基于電化學阻抗法的油液在線監測傳感器應用特性研究

劉明磊，王志寰

(1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700；2.中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川成都 610213)

工業裝備在用油老化過程復雜，多種因素導致其阻抗變化，并且隨時間變化而改變[1-2]。傳統基于介電常數、容抗及介質損耗(正切角)技術的傳感器，在工業應用中表現為數據檢測的針對性和單一性，需配合其他指標的傳感器集成應用，以綜合分析潤滑油狀態。同時，傳感器受實現原理、檢測工裝和工業環境等因素的制約，例如管道湍流、油溫、壓差等，導致檢測數據的穩定性異常，降低了數據分析和潤滑故障診斷的準確性[3]。

電化學阻抗譜對污染、氧化和添加劑降解尤其靈敏，用于潤滑油在線監測體系，能綜合反映油品的健康指數。其中高頻體相阻抗譜可表征氧化副產品、溶解或分散的污染物，如煙炱等；體相阻抗譜可表征極性添加劑降解、氧化產物、添加劑聚集、混油污染等；低頻界面阻抗譜可表征表面活性添加劑降解或界面活性改變。通過電化學阻抗譜這種多頻率、多特征檢測方法可反映油液的多種老化、污染情況，因此基于電化學阻抗譜的油液狀態傳感器能提高潤滑油檢測性能，有效解決潤滑油在線監測的水分異常、油品污染和潤滑油老化失效臨界等問題[4-6]。在工程實踐中，傳感器用以檢測整體油液狀態的變化，通常會觀察阻抗數據的變化趨勢[7]。隨著時間的推移，阻抗數據的上升或下降，阻抗數據的大幅波動等，通常與污染事件或油液狀態的變化有關。如果趨勢異常，通過傳感器可確定何時取油樣檢測；或者趨勢變化劇烈、持續時間較長，則通過傳感器可確定更換潤滑油或進行維護處理[8-10]。

本文作者研究的基于電化學阻抗譜的油液狀態傳感器能檢測潤滑油的體相阻抗(Bulk Resistance)、界面阻抗(Interfacial Impedance)和高頻阻抗(High Frequency Impedance)，從而對潤滑油指標進行在線實時綜合分析[9]，監測水分突變和潤滑油狀態變化趨勢。油液狀態在線監測系統配置了監測數據分析軟件，通過實驗驗證和工程論證了傳感器的應用能提高潤滑油檢測性能，有效解決工程中在線監測的水分異常和潤滑油老化失效臨界等問題，為設備潤滑的安全運維策略提供依據[11-14]。

1 探頭檢測原理

電化學傳感器檢測探頭是三電極結構，包含工作電極(Working Electrode，WE)、參比電極(Reference Electrode，RE)和對電極(Counter Electrode，CE)。工作電極與潤滑油中的各類介質發生氧化還原反應，產生與目標介質濃度成比例的電流，通過對電極將電流提供給傳感器。參比電極RE與工作電極WE共同工作，工作電極WE和對電極CE在檢測過程互為氧化還原反應，所以對電極CE的電位產生浮動。恒電位電路提供充足的電壓和電流將工作電極WE保持在與參比電極RE相同的電位，讓對電極CE與工作電極WE保持固定偏移。

傳感器的測量電路是I/V跨阻運算放大器，如圖1所示。電流通過電阻R4放大，產生相對于虛擬地的輸出電壓，電容C4的作用是降低高頻噪聲。電路二級經放大時，第一級使用小的電阻阻值R4，以允許電路在瞬態條件下對抗傳感器電流，然后經過第二個電壓增益級，以提供所需的輸出。

圖1 檢測電路原理

測量電路使用負載電阻R3和內部傳感器電阻，與內部傳感器電容的組合以建立RC振蕩電路；負載電阻R3的選擇依據是最快響應時間(低電阻R3)和最佳噪聲(高電阻R3)的影響。該RC電路影響均方根噪聲和響應時間：響應時間隨著電阻Rload的增加而線性增加，而噪聲隨負載電阻阻值R3的增加，其迅速下降。當傳感器電流流經R3時，傳感器偏置電位會有一個小的變化，傳感器穩定時間隨之增加，將需要短時間來重新穩定，除了高濃度介質和高電阻Rload之外通常不發生這種瞬態現象。

檢測電路仿真原理圖(見圖2)中的電阻R5、R6、R8分別等效為CE、WE、RE；運算放大器對CE提供電流，以工作平衡電極WE所需的電流；控制U1B的反相輸入連接到RE，RE上電流極小，故使用輸入偏置電流很小的運算放大器。

圖2 檢測電路仿真原理

恒電位電路的電壓偏置及驅動能力，對電極CE驅動所需電位和傳感器提供電流。傳感器電流的方向，由目標介質決定，當WE電極發生氧化反應失去電子，CE發生還原反應，電流從WE流出；WE電極發生還原反應得到電子，CE發生氧化反應，電流從WE流入。當電流從WE流入時，單電源模式下偏置就產生了作用，不加偏置對電極CE將與地電位相差-300～-400 mV，隨著濃度的增加電壓差越大。

2 測試及數據解析

2.1 測試方法

圖3所示為電化學傳感器實驗平臺，電化學傳感器通過夾具懸在裝有潤滑油的燒杯中，對潤滑油的狀態進行連續監測；采用密閉恒溫水浴對燒杯進行加溫保溫；通過攪拌器使得潤滑油液均勻混合；通過更換油品和調節潤滑油的理化指標改變油液狀態，分析傳感器檢測數據的變化。

圖3 電化學傳感器實驗平臺

2.2 數據解析

圖4示出了潤滑油進水后傳感器監測數據的變化。可見潤滑油進水時，傳感器檢測的潤滑油體相阻抗升高，高頻阻抗降低，界面阻抗降低，潤滑油濕度值升高。

圖4 潤滑油進水后傳感器監測數據變化

2.3 實驗驗證

在工業現場的某機組油箱中，按時序取得了1瓶新油和4瓶不同階段的油樣，按照圖3所示的測試方法進行實驗驗證。單獨測試新油、800 h在用油、2 300 h在用油、含水量為1×10-6(質量分數)的混合油和含水量為5×10-6(質量分數)的混合油各15 h。圖5(a)、(b)、(c)中的分段曲線分別對應其體相阻抗、高頻阻抗和界面阻抗的數值，其中橫坐標為時間點，以15 h間隔區分一種油品，縱坐標為頻率，單位是Hz；圖5(d)所示是含水量數據曲線，其中橫坐標為取樣第N個小時，縱坐標為水分質量分數(%)。

圖5 不同油樣的傳感器監測數據

潤滑油老化引起阻抗變化機制：因為油液使用時間長短決定添加劑含量，其導致高頻電荷、中頻電荷和低頻電荷的游離程度不同，所以出現大范圍的極化和物質轉移現象，因此體相阻抗表現為上升，高頻阻抗表現為下降，界面阻抗表現為不穩定波動。

水污染引起阻抗變化機制：體相阻抗由于水滴周圍的清潔劑形成反膠束導致升高。在界面保護方面，加水后界面阻抗立即下降，這是由于水滴取代部分表面保護添加劑附著在電極上，電極表面保護層受到損害。然后因為表面保護層恢復，界面阻抗緩慢上升。另外，不同污染源可能對測量產生相反的影響。如果使用單參數去表征復雜的油液系統就可能存在風險。

圖5(a)表明：(1)與新油的初始狀態比較，運行800 h的潤滑油體相阻抗數值保持在1.5×108Hz，運行2 300 h的潤滑油體相阻抗數值保持在2×108Hz，數據趨勢成比例增長，分別為100%和150%；(2)含水量1×10-3(質量分數)的潤滑油體相阻抗趨勢低于含水量5×10-3(質量分數)的潤滑油。

圖5(b)表明：(1)與新油的初始狀態比較，運行800 h的潤滑油高頻阻抗數值保持在3.62×104Hz，運行2 300 h的潤滑油體相阻抗數值保持在3.605×104Hz，趨勢近似成比例階段性增長；(2)含水量1×10-3(質量分數)的潤滑油高頻阻抗趨勢高于含水量5×10-3(質量分數)的潤滑油，且含水量越高，變化越劇烈。

圖5(c)表明：(1)與新油的初始狀態比較，運行800和2 300 h的數據呈無規律增長，趨勢類似于體相阻抗；(2)含水量1×10-3和5×10-3(質量分數)的數據呈無規律下降，趨勢類似于高頻阻抗。

圖5(d)表明：潤滑油中含水量越大，曲線趨勢越劇烈。

綜上，電化學油液狀態傳感器可以區分不同使用時間和不同含水量的油樣，具體表現為油液使用時間越長，體相阻抗數值越大，高頻阻抗有適度變化；水分越高，高頻阻抗數值越小，體相阻抗有適度變化。

3 結論

(1)潤滑系統中存在多個性能指標同步或異步退化現象，并且各個性能參數的退化過程相互影響，其退化數據有一定的關聯性。在油況傳感器檢測的阻抗數值中表現為某一阻抗數值突變，其余兩阻抗數值漸變的特征。

(2)電化學油液狀態傳感器的體相阻抗是傳感器的關鍵參數，對各種油品參數敏感，測試表現為潤滑油老化時間越長，體相阻抗數值越高。高頻阻抗對各種分散和溶解的污染物敏感，測試表現為潤滑油老化不同時間點的污染物不同，高頻阻抗數值隨之變化。界面阻抗對影響機械表面和傳感器頭部的添加劑敏感，特別是在低油溫情況下，界面阻抗對于潤滑油類型的可識別性，可作為油品校驗的參數。

(3)電化學油況傳感器體相阻抗和高頻阻抗隨油液使用時間的變化而變化，相對濕度隨含水量增加而升高。在多個傳感參數之間，測試表明該傳感器能夠成功地區分不同的油液狀態。通過工程論證了傳感器的應用能提高潤滑油檢測性能，能有效解決工程中在線監測的水分異常和潤滑油老化失效臨界等問題，為設備潤滑安全運維策略提供依據。