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液体自动颗粒计数器的选择

点击次数:132 发布时间:2020-10-09

: 液体自动颗粒计数器是当前液压污染控制技术领域不可或缺的关键性设备针对该仪器的技术发展现状详细分析了不同工作方式和测量原理的优缺点以及性能参数对测量结果的影响指出了仪器  选用中应关注的主要问题对液体自动颗粒计数器的正确选择和使用具有指导意义

关键词: 液体自动颗粒计数器; 污染控制; 液压传动

中图分类: TH137文献标志: B文章编: 1000-4858( 2015) 10-0102-05

 

Method to Choose Automatic Particle Counter for Liquid Contamination Control

HAO Xin-you

 

( National Defence Science Technology Industry Particle Size First-order Metrology StationXinxiangHenan 453019)

 

Abstract: The automatic particle counter plays a critical role for liquid contamination control The advantages and disadvantages of different work ways and measurement principles are analyzed in detail based on the current tech- nology development status of this instrumentand impacts of performance parameters on the measuring result are in- troduced Meanwhilethe main problems concerned in choosing the instrument are pointed out Sothe paper has a guiding significance for correct selection and use of the automatic particle counter

Key words: automatic particle counter for the liquidcontamination controlhydraulic fluid power

 


引言

随着流体污染检测技术的飞速发展液体自动颗 粒计数器由于计数速度快准确度高重复性好操作 简便且结果不受人为因素的影响既可以在线用于现 场工作又可以离线用于实验室分析因此在流体颗粒 污染分析中获得了广泛应用已成为当前液压污染控 制技术领域不可或缺的关键性设备1]然而目前在 国内既有大量的国产仪器又有众多的进口产品; 既有台式便携式仪器又有在线式仪器; 既有遮光原理有散射滤网堵塞等工作原理产品众多厂家不一 鱼龙混杂良莠不齐那么面对纷繁复杂的市场 样选择一台合适的液体自动颗粒计数器十分必要

根据仪器工作方式选择

器和数据分析器三部分组成采用离线瓶式取样方式 工作即将待分析的液样采用洁净的取样容器从现场 采样后送到实验室中进行颗粒污染度检测其结构 zui为复杂功能zui测量准确度zui对工作环境的 温湿度空气洁净度和电磁干扰有一定的要求因此价 格较高该类仪器由于必须采样送到实验室中才能进 行分析因此数据实时性差容易因取样容器采样过 程等环节引入二次污染造成测量误差但另一方面 由于检测人员可以方便观察待检测的液样因此也可 以防止因水气泡大颗粒等造成的测量数据异常

1 2便携式

非固定在线式检测仪器主要针对经常需要变换场所的现场在线检测设计一般也由颗粒传感器线取样系统和数据分析器三部分组成但功能较少


按照工作方目前液体自动颗粒计数器主要 


为台式便携式和在线式三种

1 1台式

实验室分析仪器一般由颗粒传感器自动瓶取样

收稿日期: 2015-01-13

作者简介: 郝新友( 1971—) ,河南新乡人高级工程师程硕士主要从事液压系统污染控制的研究与检测工作


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构更为紧凑设计为一体便于携带其取样系统一般 采用计量泵检测体积依靠计量泵的流量和测试时间 保证易受到系统压力和流量波动的影响因此测量准 确度相对台式要差该类仪器对工作环境要求较低 价格适中由于主要采用在线方式工作无须取样容 克服了采样带来的二次污染因此数据报告及时准确但因无法方便观察到待检测的液样检测结果易 受水气泡大颗粒等影响且受影响时很难及时排除 尤其颗粒传感器堵塞时拆卸不便维护更难

该类仪器由于也可以采用离线瓶式取样方式工 且价格较低近年来受销售宣传影响国内很多企 业选择作为实验室分析仪器使用这是一个误区 类仪器主要是针对在线检测设计采用在线检测时 被测液样首先通过颗粒传感器而采用瓶式取样方式 检测时被测液样首先需要通过计量泵zui后才通过颗 粒传感器因此检测管路较长清洗不便需要反复多 次检测才能真正检测到被测的液样严重时甚至一瓶 液样检测完数据尚未稳定因此该类仪器不宜长期 作为实验室分析仪器使用

1. 3在线式

固定在线式检测仪器该类仪器通常称为现场污染监测仪直接安装在液压系统上不是真正意义上的自动颗粒计数器无法将颗粒一个个数出来仅能根据一定的检测结果进行估测或补偿修正其结构zui为简一般无独立的计量泵在线取样系统采样流量极易受系统压力和流量波动的影响; 同时其颗粒传感器和分析器也做了简化设计因此测量准确度zui检测误差约为 1 个污染度等级该类仪器对工作环境无要价格便宜但功能单一大多无法直接显示颗粒尺寸分布数据有些甚至仅仅显示颗粒污染度等级因此一般作为在线趋势监测使用检测数据不宜作为是否合格的判据

另外还有一类专门针对液压过滤器多次通过试验设计的在线颗粒计数系统该类仪器采用特殊的在线工作方式通常设计有两套独立的在线取样和颗粒传感器系统编制有专门的控制测量软件上下游检测结果一致性好但价格昂贵仅适用于液压过滤器多次通过试验

从上述分析可见如果对测量结果要求较高经常需要采用取样容器从现场采样带回实验室分析一般应选择台式仪器; 如果需要经常变换检测地点对不同的液压系统进行检测而又对测量结果要求较高一般

应选择便携式仪器; 如果对测量结果要求不高需要连续监控固定液压系统的污染控制趋势一般应选择在线式仪器; 如果用于液压过滤器多次通过试验zui好选择的在线颗粒计数系统

根据仪器工作原理选择

目前国内液压污染控制技术领域使用的液体自动颗粒计数器采用的工作原理主要有遮光型光散射滤网堵塞型电阻型和图像分析型等

2. 1遮光型

当含有颗粒的液样通过传感器的光束时一部分 光被颗粒遮挡引起光强度的变化而被遮挡的光量与 颗粒的大小成正比因此通过测量颗粒通过传感器时 遮挡的光的强度和频率可以得到颗粒的大小和数量该类仪器是一种严格意义上的自动颗粒计数器可将 液样中的固体颗粒逐个数出来其测量下限为 1 μm, 尤其对 1  100 μm 之间的颗粒具有非常高的测量jing正好与污染度等级的颗粒尺寸范围相对应另外 它可通过测量少量的液样在几分钟内迅速得到结果 测量速度快同时对颗粒浓度要求低液样中仅有百万 分之一即可检测出来因此该类仪器已成为目前油液 颗粒污染分析中应用zui广泛的仪器但是该类仪器 的应用也有局限性其要求测量的液体是半透明的和 均质的任何形成光学界面的成份例如乳化液两相 液体液体混合物游离水和空气等都将被当作颗粒 记录下来

该类仪器采用的光源主要有白光和激光光源着电子技术的发展激光光源由于寿命可长达 10 万小时且光强均匀稳定性好抗干扰能力强已逐步取代了白光光源

2 2光散射型

当光束射向悬浮在液体中的颗粒时一部分光被 吸收而另一部分光被散射被散射的光包括入射光 束中被衍射折射和反射的部分通过测定散射光强 随散射角的变化可以确定颗粒的尺寸及其分布zui大的优点是测量下限较低可达 0 1 μm但是于检测器的安装数量其测量上限一般较低仅为25 μm测量范围较窄2若扩大其测量范围必须增 加检测器的数量因此测量范围大的仪器体积庞大 构复杂价格昂贵该类仪器多用在要求检测 1 μm 以下颗粒的领域如电子医药空气净化等行业测量 介质多为空气和水基液体研究表明该类仪器对 颗粒的折射率比较敏感对于校准采用的二氧化硅和


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聚苯乙烯乳胶颗粒具有非常好的测量一致性但是在检测实际液压系统的油样时尤其是润滑油样由于含有炭黑磨损金属等或黑或亮的颗粒存在其检测结果要比实际颗粒数量少一倍左右3]

另外国内粒度分析行业大量使用的激光粒度分析仪虽然采用的也是光散射原理也可用于检测液样中颗粒的尺寸分布但是该仪器仅能从总量上分析而测定出各种尺寸颗粒所占的百分比无法对被测试液样中不同尺寸的颗粒逐个计数同时要求被测液样中颗粒浓度不能太低因此不适用于液压污染控制行业颗粒污染度检测

2 3滤网堵塞型

当被测液样通过标准滤网时液样中的颗粒被滤网拦截使滤网逐渐堵塞若滤网两端的压差一定通过滤网的流量逐渐减小; 若通过滤网的流量一定滤网两端的压差逐渐增大而流量或压差的变化与液样的污染程度有关因此通过检测与流量或压差有关的参数可以半定量地确定液样的颗粒污染度可供选择的标准滤网有 5 μm10 μm  15 μm 三种

该类仪器不是严格意义上的自动颗粒计数器法对颗粒真实计数仅能根据检测的参数与校准时采用的标准颗粒的尺寸分布进行比较进而估算出被测液样的颗粒尺寸分布因此该类仪器在检测实际液压系统的液样时由于被测液样与标准颗粒的尺寸分布往往不同检测结果的误差较大尤其是大颗粒使用经验表明该类仪器每次使用后滤网必须反向冲洗干净才能保证检测结果的重复性但是该原理检测速度快无须对液样稀释且结果不受游离水空气两相液体液样状态等影响因此在检测混合液乳化液色液样含空气液样等时具有一定的优势4]

2 4电阻型

当悬浮在导电液体中的颗粒通过一尺寸已知的小孔管时取代相同体积的导电液体在恒电流设计的电路中导致小孔管内外两电极间电阻发生瞬时变化生电压脉冲因此通过检测脉冲信号的大小和次数即可得到颗粒的大小和数量根据采用不同的小孔孔该类仪器目前可测量的颗粒尺寸范围为 0 4  1200 μm5]

该原理通过逐个对颗粒进行测量和计数得到颗粒尺寸分布属于测量方法测量jing度和分辨力均非常高特别适用于颗粒尺寸分布比较窄的标准颗粒或

颗粒浓度比较低的应用场合如液压污染控制行业使用的标准试验粉尘和乳胶颗粒的粒度分布控制均采用该类仪器但是由于该类仪器要求所检测的液体为导电液体用于检测矿物型油液还存在困难因此在液压污染控制油液污染分析中应用较少目前主要用于医药等检测水基液体的行业和领域

2. 5图像分析型

该类仪器目前多采用数字 CCD 快速成像技术通过一狭窄流道中的被测液体进行拍照成像然后采 用软件自动识别并统计颗粒的尺寸分布其测量原理 的实质是光学显微镜计数法测量下限约为 2 μm该类仪器由于采用成像技术因此依据所带的测量软件 可方便测量数量zui大直径当量投影直径比表面积 等各种颗粒物理参数同时还可以对颗粒进行形貌分 区分颗粒种类( 如金属颗粒纤维气泡水滴等) 和成( 如切削疲劳黏着等) 但是该类仪器需要对颗粒先拍照后统计无法对通过的颗粒逐个计数 此易造成重复计数或漏计数测量重复性稍差另外 由于拍照中的颗粒处于流动状态限于光电器件的反 应速易因颗粒拖尾造成测量误差

从上述分析可见目前液压污染控制行业用于油液颗粒污染分析的液体自动颗粒计数器若无特殊需应首先选用遮光型仪器同时采用激光颗粒传感器

根据仪器性能参数选择

性能参数的高低直接决定着仪器性能的优劣液体自动颗粒计数器的性能参数主要有 6 6]

3. 1阈值噪声水平

当传感器的传感区中无颗粒通过时液体自动颗粒计数器di一通道的计数频率每分钟不超过 60 个时所设定的zui低电压值即为仪器的阈值噪声水平常使用时液体自动颗粒计数器zui小的设定阈值必须高于阈值噪声水平的 1 5 因此阈值噪声水平的大就决定了液体自动颗粒计数器所能检测的zui小颗粒尺寸该值相对于仪器标称测量下限对应的阈值越低则仪器的性能越高一般情况下仪器标称测量下限对应的阈值与阈值噪声水平的比值( 信噪比) 应至少大于 2

3 2取样体积误差

取样体积误差是指液体自动颗粒计数器每次进行颗粒计数的实际体积与设定体积之差它直接影响着颗粒计数结果因此取样体积准确与否对液体自动


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颗粒计数器的zui终测量结果有着重要影响该值越小越好按目前的标准要求检测水基液体污染度的仪其取样体积误差应小于 3% ; 检测油基液体污染度的仪器其取样体积误差应小于 5%

3 3体积测量变动系数

体积测量变动系数是指在连续颗粒计数时液体 自动颗粒计数器的取样器重复输送特定液体体积的能 从理论上来讲液体自动颗粒计数器在连续进行 颗粒计数时每次的测量体积都是一样的但实际上 由于受到体积测量元件的限制液体压力流量黏度 波动等因素的影响液体自动颗粒计数器每次的实际 测量体积并不是完全一样的这是造成仪器测量重复 性变动的重要因素该值越小越好按标准要求 值应小于或等于 3% 一般情况下目前在国内销售的液体自动颗粒计数器其体积测量变动系数一般都 可以做到小于 1%

3 4重合误差极限

为保证测量准确理论上同一时间在传感器的传感区内应只有一个颗粒出现若有多个颗粒同时出现将会引起计数误差当传感器的传感区同时出现多个颗粒时能够使计数误差小于 5% 时颗粒的zui浓度称为液体自动颗粒计数器的重合误差极限值决定了液体自动颗粒计数器所能直接检测颗粒的zui高浓度因此其值越高则仪器的性能越好但是合误差极限的大小除决定于传感器传感区的物理尺寸外还与检测所用的颗粒尺寸分布有关标准规定检测重合误差极限所用的标准颗粒是 ISO UFTD

( 标准化组织规定的超细试验粉末) 目前上液压污染控制领域广泛使用的 HLD150 遮光型激光颗粒传感器当采用 ISO UFTD 其重合误差极限约为 10000 / mL 左右在选择仪器时若发现该参数偏离此值应加以关注

3 5流量极限

受光电检测装置和前置放大器频率响应的限制 液体自动颗粒计数器对颗粒通过其传感区的速度比较 敏感如图 1 所示若速度过高传感器输出的脉冲幅值尚未达到zui大值时颗粒已离开传感区因而测出的 颗粒将小于其实际尺寸; 若速度过低同一个颗粒在传感区停留的时间过长有可能会造成重复计数因而测 出的颗粒数将会多于实际的颗粒数当变化传感器的 取样流量时与在工作流量下测得的颗粒数相差 ± 5% 时传感器的上下限取样流量称为液体自动颗粒计数

器的流量极限该范围越宽则仪器的性能越好下限取样流量与工作流量之间至少应有 ± 10% 余量

 
 


 

 

 

1 传感器在不同流量下的响应信号

3. 6分辨力

液体自动颗粒计数器一般是将颗粒的大小转变为 光强度的变化从而来检测颗粒尺寸的理论上传感 区中光的强度应均匀一致从而对于相同尺寸的颗粒 引起的光强度的变化都是相同的产生的脉冲电压的 幅值也是一样的但是限于光电检测装置的性能 感区中光的强度并非均匀一致如图 2 所示从而造成仪器会将尺寸相同的颗粒误认为不同尺寸的颗 同时也会将尺寸相近的不同颗粒误认为同一尺寸 的颗粒引起计数误差仪器区分不同尺寸颗粒的能 称为液体自动颗粒计数器的分辩力仪器的分辩 力与颗粒尺寸有关尺寸越大分辩力越好; 尺寸越小 分辩力越差目前标准规定需测量 10 μm 颗粒的分辩力因此若无特殊说明仪器给出的分辨力应 视为对 10 μm 颗粒的测量结果


 

2 颗粒在传感区不同位置的响应信号

分辩力决定了液体自动颗粒计数器检测颗粒尺寸的jing确度其值越小仪器的性能越好但是对于液压污染控制行业检测的颗粒形状绝大多数都是不规则形的,ji佳的分辨力反而会造成不规则形状颗粒的误计数因此分辨力一般在 5%  10% 范围内为好

仪器选择中应注意的问题

在选择液体自动颗粒计数器过程中除了正常关注其工作方式测量原理和性能参数外还应该注意下列问题


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4. 1注意性能参数合理搭配

液体自动颗粒计数器的性能参数之间常常互相牵 某项技术指标的改善往往造成其他技术指标的降 比如: 通过缩小传感区窗口的尺寸可以提高仪器的重合误差极限和灵敏度改善分辨力和测量下限 同时也会引起测量颗粒尺寸的上限变低测量范围减 还会造成取样流量范围变窄可测量油液的黏度上 限下降而且还会带来传感器易受颗粒影响堵塞等一 系列问题因此在选择仪器时应关注整体性能参 而非单一技术指标一般情况下若无特殊要求 用于液压系统油液污染检测的液体自动颗粒计数器 其性能指标应至少满足下列要求7]:

( 1) 测量范围: 1  100 μm(  4  70 μm( c) ) ; ( 2) 信噪比: 2;

( 3) 取样体积误差: 5% ;

( 4) 体积测量变动系数: 3% ;

( 5) 重合误差极限: 8000 / mL; ( 6) 分辨力: 5%  10% 。

4 2注意测量黏度范围

前面论述过液体自动颗粒计数器对颗粒通过其 传感区的速度比较敏感因此正常工作时样液通过 传感器的流量应始终调整在工作流量下即仪器校准 时采用的取样流量若样液黏度过大达不到工作流 量时必须对其稀释后检测否则将会造成传感区进入 空气引起计数误差液体自动颗粒计数器所能直接 检测样液的zui高黏度取决于传感区的尺寸光电检测 元件的性能以及仪器采用的取样方式出于销售宣传 需要目前仪器生产厂家声称可以直接检测的样液zui 高黏度往往很大偏离实际检测条件其声称的样液 zui高黏度必须采用在线检测方式依靠被检测系统提 供很大的工作压力才能实现如果在线检测的系统压 力不高或者采用瓶式取样方式工作在选择仪器前 zui好使用需要经常检测的样液实测一下

4 3测量尺寸任意设定

目前国内在用的固体颗粒污染度等级有多个标 有些标准是等效或者一致的但有些标准在采用的 颗粒尺寸上是不一致的甚至随着技术的发展和进步 需要检测和控制的颗粒尺寸也有可能发生变化因此 若仪器测量的颗粒尺寸可以任意设定便不用担心标 准的转换和技术的发展另一方面出于扩大仪器应 用的考虑在进行过滤产品性能检测和污染控制技术 研究时常常需要测量不同的颗粒尺寸因此仪器测

量的颗粒尺寸zui好可以任意设定但是若用户使用条件单一测量对象固定选用测量尺寸固定的仪器也未尝不可还可以降低操作的复杂性

4 4注意校准问题

液体自动颗粒计数器是一种典型的高灵敏度jing密测量仪器定期校准是其测量准确的基础使用中 于电子元器件的漂移老化和光学元件的位移及磨损 其电气参数与光学参数是处于不断变化之中的因此每隔 6 个月至一年必须对仪器进行校准zui长周期不得超过一年

正常校准时可以通过调整阈值修正因仪器变化 引起的计数误差一般情况下阈值调整需要依靠仪器 自身所带的软件实现该软件通常对用户开放但是 有些仪器生产厂家出于自身经济利益考虑常将该软件 锁死或者根本不告诉用户造成用户无法对仪器真正 实施校准若要校准必须返回厂家因此选择仪器 zui好实际检查一下阈值是否能够方便调整特别是 进口仪器以免后续校准时引起不必要的麻烦和损失

4 5稳定高于一切

性能好的仪器应是测量结果既准确又稳定的 对于测量不准确的仪器可以通过校准人为调整阈 进而实现测量准确的目的; 若仪器测量不稳定校准时将失去调整的基础无法保证仪器测量准确因此选择液体自动颗粒计数器时必须坚持稳定高于 一切的理念实际考察仪器对同一被测对象的测量稳 定性

 

参考文献:

1  郝新友 怎样用好液体自动颗粒计数器J 液压与气动2003( 3) : 39  42

2  ichard A WilkeCharles E Montague 清洁度测量技术中的颗粒计数方法J 液压与气动2000( 2) : 31  32

3  Barry M VerdeganBrain W SchwandtChristophe E Holm Development of a Traceable Particle Counter Calibration StandardC NagoyaJapan:  The Sixth World Filtration CongressMay18  211993

4  Ian C eed 全面清洁度控制和诊断趋势J 液压与气1999( 1) : 46  53

5  夏志新 液压系统污染控制M 北京: 机械工业出版1992

6  郝新友 液体自动颗粒计数器的性能参数与测量J 压与气动2011( 8) : 38  42

7  ISO 11171Hydraulic Fluid Power-Calibration of Liquid Au- tomatic Particle Counters S

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