淺談使用液體自動顆粒計數器的必要性

李開放

(國防科技工業顆粒度一級計量站,河南新鄉 453019)

0 引言

人的肉眼所能分辨的顆粒的粒徑大約為40 μm，但是一些尺寸更小的顆粒對機械裝備系統也存在著潛在的較大危害。隨著現代科技的發展，人們迫切需要了解這些顆粒的類型、數量和尺寸等特征。

1 油液中顆粒的分類與來源

伴隨著泵、閥及各種過濾器等零部件在機械裝備系統中的大量使用，能夠引發機械故障的因素也隨之增加。它們不僅包括存在于油液中的水分、機械雜質，甚至還包括微生物。它們可能造成機械部件的磨損、腐蝕、堵塞細小流道，甚至使一些關鍵部件失效。

眾所周之，油液從生產到使用的各個環節都存在受到污染的可能。首先油液在生產過程中要采用大量與顆粒接觸的工藝過程，如脫酸、脫色、添加顆粒狀添加劑等，這些顆粒要經過過濾工藝才能去除。沒有過濾徹底的固體顆粒將進入儲運環節，甚至過濾工藝本身存在濾料中的纖維，從而進入油液，危害機械系統。此外，油液在儲運及加注過程同樣不可避免地會有污染物侵入。比如容器中的顆粒、不同牌號的油液、進入油罐中的空氣所攜帶的塵埃、水分都會使油液中的污染物增加。當然機械液壓系統、潤滑系統本身的污染液也不可忽略不計。最后系統及其附件在運行過程中，會與型砂、切屑、磨料、焊渣、氧化皮和灰塵等接觸，從而成為系統故障的又一種隱患。

前面提到的油液中的各種污染物指的就是油液中存在的對系統的存儲性能、使用性能有危害的物質，這些污染物無外乎固體、液體或氣體3種類型。其中固體污染物包括顆粒狀的添加劑、塵土、纖維、銹蝕顆粒、金屬顆粒、塑料等各種存在于油液中的懸浮顆粒；液體污染物主要指的是油液中混入的其他餾分和其他牌號的油液，以及侵入油液的水分；而氣態污染物主要指的就是液壓油液中的空氣。

2 油液中顆粒的危害

大量的顆粒污染物以懸浮狀態進入油液，并隨油液在系統中一起運動。當較大的固體顆粒物進入到摩擦副表面時，將使工作摩擦力增大，產生磨料磨損，甚至使系統卡死。雖然小顆粒的粒徑很小，但是它也能卡死伺服閥之類的精密元件。此外大量的固體顆粒污染物在系統元件的節流孔、節流縫隙或者過濾器處淤積甚至堵塞流道，使系統失靈。含有固體顆粒污染物的油液在系統中的高速流動，將產生沖蝕現象，迫使間隙增大，從而使控制性能變差或因泄漏增大使系統性能變壞。

軟質顆粒的危害在于：它們可以包住熱交換器的表面，導致熱交換效率下降；沉積在過濾器濾層表面，增大流量阻力；堵塞動態間隙引起靜摩擦，使運動部件的動力增加，嚴重的甚至導致伺服閥與油缸卡死。

纖維則可以黏附于濾網與孔口，堵塞小孔的同時也妨礙了顆粒、碎屑的通過。

3 自動顆粒計數的必要性

油液中顆粒的危害如此之大，因此對油液中的固體顆粒污染物進行控制就勢在必行。首先需要對污染物進行識別和量化，如測量油液中的含水量、知道油液中固體顆粒污染物的等級、判斷油液中懸浮物的可濾性等；其次是根據系統的組成確定油液應達到的清潔度等級；然后根據要求確定具體污染控制方案，選擇合適的過濾器對系統中不同部位的油液進行過濾，對儲運油液的管道、儲藏、加注設備進行清洗，對機械裝備的油箱、閥門甚至整個系統進行清洗。當然只有清洗是遠遠不夠，除了采取措施減少混入系統的顆粒，如何才能知道清洗的結果也不可或缺。由于處理的對象基本都是肉眼不可見的微米級別的顆粒，因此迫切需要一種可以對油液進行評價的儀器。

然而固體顆粒污染度的測量不僅包括對單位體積液體中的顆粒尺寸、尺寸分布的測量，還包括對油液中顆粒數以及油液固體污染度等級的測量。雖然方法有很多種，但是目前國內常用的方法主要有：重量分析法，顆粒計數分析法。

重量分析法是通過測量單位體積液體中所含顆粒的質量，從而來確定顆粒物污染度等級的一種方法。不可否認，重量分析法所需的測量裝置比較簡單，費用較低，但是同時應該注意到這種方法操作所耗費的時間長，且測量結果只能反映油液中顆粒的含量，卻不能反映顆粒的尺寸、顆粒的數量及尺寸分布。說到底重量分析法只是一種定性的測量方法。

顆粒分析法則是通過測量單位體積液體中所含的特定尺寸段的顆粒數量，從而來確定顆粒污染度等級或進行顆粒分布和污染的研究。

隨著電子技術和污染檢測技術的飛速發展，作為顆粒分析法的一個代表，液體自動顆粒計數器憑借其計數速度快、準確度高、重復性好、操作簡便且結果不受人為因素的影響，既可以在線用于現場工作，也可以離線用于實驗室分析，降低了系統維護的成本和停機時間等諸多優點在液體顆粒污染分析中獲得廣泛應用。目前在國內與國際上，遮光型自動顆粒計數器是目前液體顆粒污染分析中使用最廣泛的。通過使用它，工作人員可以迅速確定固體懸浮顆粒的污染程度，從而采取相應的措施來了解油液從生產到使用的各個環節固體懸浮顆粒的污染狀況。

4 遮光型自動顆粒計數器的原理及特性

既然遮光型自動顆粒計數器的使用如此廣泛，那么了解它的的原理也是必須的。如圖1所示。

油液中的懸浮顆粒隨油液一同流經一個細小透明通道，一束與油液流動方向相垂直、經過精密光學系統調整過的平行光束照射在透明通道上形成一個窗口。透明通道以及激光束的設計保證在一定的顆粒容度下同時只有一個顆粒處在激光的照射下。激光束的對面是一套激光接收及光電轉換器件。當激光束中沒有顆粒時，激光接收器件將接收到通過窗口的全部激光。當有顆粒流經這個窗口時，一部分激光將被顆粒遮擋或因散射、反射等減少，這樣到達激光接收器件的激光將減少。激光的衰減量與顆粒的尺寸，也即在激光光束中顆粒的投影面積成正比。激光接收器件將接收到的激光經過光電轉換、信號放大等環節后進入自動顆粒計數器主機進一步處理。

而顆粒計數器的校準曲線、閥值噪聲水平、取樣體積誤差、體積測量變動系數、重合誤差極限、流速極限和分辨力則是決定一臺自動顆粒計數器的性能優劣與否的重要因素。

在顆粒尺寸和脈沖電壓幅值之間存在著嚴格的一一對應關系，并且是唯一的關系，將這種關系繪制在雙對數坐標紙上，就是顆粒計數器的校準曲線，技術人員對顆粒計數器進行尺寸校準，就是在尋找顆粒尺寸和脈沖電壓幅值之間的這種一一對應關系。對于任何顆粒計數器中的傳感器，它都有能夠識別的最小顆粒。定義傳感器的傳感區無顆粒通過時，液體自動顆粒計數器第一通道的計數頻率不超過60個/min時所設定的最低電壓值，為自動顆粒計數器的閥值噪聲水平。它的大小直接決定了液體自動顆粒計數器所能檢測的最小顆粒尺寸。由于使用液體自動顆粒計數器測試油液的污染度時，每次的取樣體積很少，若取樣體積不準確，判定污染度的等級時，往往會將測試誤差放大，因此取樣體積的準確與否，也對液體自動顆粒計數器的最終結果有重要影響。取樣器重復輸送特定流體體積的能力，使得計數器每次的實際測量體積并不一樣，這也是造成液體自動顆粒計數器測量重復性變動的重要因素。理論上當傳感器中有多個顆粒通過時，必然會導致計數誤差。實際測量中也不可能實現同一時間內只有一個顆粒通過傳感器，因此規定能夠使液體自動顆粒計數器的計數誤差小于5%的顆粒的最高濃度為液體自動顆粒計數器的重合極限誤差，其值越高，則儀器的性能越好。油液只有在工作流速下通過傳感器的窗口，才能保證所測得的顆粒數與實際相符，所以必須使工作流速所測得顆粒數與流速上下限時的顆粒數的差值不超過5%，此時的流速上下限就是儀器的流速極限。而分辨力則決定了液體自動顆粒計數器相鄰兩通道所能檢測顆粒尺寸的最小差值。其值越小，計數器的分辨性能越好。

因此只有一臺自動顆粒計數器的這些性能完好，測試人員才能真實地了解油液及系統的狀況。

5 結論

雖然油液中的顆粒的來源五花八門，顆粒對機械系統的危害也輕重不一，但是遮光性自動顆粒計數器的諸多優點使其能夠迅速地對油液污染度進行判級，進而為人們判斷污染顆粒的來源、防止其產生危害方面發揮作用，這也正是為什么自動顆粒計數器能夠成為機械行業不可或缺設備的原因。

【1】 上海敏泰液壓件有限公司.油液污染檢測儀器原理說明[M]，2010.