一、元素分析

  元素分析仍然是油液分析的首要技術(shù)。其以定量方式探測污染、添加劑和定位機械磨損的能力是任何其他類(lèi)型的分析無(wú)法匹敵的。

 元素光譜學(xué)是油液分析程序的主干，因而其廣泛應用于閉環(huán)潤滑系統的油液分析中，諸如燃氣渦輪機、柴油和汽油發(fā)動(dòng)機、變速器、齒輪箱、壓縮機和液壓系統中。在實(shí)踐中，要進(jìn)行分析需要從系統中周期性地取出油樣品并進(jìn)行分析。與先前常規分析相比，所得到的數據不僅可以指示機械系統的正常磨損狀態(tài)，還可以在故障發(fā)生的早期階段發(fā)出預警?；谶@些預警信息，維護人員可以在設備發(fā)生嚴重損壞之前采取措施予以糾正。

  光譜油液分析關(guān)于磨損狀態(tài)的評估結論是通過(guò)檢測潤滑系統中相對運動(dòng)部件之間產(chǎn)生的金屬細顆粒而實(shí)現的。光譜分析除了能夠分析污染物，還能通過(guò)分析油液添加劑元素濃度來(lái)識別油液污染與降解惡化的程度。多元素分析，配合以對制造內燃機所用材料屬性的理解，可以用來(lái)識別設備上特定組件的失效故障。

二、光譜學(xué)原理

  常見(jiàn)的元素分析技術(shù)有旋轉圓盤(pán)電極（RDE）和基于電感耦合等離子體（ICP）的原子發(fā)射光譜（OES）系統。RDE和ICP描述了油液中的元素氣化的方式。在元素氣化時(shí)，存在的元素以其特征波長(cháng)發(fā)射光，其由 ES系統檢測并定量為ppm水平。

   光譜分析是基于每個(gè)元素具有*的原子結構的事實(shí)來(lái)實(shí)現的。當樣本吸收激勵能量時(shí)，每個(gè)元素會(huì )發(fā)射出特定波長(cháng)或顏色的光。如果通過(guò)使用諸如棱鏡的分光元件來(lái)分散該光，就能產(chǎn)生線(xiàn)狀光譜。由于自然界沒(méi)有兩個(gè)元素具有相同的譜線(xiàn)圖案，我們可以通過(guò)分析譜線(xiàn)來(lái)識別樣品中包含的每個(gè)元素種類(lèi)。另外，發(fā)射光的強度與樣品中存在的元素的量成比例，因而也可以據此確定該元素的濃度。

  這些譜線(xiàn)對應單個(gè)元素的原子結構是唯yi的。對于氫原子，原子序數為1，光譜相當簡(jiǎn)單（圖1）。而，原子序數為26的鐵的光譜更為復雜，在光譜中出現了許多譜線(xiàn)，分別對應于多次發(fā)生的電子躍遷（圖2）。如果樣品中存在多于一種元素，則對于每個(gè)元素將出現明顯不同波長(cháng)的光譜線(xiàn)。這些線(xiàn)必須被合理地分開(kāi)以便對樣品中存在的元素進(jìn)行識別和量化。為了實(shí)現這一點(diǎn)，需要光學(xué)系統。

三、旋轉圓盤(pán)電極技術(shù)

  用來(lái)觀(guān)測被加熱或“激發(fā)”樣品的多個(gè)譜線(xiàn)的光譜儀稱(chēng)為光電直讀光譜儀。這類(lèi)光譜儀都由三個(gè)主要部分組成。

 1、激發(fā)源——向樣品發(fā)射能量。

 2.、光學(xué)系統——將被激發(fā)產(chǎn)生的射線(xiàn)分離并分解成其具體組分的波長(cháng) 。

 3、讀出系統——由光學(xué)系統檢測和測量分離。

  為特定組分波長(cháng)的光，并以易讀的方式將該信息提供給操作者。

  現代光譜儀的激發(fā)源使用的一種典型方法是放電。在電弧或火花中產(chǎn)生的能量作為激發(fā)源傳遞給樣品。對于油液分析光譜儀，在充滿(mǎn)油液樣本的盤(pán)狀電極和桿狀電極間的間隙中會(huì )產(chǎn)生*的電勢。由電容器存儲的電荷通過(guò)該間隙放電，產(chǎn)生高溫電弧，使一部分樣品汽化，形成等離子體。等離子體是一種會(huì )發(fā)射強光的高溫、高度電離化氣體。所發(fā)出的強光中包含了樣本中所有元素所*的射線(xiàn)。經(jīng)過(guò)精心設計的光學(xué)系統，這些射線(xiàn)會(huì )被分離為不同的波長(cháng)，然后被收集記錄下來(lái)。測試溫度可高達5000至6000℃，甚至難以激發(fā)元素都發(fā)射出足以被檢測到的光。

  在光譜油液分析的早期，油液是在旋轉碳盤(pán)電極和碳棒電極之間被點(diǎn)燃或“燃燒”的。將樣品放置在樣品蓋中，將圓盤(pán)部分浸入油樣品中，圓盤(pán)隨著(zhù)燃燒過(guò)程而不斷旋轉（圖3）。這一分析需要使用約2ml或3ml樣品，具體用量取決于所使用的樣品蓋容積。

  每個(gè)樣品需要一個(gè)新的圓盤(pán)和一個(gè)新磨尖的棒，以避免樣品夾帶對分析結果引起干擾。

  這種方法稱(chēng)為旋轉圓盤(pán)電極（RDE）光發(fā)射光譜（OES），或二者的組合，RDE-OES?；蛘咂浔环Q(chēng)為RDE-AES，其代表旋轉圓盤(pán)電極原子發(fā)射光譜法。在光學(xué)系統中，來(lái)自等離子體的光在光譜儀中被分離成的離散波長(cháng)。用于分離離散波長(cháng)的光學(xué)裝置稱(chēng)為衍射光柵。衍射光柵的表面上具有非常細的線(xiàn)的凹面鏡，其使入射的多色光被分離成特定波長(cháng)并聚焦在光檢測器陣列上。

  下圖顯示出了基于Rowland Circle概念的使用多色儀光學(xué)器件的油液分析光譜儀的主要部件。來(lái)自激發(fā)過(guò)程的光或“燃燒”離開(kāi)光纖電纜并通過(guò)入口狹縫，在那里其通過(guò)透鏡集中在衍射光柵上。由油樣中存在的所有元素構成的光通過(guò)入射狹縫，并且由光柵衍射之后在聚焦曲線(xiàn)處形成具有特定形狀的光譜線(xiàn)。光柵的目的是將該光分離或“衍射”成其分量波長(cháng)。以便通過(guò)光電倍增管（PMT）或電荷耦合器件（CCD）對光譜線(xiàn)進(jìn)行拍照或電子量化。

  光譜儀的讀取系統通常選用工業(yè)級處理器和軟件進(jìn)行控制。時(shí)鐘電路和放大器周期性地讀取光電倍增管或CCD芯片上的電荷，并將其從模擬信號轉換為數字（ADC）信號以測量像素上的光。累積在像素上的電荷被轉換為定義為“強度”單位的數值。在分析結束時(shí)，將每個(gè)元素的總強度與存儲在存儲器中的校準曲線(xiàn)進(jìn)行比較，終轉換為樣品中存在元素的濃度信息。濃度通常用百萬(wàn)分之幾（ppm）表示。該信息可以顯示在屏幕上，也可以打印出來(lái)。一旦分析完成并記錄結果，系統就可以進(jìn)行下一次分析。分析結果可以保留在屏幕上，存儲在硬盤(pán)上或發(fā)送到外部計算機。