李燁峰¹ , 趙瑋²

（⒈國家電力公司熱工研究院，陜西 西安  710032；⒉淄博華坤電子儀器有限公司，

山東 淄博  255088）

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(duì)水界面張力測(cè)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(dòng)界面張力儀。由于該測(cè)定方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)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(duì)水界面張力值作為必測(cè)項(xiàng)目。但該項(xiàng)目在測(cè)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(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的認(rèn)識(shí)不足外，其主要還在于原有儀器測(cè)試精度低，操作較為復(fù)雜，對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度要求苛刻等原因所致。

針對(duì)在界面張力測(cè)試過程中遇到的各種問題，我們對(duì)自動(dòng)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(dòng)該測(cè)試項(xiàng)目的完善和開展。

2  設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1測(cè)試原理

圓環(huán)法測(cè)定油對(duì)水界面的原理如圖1所示：

盛有被測(cè)樣品的測(cè)試杯放置在由微電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降的工作臺(tái)上，當(dāng)測(cè)試杯平穩(wěn)且緩慢地向下移動(dòng)、測(cè)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(shí)，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(hào)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單，失真度較小，易調(diào)試。要滿足100毫牛頓/米的滿量程測(cè)量范圍時(shí)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(cè)量范圍時(shí)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(cè)量。

2.3對(duì)原始測(cè)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(duì)應(yīng)一個(gè)重量值 ,由于傳感器的非線性,mg與ad-result之間是一個(gè)非線性關(guān)系，如圖2所示。

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(duì)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+……a_nxⁿ…

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(gè)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(gè)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(duì)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(shí)，間隔內(nèi)完全按線性處理。引入的誤差很小，計(jì)算量較少。試驗(yàn)表明，對(duì)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(gè)。

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(zhǎng)，單位： 米。

再根據(jù)GB6541-86方法標(biāo)準(zhǔn)中第六條的三個(gè)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(shí)的密度  ….單位：千克／立方米；

  ρ_1——試樣在25℃時(shí)的密度…. ….單位：千克／立方米；

  r_w　——鉑絲的半徑………………..單位：毫米；

  r_γ ——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(shí)，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(shí)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分子熱運(yùn)動(dòng)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(duì)形成水—?dú)饨缑鏁r(shí)張力值的補(bǔ)償。在水—?dú)饨缑鎻埩χ档玫窖a(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(cè)試”中對(duì)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—?dú)饨缑娴膹埩χ?，但做為用圓環(huán)法來測(cè)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?/span>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—?dú)饨缑婧退徒缑鎻埩χ禍囟妊a(bǔ)償曲線。儀器測(cè)定時(shí)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(dòng)計(jì)算，準(zhǔn)確地輸出25℃條件下的合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(duì)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(duì)話，必不可少的一個(gè)關(guān)鍵部件，可以容納GB6541-86《石油產(chǎn)品油對(duì)水界面張力測(cè)定法（圓環(huán)法）》的所有操作步驟的條款，簡(jiǎn)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(shí)按鍵的使用，又可減少按鍵，減少了誤操作的機(jī)會(huì)。

3  結(jié)論

 綜上所述，改進(jìn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)界面張力儀與其它同類儀器相比有以下幾個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)定方法步驟程序化，使分析操作更為簡(jiǎn)便，減少了人為測(cè)定誤差，有利于該測(cè)試項(xiàng)目的推廣應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：李燁峰，男，1958年生。國家電力公司熱工研究院化學(xué)工程技術(shù)中心電力用油氣研究所所長(zhǎng)。DT-102型全自動(dòng)界面張力儀理論指導(dǎo)。

    趙瑋，男，1958年生。淄博華坤電子儀器有限公司董事經(jīng)理。DT-102型全自動(dòng)界面張力儀主要設(shè)計(jì)人員。