СПОСОБ АНАЛИЗА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В МАСЛЕ
METHOD OF ANALYSING FERROMAGNETIC PARTICLES IN OIL

Изобретение предназначено для измерения концентрации микрочастиц железа и его сплавов в смазочных материалах с целью определения степени износа пар трения и может применяться как для периодического анализа состояния узлов машин и механизмов, так и для непрерывного мониторинга в процессе их эксплуатации.
Анализ содержания ферромагнитных частиц в масле, как средство индикации технического состояния узлов трения, известен очень давно. Ферромагнитные свойства частиц в большинстве случаев используются для повышения их локальной концентрации за счет притягивания к источнику неоднородного постоянного магнитного поля. Дальнейший анализ обычно проводят оптическими методами или по изменению емкости конденсатора, охватывающего поток масла [1]. Здесь требуется длительная экспозиция, и трудно установить количество частиц, ответственных непосредственно за износ пар трения, поскольку изменение оптических свойств или емкости конденсатора обусловлено также и неметаллическими примесями в масле.
Имеются технические решения, напрямую использующие для анализа частиц их ферромагнитные свойства. Последние влияют на индуктивность охватывающей объем масла электрической катушки, являющейся составной частью колебательного контура. Однако прямая индикация его собственной частоты дает плохие результаты из-за сильного дрейфа, и приходится искать способы, использующие частотный сдвиг, спровоцированный управляемым внешним воздействием, например, циклическим включением постоянного магнитного поля [2]. Другим методом анализа, основанным на контроле усредненной магнитной проницаемости масла, является использование исследуемого объема в качестве сердечника трансформатора [3]. В данном случае вторичное переменное напряжение зависит от концентрации частиц. Хотя эти методы измеряют непосредственно содержание частица железа и его сплавов, они не различают их форму. Дело в том, что кроме процесса износа пар трения поставщиком металлических частиц является питинговая коррозия. Многочисленными исследования установлено, что в этом случае образуются сферические частицы, в то время как микрочастицы, полученные при трении, всегда имеют вытянутость. При этом отношение максимального и минимального размеров находится в интервале 3-10.
Наиболее близким к сущности предлагаемой заявки можно считать способ анализа, чувствительный к различиям в форме частиц [4]. Внешне схема измерения напоминает трансформаторный вариант. Имеются питаемая переменным напряжением первичная обмотка и используемая для измерения напряжения вторичная обмотка. С целью компенсации фонового сигнала последняя разделена на две секции, одна из которых окружает исследуемый объем, вторая расположена параллельно. Чувствительность метода к форме частиц вытекает из того, что измерения проводятся при варьировании частоты в диапазоне 1-100 Гц. При этом сигнал с низкочастотного края спектра оказывается выше. Очевидно, что данный эффект обусловлен крутильными колебаниями или даже полным вращением несферических частиц под действием переменного магнитного поля и несет, как правильно отмечено авторами, информацию о вязкости пробы. Во втором варианте измерения сравниваются результаты, получаемые при поочередном приложении магнитного поля во взаимно перпендикулярных направлениях.
Основным недостатком упомянутого способа является зависимость получаемой информации от слишком большого числа факторов, что делает ее интерпретацию очень сложной.
Предложенный в прототипе метод воздействия на пробу поочередным перекрестным магнитным полем можно трансформировать так, чтобы он реагировал только на присутствие вытянутых частиц. Именно это и было сделано в заявляемом способе. Суть анализа заключается в использовании для такого воздействия не переменного, а постоянного магнитного поля. Чтобы полностью исключить влияние вязкости, переключение направления осуществляют с периодом, достаточным для ориентации всех вытянутых частиц вдоль силовых линий. Исследования показали, что для подавляющего большинства образующихся при трении частиц это время составляет около секунды. Метод основан на том обстоятельстве, что эффективная магнитная проницаемость всякого несферического ферромагнитного тела зависит от его ориентации относительно направления измерения, принимая максимальное и минимальное значения в направлениях максимального и минимального размеров соответственно. Это справедливо и для микрочастиц. Контроль усредненной дифференциальной магнитной проницаемости проводят на основе измерения частоты собственных колебаний контура, содержащего катушку, охватывающую исследуемый объем пробы. Первое измерение делают при ориентации постоянного магнитного поля вдоль оси катушки, второе - в поперечном направлении. Разность показывает уровень наличия вытянутых ферромагнитных частиц. Конкретную концентрацию этих частиц в «ppm» находят по калибровочной функции, предварительно построенной по результатам измерения стандартных образцов.
Схема реализации описанного способа приведена на фиг.1. Пробирка с пробой масла 1 пропущена внутрь обмотки 2, входящей в колебательный контур, задающий частоту генератора 3. Возбуждаемое в контуре переменное напряжение поступает на блок управления и обработки 4, который также осуществляет поочередное включение обмоток, создающих в объеме пробы постоянное магнитное поле: по цепи А - в вертикальном направлении, по цепи В - в горизонтальном. Частота колебаний контура - около 80 кГц.
0
1
1
2
3
2
4
2
1
Алгоритм работы установки показан на фиг.2. В некоторый момент времени t по цепи А подается прямоугольный импульс длительностью 2 с. Через одну секунду, требуемую для успокоения переходных процессов и для полного поворота микрочастиц в направлении поля, в момент времени t, начинается измерение частоты контура f, которое длится также 1 секунду, и заканчивается в момент времени t одновременно с концом импульса цепи А. В этот же момент прямоугольный импульс длительностью 2 с подается по цепи В. Также с секундной задержкой в момент времени t включается секундная экспозиция измерения частоты f, которая заканчивается в момент времени t одновременно с концом импульса цепи В. Далее все повторяется снова. Каждый раз в конце описанного цикла автоматически рассчитывается разность: f-f, на основании которой по калибровочной функции сразу вычисляется искомая концентрация частиц, выводимая с периодом 4 с на индикатор. Таким образом, процесс измерения можно наблюдать в динамике. Всеми процедурами управляет встроенный процессор.
Изложенный способ реализован в подготовленном к серийному выпуску портативном анализаторе. Чувствительность определения концентраций оказалась весьма высокой, сравнимой с рентгеноспектральным анализом: порог обнаружения составил несколько ppm.
Источники информации
1. Патент РФ №2150696 от 26.10.95.
2. Патент США №4841244 от 18.09.1989.
3. Патент США №5001424 от 19.03.1991.
4. Патент США №4651092 от 17.03.1987.