旋转圆盘电极(RDE)光学发射光谱-概述和油分析应用

目前，石油分析是通过使用光学发射光谱(OES)来测量石油样品中磨损金属、污染物和添加剂的ppm(百万分之一)水平。本文概述了旋转圆盘电极元素光谱技术及其在油分析中的应用。

今天，光谱油分析可以应用于任何闭环润滑系统，如:

• 燃气轮机、柴油和汽油发动机
• 变速箱,变速箱
• 压缩机和液压系统。

表1显示了典型的金属元素可以通过光谱及其来源进行分析。

表1．石油中典型元素来源的光谱分析

金属	发动机，传动，齿轮	液压油	冷却剂
铝铝	活塞或曲轴箱在往复式发动机，外壳，轴承表面，泵，推力垫圈	泵，推力垫圈散热器罐，	冷却剂弯头，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	冷却剂泄漏,添加剂	冷却剂泄漏,添加剂	pH缓冲液、防腐蚀缓蚀剂
钙钙	洗涤剂分散剂添加剂，水污染物，空气污染	洗涤剂分散剂添加剂，水污染物，空气污染	硬水结垢问题
Chromium Cr.	活塞，圆柱衬垫，排气阀，来自Cr腐蚀抑制剂的冷却剂泄漏	轴，不锈钢合金	腐蚀抑制剂
铜铜	无论是与黄铜合金锌一起检测的黄铜还是青铜合金，用于青铜合金。轴承，衬套，推力板，油冷却器，油添加剂	衬套，推力板，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。气缸套，气门导轨，摇臂，轴承，曲轴，凸轮轴，腕销，外壳	缸、齿轮、棒	衬套，水泵，缸体，缸盖
铅铅	轴承金属，衬套，密封，焊料，油脂，铅汽油	衬套	焊料，油冷却器，加热铁芯
镁镁	飞机和船舶系统的外壳，油添加剂	添加剂,外壳	铸造合金
钼钼	活塞环，添加剂，冷却剂污染	添加剂，冷却剂污染	防空蚀抑制剂
镍镍	合金轴承金属，气门机构，涡轮叶片	不适用	不适用
磷P.	抗磨损添加剂	抗磨损添加剂	pH缓冲
钾K	冷却剂泄漏，空气污染物	冷却剂泄漏，空气污染物	pH缓冲
硅硅	空气尘埃，密封件，冷却剂泄漏，添加剂	空气尘埃，密封件，冷却剂泄漏，添加剂	消泡防腐缓蚀剂
银架	轴承保持架(镀银)，EMD柴油发动机的手腕销衬套，从油冷却器的银焊点管道	从润滑油冷却器的银焊点	不适用
钠钠	冷却剂泄漏，船用设备中的盐水和润滑脂，添加剂2020欧洲杯下注官网	冷却剂泄漏，船用设备中的盐水和润滑脂，添加剂2020欧洲杯下注官网	抑制剂
锡锡	轴承金属，活塞环，密封件，焊料	轴承合金	不适用
钛TI.	燃气轮机轴承枢纽磨损，涡轮叶片，压缩盘	不适用	不适用
锌Zn.	抗磨损添加剂	抗磨损添加剂	从黄铜组件佩戴金属

光谱学原理

光谱学能够检测和定量物质中存在的元素。光谱学利用了这样一个事实:每一种元素都有独特的原子结构，当施加能量时，每一种元素都会发出特定颜色或波长的光。

光谱学的原理包括:

• 由于没有两个元素具有相同的谱线图案，所以可以将这些元素区分开来。
• 发射的光强度与样品中元素的数量成正比，从而可以确定该元素的浓度。
• 光具有特定的波长或频率，由跃迁中的电子的能量决定。对于有几个电子的复杂原子来说，由于不同能量的几次跃迁可能会发出不同波长的光。
• 如果这种光通过使用像棱镜这样的色散元件而被分散，就会产生线谱。这些光谱线只与一种元素的原子结构不同。对于原子序数为1的氢原子，其光谱相当简单，如图1所示。
• 原子序数为26的铁光谱要复杂得多，可见光谱中有许多发射线，对应于可能发生的许多电子跃迁，如图2所示。
• 如果样品中存在不止一种元素，则每一种元素的光谱线就会出现明显不同的波长。为了量化和识别样品中的元素，这些线必须分开。

图1所示。氢发射光谱

图2。铁的发射光谱

旋转圆盘电极发射光谱(RDEOES)

观察来自加热或激发样品的大量光谱线的光谱仪称为光学发射光谱仪。所有光学发射光谱仪包括三个主要组件，即：

• 将能量引入样品的激发源
• 光学系统，它将激发产生的辐射分离并分解为其组成波长
• 读出系统，能够检测和测量由光学系统分离成其组成波长的光，并以可用的方式将该信息提供给操作员。

自光谱分析早期以来，油已经在旋转碳盘电极和碳棒电极之间燃烧或火花。将样品置于样品帽中，圆盘部分浸入油样中，并且盘旋转，因为烧伤所需，如图3所示。

图3。RDE光谱仪样品架显示油样被“烧毁”

这需要大约2或3毫升的样品，根据使用的确切的帽。为了消除样品搬运，需要一个新的圆盘和一个新磨的棒。这种方法被称为旋转圆盘电极(RDE)光学发射光谱(OES)，或两者的结合，即RDEOES。

光学系统将来自等离子体的光分离为其构成的离散波长。用作衍射光栅的光学装置用于分离散离波长。

图4显示了基于罗兰圆概念的多色谱仪的主要组成部分。

图4。油分析用旋转圆盘电极发射光谱仪的原理图

在设计光谱仪时，主要考虑的是感兴趣的波长出现的光谱区域。大多数元素在光谱的可见区域发出光。有一些元素主要发射在远紫外(FUV)区域的光谱。这是很重要的，因为FUV辐射不能很好地通过空气传播;相反，它大部分被吸收了。为了使光学系统能够看到谱线，需要将其安装在真空室或充满对FUV光透明的气体中，使发出的光到达光栅，进行衍射，然后在焦曲线处进行检测。因此，供气系统或真空泵和密封室是系统的一部分。

光谱仪的读数系统由工业级软件和处理器控制。放大器和时钟电路读取光电倍增管或CCD芯片上的电荷，并将其从模拟信号转换为数字信号(ADC)，以测量照射在像素上的光线。像素上的电荷被转换为定义为“强度”单位的任意数字。一旦分析完成，每个元素的总强度将与存储在存储器中的校准曲线进行比较，并转换为样品中的元素浓度。

浓度通常以百万分之一（ppm）表示。可以在打印机上打印此数据或在视频屏幕上显示。在完成结果的分析或记录时，系统已准备好进行下一次分析。分析结果可以留在屏幕上，存储在硬盘上，或者可以发送到外部计算机。

图5所示为20世纪70年代的一台常规光谱仪。图6显示了Spectroil Q100，重量仅为163lbs (74kg)，占地面积非常小，但仍保持着与前几代更大系统相同的分析能力。

图5。20世纪70年代的直读油分析光谱仪

图6。光谱Q100 RDE光谱仪

RDE光谱仪的自动化

RDE光谱仪自动化的挑战是:

• 每次分析后，石墨电极都需要补充。
• 杆电极需要在每次燃烧后削尖，而且每次削尖后变得更短。

RDE光谱仪自动化的实际解决方案是使用如图7所示的两个石墨圆盘电极。

自动化系统由两部分组成：

• 一种用于交换可消耗的圆盘电极的机器人
• 自动换样器-换样器中的机器人手臂可以连续地将48个油样以每小时80个样品的速度自动导入，而不需要样品稀释。

图7。RDE光谱仪的机器人技术

图8。自动旋转滤波器光谱（A-RFS）夹具

完整的自动化系统安装在光谱仪样品架上，完成了顺序导入和移除油样以及交换石墨电极的所有功能。它是独立的，独立于光谱仪操作软件工作。

大粒径分析能力

光谱仪的缺点之一是不能识别和量化大的磨损和污染颗粒。欧洲杯猜球平台如今，RDE光谱仪的粒径限制已经被简单的辅助系统所消除，如罗特罗德滤波光谱(RFS)方法，包括以下内容:

• 圆盘被夹具夹住，所以当真空被施加到圆盘的内部时，油可以通过圆盘的外圆周被拉出来。
• 油中的微粒欧洲杯猜球平台被圆盘捕获。
• 然后用溶剂将油冲洗掉，让圆盘干燥，粒子留在圆盘电极上，这样当RDE光谱仪运行时，它们就会被汽化并被检测到。欧洲杯猜球平台
• 采用多工位夹具，一次可以过滤多个样品。

扩展应用程序开发

RDE光谱仪主要专为使用的石油和燃料分析而设计，几种方法和最近的增强功能通过扩展的能力提高了生产率。

一个使用过的冷却剂分析程序检测冷却剂状况和任何污染物或碎片的存在。冷却液可以用作诊断介质，因为冷却液可以带走发动机部件的热量以及冷却系统内部表面的微小碎片。通过对磨屑的分析，可以提供冷却系统内部零件状态的关键数据。

当润滑油系统被“加满”以替换由于使用或泄漏而丢失的油时，经常会发生润滑油混合。

表2是对机车中速柴油发动机的最后四种光谱分析的总结。

表2．EMD中速内燃机车的光谱测定结果为ppm

	菲	铜	Ag)	米	p	锌
30-Sep	19	10	0	0	0	3.
23-Dec	21	10	0	0	9	3.
23 - 3月	27	13	2	107.	75	90
11-Jun	25	30.	10	220.	110	123

结论

总而言之，RDE光学发射光谱已经经历了许多变化，使其适合于广泛的行业应用，作为分析流体样品的可靠工具，用于状态监测和质量控制应用。

这些信息已经从AMETEK Spectro Scientific提供的材料中获得，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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