Преимущества дизайна переносного инфракрасного анализатора масла

Введение

Инфракрасный анализатор масла, SpectroСредняя инфракрасная (ИК) спектроскопия широко используется для разработки и оценки смазывающих материалов, так как с помощью данного метода получается детальная информация о химическом составе вещества. В последние годы данный метод стал использоваться в качестве инструмента для мониторинга состояния масла в лабораториях по всему миру, обеспечивая информацию о деградации используемых смазочных материалов путем измерения таких свойств, как окисление, нитрование, сульфирование, сажа и противоизносные присадки. Существует ряд стандартов ASTM для измерения состояния масла этим методом (см. таблица 1).

На рисунке 1 показан типичный инфракрасный спектр образца масла. Области спектра, используемые для расчета типичных параметров состояния масла выделены, чтобы показать, как ИК-спектры используются для этой цели. Обычно такие спектры получают в лаборатории с помощью ИК-Фурье спектрометра, и данный анализ выполняется квалифицированным персоналом. Многие профессионалы не приняли ИК-Фурье спектрометры для широкого использования в данной области из-за сложности миниатюризация, введения образца и необходимости прямой, высококачественной и дающей основания для действия информации без требования того, чтобы оператор был обученным специалистом по анализу масла. Компания «Балтех» является лидером по обучению в направлении анализа смазочных материалов.

Таблица 1. Количественные параметры, получаемые из ИК-спектров масла и соответствующие им стандарты ASTM и единицы измерения


Свойства

ASTM метод

Единицы

Противоизносные присадки

D7412

абс/0,1 мм

Ниторование

D7624

абс/см

Сажа

D7844

абс/см

Сульфирование

D7415

абс/0,1 мм

Окисление

D7414

абс/0,1 мм

             

ИК-спектр используемого масла и параметры, FluidScan
Рис. 1. Типичный ИК-спектр используемого масла и параметры, получаемые из спектра. Лабораторный ИК-Фурье спектрометр – обычный инструмент для получения такой информации. Лабораторный техник и аналитик, затем интерпретирует спектр и дает количественную информацию о состоянии масла.

В ответ на необходимость министерства обороны США в компактном полевом приборе для мониторинга состояния масла компании был разработан FluidScan (Q1100, Q1000), переносной инфракрасный анализатор, который помогает подтвердить соответствует ли новое масло нужному типу и нет ли там примесей, а также, измеряя деградацию масла и загрязнение другими жидкостями такими, как вода, проверяет возможно ли дальнейшее использование данного масла. Данный прибор – это идеальное решение для мониторинга состояния работающего масла в  таких областях, как турбины, редуктора и компрессоры и для продления интервалов замены масла для двигателей и резервных генераторов.

FluidScan (Q1100, Q1000) является революционным прибором, который объединяет лабораторный ИК-спектрометр, титратор по методу Карла Фишера и титратор для определения общего кислотного и щелочного числа в одном переносном устройстве без уменьшения сути этих анализов. Сегодня FluidScan (Q1100, Q1000) широко применяется военными и промышленными сервисными инженерами, как идеальный прибор для мониторинга состояния масла, и используется, чтобы обслуживать критичное оборудование по всему миру, включая морские суда, оборудования для горных работ и оборудование электростанций. Цель этой статьи состоит в том, чтобы описать некоторые конструктивные особенности FluidScan (Q1100, Q1000) и показать, как новые технологии используются в данном приборе. Данный прибор вы можете опробовать в работе в офисе компании «Балтех» в удобное для Вас время или на наших учебных курсах ТОР-105 «Трибодиагностика. Анализ масел и смазок».

Критерии конструирования

Когда команде конструкторов компании была дана задача, разработать переносной инфракрасной анализатор масла, был установлен список критериев так, чтобы прибор удовлетворять следующим характеристикам:

  • Прочность – ограничить количество движущихся частей для использования в полевых условиях.
  • Размер и вес – компактный в переносном варианте, питающийся от аккумулятора.
  • Без использования растворителей для очистки между анализами, чтобы упростить работу в полевых условиях.
  • Необходимы прямые количественные результаты, которые дали бы возможность пользователям принимать немедленные решения без помощи экспертов по анализу масла. К таким параметрам относятся параметры деградации и загрязнения масла, а именно, окисление, общее кислотное число, загрязнение водой для индустриальных масел, и окисление, нитрование, сульфирование, истощение противоизносных присадок, общее кислотное число, вода, гликоль, сажа и другие для моторных масел.
  • Чувствительность должна быть сопоставима с лабораторными ИК-Фурье спектрометрами.
  • Аккумулятор должен работать, по крайней мере, в течение одной рабочей смены.

Следует отметить трудности в реализации всех этих критериев. Например, техника ввода нового образца была разработана так, чтобы исключить использование растворителей на месте работы прибора. Кроме того, много сил было положено, чтобы достичь необходимого баланса размера, веса, времени работы аккумулятора и сохранением эквивалентной аналитической способности лабораторных ИК-Фурье спектрометров для анализа работающего масла.

Окончательная конструкция

Окончательная оптическая схема FluidScan (Q1100, Q1000) приведена на рисунке 2. Центральным элементом данной схемы является решетка дисперсионной оптической системы с твердым волноводом, чтобы уменьшить потерю света и улучшить соотношение сигнал/шум. Область работы прибора в длинах волн от 2,6 мкм до 14 мкм  (соответственно, в частотах от ~ 950 до 3850 см-1), что покрывает часть ИК-спектра, указывающую на деградацию, общее кислотное/щелочное число, воду и сажу. В системе имеется две лампы, одна в длинноволновым фильтров, а другая с коротковолновым фильтром, соединенная со светоделителем. Данная конструкция позволяет избежать использования движущихся частей в системе и придать ей необходимую прочность, а также избежать необходимости калибровки частоты при использовании в полевых условиях.

Устройство анализатора масла FluidScan (Q1100, Q1000)
Рисунок 2. Схема FluidScan (Q1100, Q1000), включая ИК источник, защелкивающуюся кювету и решетку. В данной конструкции отсутствуют движущиеся части.

Введение образца

Простое и воспроизводимое введение образца является важным для использования анализа масла в полевых условиях. Используется кювета для измерения пропускания и количество поглощенного света, прошедшего через 100 мкм образца масла, в зависимости от его частоты регистрируется. Однако кюветы для измерения пропускания не подходят для использования в полевых условиях, так как нужен растворитель для очистки их после проведения анализа. Чтобы преодолеть данную проблему, была разработана новая техника введения пробы – защелкивающаяся кювета. Она показана на рисунке 3 и выглядит, как раковина моллюска, которая открывается для введения образца и очистки и закрывается, чтобы создать образец толщиной 100 мкм. Защелкивающаяся  кювета устраняет необходимость в использовании растворителей для очистки кюветы и в то же время поддерживает такое же качество, как и кювета для измерения пропускания, используемая в лабораторных приборах.

Кроме того, оба ZnSe окна защелкивающейся кюветы скреплены таким образом, что не каких других параллельных поверхностей нет на пути, проходящего через кювету света (Рис. 3). Это устраняет любые потенциальные оптические разбросы, делая сигнал более «чистым», чем у традиционной лабораторной кюветы для измерения пропускания. Это особенно важно при измерении содержания воды, которая может определяться в масле с помощью ИК-спектроскопии до 100 ppm.

Принцип анализа масел прибором FluidScan (Q1100, Q1000)
Рисунок 3. Защелкивающаяся кювета и схема конструкции окон.

Решение задачи оптимизации соотношения сигнал/шум

Для того чтобы достичь эквивалентности в ИК-Фурье анализом работающего масла, большое усилие было сделано по улучшению соотношения сигнал/шум в переносном приборе. Заметим, что соотношение сигнал/шум спектрометра пропорционально светосиле источника, так же как спектральной ширине линии. В системе, где светосила ограничена, мы можем увеличить ширину спектральной линии (уменьшить спектральной разрешение), чтобы увеличить соотношение сигнал/шум. По аналогии следует увеличить апертуру камеры линз, чтобы увеличить количество света приходящего к детектору. Проблема заключается в том, чтобы понять, насколько можно уменьшить спектральное разрешение без потери качества измерений. Типичный ИК-Фурье спектрометр, такой как ISOTECH или ROLISA, имеет разрешение 4 см-1, когда конфигурируется для анализа масла. Такое разрешение является замечательным для анализа нового масла и идентификации по «отпечаткам пальцев», но чрезмерным для анализа используемого масла. Тогда остается вопрос, какое разрешение нужно для прибора, используемого для анализа используемого масла. Такие параметры, как окисление, сульфирование и сажа вычисляются из ширины пиков поглощения (Рис. 1). Чтобы определить необходимое разрешение, было проведено сравнительное исследование, которое показано на рисунке 4, где наложено много ИК-Фурье спектров одного и того же образца при разном разрешении. Даже при разрешении 16 см-1 нет значительного искажения в форме полос и высоте пиков. Матрица детектора затем была тщательно отобрана таким образом, чтобы сбалансировать улучшение соотношения сигнал/шум и уменьшение спектрального разрешения до определенного уровня с тем, чтобы достичь оптимальных рабочих параметров прибора. В конечном варианте конструкции прибора был найдет компромисс между соотношением сигнал/шум, разрешением и скоростью анализа таким образом, чтобы оптимизировать рабочие характеристики FluidScan (Q1100, Q1000).

Наложение ИК-Фурье спектров при разном разрешении
Рисунок 4. Наложение ИК-Фурье спектров при разном разрешении.
FluidScan (Q1100, Q1000), спектры, Balttech, Балттех
А) FluidScan спектры
ИК-спектр использованного масла в области окисления
Б) ИК-Фурье спектры
Рисунок 5. ИК-спектр использованного масла в области окисления. Даже не смотря на то, что в спектре, записанном на FluidScan (Q1100, Q1000), отсутствуют некоторые тонкие детали, присутствующие в ИК-Фурье спектре, данный спектр ясно показывает корреляцию деградации масла и ИК-Фурье данных. В дальнейшем вычисленный параметр окисления хорошо коррелирует с результатами обоих приборов.

Изучение корреляции измерения деградации масла с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и лабораторного ИК-Фурье спектрометра

Несколько межлабораторных исследований было выполнено за несколько лет, чтобы продемонстрировать равнозначность и корреляцию результатов, полученных с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектрометров. В одном исследовании случайным образом были выбраны 37 образцов работающих масел с различным состоянием и характеристиками так, чтобы они могли представить все случае, встречающиеся в реальном мире. Образцы были тщательно перемешены перед анализом. Все анализы проводились одним оператором и на одном приборе. Анализы на ИК-Фурье спектрометрах выполнялись в соответствии с инструкциями стандартов ASTM в единицах измерения, указанных в таблице 1. Рисунок 6 (а, в, с, d, e) показывает корреляцию результатов между измеренными значениями окисления, нитрования, сульфирования, содержания противоизносных присадок и сажи, полученных на FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектрометре. Дальнейший тщательный статистический анализ результатов был выполнен в соответствии с ASTM D6708 «Стандартный метод статистической оценки и повышения ожидаемого соответствия между двумя методами, которые предназначены для измерения одного и того же свойства материала». По полученным данным было сделано заключение, что измерения на FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектрометре эквивалентны. Кроме того, в соотвествии с программой перекрестной межлабораторной проверки по ASTM для работающих масел наблюдаемые различия от одного ИК-Фурье спектрометра к другому являются такими же или больше, чем различия между данными, полученными на FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектрометре, как сообщается в этом исследовании.

Хемометрика измерения для общего кислотного/щелочного числа и воды на FluidScan (Q1100, Q1000)

Одна из основных проблем, в дополнение к конструкции прибора, состояла в том, чтобы обеспечить надежные результаты измерения общего кислотного и общего щелочного числа и измерения содержания воды, которые являются трудными при использовании ИК спектроскопии. Одна из причин состоит в том, что все масла создаются не одинаковыми и, если использовать один типовой алгоритм ко всем маслам, результаты возможно будут хорошими для одних масел, не для всех. Если создать алгоритм специфичный для каждого масла, то это приведет к невыполнимой задаче включить все виды масла, используемые в мире. Чтобы преодолеть данную проблему, был введен классификатор, чтобы разделять масла по различному назначению. Внутри группы масел, используемых по одному назначению, все масла сходны по химическому составу, поэтому один алгоритм может быть использован. Поэтому при использовании FluidScan (Q1100, Q1000), пользователи, находящиеся на месте работы оборудования, могут быстро определить к какому типу относится неизвестное масло и использовать точно настроенный алгоритм для определения необходимых параметров.

В анализаторе FluidScan (Q1100, Q1000) применяется хемометрика, чтобы получить данные по общему кислотному/щелочному числу и воде, с соответствии с лабораторными методами титрования. Хемометрика это применение математических, статистических, графических и символьных методов для увеличения извлекаемой химической информации из спектральных данных. Хемометрика использует  математические и статистические методы, чтобы улучшить понимание химической информации, обеспечивая спектроскопистов эффективными методами решения проблемы калибровки спектральных данных.

Один пример хемометрической калибровки для общего кислотного числа турбинного масла здесь описан. Как установлено стандартом ASTM Е2412, полосы ИК-спектра, относящиеся к общему кислотному числу в масле для газовых турбин перекрываются с полосами, ответственными для загрязнения водой. Чтобы получить количественные данные с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) используется хемометрическая калибровка по принципу регрессии главных компонент (PCR), которая автоматически вычитает эффект присутствия воды в области общего кислотного кисла в спектре. Этот процесс состоит из следующих шагов:

  • Зарегистрировать с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) спектры широко ряда используемых образцов.
  • Получить соответствующие лаборторные данные по общему кислотному числу и воде.
  • Выбрать интересующую спектральную области, где калибруемое свойство имеет наилучшую корреляцию (например, 3180-3750 см -1 для общего кислотного числа).
  • Выполнить расчет, используя метод регрессии главных компонент (PCR) по данной спектральной области и соответствующие лабораторные данные.
  • Приписать данный алгоритм к определенной группе масел таким образом, чтобы этот же самый алгоритм мог использоваться к подобным маслам.
  • Сдвиг и наклон калибровочной кривой для специфических масел может настраиваться индивидуально для каждого типа масла, чтобы обеспечить наилучшую корреляцию с лабораторными методами титрования.

Корреляция данных FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектров ASTM
Рисунок 6. Корреляция между данными, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и ИК-Фурье спектров по стандартам ASTM.

    • Корреляция между данными для окисления, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и по стандарту ASTM D7414.
    • Корреляция между данными для нитрования, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и по стандарту ASTM D7624.
    • Корреляция между данными для сульфирования, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и по стандарту ASTM D7415.
    • Корреляция между данными для содержания золы, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и по стандарту ASTM D7844.
    • Корреляция между данными для содержания пртивоизносных присадок, полученными с помощью FluidScan (Q1100, Q1000) и по стандарту ASTM D7412.

Этот процесс является хемометрической калибровкой, который, если исследуются неизвестные спектры турбинного масла, дает значение интересующего показателя (например, общего кислотного числа) в нужных единицах (мгКОН/г). Подобный процесс используется для измерения воды, которое коррелирует с титрованием по Карлу Фишеру.

Чтобы получить более подробную информацию об использовании FluidScan (Q1100, Q1000) для измерения воды, обратитесь к статье компании «Балтех» «Измерение воды анализатором состояния масла FluidScan (Q1100, Q1000)» и «Использование ИК спектроскопии для определения общего кислотного и общего щелочного числа в машинном и индустриальном маслах».

Спектральное разрешение редукторного масла
Рис. 7 а. Спектральное разрешение редукторного масла по сравнению с чистым, которое показывает увеличение и уменьшение при различных частотах по мере деградации масла.

Сравнение общего кислотного числа редукторного масла
Рис. 7 b. Сравнение значений общего кислотного числа редукторного масла по ASTM D664 и полученных методом ИК-спектроскопии.

Примеры подобных хемометрических расчетов приведены на рисунках 7а и 7б. Как показано выше (на графике представлены изменения в спектре по сравнению с чистым маслом) поглощение в области 1400-1600 см-1 уменьшается до минимального уровня, согласно истощению присадок в масле. В соседней области происходит увеличение поглощения, которое растет быстрее, когда общее кислотное число начинает увеличиваться от его минимального значения приблизительно около 2 мгКОН/г (от значения чистого масла 4 мгКОН/г) до значения 3  мгКОН/г в этом наборе данных. Наибольшее его значение находится в области 5 мгКОН/г. Рисунок 7б показывает, что значение общего кислотного числа, полученное инфракрасной спектроскопией, имеет превосходную корреляцию со значением общего кислотного числа, полученным по стандарту ASTM D664. Таким образом это подтверждает, что хемометрический анализ ИК-спектральных данных способен учитывать различные наблюдаемые эффекты в спектре и давать хорошие количественные данные.

Заключение

Анализатор FluidScan (Q1100, Q1000), не смотря на его маленький размер, имеет много инновационных решений, которые позволили ему стать по качеству в один ряд с лабораторными приборами для анализа масла. Запатентованная защелкивающаяся кювета позволяет легко вводить образец и не требует растворителей для ее очистки. Специальная оптическая система позволила достичь равных аналитических возможностей с ИК-Фурье спектрометрами, а уникальный хемометрический алгоритм – точных, воспроизводимых и способных к построению тренда измерений общего кислотного/щелочного числа и воды. Анализатор FluidScan (Q1100, Q1000) содержит в себе возможности лабораторной ИК-Фурье спектроскопии, титраторов по методу Карла Фишера для воды и титраторов для определения общего кислотного/щелочного числа, которые позволяют сервисным инженерам проводить мониторинг состояния масла так и где им это необходимо. Данный прибор вы можете опробовать в работе в офисе компании «Балтех» в удобное для Вас время или на наших учебных курсах ТОР-105 «Трибодиагностика. Анализ масел и смазок».

Рисунок 7а. Спектральные изменения масла для тяжелого редуктора относительно нового масла, которые показывают как увеличение, так и уменьшение поглощения на разных частотах по мере деградации масла.

Рисунок 7б. Соотношение между данными для общего кислотного числа, полученными по стандарту ASTM D664 и с помощью инфракрасной спектроскопии для редукторного масла. Для этого масла наблюдаются сложные изменения общего кислотного числа в процессе его эксплуатации: первоначально общее кислотное число уменьшается до минимального уровня, а затем начинается его рост до максимального предельного уровня.