2.2.1. Phương pháp phổ toàn phần
Nguyên lý của phương pháp này là đốt nóng một thanh grafit ngâm trong loại dầu cần thử lên tới 1000 – 1100 °C chất bôi trơn, sau đó tiến hành phân tích bằng quang phổ toàn phần của chất bám vào thanh grafit đó (phương pháp Calkins và White).
So với nhiều phương pháp phân tích quang phổ có nhiều yêu điểm quan trọng là xác định được nhiều yếu tố trong cùng một lúc. Tuy thiết bị tương đối đắt, nhưng giá thành một lần phân tích lại rất nhỏ mà năng suất lại cao so với phương pháp phân tích hoá học.
Tuy nhiên Phương pháp Calkins không được áp dụng phổ biến vì khả năng của nó bị hạn chế, khó xác định hàm lượng các yếu tố mài mòn và hàm lượng nhỏ về tạp chất khoáng sản.
2.2.2. Phương pháp phổ phân tích
Năm 1948 R. G. Rusel, E. V. Ilina và nhiều tác giả khác đã nghiên cứu phương pháp phổ phân tích tạp chất trong dầu cacte bằng cách đốt mẫu dầu nhớt. Mẫu được đốt nóng sơ bộ lên sau đó đem hoá tro thu được nghiền kỹ và đặt dưới điện cực than hoặc điện cức grafit, sau đó tiến hành phổ phân tích định lượng bằng cách đốt cháy phần tro đó dưới tia lửa điện. Phương pháp này cũng có nhiều ưu điểm nên được áp dụng rộng rãi. Ở nước ta Phân viện thiết kế tàu thuỷ, ôtô Bộ giao thông vận tải đã phối hợp với phòng nghiên cứu quang phổ Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội (khoa Lý) bắt đầu nghiên cứu phổ phân tích dầu cacte từ năm 1973 để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ ôtô.
2.2.3. Phương pháp phổ phân tích hoàn thiện
Nội dung của phương pháp này được A.G. Gassman đề suất năm 1949 như sau:
Phương pháp này xác định được hàm lượng chất bari, canxi, phốt pho và kẽm với hàm lượng 0,05% - 0,02%.
Nhược điểm của phương pháp này là không thuận tiện. Người ta đã tiến hành cốc hoá dầu nhờn trực tiếp dưới một điện cực nhọn với cách đốt cháy bằng tia lửa điện phóng liên tục.
Cách này tiến hành phân tích định lượng sắt hàm lượng 0,0003 – 0,3%. Quá trình cốc hoá này nhanh nhưng làm bẩn các cốc đựng mẫu dầu. A.G. Gassman tiến hành phân tích dầu trong cốc xốp. R.O. Clark nhúng điện cực bằng grafit vào dầu sử dụng cốc xốp chế tạo bằng thuỷ tinh hữu cơ. Phương pháp này rút ngắn được quá trình phân tích nhưng không có khả năng phân tích tạp chất có kích thước lớn hơn 100µm. Ngoài ra việc tiến hành đốt trực tiếp dầu nhớt sẽ làm bẩn thiết bị, đồng thời độ nhạy kém, không xác định được tạp chất có nồng độ nhỏ. A.Codrsad tiến hành phân tích quang phổ dầu nhớt trực tiếp trong buồng phun hạt, sử dụng một loại điện cực cải tiến để phân tích các yếu tố có hàm lượng thấp.
T.T.Rozsa đã đề suất phương pháp tro hoá nhanh mẫu dầu bằng cánh nhỏ dầu lên một đĩa bằng grafit đã được đốt nóng trước. Bằng cách này tạo được một màng mỏng dầu trên bề mặt đĩa. Sau đó đặt đĩa nằm ngang trên một giá đỡ có kết cấu đặc biệt – đóng vai trò điện cực dưới, còn điện cực trên hướng vào máng dầu. Cho đĩa này quay điều trong khi phóng tia lửa điện giữa hai điện cực.
Phương pháp này với biện pháp cải tiến là hướng tia lửa điện về một phía và sử dụng cách đốt nóng với chu kỳ gián đoạn của tia lửa điện có thể áp dụng phù hợp với điều kiện vận hành để kiểm tra trạng thái kỹ thuật của động cơ đốt trong. Nhược điểm của phương pháp này là phải kéo dài thời gian thí nghiệm và phải có kinh nghiệm trong việc tạo máng dầu, đồng thời phương pháp này có năng suất thấp, do đó không được sử dụng rộng rãi. Sử dụng phương pháp phổ phân tích hàm lượng sản vật mài mòn trong tia dầu bắn ra từ một bình chứa có lỗ tia nhỏ bình này đóng vai trò điện cực dưới. Phương pháp này cũng không có kết quả cao, dầu bắn tung toé, dụng cụ bị bẩn, không phân tích được tạp chất có hàm lượng nhỏ. Trong một thời gian dài nhiều công trình nghiên cứu phân tích quang phổ dầu nhớt bằng điện
cực quay, đĩa này được chế tạo bằng than, hoặc grafit đĩa nhúng một phần vào dầu và được tiến hành. Phương pháp này rất tiến bộ vì nó đảm bảo phân bố đồng điều một lớp dầu nằm trong khe hai điện cực. Nhưng cách ghi lại bằng chụp ảnh không thể áp dụng đối với phương pháp này vì trong chế độ phóng điện liên tục (hồ quang) chỉ có thể tiến hành phân tích với cường độ dòng điện không lớn hơn 2,5 – 3A. Khi đó mẫu dầu thường bị đốt cháy, thiết bị bẩn và kết quả không ổn định. Có nhiều công trình nghiên cứu nhằm hoàn chỉnh phương pháp phân tích quang phổ dầu nhớt, nhiều phương pháp thực hiện nhanh, nhưng không đưa vào thực tế vì không đảm bảo độ nhạy cần thiết hoặc quá khó khăn đối với yêu cầu phân tích khối lượng mẫu khá lớn. Phương pháp phân tích quang phổ bằng mẫu tro hoá và chụp ảnh còn ít được sử dụng rộng rãi trong điều kiện vận hành. Nhưng để phân tích cấu cặn lắng trên bầu lọc tinh và trong phân ly, phân tích các chất pha thêm, các mẫu chất lọc khác v.v… thì phương pháp này có hiệu quả cao.
Phương pháp nơtrôn hoạt tính và dùng máy phân cực để phân tích dầu, mặc dù có thể phân tích được tất cả các nguyên tố trong dầu, nhưng đòi hỏi phải chuẩn bị mẫu dầu thử rất phức tạp. Trường hợp thứ nhất mẫu thử được một dòng nơtrôn chiếu vào tuỳ theo năng lượng chiếu ta xác định được trị số hàm lượng các yếu tố cần thiết. Phương pháp này khá khó khăn, yêu cầu thiết bị phức tạp nhưng có độ nhạy khá cao. Trường hợp thứ hai mẫu dầu đã được tro hoá đem vào axít và đem dung dịch đó phân tích trên máy phân cực. Do rất khó khăn và phức tạp nên các phương pháp trên đây không được đưa vào áp dụng trong thực tế mà chủ yếu là để nghiên cứu khoa học. Trong hai phương pháp quang phổ thì phương pháp tro hoá dầu ít được áp dụng, chủ yếu chỉ dùng phương pháp phân tích quang phổ trực tiếp dầu nhớt (màng dầu trên đĩa điện cực quay).
2.2.4. Phân tích nhanh dầu bôi trơn bằng phương pháp điện quang
2.2.4.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị điện quang
Sử dụng thiết bị điện quang дФC-10, MФC-2 và дФC-31 để so sánh vạch phổ, yếu tố cần phân tích với các dải vạch phổ mẫu. Dòng ánh sáng do tia lửa điện hoặc hồ quang điện lọt qua khe hở nhỏ của một tấm chắn và nhờ thiết bị quang học là
nhiễu xạ ánh sáng hoặc lăng kính thạch anh tạo thành dải vạch phổ. Chùm tia sáng có chiều dài sóng thích ứng với từng yếu tố phân tích lọt qua khe lọc sóng nhờ gương phản chiếu gần đến cực âm của tế bào quang điện. Nhưng xung điện từ ống điện quang được gom vào bộ tụ nối với cực dương của mạng điện. Trị số nạp tỷ lệ với thời gian phơi sáng và cường độ vạch phổ. Ưu điểm cơ bản của phương pháp ghi chép điện quang là nhận được kết quả phân tích rất nhanh. Loại thiết bị điện quang có nhiều dải và nhiều chương trình có khả năng giản quyết tốt mọi vấn đề kiển tra chất lượng hàng loạt mẫu dầu nhớt cần phân tích.
1. Nguồn sáng; 2- Tấm thạch anh; 3- Bộ tụ; 4 - Thấu kính; 5- Khe hẹp; 6,7,8- Gương; 9- Ống điện quang; khe đi ra; 12- Bộ phân ly ánh sáng.
Hình 2.6:Sơ đồ quang học của thiết bị điện quang có
Hình 2.6 là thiết bị điện quang có bộ phận chiếu xạ. Ánh sáng từ nguồn 1 đi qua tấm thạch anh 2, bộ tụ 3 đến khe hở 5 hướng thẳng vào gương phẳng 6 đến gương 12 của bộ khuếch xạ, ánh sáng đi qua khe hẹp 10 tới gương phẳng 8 và 7 chùm ánh sáng tập chung vào cực âm của ống điện quang 9. Trong thiết bị loại дФC-10 và MФС-2 dùng ống quang điện Ф1mm với cực âm bằng hợp kim ăngtimon xesi và một ống kính màu tím cho tia tử ngoại qua.
2.2.4.2.Thiết bị quang điện phân tích
Để sử dụng có hiệu quả thiết bị quang điện cần phải có phương pháp phân bố định lượng điều đặn vào vùng hồ quang, hoặc vào vùng tia lửa điện, cho phép tiến hành phân tích với độ phơi sáng nào đó trong một đơn vị thời gian phải bảo đảm có cường độ vạch phổ cần thiết. Trong cùng một khoảng thời gian đốt cháy mẫu dầu số lượng ánh sáng chiếu vào ống điện quang tỷ lệ với hàm lượng yếu tố phân tích.
Để thiết bị lượng tử kế có độ cảm quang cao, người ta sử dụng thiết bị nhân điện quang và sơ đồ khuếch đại tương ứng tạo khả năng phân tích hàm lượng tạp chất nhỏ nhất chỉ vào khoảng 3 – 5 g/l trong chế độ đốt mẫu bằng hồ quang. Sai số bình phương trung bình của 40 lần thí nghiệm phân tích một mẫu dầu không vượt quá ± 13%. Công trình nghiên cứu của K.Kahsnitz (Đức) đã giới thiệu kết cấu và nguyên lý hoạt động của thiết bị lượng tử kế có điện cực quay dùng để xác định kim loại hoặc các yếu tố khác trong dầu mỏ, đặc biệt là trong dầu nhớt. Đồng thời K.Kahsnitz cũng đã nghiên cứu đến ảnh hưởng của hàm lượng và tác dụng tương hỗ của các thành phần đến kết quả phân tích. Sai lệch không lớn hơn 7%. Thời gian phân tích có kể cả giai đoạn chuẩn bị mẫu dầu và tính toán nhanh, không quá 7 ph.
Tổng hợp nhiều kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy rằng phương pháp tiên tiến nhất đốt cháy mẫu dầu để phân tích nhanh bằng điện quang phổ là phương pháp dùng đĩa điện cực quay nhúng trong dầu.
Phương pháp này còn có nhược điểm là phải sử dụng chế độ phóng điện gián đoạn, vì nếu đốt cháy mẫu dầu bằng hồ quang (phóng điện liên tục) sẽ làm mẫu dầu bị nóng lên và thiết bị sẽ rất bẩn. Để xác định yếu tố hàm lượng thấp thì chế độ phóng điện liên tục bảo đảm có độ nhạy và độ ổn định cao hơn.
Ngoài ra thiết bị điện quang дФC-10 và MФC-2 khi chế độ phóng điện gián đoạn sẽ không ghi được trị số hàm lượng thấp của các tạp chất trong dầu. Phương pháp này ngày một hoàn thiện hơn.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý, phương pháp đốt cháy mẫu dầu trong
chế độ hồ quang điện:
1- đĩa điện cực than dưới; 2- điện cực than trên; 3- phễu hình nón; 4- bể chứa dầu; 5- động cơ điện; 6- ống thổi không khí; 7- bộ góp; 8- giá đỡ; 10- trục đĩa điện cực; 11- khung bằng chất dẻo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.7 động cơ điện làm quay đĩa này tiếp xúc với dầu chứa trong một bể nhỏ, dầu được định lượng điều đặn trong khoảng giữa hai điện cực. Để nâng cao độ nhạy, độ ổn định và biền vững của việc phân tích quang phổ người ta dùng cách đốt mẫu dầu trong dòng không khí. Để nhằm mục đích đó người ta đã tăng độ thông gió bằng cách đưa gần phễu hình nón hứng lấy dòng không khí và sản vật cháy từ buồng khí đi ra. Dòng không khí từ vòi thổi hướng thẳng vào khe hở giữa hai điện cực làm nguội đĩa điện cực và mẫu dầu, đẩy sản vật phân ly và đã cháy ra, làm sạch vùng cháy.
Nếu được chọn đúng theo mẫu chuẩn thông số về kích thước đĩa điện cực, tốc độ quay, chiều sâu đĩa điện cực nhúng vào dầu, mức độ thông gió và cường độ dòng điện thu có thể liên tục tạo được một màng dầu khô trên mặt đĩa điện cực. Trong thời gian điện cực quay cuốn dầu lên cho tới khi dầu đi vào vùng có tia lửa điện thì màng dầu đã được bốc hơi và sây khô do đó sự đốt cháy mẫu dầu diễn ra trong dạng khô. Đó là cách rất ưu việt đảm bảo nâng cao tính ổn định khí đốt với chế độ phóng điện hồ quang. Đây là chế độ chỉ có thể thực hiện được khi dùng cách tạo một dòng không khí tuần hoàn cưỡng bức trong vùng phóng điện. Khi có cường độ dòng điện tại đầu máy phát có thể đạt bằng hoặc lớn hơn 8A. Như vậy bảo đảm đốt cháy màng dầu, đồng thời nâng cao được cường độ quang phổ vạch bảo đảm độ nhiễu xạ khi dùng thiết bị điện quang kiểu дФС-10 hoặc MФС-2.
Khi áp dụng phương pháp đốt cháy mẫu dầu trong chế độ hồ quang bằng đĩa điện cực quay có kết hợp sử dụng dòng khí thổi vào vùng đốt cháy, cần chú ý một số điểm đặc biệt có ảnh hưởng đến độ ổn định của chếđộ làm việc và đến kết quả phân tích đó là:
1) Khi nâng cao cường độ dòng điện thì độ nhạy của việc phân tích sẽ tăng
lên, nhưng khi những thông số khác giữ nguyên (cường độ tuần hoàn của không khí, tốc độ vòng quay của đĩa điện cực) mà tăng quá cao, cường độ dòng điện sẽ dẫn đến hiện tượng làm giảm thấp độ ổn định của kết quả phân tích, do đĩa điện cực bị đốt quá nóng làm tổn thất dầu ở khay chứa và hình thành đệm khí giữa điện cực
và bề mặt màng dầu. Tuy có một số dầu ở phía phần dưới đĩa điện cực nhưng không ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
2) Khi giảm bớt cường độ thông gió cưỡng bức miền hồ quang cũng tạo khả năng nâng cao phần nào độ nhạy của thiết bị, nhưng khi đó xuất hiện hiện tượng nguy hiểm là hình thành những màng hơi nước hoặc màng khí bọc điện cực, làm giảm độ ổn định của kết quả phân tích. Ngoài ra, việc giảm cường độ thông gió củng làm điện cực dưới quá nóng và làm sự dẫn dầu vào khe hai điện cực bị xấu đi.
3) Giảm chiều dày đĩa điện cực khi giữ nguyên tốc độ quay sẽ nâng cao độ nhạy của thiết bị và nâng cao độ ổn định của quá trình phân tích. Khi đó sẽ làm giảm bớt sự sai lệch của tia hồ quang so với trục quang học của thiết bị. Tuy vậy giảm chiều dày đĩa điện cực nhỏ hơn 2 mm sẽ làm bề mặt điện cực bị đốt cháy và làm thay đổi khe hở giữa hai điện cực. Ngoài ra chế tạo đĩa điện cực chiều dày 1,5 – 2 mm sẽ có nhiều phế phẩm.
4) Khi đường kính điện cực dưới là 13,5 mm, chiều dày là 3 mm và nâng cao tốc độ vòng quay lên hơn 8 – 10 vg/ph thì độ nhạy sẽ giảm đi, độ ổn định của kết quả phân tích cũng thấp đi. Vì như vậy là vô tình ta phá vỡ nguyên tắc hồ quang đốt cháy màng dầu đã khô (nếu tăng số vòng quay màng dầu di chuyển vào vùng hồ quang nhanh nên chưa kịp khô đã bị đốt cháy), nhưng khi giảm vòng quay nhỏ hơn 3vg/ph thì đòi hỏi phải kéo dài thời gian đốt, dẩn đến tình trạng dẩn dầu vào vùng hồ quang bị sấu đi.
5) Để kết quả có tính ổn định cao cần phải bảo đảm yêu cầu điện cực luôn luôn tiếp xúc với bề mặt dầu trong suốt giai đoạn phơi sáng. Cũng trong thời gian đó, không được nhúng đĩa điện cực xuống dầu quá độ sâu 0,5 mm, vì như vậy sẽ làm mẫu dầu bị quá nóng, làm bắn toé dầu và kết quả kém ổn định.
Muốn bảo đảm thu được kết quả tốt khi đốt cháy mẫu dầu bằng điện cực quay, ta cần phải chọn được chế độ làm việc thích hợp nhất, bảo đảm chế độ ổn định của các chỉ số khi dầu có cùng một trị số hàm lượng tạp chất, phải có phương pháp hiệu chỉnh kết quả phân tích. Yêu cầu cơ bản để thu được kết quả ổn định là cần phải bảo đảm dầu trong khay chứa có độ nhớt đồng nhất, nhiệt độ và tạp chất phân bố một