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張力儀的改進(jìn)

來(lái)源:山東博山同業(yè)分析儀器廠   2011年10月19日 12:57  

  針對(duì)原有自動(dòng)界面張力儀及測(cè)試方法方面存在的不足,提出了改進(jìn)措施和方法,提高了儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性,解決了現(xiàn)行國(guó)標(biāo)測(cè)試方法受環(huán)境溫度制約的問(wèn)題。
[關(guān)鍵詞] 液體界面張力、渦流傳感器、相敏檢波器、文氏橋振蕩器、溫度補(bǔ)償
[中圖分類號(hào)] [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] [文章編號(hào)]
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(yùn)行油劣化狀況有著密切的關(guān)系。
  我國(guó)20世紀(jì)80年代制定了GB6541-86《石油產(chǎn)品油對(duì)水界面張力測(cè)定法(圓環(huán)法)》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),并隨后研制出了圓環(huán)法自動(dòng)界面張力儀。由于該測(cè)定方法操作簡(jiǎn)單,對(duì)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(yùn)行中變壓油維護(hù)管理導(dǎo)則》GB7595-2000《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中,均把油對(duì)水界面張力值作為必測(cè)項(xiàng)目。但該項(xiàng)目在測(cè)定方法頒布十幾年后,至今沒(méi)有在行業(yè)內(nèi)得到有效的貫徹執(zhí)行。筆者認(rèn)為除行業(yè)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的認(rèn)識(shí)不足外,其主要還在于原有儀器測(cè)試精度低,操作較為復(fù)雜,對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度要求苛刻等原因所致。
  針對(duì)在界面張力測(cè)試過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題,我們對(duì)自動(dòng)界面張力儀進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)和改進(jìn),以此來(lái)推動(dòng)該測(cè)試項(xiàng)目的完善和開展。
2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
2.1測(cè)試原理
圓環(huán)法測(cè)定油對(duì)水界面的原理如圖1所示:

圖 1   盛有被測(cè)樣品的測(cè)試杯放置在由微電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降的工作臺(tái)上,當(dāng)測(cè)試杯平穩(wěn)且緩慢地向下移動(dòng)、測(cè)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(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。一方面該轉(zhuǎn)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(dá)到新的平衡狀態(tài)即總有
F張×L1=F磁×L2
成立,另外該轉(zhuǎn)換電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器。CPU將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行非線性修正輸出測(cè)定張力值結(jié)果。
  2.2采用了磁罐封閉式傳感器    
  傳感器的靈敏度,穩(wěn)定性,抗干擾性,決定了測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性,再現(xiàn)性。
  試驗(yàn)表明探頭采用磁罐封閉式,磁力線為單方向,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(yùn)算放大器構(gòu)成文氏橋正弦波振蕩器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,失真度較小,易調(diào)試。要滿足100毫牛頓/米的滿量程測(cè)量范圍時(shí)有0.1毫牛頓的分辨率,采用12位AD轉(zhuǎn)換器較合理,且可以擴(kuò)大至200毫牛頓/米的滿量程測(cè)量范圍時(shí)仍有0.1毫牛頓的分辨率,以應(yīng)用于有較大張力值的特殊液體測(cè)量。
  2.3對(duì)原始測(cè)試數(shù)值進(jìn)行了等間隔多點(diǎn)標(biāo)定
  CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,其數(shù)值對(duì)應(yīng)一個(gè)重量值 ,由于傳感器的非線性,mg與ad-result之間是一個(gè)非
線性關(guān)系,如圖2所示。

   圖2 ad-result與mg之間關(guān)系曲線
可以用mg=f(ad-result)來(lái)描述上述曲線。如何找出上述函數(shù)表達(dá)式,這就需要對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。通常有兩種方法:   2.3.1根據(jù)泰勒公式
  f(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+……anxn…
   因?yàn)閍0總為0,我們可以近似描述上述曲線為:
  mg=a1.ad-result+a2.ad-result2+a3.ad-result3 ………… (公式1)
  這里舍去3次項(xiàng)以后的成份。要確定公式(1)需要至少標(biāo)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(shù)式也就確定下來(lái)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只標(biāo)定幾個(gè)點(diǎn),但精度不夠高,因?yàn)樯崛ジ叽雾?xiàng)引起較大的誤差,當(dāng)然可以保留更多的高次項(xiàng),但其計(jì)算量將增大很多,對(duì)單片機(jī)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(biāo)定。當(dāng)間隔較小時(shí),間隔內(nèi)*按線性處理。引入的誤差很小,計(jì)算量較少。試驗(yàn)表明,對(duì)于100毫牛頓滿量程的儀器,100mg的標(biāo)定間隔較為合理,標(biāo)定點(diǎn)為11~12個(gè)。
  CPU根據(jù) ad-result 得到m后,按照理論公式2,計(jì)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(zhǎng),單位: 米。
再根據(jù)GB6541-86方法標(biāo)準(zhǔn)中第六條的三個(gè)公式計(jì)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;
ρ1——試樣在25℃時(shí)的密度…. ….單位:千克/立方米;
rw ——鉑絲的半徑………………..單位:毫米;
rγ ——鉑環(huán)的平均半徑…………..單位:毫米;
P ——常數(shù),按公式(5)計(jì)算;
δ——實(shí)際界面張力值…………….單位:毫牛頓/米。
舉例:
  在純水標(biāo)定中,當(dāng)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(jì)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(bǔ)償功能
  GB6541中的公式是25℃時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式,該公式?jīng)]有引入溫度修正因子。試驗(yàn)表明,液體溫度越低界面張力值越大,原因是溫度越低液體的分子熱運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),在“純水標(biāo)定”中的意義是使儀器得到標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞。儀器的溫度補(bǔ)償首先是純水受溫度影響后對(duì)形成水—氣界面時(shí)張力值的補(bǔ)償。在水—氣界面張力值得到補(bǔ)償且恰好在GB6541第5.3條規(guī)定的71~72毫牛頓/米的區(qū)間內(nèi),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(cè)試”中對(duì)絕緣油和純水所構(gòu)成的水—油界面張力值的溫度補(bǔ)償,試驗(yàn)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(cè)定絕緣油的污染程度,也是不可忽略而必須進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?br />  另外水和油的密度也隨溫度變化而變化,根據(jù)公式4,也將影響界面張力值。
  由于以上原因GB6541規(guī)定必須嚴(yán)格在25℃條件下操作。在我國(guó)電力行業(yè)的現(xiàn)有條件下,做起來(lái)很不容易。經(jīng)過(guò)數(shù)千次的試驗(yàn)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(bǔ)償曲線。儀器測(cè)定時(shí)只要在參數(shù)設(shè)定中輸入當(dāng)前的工作溫度,微處理器根據(jù)工作溫度,以25℃為基準(zhǔn),實(shí)行雙向補(bǔ)償,自動(dòng)計(jì)算,準(zhǔn)確地輸出25℃條件下的符合GB6541的界面張力值。儀器的溫度補(bǔ)償范圍能夠滿足所有的試驗(yàn)室的環(huán)境溫度,使得儀器使用條件大大放寬。這是目前國(guó)產(chǎn)界面張力儀在技術(shù)上的重大突破。
  2.5利用單片機(jī)技術(shù)使分析方法程序化
  當(dāng)今儀器儀表,越來(lái)越多地應(yīng)用了圖形陣式液晶作為顯示界面,特別對(duì)于我國(guó)使用漢字語(yǔ)言,圖形點(diǎn)陣式液晶是儀表完成人機(jī)對(duì)話,*的一個(gè)關(guān)鍵部件,可以容納GB6541-86《石油產(chǎn)品油對(duì)水界面張力測(cè)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(jī)界面更加直觀。另無(wú)標(biāo)識(shí)按鍵的使用,又可減少按鍵,減少了誤操作的機(jī)會(huì)。
  3 結(jié)論
  綜上所述,改進(jìn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)界面張力儀與其它同類儀器相比有以下幾個(gè)顯著特點(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(wěn)定性和抗干擾性問(wèn)題,提高了測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
  3.2儀器增加了環(huán)境溫度補(bǔ)償功能,切實(shí)滿足了GB6541測(cè)定方法規(guī)定的條件,保證了輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
  3.3利用單片機(jī)大屏幕液晶顯示技術(shù),把GB6541測(cè)定方法步驟程序化,使分析操作更為簡(jiǎn)便,減少了人為測(cè)定誤差,有利于該測(cè)試項(xiàng)目的推廣應(yīng)用。
 

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