用顯微鏡對水乳化裝置進(jìn)行離線校準(zhǔn)的方法研究

孫羽

(航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計測科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，液壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)中的污染物受到大家的廣泛關(guān)注。在燃油系統(tǒng)中，固體顆粒、游離水、氣泡是造成系統(tǒng)故障的主要污染物成分。隨著燃油濾清器的使用，國際上制訂并通過了許多試驗標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO 760-2007《水-卡爾費(fèi)休法測定(一般方法)》、ISO 4020-1-1992《道路車輛 燃油濾清器汽車壓燃式發(fā)動機(jī) 試驗方法》、ISO/TR 13353-1994《內(nèi)燃機(jī)用柴油和汽油濾清器——原始效率(粒子計數(shù))、儲塵能力和重量效率》、ISO 19438-2003《內(nèi)燃機(jī)用柴油和汽油濾清器——用粒子計數(shù)法測定濾清效率和雜質(zhì)儲存能力》、SAE J 1488-1997《乳化的油水分離試驗規(guī)程》、SAE J 1839-2010《粗糙微滴水/燃料分離試驗規(guī)程》、ISO/TS 16332-2017《柴油機(jī) 燃料 水分離效果評定方法》。這些標(biāo)準(zhǔn)的制訂為濾清器制造行業(yè)提供了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，廣泛地用于評價燃油濾清器的固體顆粒濾清效率、容塵量以及水分離效率。

在油水分離實驗中，油水混合物DSD的平均滴徑與節(jié)流孔(孔板)的壓差有關(guān)，不同品質(zhì)的燃油混合得到的DSD也不相同。在沒有在線滴徑測量裝置的情況下，無法確定水乳化裝置下游產(chǎn)生的滴徑大小，因此無法對水乳化裝置進(jìn)行在線校準(zhǔn)。通過對下游混合液體進(jìn)行取樣，并用顯微鏡進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)顯微鏡可以成功觀測到混合液體中的水滴并測得滴徑尺寸，運(yùn)用DT2000圖像分析軟件能夠快速分析出滴徑尺寸分布情況，所得到的數(shù)據(jù)可以用于校準(zhǔn)分析水乳化裝置，并得到平均滴徑與孔板壓差的相互關(guān)系曲線。

1 已知的平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16332-2006中已經(jīng)給出了平均滴徑與孔板壓差在一系列條件下的相互關(guān)系公式。當(dāng)孔板兩側(cè)的壓差Δp0(102Pa)確定時，根據(jù)公式(1)可計算出小水珠的平均尺寸D50(μm)：

(1)

當(dāng)小水珠的平均尺寸D50(μm)確定時，可根據(jù)公式(2)計算出孔板兩側(cè)的壓差Δp0(102Pa)：

(2)

其中：r2是一個線性回歸系數(shù)，是通過實驗測得的92個點的實際數(shù)據(jù)所得。根據(jù)上述公式繪成曲線如圖1所示。

根據(jù)上述公式計算得出的曲線數(shù)據(jù)如表1所示[1-2]。

圖1 水珠平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系

表1 經(jīng)驗公式得出的平均滴徑對應(yīng)的孔板壓差

2 不同品質(zhì)燃油所得平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16332-2017中給出了已經(jīng)證明的不同品質(zhì)燃油所對應(yīng)的平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系，如圖2所示[3]。

圖2 不同品質(zhì)燃油所對應(yīng)的平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系

圖2為兩種不同試驗燃油的平均滴徑與孔板壓差的典型關(guān)系曲線。可知：當(dāng)平均滴徑小于50 μm時，兩種燃油的孔板壓差相差5×104Pa以上；當(dāng)平均滴徑為50～150 μm時，孔板壓差之差逐漸縮小至1.5×104Pa。隨著孔板壓差的減小，平均滴徑的變化是巨大的。試驗臺中的燃油經(jīng)過多次實驗，油品品質(zhì)必然發(fā)生變化。當(dāng)試驗燃油的品質(zhì)發(fā)生由A到B(或由B到A)的變化時，如果仍然沿用原品質(zhì)燃油測得的關(guān)系曲線或根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行孔板的選擇，必然造成試驗結(jié)果的錯誤。例如A燃油的孔板壓差為5×104Pa時對應(yīng)的平均滴徑為65 μm，B燃油的平均滴徑為25 μm。

3 水乳化裝置的校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16332-2017中給出了水乳化裝置的校準(zhǔn)方法，主要是使用在線滴徑監(jiān)測裝置進(jìn)行水乳化裝置的校準(zhǔn)。而在線滴徑監(jiān)測裝置是通過與顯微鏡測試結(jié)果相比較進(jìn)行校準(zhǔn)，在沒有在線滴徑監(jiān)測裝置的情況下，直接運(yùn)用顯微鏡對水乳化裝置下游的混合液進(jìn)行滴徑監(jiān)測不失為一個切實可行的辦法。顯微鏡能夠直觀地顯示滴徑的尺寸與分布，配合DT2000圖像分析軟件能夠快速分析出滴徑尺寸分布情況，所得到的數(shù)據(jù)可以用于校準(zhǔn)分析水乳化裝置，并得到平均滴徑與孔板壓差的相互關(guān)系曲線，確保實驗所選的孔板的準(zhǔn)確性[3]。

3.1 顯微鏡進(jìn)行滴徑的觀測

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，試驗10 min后，用潔凈瓶在水乳化裝置下游取樣。潔凈瓶要充分干燥，潔凈度等級為NAS1638 0級。取樣前先放掉盲端工作液，然后取樣150 mL，用移液器將樣品滴至潔凈干燥的載玻片上，觀察混合液中的水滴彌散情況，如圖3所示[4-6]。

圖3 混合液中的水滴彌散情況

3.2 DT2000圖像分析

將顯微鏡觀測的圖片導(dǎo)入DT2000圖像分析軟件，通過圖片對比度調(diào)整、圖片分割、填充空隙、顆粒清除等一系列步驟進(jìn)行圖片處理，得到圖4。

圖4 經(jīng)過處理的水滴彌散圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

對圖片進(jìn)行測量，剔除圓度低于0.80的液滴(發(fā)生了融合與破裂的液滴)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，得出滴徑尺寸與滴徑分布數(shù)據(jù)表，如表2所示。

表2 滴徑尺寸與滴徑分布數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，算出平均滴徑為15 μm，并記錄下對應(yīng)的孔板壓差為8×104Pa。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16332-2017中給出的水乳化裝置的校準(zhǔn)方法，調(diào)節(jié)試驗流量，逐級改變孔板壓差并取樣，得到多組水滴彌散圖，再分析出滴徑分布，算出平均滴徑，得出最終的平均滴徑與孔板壓差的關(guān)系曲線。

4 結(jié)論

水乳化裝置的校準(zhǔn)關(guān)系到實驗結(jié)果的準(zhǔn)確，目前還沒有運(yùn)用離線方式校準(zhǔn)水乳化裝置的方法。文中將顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值方法運(yùn)用于水乳化裝置的校準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確得出滴徑尺寸與滴徑分布數(shù)據(jù)表，并得到校準(zhǔn)曲線。