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直讀式鐵譜儀原理及磨粒在沉積管沉積規律

作者:   發布日期:2016-7-21   點擊數:1638

  直讀式鐵譜儀是繼分析式鐵譜儀之後發明的具有準确定量和快速測試特點的鐵譜儀。

  一、直讀式鐵譜儀工作原理

  直讀式鐵譜儀其核心部分仍是一塊高梯度強磁鐵,磁鐵以一定角度與油樣流动方向相反地傾斜設置,在其磁場狹縫處平行放置一透明玻璃制成的沉積管,被分析油樣在虹吸作用下由試管進入毛細管,再因自身重力流入沉積管即進入磁場。油中的磨粒在高梯度強磁場作用下克服油樣的粘滞阻力,依其自身粒度由大到小依序沉積在沉積管内壁上,为了直接測出油樣中大磨粒和小磨粒的濃度,在相應的兩個測點處利用光導纖維引入兩束穩定光源,这兩點相當于分析式鐵譜儀中鐵譜片入口區和50mm的位置,光束穿過沉積層和沉積管射入與其相對的兩個光電池,光電池将光信号轉換为電信号,再经電子線路進行放大和A/D轉換,最終在兩個數顯屏上以數字形式顯示出来。由于穿過磨粒沉積層的光信号的衰減量與磨粒沉積量在一定條件下成正比關系,所以经過電路的處理後可以在數顯屏上直接讀出與磨粒沉積量成線性關系的讀數(大磨粒直讀數)和(小磨粒直讀數)。这樣,就达到了直接測讀被分析油樣中大磨粒和小磨粒濃度的目的。

直讀式鐵譜儀工作原理圖

  二、磨粒在沉積管中的沉積規律

  與分析式鐵譜儀有所不同,直讀式鐵譜儀中磨粒是在一個透明的玻璃管---沉積管中被磁場分離和沉積下来的,因此,它的沉積規律以及與这個規律相關因素顯然與分析式鐵譜儀存在差異。

  为了從理論上進行計算,同樣要對直讀式鐵譜儀中伴随磨粒沉積過程的流體力学現象在其條件上做如下理論假設:

  (1) 油樣是牛頓流體。其中所含的微粒可近似簡化为球形,且濃度較低均勻地懸浮在油樣液體中,它們的存在不會影響液體的粘度和流动。

  (2) 液體中所有不同磁質的顆粒其所受磁場作用力可以利用如下公式加以計算

  (3) 液體在虹吸作用下流动的過程其試管中的液面因油樣不斷流下而逐漸降低,这個降低量可以忽略不計,因此,沉積管中的油液是在不變的壓強下流动,其流速保持恒定,玻璃管與油液流动方向是反向傾斜裝置,这保证了管内的油流是一個穩定的層流狀态。

  (4) 油液分子的布朗運动所帶来的對磨粒運动的影響忽略不計

  如圖所示是處在磁場中的沉積管之縱剖和橫剖圖,同樣隻考慮A區内情況可以使問題簡化,由于油樣與沉積管内壁的粘滞作用,沉積管内油液的流速是以管中軸为中心環形對稱分布的,中心最高,管壁處为零,如圖所示:

沉積管中的油流和磨粒

處在不同流速層内的磨粒會因旋轉産生能量的消耗,隻是旋轉方向恰恰相反


  與分析式鐵譜儀所不同的是,沉積管與水平方向存在夾角(約15-20度),因此重力、浮力與磁場作用力、粘滞力成一定角度,前兩者的量值比起後者相對極小,且在此條件下隻是沿Z方向的分量起作用,因此可以忽略不計,根據牛頓第二定律

油樣、磨粒速度沿沉積管直徑Z方向的分布

沉積管中磨粒的受力分析計算公式,通過解析此微分方程可以得出在直讀式鐵譜儀沉積管中初始高度磨粒與其沉積的距離

  通過對此解的分析可以得出與分析式鐵譜儀相似的磨粒沉積規律

  1、 在其他因素不變的條件下,處在沉積管内同一高度上的磨粒其沉積距離與其自身的直徑平方成反比,即大磨粒先沉積,小磨粒後沉積,因此,油樣所经過的第一個傳感器應是大磨粒濃度值測讀的位置,而第二個傳感器的位置則對應着小磨粒沉積區。

  2、 必須創造一個高梯度的強磁場才能實現對微米級磨粒的沉積,按照測試結果,沉積管正處在磁場梯度达到最高值的空間區域内。

但是,由于儀器的結構及油樣流动方式的不同,直讀式鐵譜儀中磨粒沉積規律與分析式鐵譜儀有以下三點主要區别:

  1、 分析式鐵譜儀中鐵譜片上油膜厚度約为0.8mm,是油流寬度的(4.5-5mm)的1/6,油中處于不同流層的磨粒初始高度Z相差無幾,因而磨粒初始高度的差異對磨粒沉積距離Y影響不大,大磨粒與小磨粒沉積區間的界限比較清楚。然而,在直讀式鐵譜儀中,油樣和磨粒通過的是一個截面为圓形的玻璃管,磨粒的初始高度是不能忽略的因素,較高層的大磨粒與較低層的小磨粒有可能沉積在同一位置上。如圖示是这種特殊沉積狀态的示意圖

直讀式鐵譜儀中磨粒沉積狀态示意圖

  該式中己不再存在粘度这個物理量,这表明,用于直讀式鐵譜儀的毛細管的内徑、長度一旦确定油樣中某特定粒度的磨粒之沉積位置不因油樣粘度的變化而改變,起重要作用的是C值的大小,这一點为直接操作儀器的分析人員提供这樣的指導:即比起準确掌握在油樣中加以稀釋粘度的固定劑之比例来說,嚴格控制裝有油樣的試管高度顯得更为重要。

 3、 油樣和其中的固态磨粒同時通過的是管狀的而不是開放的通道,實验觀測表明,这種流动方式會對固體顆粒産生一種“徑向遷移”效應。由于这種效應的存在,油樣中那些密度與液體相差不大的污染物顆粒會在毛細管中形成以管中心軸为圓心的環形分布而被沖出沉積管,那些密度大于油液的如銅、鋁有色金屬顆粒,除了其中有的因與鋼對磨發生金屬轉移後,增加了磁性而被磁場吸留在沉積管内之外,大部分也由于此效應集中在油流流速最高的沉積管中心而軸附近而被油流沖出沉積管,因此,直讀式鐵譜儀幾乎不能沉積下非鐵磁性磨粒,它隻對鐵磁性磨粒具有較高的靈敏度,大量的統計性實验也表明:直讀式鐵譜讀數與光譜分析的鐵含量測量值其趨勢有着較好的吻合。

  了解直讀式鐵譜儀中磨粒沉積規律的这些特點,對正确操作儀器和運用所測出直讀數據将是十分重要的。

  本文摘自楊其明著《磨粒分析--磨粒圖譜與鐵譜技術》一書部分章節,版權歸原作者所有,出于傳遞更多信息和学习之目的,并不意味亞泰光電贊同其觀點或证實其内容真實性,本文内容僅供參考。本文首發亞泰光電官网,由翻翻配资編輯整理,亞泰光電,國内知名工业证券配资油品分析儀研發、生産廠家,致力于为客戶提供針對性、专业化、系統性的設備診斷和狀态監測産品解決方案,歡迎您的咨詢與洽談。0755-86656390)