高精度油液含铁量检测仪（铁量仪）

     油液分析技术是通过对工作油液中磨屑的检测来了解机器内部的磨损情况，是机械设备状态监测和故障诊断的主要手段之一。但现有的油液分析技术不能精确测量油液中的磨屑含量，如光谱分析技术只能测试小于5μm的磨屑含量，而机器异常磨损时产生的磨屑远远大于5μm；铁谱分析技术的定量分析误差大于20%。这些缺陷都极大地限制了油液分析技术在工矿企业的广泛应用。由深圳市亚泰光电技术有限公司引进最新专利技术研制开发的高精度油液含铁量检测仪（铁量仪）能精确测定油液中大于5μm的铁磁性磨屑的含量，其定量测试分辨率为lμg，重现性误差小于1%，达到国际领先水平。
    一、工作原理
    铁量仪主要由聚能磁铁、精密电子天平和双管输液泵组成，结构原理见图1。
 

    铁量仪的工作原理是，被测油样由双管输液泵沿送油管缓慢平稳地输送到磁铁磁极上方的托盘支架上，油液中的铁磁性磨粒在强磁场的作用下被吸附在托盘支架的表面中心，同时，流过强磁场区域的油液沿回油管被双管输液泵吸回，然后再用溶解力强、挥发性好的清洗液（如四氯乙烯）清洗送油管内壁和托盘支架表面中心。清洗结束后，滞留在托盘支架表面中心的铁磁性磨粒所受到的磁场力通过托盘由精密电子天平测出，并直接给出油液含铁量读数Fe值。
    铁量仪采用的聚能磁铁是一种高新技术产品，它通过高性能永磁材料和软磁材料的选取、特殊的磁体和磁路设计以及独特的装配工艺，形成小区域、高场强、大梯度的聚能磁场。其磁极表面的磁场强度大于1.6T (16 000Gs )，其磁极上方工作区域的磁场梯度可达5T/cm。当检测油样流经强磁场区域时，在高场强和大梯度磁场作用下，油液中的铁磁性磨屑受到其自身重量数千甚至上万倍（磁力系数k=5 000~15 000）的磁力。在强磁力的作用下，大于5μm的磨屑被吸附滞留在托盘支架表面中心，而且按磁力线居中分布，状态稳定。铁量仪采用精度为0.01 g的精密电子天平，最大称重为100g，除用于读取Fe值之外，还可用于对被测油样称重取样，大大提高了测试油样取样的精度和方便性。
    二、主要特点
    1．高效率分离
    铁谱仪利用闭路磁场的漏磁场捕捉油液中的铁磁性磨屑（见图2），磨屑分离区（铁谱片上方）远离磁场的最大场强（1.5T）处，磨屑分离区的最大场强小于0.6T，且磁场方向与液流方向垂直。铁量仪采用开路垂直磁场沿液流方向分离铁磁性磨屑（见图3），磨屑分离区设计在磁场最大场强（1.6T）处，铁磁性磨屑在该区域受到的磁吸力约为铁谱仪的10倍，且磁场方向与液流方向平行，因而大大提高了分离效率，能够有效地捕捉到油液中全部大于5μm的铁磁性磨屑。图3中铁量仪送油管末端约30mm长度都处于聚能磁铁磁极产生的垂直磁场作用区内。被测油液流经这一区域时，油液中的铁磁性磨屑受到越来越大的聚中磁场的引力，不断聚中向下作加速运动，最终被吸附在托盘支架表面中心区域，均匀分布在一个直径约3mm的圆形区域内。
 

2．高精度测量

    和铁谱分析技术相比，铁量仪在测量原理上有了根本性的改进，实现了油液磨屑检测的一次转换、聚中定位、直接测量、总量读数，其测量重现性误差小于1%。

    (1)铁谱仪的定量分析采用的是二次转换测量原理，即先将磨屑分离在铁谱片（管）上，然后再对磨屑进行定量测量，由此造成的定位误差很大；铁量仪则实现了一次转换测量，即在将磨屑从油液中分离出来的同时完成了定量测量工作。

    (2)在铁谱仪定量测量中，磨屑在铁谱片（管）上的沉淀是分散的且不均匀，由此造成定量检测重现性误差很大；而铁量仪则是将磨屑聚中分布在一个很小的圆形中心区域内，很好地保证了测试的重现性。

    (3)铁谱仪定量测试读数是磨屑覆盖区透光度数值，并非磨屑自身的多少，属间接测量，因此对磨屑重叠、杂质覆盖以及光测量系统造成的读数误差难以消除；而铁量仪则是用精密电子天平测量铁磁性磨屑受到的磁力Fe值，其大小与磨屑的多少成正比，属直接测量，各类非磁性杂质或残存液体等都不会对读数造成影响，因而保证了测量的读数精度。

    (4)铁谱仪的定量测量采用显微读数的方法，即用捕捉到磨屑的微小局部的读数来反映油液的总体含铁量，误差也被同时放大；而铁量仪则是对捕捉到的所有磨屑进行总量测量，从原理上保证了测量的稳定性。

    3．高分辨率读数

    针对铁谱仪定量精度差、操作不方便等缺陷，先后研制了PQ测量仪、铁磁性颗粒定量仪、在线铁谱仪等仪器。这些仪器多采用过滤或磁吸原理分离磨屑，用电感变化量或磁场变化量测定磨屑含量，在测试的方便性和准确性方面比铁谱仪有了较大提高。但此类仪器的读数分辨率普遍较低，一般只能测定油样中mg级以上的磨屑含量，因此主要适用于少数高含铁量（>1 000μg/g）的油液检测。由于铁量仪采用了强磁场磁力放大和精密电子天平测量的测试原理，所用精密电子天平读数分辨率为10mg，按磁力系数k=5 000~15 000换算，铁量仪可分辨约lμg (0.7~2.0μg）的铁磁性磨屑含量，完全能满足一般油液铁磁性磨屑含量大于10μg /g(ppm）的测试分辨率要求。

    4．高灵敏报警

    铁量仪对于油液中的异常大磨屑尤为敏感，其Fe读数会出现大幅度增加的异常显示，因而具有高灵敏的报警性能。铁量仪的Fe读数是磨屑受到的磁力大小，由于铁磁性磨屑在磁场中受到的磁力不仅与磨屑的多少有关，还与磨屑的大小有关，大磨粒在磁场中受的磁力远远大于等量的小磨粒（因磁阻小），故对于大磨屑其磁力系数k值将大大增加，而且随着磨屑尺寸的增大k值也急剧增加，Fe值也大幅度增加，从而使得铁量仪具有灵敏的异常磨损报警功能。

    三、应用前景

    铁量仪为精确测定油液中铁磁性磨屑提供了一种高新技术手段，通过对机械设备油液的连续监测，可方便地了解机器内部的磨损状况，并对其异常工况及时报警。若对铁量仪测试获取的铁磁性磨屑作进一步分析，如称重分析、粒度分析、显微分析和材料分析等，还可获得更多的机械设备内部磨损信息。另外，由于铁量仪对非铁磁性杂质不敏感，因此能够适用于在恶劣环境下工作的各种机械设备油液含铁量的检测，如矿山机械、油田机械、港口机械和重载车辆等。此外，铁量仪的操作简单、方便快捷，可广泛应用于各行业机械设备的油液分析领域，促进机械设备状态检测和故障诊断工作的深入开展。

    铁量仪还可应用于摩擦学研究领域，如用于测定磨损过程，研究材料耐磨性、润滑油减磨效应以及机器磨合工艺等，也可用于测定油液中磨屑的分布规律、沉淀规律等。

    作为一种新型油液分析技术，铁量仪是我国拥有独立知识产权的新型油液分析仪器，其主要技术指标达到国际领先水平，国内外尚未有同类产品的报道，这标志着我国在油液分析技术的研发创新上达到了一个新水平。铁量仪的推广应用必将大大推动我国油液分析技术的进一步发展，为我国的机器监测诊断技术进入世界先进行列作出贡献。