元素分析：用于大顆粒分析的FPQ-XRF（二）

一、新技術 - 過濾顆粒定量技與EDXRF技術相結合

  在這種*的分析系統中，機器故障的根本原因分析是通過將兩步分析過程結合改進在一起實現的，其包括：壓差技術與XRF技術。這個相對快速的系統可以篩選具有高顆粒計數的樣品，并對所得樣品過濾器進行完整的13元素XRF分析。

  過濾顆粒定量技術（FPQ）和XRF設備相結合

  改進的孔阻塞技術被稱為“壓差法顆粒計數法”或FPQ。FPQ具有約30,000個直徑為4um的孔的聚碳酸酯過濾器的注射器以恒定流速驅動3ml油液樣品。根據測量的相對于大氣壓的穿過濾膜的壓降，用于量化大于 4um的每毫升高達百萬的顆粒的數量。相對于常規孔堵塞儀器，這一設備主要是通過改進濾膜設計來實現的。

  分析完成后，過濾的油液從FPQ傳遞到XRF設備。由于存在顆粒交換現象，FPQ和XRF在校準方面密切相關。FPQ和XRF儀器使用一系列*的規則和校準，以確保高達每毫升1百萬個顆粒的元素定量計數。這種技術與過濾器相結合克服了XRF設備通常使用的油杯進行分析的問題。這種*的過濾器設計能夠將顆粒輸送到過濾器的小區域中，使得聚焦的X射線束可以將其能量集中在那些顆粒上。該儀器使用40kev和15kev來量化13個元素，平均檢測限為?1ppm。

二、FPQ / XRF設備案例研究

  下面的案例研究展示了FPQ / XRF設備與現有的用于測量各種實際應用中顆粒的分析技術的

相關性。

1、FPQ和與XRF相關的測試技術

  以下數據來自一系列的船用柴油機，用于評估FPQ和XRF技術。在FPQ裝置和XRF上分析樣品，發現LaserNet分析結果和經過酸解ICP結果存在較好的相關性。使用已知長寬尺寸和顆粒質量的顆粒模型來進一步的驗證，LNF的顆粒計數結果與與FPQ壓差法顆粒計數結果是一致的，XRF元素結果與LaserNet Fines鐵磁顆粒濃度結果是一致的，如圖4和圖5所示。

2、XRF與酸解ICP結果對照

  LNF直接成像和光譜法是用于顆粒的定量計數和元素濃度分析的成熟技術。RDE和ICP光譜儀進行大顆粒檢測時靈敏度不佳，所以它們往往被用作細小顆粒元素分析的工具。大顆粒的量化分析方法可以先將樣品酸解，然后使用ICP進行檢測。考慮到酸解操作需要耗費大量腐蝕性化學品、時間、成本等，使得酸解技術的應用并不夠經濟。

  圖6顯示了相對同一樣品，樣品E和F在ICP結果（大顆粒）的差異。注意，XRF數據未在上面的表1中示出。 大顆粒部分（在3ppm內）與過濾的XRF結果（圖6）高度一致。

  圖7顯示樣品F中Fe和Al在ICP和XRF讀數之間的濃度差異。這是一組基于閉環系統中大、小顆粒行為預測而得的結果。與未發生損失并在濃度上繼續增長的細顆粒相比，大顆粒更易丟失和被過濾掉。

3、FPQ濾膜上PPM（濃度）與粒子濃度（數量）關系

  基于鐵的密度估算，在1ml油中需要約100個所示尺寸的顆粒才能將元素濃度提高僅1ppm。對于較輕的金屬如鋁，其需要大約三倍于鐵的顆粒數。這就解釋了為什么使用ICP和XRF的差分元素讀數相對于使用常規光譜的溶解或小的顆粒讀數相對較低。在這個例子中，Fe和Al磨損顆粒可能是由氣缸-活塞磨損引起的。這是應用中的常見故障模式，其顯示了依據XRF技術是如何查找出故障問題的根本原因的。

4、磨損運動的失效

  當機器進行異常磨損狀態時，大磨損顆粒的尺寸和數量都會顯著增加。它們會被從系統已知的平衡曲線上顯現的增加趨勢中識別出來。隨著異常磨損的進行，這些顆粒的尺寸和產生速率都會持續增加，直到系統終失效。

  需要注意的是，通過RDE光譜和ICP檢測的細磨顆粒在潤滑系統中繼續上升，并且不受濾清器過濾作用或其它系統損失機理的影響。在換油操作后，要對細微磨削數據與XRF數據進行解釋時務必要謹慎。在這種情況下判斷的依據應該為變化率。

  使用FPQ和XRF對大顆粒進行分析會發現，在系統達到平衡之后顆粒數目會達到靜態平衡狀態，如圖8所示。

  與現有的光學顆粒計數器和孔阻塞技術不同，FPQ廣泛應用于處理磨損率相對高的樣品（高達100萬p/ml）。 表2顯示了典型在重型工業車輛設備（如發動機，變速器，主傳動和前差速器）中的各種部件的FPQ和XRF數據。數據顯示了各部件磨損率的高低情況。

  正如預期一樣，FPQ上的顆粒計數與直接成像顆粒計數密切相關。此外XRF元素結果可區分低磨損系統和更關鍵的高磨損系統。數據結果表明，可以基于潤滑系統中的磨損元素情況找出引起磨損增加的根本原因。

  該數據集還顯示了FPQ在分析乳劑和其它包含在總顆粒數中的包含“假”顆粒的樣品類型時所具有的*優點。水和其他液體通過聚碳酸酯過濾器孔時，不會對結果產生影響。樣品E3含有大量游離水，在LaserNetFines®上顯著提高了顆粒數讀數。而該樣品中的真實顆粒數僅為31kp/ml，元素水平較低。

三、結論

  FPQ擁有雙動態過濾系統，可應用于處理各種不同磨損水平的潤滑油。使用FPQ濾波器的顆粒計數與現有的直接成像粒子計數的結果能夠較好地吻合。使用XRF分析來自FPQ濾波器的后續元素濃度與ICP差異酸化結果高度一致，表明該方法是有效的。顆粒計數技術和元素濃度識別技術相結合能夠識別磨損率的變化，識別出潤滑系統故障的根本原因。顆粒計數和元素濃度提供了對從過濾器上捕獲和量化的顆粒的進行元素分析的功能。該方法解決了其它技術無法解決的許多問題，例如大尺寸磨損元素檢測，重型工業設備已用油液檢測。