污染物分析

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第89页（2783字）

液压系统在工作中，从外界环境不断侵入各种污染物，并且由于元件磨损和油液劣化，从内部不断生成各种污染物。通过对油液中污染物的检测和成分分析，可以获得有关污染侵入，元件内部磨损和油液衰变的信息，为设备维护和油质管理提供依据。目前用于油液中污染物成分分析的方法主要有：光谱分析、铁谱分析和红外光谱分析等。

(1)光谱分析

光谱分析法的基本原理是，每种元素的原子当被一定的能量激发时，具有发射和吸收特定波长的光的特性，通过光谱分析可以检测物质中的各种元素及其含量。

光谱分析法主要有原子发射光谱和原子吸收光谱两种方法。目前油液分析中使用较普遍的为转盘电极式原子发射光谱仪，其工作原理如图3．2－1所示。

图3．2－1 发射光谱仪工作系统

1－样液容器；2－石墨圆盘；3－石墨棒；4－入口狭缝；5－光栅；6－出口狭缝；7－光电倍增管

石墨圆盘电极2在盛有油样的容器1内旋转，将油液带到石墨圆盘2和石墨棒3两电极之间被电火花激发。油液中的污染物被激发后发射的光经入口狭缝4射向光栅5，经折射后按不同的波长分开并形成各种谱线。各个元素的特定谱线经过狭缝6被相应的各个光电倍增管7接收，并转换为电流信号。所接收谱线的强度与该元素的浓度成正比，由此可以确定各种元素的含量。

用光谱仪可以检测油液中的各种磨损金属微粒(如铁、铜、铝、铬、镍、锰、铅、锡、钼、银、钛、钒以及其它金属元素)，外来污染物(如硅、硼、钠、钾等)，以及添加剂元素(如锌、磷、钙、硼等)。根据配置的光电倍增管的数量可以同时检测多达20种元素，并给出其含量(ppm值)。现有的光谱仪一般只能检测10μm以下的颗粒。近年来检测大颗粒的光谱技术取得一定进展，检测的颗粒尺寸可提高至30～40μm。

(2)铁谱分析

铁谱分析的原理是利用高梯度强磁场将油液中的铁磁性颗粒分离出来，然后进行含量测定和形貌分析。

铁谱仪主要有直读式和分析式两种类型。

(A)直读式铁谱仪的工作原理如图3．2－2所示。样液管1内的样液被虹吸泵7吸出，经细管2和位于磁铁10上方的玻璃沉积管6流入容器11。油液中的铁磁性颗粒在磁场作用下，按颗粒大小顺序沉积在沉积管内壁的不同位置上。由光源9发出的光，经光导纤维束8传输到沉积管的两个固定测点，并由两个光电检测器5测定透过沉积管的光密度，并转换为反映颗粒沉积数量的读数。靠近油液入口端测点的读数表示油液中较大铁磁性颗粒(＞5μm)的数量，其下游测点的读数表示小颗粒(1～2μm)的数量。

图3．2－2 直读式铁谱仪原理图

1－样液管；2－细管；3－电子线路；4－数字显示屏；5－光电检测器；6－玻璃沉积管；7－虹吸泵；8－光导纤维束；9－光源；10－永久磁铁；11－废液容器

直读式铁谱仪检测速度快，并能定量检测油液中的磨损颗粒，适合于对液压和润滑设备的磨损进行监测和趋势分析。

(B)分析式铁谱仪的工作原理是利用磁场作用将油液中的铁磁性颗粒分离出来并沉积在一玻璃基片上，制成铁谱片，以供铁谱显微镜和其它仪器对颗粒进行成分鉴别和含量测定。分析式铁谱仪一般由制谱仪、铁谱显微镜和光密度计三部分组成。

图3．2－3为铁谱片示意图，利用制谱仪使样液缓慢地流过一倾斜放置在高梯度强磁场中的玻璃基片，油液中的铁磁性颗粒按其尺寸大小分别沉积在基片的各个部位。一些非铁磁性颗粒也可能随机地沉积在基片的下游部位。

图3．2－3 铁谱片示意图

利用铁谱显微镜可对铁谱片上沉积的颗粒物进行观察，利用标准铁谱图册，可以鉴别颗粒物的种类，如常见的金属、非金属和氧化物等。

在显微镜下还可以通过光密度计读出铁谱片上某一部位的光密度衰减值，它定量地表示检测部位颗粒覆盖面积的百分数，读数愈大表示颗粒数量愈多。在进行铁谱分析时，一般记录铁谱片距离液流出口端55mm和50mm两个位置的读数，它们分别表示较大颗粒(大于5μm)和微小颗粒(小于2μm)的颗粒数量。

铁谱仪对1～250μm范围内的铁磁性颗粒都很敏感，因而广泛应用在液压、润滑油液中磨粒成分和含量检测，是机器磨损监测和故障诊断的有效手段。

(3)红外光谱分析

红外光谱分析的原理是，通过检测各种化合物在红外光谱区(波长2．5～25μm)的特征吸收峰及吸收的特定波长光线的能量，从而对油液中的化合物进行定性和定量分析。

目前在油液红外分析中，广泛采用傅立叶变换红外光谱仪(FT－IR)，它由红外光源、干涉仪和检测器三部分组成，样品池内试样中的化合物选择性地吸收与其化学键能量相当的特定波长的红外光线，透过样品池的红外光用红外检测器测量，检测数据由计算机系统完成数据储存和傅立叶变换。

红外光谱分析可检测油液劣化产物、添加剂成分和外界侵入的化学污染物等。在液压油和润滑油红外分析中，与油液劣化和污染有关的油液性质常用以下参数表征：氧化、硝化、硫酸盐、羧酸盐、抗磨剂水平、抗氧剂水平、多元醇酯降解、燃料稀释、水污染、乙二醇污染和积炭污染等。图3．2－4为油液红外光谱分析谱图，图中反映了部分红外分析指标的基本吸收特性。

图3．2－4 油液红外光谱分析谱图

表3．2－1 为矿物油红外光谱分析的表征参数与相应的特征吸收峰值的峰位(波数)。

表3．2－1 矿物油的红外光谱