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界面張力儀的改進(jìn)
針對原有自動界面張力儀及測試方法方面存在的不足，提出了改進(jìn)措施和方法，提高了儀器測量的準(zhǔn)確性，解決了現(xiàn)行國標(biāo)測試方法受環(huán)境溫度制約的問題。
[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] [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] [文章編號]
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20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)，并隨后研制出了圓環(huán)法自動界面張力儀。由于該測定方法操作簡單，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(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，均把油對水界面張力值作為必測項(xiàng)目。但該項(xiàng)目在測定方法頒布十幾年后，至今沒有在行業(yè)內(nèi)得到有效的貫徹執(zhí)行。筆者認(rèn)為除行業(yè)內(nèi)對該項(xiàng)指標(biāo)的認(rèn)識不足外，其主要還在于原有儀器測試精度低，操作較為復(fù)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程中遇到的各種問題，我們對自動界面張力儀進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以此來推動該測試項(xiàng)目的完善和開展。
2 設(shè)計(jì)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：
圖 １ 盛有被測樣品的測試杯放置在由微電機(jī)驅(qū)動升降的工作臺上，當(dāng)測試杯平穩(wěn)且緩慢地向下移動、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，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)簡單，失真度較小，易調(diào)試。要滿足100毫牛頓/米的滿量程測量范圍時有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/米的滿量程測量范圍時仍有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量。
2.3對原始測試數(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)值對應(yīng)一個重量值 ,由于傳感器的非線性,mg與ad-result之間是一個非
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）來描述上述曲線。如何找出上述函數(shù)表達(dá)式，這就需要對儀器進(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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只標(biāo)定幾個點(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，對單片機(jī)來說，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，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。
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，單位： 米。
再根據(jù)GB6541-86方法標(biāo)準(zhǔn)中第六條的三個公式計(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℃時的密度 ….單位：千克／立方米；
ρ1——試樣在25℃時的密度…. ….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，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形成水—氣界面時張力值的補(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“樣品測試”中對絕緣油和純水所構(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)法來測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。在我國電力行業(yè)的現(xiàn)有條件下，做起來很不容易。經(jīng)過數(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。儀器測定時只要在參數(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，越來越多地應(yīng)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言，圖形點(diǎn)陣式液晶是儀表完成人機(jī)對話，*的一個關(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，簡要說明﹑幫助等信息也可以通過大屏幕液晶顯示，人機(jī)界面更加直觀。另無標(biāo)識按鍵的使用，又可減少按鍵，減少了誤操作的機(jī)會。
3 結(jié)論
綜上所述，改進(jìn)設(shè)計(jì)的自動界面張力儀與其它同類儀器相比有以下幾個顯著特點(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)定性和抗干擾性問題，提高了測量結(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測定方法步驟程序化，使分析操作更為簡便，減少了人為測定誤差，有利于該測試項(xiàng)目的推廣應(yīng)用。