光声光谱检测

第1章绪论

1.1引言

随着科技的发展液压系统在工业生产中日益扮演着重要的角色，所谓液压系统是指以油液为工作介质，利用油液的压力并且能通过控制阀门部件操纵液压执行机构工作的整套装置，一个完整的液压系统主要是由五个部分组成的，它们分别是：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油，

执行元件的主要作用是将液体的压力转换为机械能，驱动系统的负载作直线往复运动或回转运动

控制元件在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀又可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位计和油温计等。

液压油是液压系统中传递能量的工作介质，因此液压油又被称为是液压系统的“血液”它是系统提供动力能量的关键，液压油分为矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。

液压传动具有易于实现直线运动、功率质量之比大、动态响应快等优点，在工程机械、冶金、农林、实验设备、航空航天、仿真运动平台和武器装备领域得到了广泛的应用，对工业和国防领域的技术进步和发展起到了很大的推动作用，是现代机械工程的重要组成部分和工程控制的关键技术之一。

液压系统的好坏取决于系统设计的合理性，系统元件性能的优劣和油液的污染防护和处理，在这些关键因素中油液的污染和防护对系统的性能和稳定性影响最大。

国内外关于液压系统的相关统计资料表明，液压系统70%的故障是由于油液污染引起的，油液中的污染物大致可以分固体、液体还有气体等多种类型，其中液体污染物主要是指液压油中的水污染，我国也出台了相关的国家标准，在油品生产行业中合格的油品，油中的含水量必须符合国家GB/T1118.1-94标准。

水污染是引起液压油性能恶化及系统出现故障的重要原因之一，又因为水分这种杂质在液压油中是很难被去除掉，因此及时准确的检测出油液中的含水量，并且采取积极主动的措施预防水分对油液的侵入是保证液压系统的可靠性，延长液压元件的使用寿命，具有重要的实际意义。

1.2检测油中微水的意义

随着液压技术的发展，人们日益认识到液压系统的稳定及元件的使用寿命是与油液的清洁程度有着密切联系的。水作为油中主要的污染物之一能引起许多的事故。

国家海洋局远洋观察船在某个新年前夕航行于印度样水域，巡逻值班员巡视舵机舱的时候发现原先澄清、浅黄色的油液变成浑浊的乳白色，这是一起典型的舵机液压油乳化事故，为了避免事故的发生必须将系统内的油液全部换掉，否则新添加的油液也将受到污染.乳化液生产的泡沫不仅会影响液压系统压力的建立还会引起液压冲击，使得舵机失效。乳化液中的不溶物质会污损磨损元件的表面增加元件间的摩擦，产生油液乳化的直接原因是因为液压油中的含水量偏高，经了解此类现象在多条海轮上都曾经发生过，本次事故由于及时发现避免了一场灾难的发生。

2005年10月20日在某变电站执行200KV线路停电操作，当断开该线路的时候现场检查发现断路器仅B、C相位在开位，A相开关在合位，技术人员到

达事故现场后在断路器无直流电流的情况下对发生故障相的断路器执行一次手动的分闸操作，发现该断路器又立刻合闸，经技术人员的判断认为这是由于液压系统的故障引起的事故，根据检查情况初步判断认为是由于液压机构在出厂的时候所选用的航空液压油存在质量问题，经过一段时间的运行后油液发生了变质，引发了合闸一级阀阀杆表面产生了形变引发了这起事故。

但不是油中所有的水都会造成危害，油中的溶解水就对液压和润滑系统没有影响，对系统造成危害的为游离水和乳化水，当油液中的含水量在饱和度以下时，水以溶液状态存在于油液中，称为溶解水。当含水量超过饱和度过量的水则以水珠的状态悬浮在油液中，或以自由状态沉积在油液底部或浮在油液表面称为自由水或者游离水。自由状态的水在系统中经过激烈的搅动往往形成乳化状，称为乳化水。

水与油液中的金属硫化物和氯化物以及某些氧化物作用产生酸类物质，不仅对元件产生腐蚀作用，还会增加油液的酸值；水与油液中某些添加剂作用产生沉淀物和胶质等有害物质，加速了油液的变质劣化；水能使油液乳化，降低油液的润滑性，在低温的工作条件下，油液中的微粒水珠凝结成冰粒，堵塞控制元件的间隙或小孔，引起系统故障。

有关的研究表明：减少润滑油的含水量，可以显著延长滚动轴承的寿命；油中含有0.01%水分的轴承比油中含有0.04%水分的轴承寿命延长一倍。油中含400ppm水分的轴承比油中含100ppm水分的轴承寿命降低48%。虽然油有很强的憎水性，但是水在油中的溶解度会随着温度上声急剧增加，油中水分的溶解度为温度的函数。如图所示当油温度升高时，温度也是一个需要监测的重要参量。

图1油中水的溶解度曲线图

油中的水分溶解度可以表示成：

log B S A T

=- （1-1） 式中S 是以ppm 为单位的油中水分溶解度，T 是绝对温度，对于公式系数，A 一般在7.09到7.42之间，B 在1567到1670之间。

油中水分与空气中的相对湿度的关系是线性关系：

out W =()S T RH ⨯ （1-2）

式中的out W 是油中的水分含量，()S T 是油中的水分溶解度，单位是ppm ,可由前面所述的溶解度公式求出RH 是空气中的相对湿度，可以表示为：

100%s

P RH P =⨯ （1-3） 式中s P 是饱和水蒸气压，P 是实际水蒸气压单位为a P ，油的相对饱和度RS 被定义为油中水的绝对水分含量abs W 与既定温度下油中水分溶解度()S T 的百分比

100%()

abs W RS S T =⨯ （1-4） 可以看出相对饱和度也是温度的函数。也能有效地反映油中水分的真实情况

所以若能及时准确的测出油中的水含量，尤其的是油中游离水和乳化水的含量从而采取相应的措施。这对提高液压或润滑系统的可靠性，延长元器件的使用

寿命具有重要意义。

1.3检测油污染的国内外研究现状

国外流体传动与控制的学术界与企业界从上个世纪60年代开始进行了液压系统液压油污染程度的控制研究，美国俄克拉何马州里大学的教授于六十年代中期组建了流体动力研究中心，并且以液压系统的污染控制作为当时机构研究的主要方向，经过十多年的努力他们建立起了一个相当规模的实验室，通过大量的研究建立了一套有关液压系统油污染检测的和控制的理论。此后国际标准化组织通过的批准和实施的方法大部分是这个中心的研究成果，到了八十年代初期他们又进一步开展研究尝试着将多种因素结合起来对于液压元件的使用寿命进行预测，使得研究的成果更贴近实际与此同时英国的巴斯大学和联邦德国的阿亨工业大学也开展了液压油污染检测和控制的研究，并且都取得了相应的成果。

我国开展液压系统油污染的控制和检测研究开始于上个世纪的七十年代，一些高校和研究所相机筹建了检测实验室，如国家机械委员会自动化研究所液压中心、中国矿业学院北京研究生部、广州机床研究所、煤炭科学院上海液压技术研究中心和上海第704研究所等。无锡的液压件厂引进了美国具有国际先进水平的滤油器并且进行了多次的实验，为提高滤油器的性能奠定了实验基础，中国矿业学院北京研究生部和煤炭科学院上海液压技术研究中心直行研制和开发了液压泵污染敏感实验平台。

1.4检测油中水的传统方法

传统的检测油中水的方法可以分为以下三大类，它们分别是定性检测、半定量检测、定量检测