噴氣燃料固體顆粒污染物自動計數(shù)法的原理研究

陳柄昊 胡建強 楊士釗 辛永亮 辛思勇

(空軍勤務學院 航空油料物資系，江蘇 徐州 221000；*工程兵學院，江蘇 徐州 221000)

燃油清潔直接關(guān)系到發(fā)動機系統(tǒng)的正常工作和飛機的飛行安全。隨著飛機制造技術(shù)的不斷提升，航空發(fā)動機的構(gòu)造日益嚴密，因此對于燃油的潔凈度的要求也不斷提高。目前，我國國內(nèi)仍以傳統(tǒng)的重量法來評估油品的潔凈度[1]，針對目前航空業(yè)的發(fā)展程度來說已顯不足，因此針對自動計數(shù)法的研究勢在必行。將自動顆粒計數(shù)法加入測定來對油品進行綜合評估，不僅可以更全面的評價燃料的固態(tài)顆粒污染物的尺寸及分布情況，更對下一步測定標準的制定有重要借鑒意義。

1 自動顆粒計數(shù)方法的發(fā)展

隨著飛機發(fā)動機新技術(shù)的應用，針對噴氣燃料潔凈度的要求越來越嚴格。噴氣燃料的潔凈度是指燃料中含有的灰塵、沙土、鐵銹、纖維、水分等雜質(zhì)。由于噴氣燃料在使用前，要經(jīng)過煉廠生產(chǎn)、中途運輸、用前儲存和最終加注等過程，如果忽略任何一個環(huán)節(jié)的管理，就有一定的概率混入數(shù)量、種類不定的上述雜質(zhì)，使噴氣燃料的潔凈度下降。事實上，極少量的固體雜質(zhì)就有一定概率引起噴氣發(fā)動機的工作不正常，甚至造成事故。噴氣燃料污染度即噴氣燃料的污染程度，是由單位容積噴氣燃料中所含的固體顆粒污染物含量表示，也稱作噴氣燃料中所含固體顆粒污染物的濃度。針對噴氣燃料固體顆粒污染物的檢測技術(shù)是在理論研究與實際使用的基礎(chǔ)上發(fā)展的一項新興技術(shù)，發(fā)端于上世紀60年代的航空部門。污染度的檢測起初主要依靠光學顯微鏡和稱重測量。雖然上述兩種方法目前在國內(nèi)仍有應用，但是其弊端也是顯著的。光學顯微鏡檢測很大程度上依賴檢測人員本身的專業(yè)素養(yǎng)與實踐經(jīng)驗。而稱重測量雖然易于操作，卻對測量過程中的步驟要求嚴格，一些小的疏忽就會導致較大的誤差，而且測量結(jié)果只能顯示噴氣燃料中固體顆粒的重量，并不能顯示其固體顆粒的尺寸大小及其分布情況。因此，之后針對噴氣燃料固體顆粒污染物的含量測量的自動顆粒計數(shù)法因其特有優(yōu)勢而被更多地采用。

所謂自動顆粒計數(shù)法，主要是運用自動顆粒計數(shù)器把油樣中的顆粒進行粒度測量，而且可以運用預制選定的范圍進行計數(shù)，從而獲得有關(guān)顆粒污染物粒度分布方面的數(shù)據(jù)信息。其實，在2008年，英國國防部就頒布了有關(guān)Jet A-1噴氣燃料自動顆粒計數(shù)法的標準DEF STAN91-91/6-1，這是該標準的第六版，引入了“便攜式自動顆粒計數(shù)器測定航空渦輪燃料清潔度試驗方法”，進一步加強了對固體顆粒污染的監(jiān)控。同時美國ASTM在新一輪的草案中也提出了評定直餾和生物燃料清潔度的自動顆粒計數(shù)方法。

隨著飛機發(fā)動機的不斷更新?lián)Q代，其構(gòu)造更加精密化、集成化，因此對噴氣燃料的清潔性要求會越來越高。通過國內(nèi)外的大量實驗表明[2]，對發(fā)動機工作產(chǎn)生影響的顆粒直徑一般在5μm ～50μm，尤其是20μm ～30μm的顆粒造成的危害最大。因此，為了能對飛機發(fā)動機用油進行有效的污染度監(jiān)控勢在必行，而由于自動顆粒計數(shù)法可以較成功地對固體顆粒進行定量、定性分析，便成為了噴氣燃料潔凈度控制不可不研究的對象。

2 自動顆粒計數(shù)法與傳統(tǒng)方法的比較

為了確保噴氣燃料的潔凈度能夠滿足使用要求，必須采取有效的監(jiān)控措施，才能保障飛行安全。目前，現(xiàn)有的測定噴氣燃料顆粒污染物的方法主要有目測法測定燃料的清潔和透明度[3]，重量法測定燃料中固體顆粒污染物的含量(mg/L表示)和采用自動顆粒計數(shù)器在線檢測燃料中的顆粒大小和數(shù)量。

目測法是通過觀察試樣瓶中的油樣來測定燃料的潔凈性，該方法既方便又快速。但它只能得出一個粗略的結(jié)論，即油樣是否被固體顆?；蛩畤乐匚廴荆驗槿搜蹮o法看見40 μm以下的固體和識別30 ppm以下的含水量，然而30～40 μm以下的顆粒對飛機燃油系統(tǒng)的危害最大。因此，該方法無法準確反映出燃料油中顆粒的實際情況。重量法是采用玻璃砂芯過濾裝置來測定燃料中污染物的含量。該方法將一定量的試樣經(jīng)過兩片微孔膜濾片(上層為試驗膜濾片，下層為控制膜濾片)過濾后，稱量膜濾片上的增重物來得到試樣污染物的含量。但是該試驗結(jié)果只能給出每升噴氣燃料中所含污染物的總重量，而不能得出有關(guān)顆粒物體積和數(shù)量的信息。另外，該試驗測定結(jié)果的精確性也不穩(wěn)定，受到取樣數(shù)量和操作者實驗技能的影響較大，而且試驗時間較長(一般需要6～8 h)，因此，采用重量法測定顆粒污染物含量，既費時費力，又不能得到污染物大量實時的、精確的或有益的信息。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的檢測方法是SH/T0093，其檢測允許差值卻達到了0.4 mg/L，遠遠達不到一般定量檢測試驗的準確度標準，本質(zhì)上也僅僅是半定量檢測方法。并且，由于固體顆粒等污染物在噴氣燃料各存貯部位分布的嚴重不均勻和不規(guī)律性，SH/T0093方法檢測結(jié)果還受到取樣過程操作條件與取樣樣品代表性的影響，嚴重影響到該檢測方法的可信度與有效性。

為了快速準確地了解噴氣燃料中顆粒污染物的尺寸大小和數(shù)量，必須采用新的快速檢測儀器來實現(xiàn)。例如ACM20噴氣燃料快速檢測儀(ACM20為Parker企業(yè)專門用于檢測噴氣燃料的儀器)，就可以在線檢測噴氣燃料中顆粒的體積大小和數(shù)量。該儀器通過在線監(jiān)控噴氣燃料輸送過程中顆粒的尺寸和數(shù)量，不僅可以預防潛在故障，還可以判斷過濾器的使用性能，使得更換計劃更精確，或其維護方法更及時。該儀器采用自動顆粒計數(shù)器來在線檢測燃料中的顆粒大小和數(shù)量，具有攜帶方便，操作簡便，檢測快速(單次檢測時間為2分鐘)，結(jié)果直觀(可以直接打印檢測結(jié)果，確定ISO污染等級)的優(yōu)點。新型的噴氣燃料固體顆粒計數(shù)器是屬于一類在線快速檢測儀器，與以上兩種測定方法相比，具有攜帶方便，操作簡單，檢測快速，結(jié)果直觀準確等優(yōu)點，而且檢測結(jié)果可準確給出噴氣燃料中顆粒污染物的大小和數(shù)量和體積百分含量。應用顆粒計數(shù)器開展噴氣燃料污染度快速檢測，可有效解決現(xiàn)有噴氣燃料污染度檢測方法實效性差、可信度低的難題。

3 自動顆粒計數(shù)方法的分類及原理分析

3.1 遮光型顆粒計數(shù)[3～5]

遮光型顆粒計數(shù)，一般又稱光阻法，其典型設備就是遮光型顆粒計數(shù)器。就目前而言，在相關(guān)油液污染度的分析中，遮光型顆粒計數(shù)器的應用最為廣泛。如圖，是儀器的簡單原理構(gòu)造，其關(guān)鍵的部件由激光光源(也可為白熾燈)和光電探測器(光電管)構(gòu)成。

圖1 遮光型顆粒計數(shù)器工作原理Fig 1 Principle of light blocking particle counter

當檢測待測油液時，使油液流過計數(shù)器。同時，存在于油液中的固體顆粒也會隨之通過計數(shù)器中的一個狹小通道，而光源會持續(xù)垂直照射在透明通道上形成一個窗口上。當通道中的油液里不含有污染顆粒時，光源會全部照射通過而被接收器接收，此時元件輸出不變。而當待測油液含有污染顆粒并通過狹小通道時，光源照射后就會被遮蔽且產(chǎn)生散射，由光源抵達光電探測器的光強就會產(chǎn)生變動，這一變化與顆粒的尺寸(具體實際就是指投影面積)成正比。由此，每當一個顆粒通過就會使光電探測器產(chǎn)生一個對應的脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的大小及次數(shù)，就可以測出油液中顆粒尺寸和數(shù)量。顆粒尺寸與輸出的電壓脈沖幅值的關(guān)系如下：

(式中，E0指因顆粒遮光而產(chǎn)生的電壓脈沖幅值；α為顆粒投影面積；A為光束通過傳感區(qū)窗口面積；Eb為無顆粒進入時的輸出電壓。)

進一步，若將投影面積α用導出的投影直徑表示，則可得出下式：

(式中，dα為導出的投影直徑。)

遮光型自動顆粒計數(shù)器的測定結(jié)果仍然有準確性不能確定的問題，為解決這一問題，國際上采用對顆粒計數(shù)器進行定期校準的方法來保證。

3.2 光散射型顆粒計數(shù)[6]

圖2 光散射型顆粒計數(shù)器工作原理Fig 2 Principle of light scattering particle counter

光散射型顆粒計數(shù)與遮光型顆粒計數(shù)的原理極為類似，同樣都是使油液通過計數(shù)器并利用光束照射油液來檢測固體顆粒。其不同的是，光散射是測定散射角。如圖是其工作原理的簡單構(gòu)造圖。該計數(shù)器通過測定小角度前散射光強度來檢測顆粒的尺寸，光源通常為一小功率激光發(fā)射器。光束照射到傳感區(qū)，被待測樣品中的污染顆粒散射，進而有被光電探測器捕捉接收。同時，為了避免光束直射探測器，在它和光源之間設置了一個擋板。

一般可知，當光束照射懸浮在待測油液中的固體顆粒時，其有一部分被吸收，另有一部分發(fā)生散射，而散射的光又分為衍射、折射和反射部分。利用實踐及推理，我們現(xiàn)在已知由散射光強度隨散射角的變化，可以確定污染顆粒的尺寸及分布信息。

目前，現(xiàn)有的光散射顆粒計數(shù)器都已采用激光光源代替白熾燈，可有效提供探測靈敏度，最小范圍可達到0.1 ～0.5 μm。

3.3 電阻型顆粒計數(shù)

電阻型顆粒計數(shù)器，又被稱作庫爾特顆粒計數(shù)器，可以通過測量油液導電性能的變化來計算污染顆粒的尺寸及其分布大小情況，其工作原理如圖3。

如圖3所示，密封管下端有一小孔，浸泡在待測油液中，小孔的兩側(cè)各侵入一個電極。密封管內(nèi)部處于低氣壓狀態(tài)，因此管外油液將源源不斷地流到管內(nèi)。此時，小孔中的液體可視為一電阻，其阻值取決于液體的導電性能。測量時，油液中的污染顆粒跟著一起流動，當其通過小孔時，取代了體積相等的油液，因而使兩電極間的電阻發(fā)生變化。當電源為恒流電源時，兩電極之間會產(chǎn)生一個電壓脈沖，其峰值正比于小孔電阻的增量，也正比于顆粒體積。這些電壓最終可用來測出顆粒的相關(guān)信息。

圖3 電阻型顆粒計數(shù)器工作原理Fig 1 Principle of Coulter particle counter

因為電阻型顆粒計數(shù)器是一個一個地分別測出各顆粒的粒度，然后再統(tǒng)計粒度分布的，所以能分辨各顆粒之間粒徑的細微差別，在現(xiàn)有各種粒度儀器中分辨率較高，且測量速度快，操作簡便，測量重復性較高，但是容易發(fā)生堵孔故障，測量動態(tài)范圍較小。對同一個小孔(對應于一個量程)來說，能測量的最大和最小顆粒之比為20∶1，例如，對100 μm的小孔，只能測量2～40 μm的顆粒。這對固體顆粒污染物的測定有不可忽視的約束作用。

3.4 濾膜阻塞型顆粒計數(shù)

就濾膜阻塞型顆粒計數(shù)而言，其主要的原理就是當含有固體顆粒的油液通過濾膜時，固體顆粒污染物就會被濾膜阻攔，漸漸地，濾膜就會被阻塞。在濾膜兩端的壓差一定的條件下，流過濾膜的油液流量會隨著阻塞場合程度的增加而減小；反之，在流量一定的條件下，我們就可以通過壓差的變化來測定油液的污染程度。所以，通過測定和壓差、流量有關(guān)系的相關(guān)參數(shù)，就可以判斷待測油液的污染情況。濾膜阻塞型顆粒計數(shù)器主要由氣液傳送器、活塞缸、濾膜、旋轉(zhuǎn)編碼器等部件組成。由壓縮空氣作用，氣液傳送器在恒定不變的壓力下，使油液通過一個經(jīng)精準標定的濾膜。由于濾膜的微孔有阻擋作用，大于微孔直徑的固體顆粒就會被收集在濾膜上，流量自然就會減小。后來的顆粒填充在大顆粒周圍，微孔進一步被阻塞，使油液流量進一步減小。流量衰減特性的不同可以反映出固體顆粒的數(shù)量、尺寸分布的不同，因而可以定量分析油液的污染度。濾膜阻塞型顆粒計數(shù)器因為具有相當?shù)谋憬菪耘c一定的準確性，多用于油品污染度的現(xiàn)場測定。

4 結(jié) 語

噴氣燃料中的固態(tài)顆粒污染物的測定對于確定油液潔凈度來說至關(guān)重要，這關(guān)乎飛機的飛行安全。就目前來看，我國國內(nèi)雖然有固體顆粒自動計數(shù)技術(shù)，但是與國外相比，首先是其技術(shù)水準還不夠。其次，技術(shù)的用一般限于航空液壓油、航空潤滑油的潔凈度分析[7]，針對噴氣燃料的固體粒污染物自動顆粒計數(shù)法的應用還不成熟。相對于傳統(tǒng)的重量法[8]，自動顆粒計數(shù)法具有其不可比擬的便捷、易操作的優(yōu)點，因此針對噴氣燃料的自動顆粒計數(shù)法的試驗研究應及時開展，進而可對現(xiàn)有的產(chǎn)品標準和測定標準的修訂提供參考建議?？梢哉f，要想綜合評定噴氣燃料的潔凈程度就必須綜合使用傳統(tǒng)方法與自動顆粒計數(shù)法，只有如此才能提高航空業(yè)的用油安全，從而促進噴氣燃料的品質(zhì)提高。

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