利用电容器验证油液的污染程度

2018-12-22熊子伦卢继德王洪鹏

物理实验 2018年12期

熊子伦,卢继德,李琪,王洪鹏,张鹏

(1.中国石油大学(北京) a.地球物理学院；b.理学院，北京 102249； 2.中国科技馆展览教育中心，北京 100012)

随着人类对于石油研究的逐渐深入，有关探究油液污染程度的方法越来越多.颗粒计数器可以检测出油液中固体颗粒浓度，从而测量油液的污染程度.李健乐认为光阻法可以提高其测量精度[1]；而余良武等通过熵权法对不同尺度颗粒的信息转化为权值，并采用模糊综合评价模型进行汇总并给予油液污染程度的最终评价结果[2].电容器的电容是反映液体极化性能的重要物理量，人们用采用各种方法测量其数值[3-5].根据电容的变化规律可以分析油品的性能.曹凯采用电容率法评价发动机油的性能[6].本实验采用了电容率法，利用电容器原理来验证油液的污染程度.实验所采用的电容率法是建立电容率与油液污染程度之间关系的重要方法.通过分析油液理化指标来获取有关油液污染程度的信息，从而搭建起油液污染程度和油液品质之间的联系.从电容率法的本质来看，一方面，油液和机器本身之间会有摩擦现象发生，在这个过程中，由于摩擦所产生的金属粒子以及产生的其他高导电化合物会产生极化现象；另一方面，随着时间的推移，油液中的一些烃分子会被氧化成为水、有机酸以及一些氧化能力较强的分子.伴随极化反应过程的不断进行，油液中这些极化分子的数目不断增加，油液电容率会发生变化.综上所述，这些粒子的累积，会导致油液电容率值改变，极化物质越多，电容率值改变得越明显.根据这种现象，可以用电容率的变化来衡量油液的污染程度.

1 电容率法的实验原理

实验中选择的基础油液是汽油、柴油和机油.这些油液的通性是电容率很低，因此可以将它们看作是弱电介质材料.当油液装进电容器进行测验时，此时电场为E0，污染物可以看作由一个个小的极性分子构成，在电流的作用下，这些极性分子将会沿电流方向排列并且产生小的电场，与原来的电场方向相反，设产生的反向电场为E1，如图1所示.

图1 电容器电场示意图

加入油液污染物后电场强度为

E=E0-E1,

(1)

加入油液污染物后相对电容率为

(2)

电容率

ε=ε0εr,

(3)

其中，ε0为真空电容率，εr0为基础油液的相对电容率.

由式(1)～(3)可以看出，当E1变大时，加入油液污染物后电场强度会变小，其电容率也会变大.E1的大小直接取决于污染分子的数量，也就是污染程度，因此电容率的改变可以反映油液的污染情况.

2 实验仪器、内容与结果分析

实验仪器:电容计、93号汽油、机油、柴油、电容器、蒸馏水、铁粉(粒径75 mm)、纯醋酸.实验恒温10 ℃.向新油中定向定量地添加污染目标物，代替已经被污染的油液，研究油液电容率的变化与污染程度的关系.

2.1 基础油液中加水

在这3种基础油液中，每组取10个油样(20 mL)，每个油样加入0.5 mL的水，得到30个样品，标号为A1，A2，…，A10，B1，B2，…，B10，C1，C2，…，C10.摇匀后，立刻用电容计测量出电容值，进而计算出电容率的平均值.重复上述步骤测量10次，测出10个不同梯度的电容率值.电容率随汽油、柴油、机油含水量的变化关系如图2所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)机油

由图2可知，3种基础油液的电容率随着含水量的增加而增大，并且从回归方程可以看出，含水量对油液电容率影响较大.水是一种典型的极化介质，在电场的作用下,极化作用明显，使电场增大.

2.2 基础油液中加醋酸

把3种基础油液分别取10组20 mL新油，为了和水含量进行比较，在实验中采用了和2.1实验相同的测量方法进行实验.电容率随汽油、柴油、机油中醋酸的变化关系如图3所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)机油

由图3可知，当有机酸含量增加时，油液电容率也随之增加，油液电容率与酸值相关性很好.有机酸中分解出的H+，RCOO-等离子的极化会使油液电容率增加.降解程度越深，酸度越大，这些极化离子的含量越多.从图3中可知，酸值对于油液电容率的影响没有含水量的影响大.

2.3 基础油液中加铁粉

把3种基础油液分别取10组20 mL新油，每组加铁粉的变化梯度为0.1 g.为防止铁粉无法在油液中悬浮影响测量实验精度，在5 s内读出数据并记录，实验结果如图4所示.

(a)汽油

(b)柴油

(c)机油

由图4可知，油液电容率随导电性强的铁磁材料粒子数量的增加而增加.当油液与金属粒子置于电容器内时，金属粒子产生自由电子，这些自由电子会发生极化现象.从电容计上观测为电容数值增大，即油液电容率增大.但是从回归方程不难看出，铁粉含量与油液电容率之间没有含水量、酸值与油液电容率之间的相关性好，究其原因是因为水和醋酸的扩散能力比金属粒子强.