利用電容器驗證油液的污染程度

熊子倫,盧繼德,李 琪,王洪鵬,張 鵬

(1.中國石油大學(北京) a.地球物理學院；b.理學院，北京 102249； 2.中國科技館 展覽教育中心，北京 100012)

隨著人類對于石油研究的逐漸深入，有關探究油液污染程度的方法越來越多.顆粒計數器可以檢測出油液中固體顆粒濃度，從而測量油液的污染程度.李健樂認為光阻法可以提高其測量精度[1]；而余良武等通過熵權法對不同尺度顆粒的信息轉化為權值，并采用模糊綜合評價模型進行匯總并給予油液污染程度的最終評價結果[2].電容器的電容是反映液體極化性能的重要物理量，人們用采用各種方法測量其數值[3-5].根據電容的變化規律可以分析油品的性能.曹凱采用電容率法評價發動機油的性能[6].本實驗采用了電容率法，利用電容器原理來驗證油液的污染程度.實驗所采用的電容率法是建立電容率與油液污染程度之間關系的重要方法.通過分析油液理化指標來獲取有關油液污染程度的信息，從而搭建起油液污染程度和油液品質之間的聯系.從電容率法的本質來看，一方面，油液和機器本身之間會有摩擦現象發生，在這個過程中，由于摩擦所產生的金屬粒子以及產生的其他高導電化合物會產生極化現象；另一方面，隨著時間的推移，油液中的一些烴分子會被氧化成為水、有機酸以及一些氧化能力較強的分子.伴隨極化反應過程的不斷進行，油液中這些極化分子的數目不斷增加，油液電容率會發生變化.綜上所述，這些粒子的累積，會導致油液電容率值改變，極化物質越多，電容率值改變得越明顯.根據這種現象，可以用電容率的變化來衡量油液的污染程度.

1 電容率法的實驗原理

實驗中選擇的基礎油液是汽油、柴油和機油.這些油液的通性是電容率很低，因此可以將它們看作是弱電介質材料.當油液裝進電容器進行測驗時，此時電場為E0，污染物可以看作由一個個小的極性分子構成，在電流的作用下，這些極性分子將會沿電流方向排列并且產生小的電場，與原來的電場方向相反，設產生的反向電場為E1，如圖1所示.

圖1 電容器電場示意圖

加入油液污染物后電場強度為

E=E0-E1,

(1)

加入油液污染物后相對電容率為

(2)

電容率

ε=ε0εr,

(3)

其中，ε0為真空電容率，εr0為基礎油液的相對電容率.

由式(1)～(3)可以看出，當E1變大時，加入油液污染物后電場強度會變小，其電容率也會變大.E1的大小直接取決于污染分子的數量，也就是污染程度，因此電容率的改變可以反映油液的污染情況.

2 實驗儀器、內容與結果分析

實驗儀器:電容計、93號汽油、機油、柴油、電容器、蒸餾水、鐵粉(粒徑75 mm)、純醋酸.實驗恒溫10 ℃.向新油中定向定量地添加污染目標物，代替已經被污染的油液，研究油液電容率的變化與污染程度的關系.

2.1 基礎油液中加水

在這3種基礎油液中，每組取10個油樣(20 mL)，每個油樣加入0.5 mL的水，得到30個樣品，標號為A1，A2，…，A10，B1，B2，…，B10，C1，C2，…，C10.搖勻后，立刻用電容計測量出電容值，進而計算出電容率的平均值.重復上述步驟測量10次，測出10個不同梯度的電容率值.電容率隨汽油、柴油、機油含水量的變化關系如圖2所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機油

由圖2可知，3種基礎油液的電容率隨著含水量的增加而增大，并且從回歸方程可以看出，含水量對油液電容率影響較大.水是一種典型的極化介質，在電場的作用下,極化作用明顯，使電場增大.

2.2 基礎油液中加醋酸

把3種基礎油液分別取10組20 mL新油，為了和水含量進行比較，在實驗中采用了和2.1實驗相同的測量方法進行實驗.電容率隨汽油、柴油、機油中醋酸的變化關系如圖3所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機油

由圖3可知，當有機酸含量增加時，油液電容率也隨之增加，油液電容率與酸值相關性很好.有機酸中分解出的H+，RCOO-等離子的極化會使油液電容率增加.降解程度越深，酸度越大，這些極化離子的含量越多.從圖3中可知，酸值對于油液電容率的影響沒有含水量的影響大.

2.3 基礎油液中加鐵粉

把3種基礎油液分別取10組20 mL新油，每組加鐵粉的變化梯度為0.1 g.為防止鐵粉無法在油液中懸浮影響測量實驗精度，在5 s內讀出數據并記錄，實驗結果如圖4所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)機油

由圖4可知，油液電容率隨導電性強的鐵磁材料粒子數量的增加而增加.當油液與金屬粒子置于電容器內時，金屬粒子產生自由電子，這些自由電子會發生極化現象.從電容計上觀測為電容數值增大，即油液電容率增大.但是從回歸方程不難看出，鐵粉含量與油液電容率之間沒有含水量、酸值與油液電容率之間的相關性好，究其原因是因為水和醋酸的擴散能力比金屬粒子強.

3 結 論

1)由圖像可知，電容率與含水量、酸值和金屬粒子含量與油液這3個目標物有著很好的相關性，用電容率的變化可以衡量油液的污染程度.

2)結合趨勢圖與回歸方程不難得出，含水量對油液電容率變化的影響最大，酸值對油液電容率變化的影響要小于含水量，金屬粒子含量對油液電容率變化的影響遠遠小于含水量.

3)從電容率隨3種油品所含雜質的變化曲線可以直觀地看出，3種油品相比較，隨著污染程度的增加，油液種類的變化并不影響電容率值的變化趨勢.