油水界面張力儀「價(jià)格合理」卡爾費休庫倫法微量水分測定儀「質(zhì)量過(guò)硬」淄博華坤電子儀器

李燁峰¹ , 趙瑋²

（⒈國家電力公司熱工研究院，陜西 西安  710032；⒉淄博華坤電子儀器有限公司，

山東 淄博  255088）

1  引 言

   界面張力能敏感的反映絕緣油質(zhì)劣化產(chǎn)物和從固體絕緣材料中產(chǎn)生的可溶性極性雜質(zhì)，油水界面張力值的大小與新油的純凈程度和運行油劣化狀況有著(zhù)密切的關(guān)系。

我國20世紀80年代制定了GB6541-86《石油產(chǎn)品油對水界面張力測定法（圓環(huán)法）》的國家標準，并隨后研制出了圓環(huán)法自動(dòng)界面張力儀。由于該測定方法操作簡(jiǎn)單，對電力用油的劣化與污染反映敏感，因而在其后頒布的GB2536-90《變壓器油》、GB/T14542-93《運行中變壓油維護管理導則》GB7595-2000《運行中變壓器油質(zhì)量標準》中，均把油對水界面張力值作為必測項目。但該項目在測定方法頒布十幾年后，至今沒(méi)有在行業(yè)內得到有效的貫徹執行。筆者認為除行業(yè)內對該項指標的認識不足外，其主要還在于原有儀器測試精度低，操作較為復雜，對測試環(huán)境溫度要求苛刻等原因所致。

針對在界面張力測試過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，我們對自動(dòng)界面張力儀進(jìn)行了全新的設計和改進(jìn)，以此來(lái)推動(dòng)該測試項目的完善和開(kāi)展。

2  設計特點(diǎn)

2.1測試原理

圓環(huán)法測定油對水界面的原理如圖1所示：

盛有被測樣品的測試杯放置在由微電機驅動(dòng)升降的工作臺上，當測試杯平穩且緩慢地向下移動(dòng)、測量用鉑金環(huán)從兩種不同密度且不相容的液體形成的界面拉出時(shí)，受到液體界面張力的牽引，使杠桿的另一端金屬片（位于渦流傳感器的探頭中）產(chǎn)生位移。渦流傳感器將該位移變化轉換為電壓信號輸出。一方面該轉換電壓加在磁力電感兩端，永磁體受到的電磁引力隨位移的增加而增大，使杠桿達到新的平衡狀態(tài)即總有

F張×L1=F磁×L2

成立，另外該轉換電壓送入A/D轉換器。CPU將轉換結果進(jìn)行非線(xiàn)性修正輸出測定張力值結果。

2.2采用了磁罐封閉式傳感器　　　　

傳感器的靈敏度，穩定性，抗干擾性，決定了測量結果的重復性，再現性。

試驗表明探頭采用磁罐封閉式，磁力線(xiàn)為單方向,封閉性能較好,不易受外界干擾。振蕩器采用高精度高速度運算放大器構成文氏橋正弦波振蕩器，結構簡(jiǎn)單，失真度較小，易調試。要滿(mǎn)足100毫牛頓/米的滿(mǎn)量程測量范圍時(shí)有0.1毫牛頓的分辨率，采用12位AD轉換器較合理，且可以擴大至200毫牛頓/米的滿(mǎn)量程測量范圍時(shí)仍有0.1毫牛頓的分辨率，以應用于有較大張力值的特殊液體測量。

2.3對原始測試數值進(jìn)行了等間隔多點(diǎn)標定

CPU讀取A/D轉換結果,其數值對應一個(gè)重量值 ,由于傳感器的非線(xiàn)性,mg與ad-result之間是一個(gè)非線(xiàn)性關(guān)系，如圖2所示。

可以用mg=f(ad-result)來(lái)描述上述曲線(xiàn)。如何找出上述函數表達式，這就需要對儀器進(jìn)行標定。通常有兩種方法:

2.3.1根據泰勒公式

f(x)=a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+……a_nxⁿ…

因為a₀總為0，我們可以近似描述上述曲線(xiàn)為：

 mg=a₁.ad-result+a₂.ad-result²+a₃.ad-result³  …………  （公式1）

這里舍去3次項以后的成份。要確定公式（1）需要至少標定3個(gè)點(diǎn)，然后解三元一次方程組，就可求得a₁.a₂.a₃，函數式也就確定下來(lái)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只標定幾個(gè)點(diǎn)，但精度不夠高，因為舍去高次項引起較大的誤差，當然可以保留更多的高次項，但其計算量將增大很多，對單片機來(lái)說(shuō)，有些力不從心。

2.3.2采用儀表業(yè)常用的等間隔多點(diǎn)標定。當間隔較小時(shí)，間隔內完全按線(xiàn)性處理。引入的誤差很小，計算量較少。試驗表明，對于100毫牛頓滿(mǎn)量程的儀器，100mg的標定間隔較為合理，標定點(diǎn)為11~12個(gè)。

CPU根據　ad-result 得到m后，按照理論公式2，計算出界面張力值，單位為 毫牛頓／米。 

M = mg/2L   ^{…………………………………}(公式2)

 式中：

　　　m 為質(zhì)量　單位：千克；

　　  g 為重力加速度　單位：米／秒 ；

　　　L為鉑環(huán)平均周長(cháng)，單位： 米。

再根據GB6541-86方法標準中第六條的三個(gè)公式計算出樣品的實(shí)際界面張力值。

   δ= M·F  ^{………………………………………}(公式3)

式中：ρ₀—水25℃時(shí)的密度  ….單位：千克／立方米；

  ρ_1——試樣在25℃時(shí)的密度…. ….單位：千克／立方米；

  r_w　——鉑絲的半徑………………..單位：毫米；

  r_γ ——鉑環(huán)的平均半徑…………..單位：毫米；

       P _——常數，按公式（５）計算；

　δ_——實(shí)際界面張力值…………….單位：毫牛頓／米。 

舉例：

在純水標定中，當M=80毫牛頓/米時(shí)，代入鉑環(huán)平均半徑和鉑絲半徑的實(shí)際值，計算得：F=0.890，δ=MF=80×0.890=71.3毫牛頓/米。

 2.4增加了環(huán)境溫度補償功能

GB6541中的公式是25℃時(shí)的經(jīng)驗公式，該公式?jīng)]有引入溫度修正因子。試驗表明，液體溫度越低界面張力值越大，原因是溫度越低液體分子熱運動(dòng)越不活躍，分子間引力越大，而產(chǎn)生的界面張力值就越大；反之溫度越高，產(chǎn)生的界面張力值就越小。純水作為一種標準物質(zhì)，在“純水標定”中的意義是使儀器得到標準的量值傳遞。儀器的溫度補償首先是純水受溫度影響后對形成水—氣界面時(shí)張力值的補償。在水—氣界面張力值得到補償且恰好在GB6541第5.3條規定的71~72毫牛頓/米的區間內，才能證明量值傳遞正確。這是儀器能夠正常使用的關(guān)鍵。其次是在“樣品測試”中對絕緣油和純水所構成的水—油界面張力值的溫度補償，試驗證明水—油界面的張力值受溫度的影響小于水—氣界面的張力值，但做為用圓環(huán)法來(lái)測定絕緣油的污染程度，也是不可忽略而必須進(jìn)行補償的。另外水和油的密度也隨溫度變化而變化，根據公式4，也將影響界面張力值。由于以上原因GB6541規定必須嚴格在25℃條件下操作。在我國電力行業(yè)的現有條件下，做起來(lái)很不容易。經(jīng)過(guò)數千次的試驗后我們得出了   10~35℃范圍的水—氣界面和水—油界面張力值溫度補償曲線(xiàn)。儀器測定時(shí)只要在參數設定中輸入當前的工作溫度，微處理器根據工作溫度，以25℃為基準，實(shí)行雙向補償，自動(dòng)計算，準確地輸出25℃條件下的合GB6541的界面張力值。儀器的溫度補償范圍能夠滿(mǎn)足所有的試驗室的環(huán)境溫度，使得儀器使用條件大大放寬。這是目前國產(chǎn)界面張力儀在技術(shù)上的重大突破。

2.5利用單片機技術(shù)使分析方法程序化 

當今儀器儀表，越來(lái)越多地應用了圖形陣式液晶作為顯示界面，特別對于我國使用漢字語(yǔ)言，圖形點(diǎn)陣式液晶是儀表完成人機對話(huà)，必不可少的一個(gè)關(guān)鍵部件，可以容納GB6541-86《石油產(chǎn)品油對水界面張力測定法（圓環(huán)法）》的所有操作步驟的條款，簡(jiǎn)要說(shuō)明﹑幫助等信息也可以通過(guò)大屏幕液晶顯示，人機界面更加直觀(guān)。另無(wú)標識按鍵的使用，又可減少按鍵，減少了誤操作的機會(huì )。

3  結論

 綜上所述，改進(jìn)設計的自動(dòng)界面張力儀與其它同類(lèi)儀器相比有以下幾個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)。

 3.1因使用了磁罐封閉式傳感器，解決了原有傳感器的靈敏度﹑穩定性和抗干擾性問(wèn)題，提高了測量結果的重復性和再現性。

3.2儀器增加了環(huán)境溫度補償功能，切實(shí)滿(mǎn)足了GB6541測定方法規定的條件，保證了輸出數據的準確性。

3.3利用單片機大屏幕液晶顯示技術(shù)，把GB6541測定方法步驟程序化，使分析操作更為簡(jiǎn)便，減少了人為測定誤差，有利于該測試項目的推廣應用。

作者簡(jiǎn)介：李燁峰，男，1958年生。國家電力公司熱工研究院化學(xué)工程技術(shù)中心電力用油氣研究所所長(cháng)。DT-102型全自動(dòng)界面張力儀理論指導。

    趙瑋，男，1958年生。淄博華坤電子儀器有限公司董事經(jīng)理。DT-102型全自動(dòng)界面張力儀主要設計人員。