熊子倫,盧繼德,李 琪,王洪鵬,張 鵬

(1.中國石油大學(xué)(北京) a.地球物理學(xué)院；b.理學(xué)院，北京 102249； 2.中國科技館 展覽教育中心，北京 100012)

隨著人類對于石油研究的逐漸深入，有關(guān)探究油液污染程度的方法越來越多.顆粒計數(shù)器可以檢測出油液中固體顆粒濃度，從而測量油液的污染程度.李健樂認(rèn)為光阻法可以提高其測量精度[1]；而余良武等通過熵權(quán)法對不同尺度顆粒的信息轉(zhuǎn)化為權(quán)值，并采用模糊綜合評價模型進(jìn)行匯總并給予油液污染程度的最終評價結(jié)果[2].電容器的電容是反映液體極化性能的重要物理量，人們用采用各種方法測量其數(shù)值[3-5].根據(jù)電容的變化規(guī)律可以分析油品的性能.曹凱采用電容率法評價發(fā)動機(jī)油的性能[6].本實(shí)驗(yàn)采用了電容率法，利用電容器原理來驗(yàn)證油液的污染程度.實(shí)驗(yàn)所采用的電容率法是建立電容率與油液污染程度之間關(guān)系的重要方法.通過分析油液理化指標(biāo)來獲取有關(guān)油液污染程度的信息，從而搭建起油液污染程度和油液品質(zhì)之間的聯(lián)系.從電容率法的本質(zhì)來看，一方面，油液和機(jī)器本身之間會有摩擦現(xiàn)象發(fā)生，在這個過程中，由于摩擦所產(chǎn)生的金屬粒子以及產(chǎn)生的其他高導(dǎo)電化合物會產(chǎn)生極化現(xiàn)象；另一方面，隨著時間的推移，油液中的一些烴分子會被氧化成為水、有機(jī)酸以及一些氧化能力較強(qiáng)的分子.伴隨極化反應(yīng)過程的不斷進(jìn)行，油液中這些極化分子的數(shù)目不斷增加，油液電容率會發(fā)生變化.綜上所述，這些粒子的累積，會導(dǎo)致油液電容率值改變，極化物質(zhì)越多，電容率值改變得越明顯.根據(jù)這種現(xiàn)象，可以用電容率的變化來衡量油液的污染程度.

1 電容率法的實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中選擇的基礎(chǔ)油液是汽油、柴油和機(jī)油.這些油液的通性是電容率很低，因此可以將它們看作是弱電介質(zhì)材料.當(dāng)油液裝進(jìn)電容器進(jìn)行測驗(yàn)時，此時電場為E0，污染物可以看作由一個個小的極性分子構(gòu)成，在電流的作用下，這些極性分子將會沿電流方向排列并且產(chǎn)生小的電場，與原來的電場方向相反，設(shè)產(chǎn)生的反向電場為E1，如圖1所示.

圖1 電容器電場示意圖

加入油液污染物后電場強(qiáng)度為

E=E0-E1,

(1)

加入油液污染物后相對電容率為

(2)

電容率

ε=ε0εr,

(3)

其中，ε0為真空電容率，εr0為基礎(chǔ)油液的相對電容率.

由式(1)～(3)可以看出，當(dāng)E1變大時，加入油液污染物后電場強(qiáng)度會變小，其電容率也會變大.E1的大小直接取決于污染分子的數(shù)量，也就是污染程度，因此電容率的改變可以反映油液的污染情況.

2 實(shí)驗(yàn)儀器、內(nèi)容與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)儀器:電容計、93號汽油、機(jī)油、柴油、電容器、蒸餾水、鐵粉(粒徑75 mm)、純醋酸.實(shí)驗(yàn)恒溫10 ℃.向新油中定向定量地添加污染目標(biāo)物，代替已經(jīng)被污染的油液，研究油液電容率的變化與污染程度的關(guān)系.

2.1 基礎(chǔ)油液中加水

在這3種基礎(chǔ)油液中，每組取10個油樣(20 mL)，每個油樣加入0.5 mL的水，得到30個樣品，標(biāo)號為A1，A2，…，A10，B1，B2，…，B10，C1，C2，…，C10.搖勻后，立刻用電容計測量出電容值，進(jìn)而計算出電容率的平均值.重復(fù)上述步驟測量10次，測出10個不同梯度的電容率值.電容率隨汽油、柴油、機(jī)油含水量的變化關(guān)系如圖2所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機(jī)油

由圖2可知，3種基礎(chǔ)油液的電容率隨著含水量的增加而增大，并且從回歸方程可以看出，含水量對油液電容率影響較大.水是一種典型的極化介質(zhì)，在電場的作用下,極化作用明顯，使電場增大.

2.2 基礎(chǔ)油液中加醋酸

把3種基礎(chǔ)油液分別取10組20 mL新油，為了和水含量進(jìn)行比較，在實(shí)驗(yàn)中采用了和2.1實(shí)驗(yàn)相同的測量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn).電容率隨汽油、柴油、機(jī)油中醋酸的變化關(guān)系如圖3所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機(jī)油

由圖3可知，當(dāng)有機(jī)酸含量增加時，油液電容率也隨之增加，油液電容率與酸值相關(guān)性很好.有機(jī)酸中分解出的H+，RCOO-等離子的極化會使油液電容率增加.降解程度越深，酸度越大，這些極化離子的含量越多.從圖3中可知，酸值對于油液電容率的影響沒有含水量的影響大.

2.3 基礎(chǔ)油液中加鐵粉

把3種基礎(chǔ)油液分別取10組20 mL新油，每組加鐵粉的變化梯度為0.1 g.為防止鐵粉無法在油液中懸浮影響測量實(shí)驗(yàn)精度，在5 s內(nèi)讀出數(shù)據(jù)并記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機(jī)油

由圖4可知，油液電容率隨導(dǎo)電性強(qiáng)的鐵磁材料粒子數(shù)量的增加而增加.當(dāng)油液與金屬粒子置于電容器內(nèi)時，金屬粒子產(chǎn)生自由電子，這些自由電子會發(fā)生極化現(xiàn)象.從電容計上觀測為電容數(shù)值增大，即油液電容率增大.但是從回歸方程不難看出，鐵粉含量與油液電容率之間沒有含水量、酸值與油液電容率之間的相關(guān)性好，究其原因是因?yàn)樗痛姿岬臄U(kuò)散能力比金屬粒子強(qiáng).

3 結(jié) 論

1)由圖像可知，電容率與含水量、酸值和金屬粒子含量與油液這3個目標(biāo)物有著很好的相關(guān)性，用電容率的變化可以衡量油液的污染程度.

2)結(jié)合趨勢圖與回歸方程不難得出，含水量對油液電容率變化的影響最大，酸值對油液電容率變化的影響要小于含水量，金屬粒子含量對油液電容率變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水量.

3)從電容率隨3種油品所含雜質(zhì)的變化曲線可以直觀地看出，3種油品相比較，隨著污染程度的增加，油液種類的變化并不影響電容率值的變化趨勢.