万 次 扫 描 测 试 并与原 标准 色管相 对 照 , 初 步确定 峰值 沉积厚 度最 大值 、 面积 沉积 长 度 与 覆 着 面 积 、 评 级 清净 性 等 级 个 主 要 评 定 数 据 作 为 数 字 比 色 定级 结果 。 其相互 关 系见 表 。表 数 字 比 色 定 级 标 准原 色 管 标 准 级 数 字 比 色 级 范 围 而 积 值 范 围 峰 佰 范 围分 级 范 围 的 选 择 主 要 依据《柴 油 机 油 清 净性 测 定 法 热 管 氧 化 法 》所规 定 的 沉 积 等 级 的标 准 。 按此标 准描述 而 挑 选 出来 的各级 别 样管 , 再 经 多 次扫 描 确 定 结果 。

仪 器 的重 复性 和 再 现性也 经 多 次试验 结 果作 出相 应 的规定 。 特 别说 明 的 是 对 于 超 出标 准一 一 范 围 的 样 管 以 及 壁 厚 大 于的 样 管 , 扫 描 比 色 评 定 的 误 差 也 将 超出规定 的误差 范 围 。

结论

热管氧化数字 比色 定级 法对 油 品 清净性 等级 的定 量评 价 与 目测 法评 定相 比 , 精度提 高 了一 个数 量 级 , 且 消 除 了 人 为 因 素 的偏 差 。 评 定 结果 用 图形 和 数 字 显 示 , 并 具 有 存 贮 、 参 比 、 打 印等 多 项 功 能 , 因 此 比较科 学 直 观 地 反 映 沉 积 情况 , 可 以 为研究工作 提供一 种 新 的手段 。