准确且可靠的服务机油和燃油分析

现代石油分析计划的基础是指使用光学发射光谱法（OES）来测量污染物，磨损金属和油样中添加剂的零件（PPM）水平。无论油脂实验室可能需要测量什么，多元分析都被认为是服务机油分析计划的核心。本文概述了旋转磁盘电极光学发射光谱（RDE-OES），其应用和Spectroil Series产品系列的概述，这些家族将可靠性和性能的最新创新与实验室和军事应用的30多年经验相结合。

早期背景

第二次世界大战后的某个时候，丹佛和里奥格兰德铁路（现在已经停产）开始分析柴油机机油机油通过考虑使用碳电极强大的电弧激发的服务油样品发出的光谱线。初始测试确定了一个事实，即监测归因于磨损和污染的元素提供了慢性设备故障的早期警告。2020欧洲杯下注官网

元素光谱法被认为是油分析程序的骨干，因为它广泛适用于闭环润滑系统，例如燃气轮机，汽油和柴油发动机，变速器，压缩机，变速箱和液压系统中的存在。实际上，偶尔从系统中取油，然后检查。与较早的分析和允许限制相比，最终的数据可能指定仅显示正常磨损的声音机械系统，或者甚至可能在早期阶段指出可能是严重的问题。通过此高级警告，可以采取措施在严重伤害或损害发生之前纠正情况。

光谱油分析通过检测油润湿系统中金属部件相对运动产生的细颗粒来发挥作用。欧洲杯猜球平台还检测到污染物，并通过添加剂的浓度鉴定出严重降解的润滑剂或润滑剂混合物。多元素分析，以及用于构建发动机的材料的知识，通常可以识别遇险中的特定组件。欧洲杯足球竞彩表1表明，可以通过光谱及其典型来源检查典型的金属元素。

表格1。通过光谱法分析的典型元素来源。

金属	发动机，变速器，齿轮	液压油	冷却剂
铝 al	活塞或曲柄架上的往复式发动机，外壳，轴承表面，泵，推力垫圈	泵，推力垫圈，散热器箱，	冷却液肘部，管道，恒温器，间隔板
钡 ba	合成油添加剂合成液	添加剂	不适用
硼 b	冷却液泄漏，添加剂	冷却液泄漏，添加剂	pH缓冲液，抗腐蚀抑制剂
钙 CA	洗涤剂分散添加剂，水污染物，空气污染物	洗涤剂分散添加剂，水污染物，空气污染物	硬水缩放问题
铬 cr	活塞，气缸衬里，排气阀，CR腐蚀泄漏的冷却液泄漏	轴，不锈钢合金	缓蚀剂
铜 铜	黄铜或青铜合金与黄铜合金的锌和锡一起检测到青铜合金。轴承，衬套，推板，油冷却器，油添加剂	衬套，推板，油冷却器	散热器，油冷却器，加热器芯
铁 铁	最常见的磨损金属。气缸衬里，阀向导，摇臂，轴承，曲轴，凸轮轴，腕带，外壳	气缸，齿轮，杆	衬里，水泵，气缸块，气缸盖
带领 pb	轴承金属，衬套，密封，焊料，油脂，铅汽油	衬套	焊料，油冷却器，加热器芯
镁 毫克	飞机和海洋系统上的住房，油添加剂	添加剂，外壳	铸造合金
钼 莫	活塞环，添加剂，冷却液污染	添加剂，冷却液污染	抗浪费抑制剂
镍 你	轴承金属，阀列，涡轮刀片的合金	不适用	不适用
磷 p	反磨损添加剂	反磨损添加剂	pH缓冲区
钾 k	冷却液泄漏，机载污染物	冷却液泄漏，机载污染物	pH缓冲区
硅 si	空气中的灰尘，密封，冷却液泄漏，添加剂	空气中的灰尘，密封，冷却液泄漏，添加剂	抗泡沫和抗腐蚀抑制剂
银 Ag	轴承笼（银板），EMD柴油发动机上的手腕销衬套，带有油冷却器的银色焊料管道	润滑油冷却器的银色焊料	不适用
钠 NA	冷却液泄漏，盐水和海洋设备中的油脂，添加剂2020欧洲杯下注官网	冷却液泄漏，盐水和海洋设备中的油脂，添加剂2020欧洲杯下注官网	抑制剂
锡 sn	轴承金属，活塞环，密封件，焊料	轴承金属	不适用
钛 ti	燃气轮机轴承轮毂磨损，涡轮刀片，压缩机盘	不适用	不适用
锌 Zn	反磨损添加剂	反磨损添加剂	穿着黄铜组件的金属

光谱学原理

光谱是一种检测并量化材料中元素存在的方法。光谱学认为每个元素都有一个特殊的原子结构，并且在添加能量时，每个元素都会释放特定颜色或波长的光。如果借助分散元素（例如棱镜）散布此光，则会导致线光谱。可以检查收集的光，并且由于没有两个元素具有相同的光谱线模式，因此所鉴定的样品中包含的每个元素。此外，发射光的强度与样品中存在的元素的数量成正比，从而确定该元素的浓度。

这些光谱线仅是一个元素的原子结构所独有的。对于原子数为1的氢原子，光谱很简单（图1）。另一方面，含有原子数26的铁的光谱更为复杂，在可见光谱中有许多发射线，与可能发生的许多可能发生的电子过渡相对应（图2）。如果样本中存在多个元素，则每个元素都会出现各种波长的光谱线。有必要分开这些线，以识别然后量化样品中存在的元素。通常，为了确定特定元素的浓度，选择了许多光谱线。选择该线是因为其强度和免受其他元素的光谱线干扰的自由。为了实现这一目标，需要光学系统。

图1。氢的发射光谱。

图2。铁的发射光谱。

旋转盘电极光发射光谱（RDE-OES）

观察来自激发或加热样品的多种光谱线的光谱仪称为光发射光谱仪。所有光学发射光谱仪均包含三个关键组件。

1. 激发源- 将能量引入样品。
2. 光学系统- 分开，然后将所得的发射从该激励分离为其组分波长。
3. 读取系统- 识别和测量已通过光学系统分离为其组件波长的光，然后以可用的方式向操作员提供此信息。

电气排放是现代光谱仪中激发源中采用的一种典型方法。该源旨在将弧或火花中产生的能量赋予样品。对于油分析光谱仪，在它们之间的缝隙中，磁盘和杆电极之间建立了巨大的电势。电容器存储的电荷在该间隙上排放，产生高温电弧，该弧度使部分样品的一部分蒸发，从而产生血浆。

血浆是一种热，高度电离的气体，可释放强光。由于此过程的结果，发出的光包括来自样品中所有元素的排放。现在可以将这些排放量分为单独的波长，然后使用正确设计的光学系统进行测量。达到了5000至6000°C范围的温度，甚至很难激发元素发出足够的光以容易检测到。

自从光谱油分析的早期以来，旋转的碳电极和碳棒电极之间已经在旋转的碳电极和碳杆电极之间发出了油。将样品放在样品盖中，然后将磁盘部分浸入油样中，并在燃烧过程中旋转磁盘（图3）。根据所使用的精确盖，这需要大约2或3 mL样品。

图3。RDE光谱仪样品架显示油样品被“燃烧”。

每个样品都需要一个新的磁盘和新锐化的杆，以消除样品结转。该方法称为旋转磁盘电极（RDE）光发射光谱（OES）或统一两个RDE-OE。或者，它被称为RDE-AE，代表旋转磁盘电极发射光谱。

来自等离子体的光在光谱仪中通过光学系统分离到构成它的离散波长中。一种称为衍射光栅的光学设备用于分离谨慎的波长。衍射光栅是凹面镜，其表面上有极细的线，可将入射的多色光分离为组件波长，然后重点放在光探测器上。

图4给出了一个关键组成部分油分析光谱仪基于Rowland Circle概念，使用多色光学器。激发过程或“燃烧”中的光离开光纤电缆并通过入口狭缝，在那里它集中在透镜上的衍射光栅上。入口狭缝引入了包含油样品中存在的元件的光，并在焦点曲线衍射后定义了光谱线的形状。此处的光栅是将此光分离为“衍射”，将其发光到其组件波长中。光谱线可以通过电荷耦合器件（CCD）或光电倍增管（PMTS）进行照相或电子量化。

图4。用于油分析的旋转磁盘电极光发射光谱仪的示意图。

光谱仪的读数系统通常由工业级处理器和软件控制。时钟电路和放大器会定期读取CCD芯片或照片乘数管上的电荷，并将其从模拟信号转换为数字（ADC）信号，以测量落在像素上的光。在像素上积累的电荷转换为定义为“强度”单元的任意数。在分析结束时，将每个元素的总强度与存储在存储器中的校准曲线进行比较，然后将它们转换为样品中存在的元素的浓度（图5）。

浓度通常以百万分（ppm）为单位表示。可以打印此信息，也可以在视频屏幕上显示。完成分析并记录结果后，系统已准备好进行下一个分析。分析结果可以存储在硬盘上，留在屏幕上或发送到外部计算机。

图5。RDE-OES的读数系统。

光谱仪的光谱仪：市场领先的RDE光谱仪

用于使用油分析的RDE-OES光谱仪仍然是元素测量的选择。自从该技术首先由铁路和军方改编以来，由于该工具的坚固性，稳定性和可靠性，已有五十年的历史了。研发继续使用该方法，并取得了检测限制的关键改进，以及新的电子硬件，软件和光学器件的结果。这些区域中的最新创新集成到图6所示的Spectroil 100系列光谱仪中。

该系统的占地面积非常小，并且比以往任何时候都更易于使用，使其成为发电，采矿和商业实验室中冷却液，润滑剂和现场燃油实验室的理想解决方案。Spectroil可在下表中所示的一系列应用程序配置中获得。

图6。Spectroil 100系列RDE光谱仪。

表2。PPM中的Spectroil 100系列模型和校准范围。

应用	110e 基本引擎	120C			120f 燃料
		标准润滑剂	扩展选项	冷却液选项
Ag	0-900	0-900
al	0-900	0-900		0-50	0-500
作为			0-100
b	0-900	0-900		0-1,000
ba		0-5,000
双			0-100
CA	0-3,000	0-5,000		0-50	0-500
光盘		0-900
CE			0-100
co			0-100
cr	0-900	0-900			0-500
铜	0-900	0-900		0-50	0-500
铁	0-900	0-900		0-50	0-500
在			0-100
k		0-900		0-10,000	0-500
李		0-900			0-500
毫克		0-5,000		0-50	0-1,500
Mn		0-900			0-500
莫	0-900	0-900		0-500
NA	0-3,000	0-5,000		0-10,000	0-100
你	0-900	0-900			0-500
p	0-3,000	0-5,000		0-2,500
pb	0-900	0-900		0-50	0-500
s
SB		0-100
si	0-900	0-900		0-500	0-300
sn	0-900	0-900
ti		0-900
v		0-900			0-500
w			0-100
Zn	0-3,000	0-5,000		0-50	0-500
ZR			0-100

Spectroil M是一个坚固且可运输的系统，主要用于DOD JOAP计划指定的军事应用（图7）。Spectroil 110E是根据发动机监控的特定要求定制的，而Spectroil 120C意识到了ASTM D6595的要求，并且是商业客户的默认选项。¹用于燃料分析的Spectroil 120F符合ASTM D6728的要求，并且可以根据GE MTD-TD-002来满足GE Power Systems燃气涡轮机所需的特定低钒和碱性元件限制规格。这些系统还用于冷却液分析和洗涤水分析。²

图7。Spectroil M系列元素分析仪。

高级软件以稳定性和准确性

Spectroil版本8软件包括最新的创新，例如高级信号处理和背景校正功能，可改善重大性能。该系统提供了一种测量峰信号的智能技术，导致大多数元素的LOD较低2倍（表3）。主动警报允许用户知道何时由于仪器漂移而影响结果。新的集成标准化是一个更有效的工作流程，可以节省测量真实样本时的时间。最后，更好的仪器自我监控意味着增强的长期稳定性，因此所需的标准化较少，并且随着时间的推移而稳定的结果（图8）。

图8。在发电现场实验室的70天内，测量0.2 ppm的钒基油标准。

表3。通过CS-24商业油分析计划校准的光谱典型的典型2-Sigma LOD（PPM）。版本8软件和最新的光学技术为噪声和系统性能提供了出色的信号。

元素	典型的LOD
李	≤0.01
Ag
铜
k
NA	0.05
cr
b
ti
ba	0.01
Zn
CA
Mn
你
si
al
铁
光盘
毫克
v	0.2
莫
sn
pb	0.3
SB	1
p

光谱光谱仪为石油和燃料提供非常准确稳定的元素分析测量值，使该方法成为实验室经理和可靠性专业人员的首选，这些专业人员需要快速效果，而无需采样准备，玻璃器皿，气体或高级培训。光谱分析仪是自然的拟合，对于产生时间敏感样品并且样品体积不稳定（主要是五个样品，偶尔100个）的站点是常见的。要注意的一点是，一级方程式赛车团队依靠这项技术来帮助他们的汽车，在这种情况下，时间可靠性，灵敏度和子PPM的磨损变化意味着获胜和回家之间的差异（图9）。

图9。McLaren和Mobil 1在全球F1电路上使用Spectroil 100系列（参考：McLaren）。

具有稳定量的实验室可以从较低的样本处理成本中获得高稳定性和准确性；也可以保证自动样品处理。RDE光谱仪总是很难自动化，因为每次分析后需要重新储备石墨电极。RDE光谱仪自动化的实用解决方案是Spectroil M/R D2R2，它使用集成的自动采样器和两个石墨磁盘电极，如图10所示。

样品更换器中的机器人臂自动以每小时80个样品的速率序列添加48个油样品中的每一个，而无需样品稀释。

图10。光谱M/R光谱仪中的机器人技术。

整个自动化系统都安装在光谱仪样品支架上，并实现了依次添加和去除油样品以及开关石墨电极的所有功能。它是独立的，并运行了光谱仪的操作软件的自主。尽管操作是自动的，但它还具有手动通过机器人技术操作进行测序的能力。较新的信号处理和光学硬件使该解决方案对商业实验室和具有稳定量的独家支持实验室非常有吸引力。

案例研究：铁路现场实验室

铁路和发电公司具有较旧的EMD高马力柴油电动发动机取决于光谱油分析，以检测其初始阶段的异常轴承磨损。这些舰队以低锌“机车油”为标准化，以避开衬套和轴承的过早磨损。一家商业石油实验室在铁路开关院子的现场实验室中安装了一个光谱，以支持日常维护操作。在对前三个光谱油分析的摘要报告中，以2 ppm检测到Ag（银）。

此级别是警告警报，促使调查。在这种类型的发动机中，包含基于锌的添加剂包装的错误油会导致严重的磨损问题。有几个组件，例如腕带轴承，具有在存在锌时腐蚀和磨损的银涂层。由锌添加剂引起的腐蚀作用的初始阶段显示出铜，铁和银色金属的增加。对其他元素（磷，镁和锌）的光谱分析有助于磨损的根本原因，即机车用错误的发动机油将其覆盖了。

提出了一个以分析为中心的建议，以排水并冲洗系统，并检测正确的顶级石油要求。通过任何其他条件监测方法，例如振动分析，超声，热成像或性能监测，不会早日表现出这一故障。如果没有石油分析，磨损问题可能会导致轴承故障和重要的大修，耗资超过15万美元。利用大型柴油发动机进行紧急备用电源的核发电设施寻求光谱也可以提供的低检测水平。

表4。EMD中速柴油机机车的光谱镜会导致PPM。Spectroil 110 E系统是铁路田地实验室的理想选择。

	铁	铜	Ag	毫克	p	Zn
30分	19	10	0	0	0	3
23-dec	21	10	0	0	9	3
23-MAR	27	13	2	107	75	90

总之，光学发射光谱法中最新的创新（在Spectroil产品系列中显示）提供了当今可用的最优质元素分析性能。与光谱技术的可靠性和稳定性集成在一起的新的光学和分析能力使其成为二手油和燃料分析中元素分析的理想解决方案。

参考

1. ASTM D6595通过旋转圆盘电极原子发射光谱法测定使用润滑油或液压流体中磨损金属和污染物的标准方法。

2. ASTM 6728通过旋转盘电极原子发射光谱法测定燃气轮机和柴油燃料污染物的标准测试方法。

3. W.E. Rhine，C.S。Saba和R.E. Kaufman，“旋转盘发射光谱仪的金属检测能力”，润滑工程，第1卷。42，＃12，P 755

4. Lukas，M。和Giering，L.P。，“使用旋转盘原子发射技术在磨损金属分析中金属粒径的影响”，在1978年7月，德国Erding的国际油分析研讨会上发表。

5. Anderson，D.P。＆Lukas，M。，“柴油发动机冷却液分析。1998年的技术展示柜，JOAP国际状况监测会议，AL Mobile，Al，1998年4月20日至24日，在1998年的技术展示会上发表。

6.卢卡斯（M.2020欧洲杯下注官网

此信息已从Ametek Spectro Scientific提供的材料中采购，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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