Детальное описание работы прибора

MicroLab® Series – Полностью автоматизированный анализатор для масел с интеллектуальной системой диагностики износа техники и ресурса масла

Вступление

MicroLab® - полностью автоматизированный анализатор, специально разработанным для анализа проб масла. Он позволяет получить комплексные аналитические результаты при диагностировании двигателя, генератора, коробки передач, гидравлики, гидроусилителя руля, трансмиссии и других узлов и агрегатов. MicroLab дает возможность любой компании, занимающейся обслуживанием техники, анализировать общую работоспособность оборудования по результатам физико-химического анализа проб масел. Компании могут отправлять образцы масла в традиционные лаборатории, но этот процесс может занять несколько дней или недель. MicroLab выдает результаты менее чем за 15 минут, позволяя механику сразу же принять меры по техобслуживанию. MicroLab хорошо подходит для диагностики дорожных и внедорожных транспортных средств, генераторов и любого другого маслонаполненного оборудования.

MicroLab - идеальный инструмент для диагностики, позволяющий компаниям выявлять проблемы с надежностью механизмов, прежде чем они станут критичными и приведут к поломке. Возможность отслеживать срок эксплуатации масла позволяет определить время его потенциального старения, что позволяет безопасно продлить интервал его использования, позволяя сэкономить деньги на расходе масла, утилизации отработанного масла и затратах на рабочую силу, связанных с ненужным обслуживанием оборудования.

MicroLab - это уникальный анализатор, объединяющий несколько измерительных модулей, автоматизированную струйную пневмоавтоматику и интерактивное программное обеспечение. Он предоставляет обычным пользователям возможность получать аналитические результаты вместе с диагностической интерпретацией. Инновационный дизайн и методы MicroLab зарегистрированы в нескольких патентах, а анализатор соответствует стандарту ASTM для многофункционального анализа масла - ASTM D7417. Полностью автоматизированный анализатор объединяет в себе четыре отдельных тестовых компонента.

В корпусе MicroLab установлены следующие аналитические модули: инфракрасный спектрометр (ИК), который анализирует состав масла и степень его загрязнения по шести параметрам; оптический атомно-эмиссионный спектрометр (ОЭС), который определяет до 20 элементов, идентифицирующих износ металлов, загрязнения и концентрацию присадок в масле; двухтемпературный вискозиметр (ДТВ) для определения вязкости при 40°С и 100°С вместе с расчетом индекса вязкости и анализатор промышленной частоты (счетчик частиц.

Этот документ является инструкцией по технологической эксплуатации MicroLab и разъясняет, чем он отличается при сравнении с лабораторными методами и результатами.

Скачать электронную версию документа в формате PDF.

Элементный анализ

Элементный анализ является основой любой технологии анализа масла и предназначен для количественной оценки металлических частиц, вызванных механическим износом, а также идентификации других примесей и присадок. Данный анализ предоставляет информацию о состоянии оборудования и масла. MicroLab 30 проводит анализ по 10 основным металлам: алюминию, хрому, меди, железу, свинцу, молибдену, калию, кремнию, натрию и олову. Его можно модифицировать, расширив анализ до 20 элементов. MicroLab 40 анализирует по 20 элементам, включая базовые металлы и расширенные металлы: барий, бор, кальций, магний, марганец, никель, фосфор, титан, ванадий и цинк.

Принцип работы

MicroLab использует оптическую эмиссионную спектроскопию (ОЭС) для количественного определения состава механических примесей, присадок в масло или посторонних частиц.

Рисунок 1. Спектры оптического излучения водорода и железа.

Основополагающим принципом работы ОЭС является то, что каждый элемент имеет уникальную структуру атома. Когда атом обладает достаточной энергией возбуждения, он образует дискретный спектр излучения волн разной длины (или цвета) в зависимости от своей атомной структуры. Поскольку ни один элемент не имеет одинаковой структуры излучаемых волн, дискретный спектр является своеобразным отпечатком пальца, который может использоваться для идентификации элементов, присутствующих в пробе, как показано на рисунке 1. Соответственно, интенсивность излучаемого света может быть соотнесена с концентрацией этого элемента в пробе.

Оптический эмиссионный спектрометр состоит из трех частей: (1) источник возбуждения, (2) оптическая система и (3) система считывания. На рынке представлено два наиболее популярных метода элементного анализа масла, которые в основном отличаются источником возбуждения образца: спектроскопия с индуктивно связанной плазмой, спектроскопия с использованием электрода электрической дуги, спектроскопия с использованием вращающихся дисковых электродов, искровая спектроскопия.

В ОЭС MicroLab источник возбуждения состоит из искрового штатива, двух электродов и высоковольтного источника питания. Как показано на рисунке 2, высокое напряжение от импульсного источника питания с компьютерным управлением подается на верхний и нижний электроды искрового штатива для генерации электрической искры и создания плазмы.

Проба масла подается снизу вверх через коаксиальное отверстие нижнего электрода в зону плазмы, где оно нагревается, испаряется и распыляется. Атомы элементов масла возбуждаются за счет столкновения с заряженными частицами в плазме. Некоторые атомные элементы находятся в ионизированном состоянии, и образованные ионы также возбуждаются. Когда эти возбужденные атомные или ионные элементы возвращаются в свои основные состояния, они излучают свет, который характеризует излучающий элемент. Излучаемый свет собирается с помощью линзы и доставляется оптическим волокном к оптическому спектрометру, где собираются данные спектра излучения.

Рисунок 2. Схема спектрометра ОЭС MicroLab и изображение искрового штатива (см. выше).

Оптический спектрометр собирает спектр в ультрафиолетовой и видимой области света. Собранный спектр пробы диагностируется сложной процедурой анализа данных для идентификации и количественного определения концентраций элементов.

На рисунке 3 ниже показан типичный спектр излучения (красным) пробы используемого потребителем масла, и для сравнения показан спектр излучения белого минерального масла, который вообще не содержит металлических элементов износа. Эмиссионные линии (или пики) для железа (Fe), кремния (Si) и меди (Cu) идентифицируются на основании длины их волн. Измеряя зону пика каждого элемента и сравнивая с зоной пика стандартных проб, полученных при калибровке прибора, определяют концентрацию (в миллионных долях или ppm) каждого элемента.

Рисунок 3. Репрезентативные спектры излучения, взятые из двух проб масла: спектр, обозначенный красным цветом - от пробы используемого потребителем масла, а обозначенный черным цветом - это белое минеральное масло, приведенное здесь для сравнения.

Несколько параметров системы ОЭС, таких как частота искры, напряжение, зазор между электродами и расход потока масла, могут воздействовать на характер плазмы и, следовательно, влиять на точность измерений концентрации в пробе. Эти параметры оптимизируются во время производства, а затем ОЭС калибруется набором стандартных образцов с известными концентрациями элементов. Калибровочные коэффициенты для каждого из элементов хранятся в компьютере и используются позже для расчета концентраций элементов для неизвестных образцов клиентов.

Сравнение с другими методами

MicroLab обычно хорошо соотносится с другими методами ОЭС, предоставляя аналогичную информацию по диагностике. Для всех методов оптической эмиссии принцип работы одинаковый; однако могут быть некоторые различия из-за матрицы, температуры плазмы или размера частиц. Модуль MicroLab является специализированным искровым спектрометром с фиксированным электродом, специально выбранным для применения. Температура плазмы ОЭС MicroLab является самой низкой из тех, которые обычно используются в анализе отработанного масла:

  • ICP: приблизительно от 6000 до 8000 К
  • RDE: приблизительно от 5000 до 7000 К
  • ОЭС MicroLab: приблизительно от 3000 до 5000 K
Рисунок 4. Результаты MicroLab, сравненные с Lab ICP-OES для стандартных элементов и нескольких реальных проб масла в процессе эксплуатации.

В лабораториях, занимающихся диагностикой масла, анализ ICP обычно представляет собой подход «расплавить и испарить». Пробу масла разбавляют керосином и распыляют в специальной камере для получения аэрозоля, который вводится в плазму для получения спектра излучения. Превосходная точность и сходимость могут быть достигнуты при размерах частиц <5 мкм. Чтобы проанализировать частицы большого размера, нужно использовать кислотное озоление, а это увеличивает время и себестоимость анализа. Преимуществами ICP являются уменьшение матричных эффектов за счет разбавления пробы, анализ более крупных частиц с кислотным озолением и превосходные аналитические характеристики. Основными недостатками ICP являются стоимость и необходимость подготовки проб.

На рисунке 4 показаны результаты О MicroLab OES в сравнении с результатами лабораторных исследований OES-ICP для стандартных элементов в минеральном масле, а также для серии моторных масел, которые эксплуатировались с повышенной нагрузкой в технике. Как видно, результаты MicroLab немного ниже, чем у ICP, но, поскольку, эта тенденция сохраняется как в стандартных пробах, так и в пробах масла в период эксплуатации, то полученные результаты остаются достоверными. Элементные стандартные пробы также демонстрируют отличную корреляцию по диапазону калибровки. В случае с пробами масла в период эксплуатации наблюдается хорошая корреляция в диапазоне рабочих концентраций и относительно большой разброс в диапазоне концентраций около нуля. Основные отличия с ICP, вероятно, связаны с матричными эфектами в реальных образцах. Обычно коэфициент разбавления ICP составляет приблизительно 1, поэтому любой матричный эфект минимизируется.

На рисунке 5 сравниваются результаты MicroLab для различных реальных образцов с более похожим методом SpctrOil RE-OES. Результаты, полученные в MicroLab, немного ниже по величине, вероятно, из-за разницы в температуре плазмы, но она по-прежнему достоверную информацию по диагностике по сравнению с этой методикой.

Можно сделать вывод, что MicroLab предназначен для рутинного анализа масла и дает результаты, которые в сочетании с другими методами измерения позволяют сформировать достоверную картину того, что происходит с компонентами. Результаты могут незначительно отличаться от результатов, полученных из RE или ICP, но их будет вполне достаточно для того,чтобы диагностировать проблемы с износом техники и с эффективностью смазочного материала. Основное преимущество - возможность анализировать состав частиц с размерами до 18 микрометров, что означает раннее диагностирование ненормативного износа.

Рисунок 5. РезультатыMicroLab, сравненные с SpectrOil RDE-OES для нескольких реальных образцов масла в процессе эксплуатации.

Химический состав

Изменение химического состава масла может повлиять на функциональность смазки. MicroLab использует инфракрасную (ИК) спектроскопию для измерения шести ключевых физических параметров для оценки деградации масла и загрязнения:

  • TBN - общее щелочное число как общая характеристика деградации присадок
  • Окисление, нитрование - процессы деградации бахового масла из-за химической реакции масла с воздухом при высокой температуре
  • Концентрация сажи - образование частиц углерода и контроль их агломерации
  • Гликоль - загрязнение от утечки охлаждающей жидкости
  • Вода - увеличение концентрации вследствие конденсации, попадания извне или из-за утечки охлаждающей жидкости

Принцип работы

В MicroLab ИК-модуль использует метод масс-спектрометрического анализа с помощью ИК-фильтров, которые позволяют дифференцировать и количественно определять компоненты в пробе масла. Модуль использует запатентованный набор оптических полосовых фильтров, установленных на спектрометре для измерения ИК-луча, который поглощается образцом масла на каждом конкретном фильтре, как показано на рисунке 6. Количество поглощаемого света пропорционально концентрация компонента(ов) в пробе масла. Проба вводится в ячейку образца ИК-модуля MicroLab, и спектрометр поворачивается на каждый из 15 фильтров, где выполняется сканирование для сбора данных об абсорбции.

Диапазон среднего инфракрасного излучения 800-4000 см-1 является областью, наиболее интересной и результативной для рутинного анализа масла. Используя встроенные калибровки для различных параметров, MicroLab анализирует собранный ИК-спектр и предоставляет количественные данные.

Рисунок 6. ИК-модуль MicroLab

Продукты окисления и нитрования появляются в виде пиков в ИК-спектре в диапазоне между 1600 и 1800 см-1. Поскольку абсолютных эталонных стандартов для окисления и нитрования не существует, результаты всегда сравниваются с результатами, которые демонстрирует новое масло и масло, находящееся в эксплуатации. Например, если пик нитрации с показателем 1650 см-1 становится значительно более интенсивным в пробах моторного масла в течение определенного периода времени, то это свидетельствует о процессе нитрования, который может указывать на неправильное соотношение воздуха / топлива. Общее щелочное число может контролироваться за счет истощения присадки в масле, которое проявляется как уменьшение пиков поглощения в диапазоне от 1000 до 1900 см-1. Вода, растворенная в масле, показывает характерный пик поглощения в диапазоне между 3200 и 3800 см-1.

Сравнение с другими методами

Инфракрасная технология является общепринятым инструментом для анализа масла, и в основном используется для лабораторных исследований, а также для исследований в условиях эксплуатации. Двумя основными методами являются: стандарт ASTM E2412, который использует стандартную практику инфракрасной спектроскопии на основе преобразования Фурье, и стандарт ASTM D7889, который описывает возможности портативного Фурье ИК-спектрорадиометра. Кроме того, были стандартизированы конкретные методы диагностики окисления (D7414) и нитрования (D7624). Каждый метод ASTM может быть специфичным для определенного ИК-спектрометра, но результаты различных методов могут быть схожими (параметры, единицы измерения и т.д.). ИК-спектрометр MicroLab использует специальную конструкцию для измерения параметров анализа масла, которые соответствуют или хорошо соотносятся со всеми существующими лабораторными методами.

Рисунок 7. Соотношение воды (%) по методу MicroLab и по Карлу Фишеру.
Рисунок 8. Измерение удельного веса масла и отклонения из-за содержания щелочи повышает точность и корреляцию с лабораторным методом D4739.

Методы титрования используются в качестве критерия для анализа содержания щелочных компонентов и воды в масле. Потенциометрическое титрование является приемлемым методом анализа общего щелочного числа по ASTM D2896 или ASTM D4739. Эти методы титрования предназначены только для лабораторий и используют различные растворители и реагенты. MicroLab использует хемометрический алгоритм, который позволяет определить общее щелочное число на основе сопоставления исходного ИК-спектра с лабораторными методами. Классическим методом определения содержания воды является титрование по Карлу Фишеру ASTM D6304. Как показано на рисунке 7, метод измерения содержания воды в MicroLab прекрасно соотносится с методом измерения по Карлу Фишеру.

Модели калибровки, используемые в MicroLab, универсальны, что означает, что одна и та же модель калибровки применяется к каждому типу пробы. Этот компромисс сделан для удобства клиентов. Компромисс заключается в том, что точность измерения может варьироваться в зависимости от вида анализируемого масла. Если важна абсолютная точность, можно измерить удельный вес масла и отклонение от результата MicroLab для повышения точности (рисунок 8).

Вязкость

Вязкость является важным критерием анализа масла, поскольку она определяет несущую способность пленки масла в зоне контакта, а также то, насколько легко оно циркулирует.



Рисунок 9. Модуль вискозиметра в MicroLab

Кинематическая вязкость определяется как сопротивление течению под действием силы тяжести (постоянная сила). MicroLab использует модуль двух-температурного вискозиметра для измерения вязкости образца при 40°C и 100°C. Инновационный проточный подход - это уникальный дизайн MicroLab.

Принцип работы

Двух-температурный вискозимер, размещенный в MicroLab, работает по принципу проб потока под постоянным давлением. Как показано на рисунке 9, проба масла закачивается в две термостатируемые камеры, одна с температурой, регулируемой на 100°С, а другая - на 40°С. После того как температура пробы достигает равновесия с температурой камеры, проба выталкивается сжатым воздухом при постоянном давлении через прецизионное отверстие на дне камеры. Время истечения фиксированного количества пробы напрямую связано с ее вязкостью. Поэтому вязкость может быть точно определена на основании времени истечения. Такой подход к измерению вязкости идеален для анализа загрязненных проб и проб с высоким содержанием механических примесей.

Сравнение с другими методами

Наиболее распространенным методом измерения вязкости смазочных масел является ASTM D445, однако существует и много других методов (ASTM D7279,D8092 и т.д.). MicroLab использует технологию, которая очень похожа на ASTMD445. Оба метода измеряют вязкость пробы в зависимости от времени прохождения образца. Разница заключается в том, что в MicroLab образец проходит через отверстие под зафиксированным или постоянным давлением, тогда как в D445 образец стекает вниз по капиллярной стеклянной трубке под действием силы тяжести. Измерение вязкости MicroLab хорошо соотносится с ASTM D445. Действительно, как показано на рисунке 10, MicroLab демонстрирует практически полную идентичность с измерениями D445 для серии свежих масел Shell Omala со степенью вязкости от 46 до 320. На рисунке 11 показано сравнение результатов MicroLab и D445 для проб реальных масел. MicroLab не только эффективно измеряет показатель вязкости, но полученные результаты также соотносятся с результатами измерений, полученных методом D445.

Рисунок 10. Сравнение показателей вязкости MicroLab и Lab D445 для серии свежих масел Shell Omala со степенью вязкости от 46 до 320
Рисунок 11. Результаты измерения проб реальных масел MicroLab и ASTM D445

Измерение частиц

Модель MicroLab 40 оснащена модулем счетчика частиц, который использует стандартный метод ISO 11171 блокировки света луча лазера для измерения количества частиц и их классификации по стандартным размерам. Счетчик частиц является важной частью всех программ мониторинга состояния гидравлических систем, компрессоров, турбин и других механизмов. Счетчик частиц позволяет контролировать уровень, степень загрязнения масла и опасность этого загрязнения для техники. Частицы могут присутствовать в масле из-за внешнего загрязнения, например, попадания грязи, или из-за износа компонентов.

Принцип работы

MicroLab использует коммерчески доступный светодиодный лазер с детектором света , как показано на рисунке 12. Жидкость проходит через измерительную ячейку датчика. На одной стороне измерительной ячейки находится луч света, на другой стороне - фотодетектор. Если в образце есть частицы, луч света попадает в них, и в результате на фотодетекторе отобразится тень частицы. Поверхность тени вызывает скачкообразное изменение напряжения в фотодетекторе и определяет размер частицы, проходящих через сенсорную ячейку. Счетчик частиц преобразует количество теней на фотодетекторе в количество частиц в жидкости. Кроме того, размеры частиц распределены по разным группам в зависимости от размера. Результаты измерения частиц сопоставляются со стандартами класса чистоты, например, ISO 4406 и SAE 4059. MicroLab соотносится с полной шкалойкодировок частоты по ISO 4405 (от 0 до 25) и SAE 4059.

Рисунок 12. Светодиодный блок счетчика частиц в MicroLab

Сравнение с другими методами

Конкретное применение и тип частиц часто определяют, что является лучшим методом подсчета частиц для анализа. Три наиболее часто используемых метода подсчета частиц - это блокировка света (метод, используемый MicroLab), закупоривание пор и прямая визуализация. Счетчики частиц, использующие метод блокировки света, широко используются для многих направлений и являются традиционными инструментами диагностики масла в процессе эксплуатации. Счетчики частиц, сделанные на основе метода закупоривания пор, пропускают пробу масла через тонкую сетчатую подложку. Постоянный поток или давление проталкивают пробу через сетку, и изменение потока или давления измеряется по мере накопления частиц на сетке. Счетчики частиц, основанные на прямой визуализации, такие как LaserNet Fines (LNF), оборудованы твердотельным лазером с линейкой светодиодов, который подсчитывает частицы, а также классифицирует их в соответствии с размером и формой.

Отчеты и экспертная система MicroLab

Отчет MicroLab собирает все аналитические данные, генерируемые анализатором, и включает до трех исторических результатов для анализа трендов по каждой точкеотбора пробы. Результаты кодируются цветом для визуализации аномальных или серьезных отклонений. В отчете также приводятся диагностические инструкции с рекомендованными действиями по обслуживанию.

Экспертная система MicroLab интерпретирует аналитические данные. Она разработана на основе более чем 20-летнего опыта в этой отрасли и более 10 000 индивидуальных сценариев программного обеспечения для генерации диагностических характеристик, имеющих свои особенности для каждого приложения, типа оборудования и типа масла. Система использует набор правил, которые относятся к каждому типу компонента. Эти наборы правил содержат пороговые уровни и статусы диагностики, которые применяются к результатам выборки для формирования рекомендаций по техническому обслуживанию.

При оценке результатов и предоставлении диагностических инструкций, система автоматически учитывает время использования компонента и масла, объем доливки, периоды приработки двигателя (если таковые имеются), и другие важные факторы, прежде чем сравнивать результаты с пользовательскими пороговыми уровнями, хранящимися в базе данных системы.

Например: при одинаковых результатах для износа металлов, но разном времени эксплуатации механизма и масла, полученные диагностические инструкции будут разными.

Результаты отчета: 25 част./млн. свинца, 20 част./млн. олова

Эксплуатация двигателяЭксплуатация маслаСигналРезультаты диагностики
35,000 миль15,000 мильОБНАРУЖЕНО СОДЕРЖАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗНОСА, НОРМАЛЬНОЕ ДЛЯ ПРИРАБОТКА ДВИГАТЕЛЯ ИЛИ МЕЖРЕМОНТНОГО ПЕРИОДА
375,000 миль15,000 мильЖелтыйСОДЕРЖАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗНОСА ОТКЛОНЯЕТСЯ ОТ НОРМЫ
375,000 миль5,000 мильКрасныйКРИТИЧНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЧАСТИЦ ИЗНОСА ОТ НОРМЫ

Заключение

Анализ масла является важным инструментом любой программы технического обслуживания, предоставляющим ценную информацию о состоянии масла, и как следствие - о состоянии оборудования. Для наибольшей эффективности анализ масла должен применяться при обслуживании оборудования, чтобы техник смог предпринять немедленные действия в случае отклонений. Программа анализа масла снижает риск неожиданной поломки и устраняет затраты, связанные с простоем оборудования. Анализ масла также позволяет механикам принимать решения о замене масла, но это возможно сделать только в том случае, когда результаты диагностики масла будут доступны в момент обслуживания оборудования, а не через несколько дней или недель.

MicroLab - полезный инструмент для диагностики, который предоставляет операторам информацию сразу же, как только она им понадобится. Полностью автоматизированные измерения, диагностика и система очистки MicroLab позволяют любой компании реализовать собственную программу диагностика масла.

MicroLab не обладает такими же возможностями диагностики, как сложное лабораторное оборудование, но он не требует специальной квалификации персонала и специальных средств по его эксплуатации. Основные преимущества MicroLab по сравнению с традиционной лабораторией - быстрые результаты для немедленного принятия решений и автоматизации; любой сможет управлять этим инструментом. MicroLab доказал свою способность предоставлять достоверные данные по трендам при сравнении со сторонними лабораториями, позволяя операторам быстрее принимать решения, т.к. время предоставления результатов составляет менее чем 15 минут.