基于电化学阻抗法的油液在线监测传感器应用特性研究

刘明磊，王志寰

(1.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700；2.中国石油西南油气田分公司输气管理处，四川成都 610213)

工业装备在用油老化过程复杂，多种因素导致其阻抗变化，并且随时间变化而改变[1-2]。传统基于介电常数、容抗及介质损耗(正切角)技术的传感器，在工业应用中表现为数据检测的针对性和单一性，需配合其他指标的传感器集成应用，以综合分析润滑油状态。同时，传感器受实现原理、检测工装和工业环境等因素的制约，例如管道湍流、油温、压差等，导致检测数据的稳定性异常，降低了数据分析和润滑故障诊断的准确性[3]。

电化学阻抗谱对污染、氧化和添加剂降解尤其灵敏，用于润滑油在线监测体系，能综合反映油品的健康指数。其中高频体相阻抗谱可表征氧化副产品、溶解或分散的污染物，如烟炱等；体相阻抗谱可表征极性添加剂降解、氧化产物、添加剂聚集、混油污染等；低频界面阻抗谱可表征表面活性添加剂降解或界面活性改变。通过电化学阻抗谱这种多频率、多特征检测方法可反映油液的多种老化、污染情况，因此基于电化学阻抗谱的油液状态传感器能提高润滑油检测性能，有效解决润滑油在线监测的水分异常、油品污染和润滑油老化失效临界等问题[4-6]。在工程实践中，传感器用以检测整体油液状态的变化，通常会观察阻抗数据的变化趋势[7]。随着时间的推移，阻抗数据的上升或下降，阻抗数据的大幅波动等，通常与污染事件或油液状态的变化有关。如果趋势异常，通过传感器可确定何时取油样检测；或者趋势变化剧烈、持续时间较长，则通过传感器可确定更换润滑油或进行维护处理[8-10]。

本文作者研究的基于电化学阻抗谱的油液状态传感器能检测润滑油的体相阻抗(Bulk Resistance)、界面阻抗(Interfacial Impedance)和高频阻抗(High Frequency Impedance)，从而对润滑油指标进行在线实时综合分析[9]，监测水分突变和润滑油状态变化趋势。油液状态在线监测系统配置了监测数据分析软件，通过实验验证和工程论证了传感器的应用能提高润滑油检测性能，有效解决工程中在线监测的水分异常和润滑油老化失效临界等问题，为设备润滑的安全运维策略提供依据[11-14]。

1 探头检测原理

电化学传感器检测探头是三电极结构，包含工作电极(Working Electrode，WE)、参比电极(Reference Electrode，RE)和对电极(Counter Electrode，CE)。工作电极与润滑油中的各类介质发生氧化还原反应，产生与目标介质浓度成比例的电流，通过对电极将电流提供给传感器。参比电极RE与工作电极WE共同工作，工作电极WE和对电极CE在检测过程互为氧化还原反应，所以对电极CE的电位产生浮动。恒电位电路提供充足的电压和电流将工作电极WE保持在与参比电极RE相同的电位，让对电极CE与工作电极WE保持固定偏移。

传感器的测量电路是I/V跨阻运算放大器，如图1所示。电流通过电阻R4放大，产生相对于虚拟地的输出电压，电容C4的作用是降低高频噪声。电路二级经放大时，第一级使用小的电阻阻值R4，以允许电路在瞬态条件下对抗传感器电流，然后经过第二个电压增益级，以提供所需的输出。

图1 检测电路原理

测量电路使用负载电阻R3和内部传感器电阻，与内部传感器电容的组合以建立RC振荡电路；负载电阻R3的选择依据是最快响应时间(低电阻R3)和最佳噪声(高电阻R3)的影响。该RC电路影响均方根噪声和响应时间：响应时间随着电阻Rload的增加而线性增加，而噪声随负载电阻阻值R3的增加，其迅速下降。当传感器电流流经R3时，传感器偏置电位会有一个小的变化，传感器稳定时间随之增加，将需要短时间来重新稳定，除了高浓度介质和高电阻Rload之外通常不发生这种瞬态现象。

检测电路仿真原理图(见图2)中的电阻R5、R6、R8分别等效为CE、WE、RE；运算放大器对CE提供电流，以工作平衡电极WE所需的电流；控制U1B的反相输入连接到RE，RE上电流极小，故使用输入偏置电流很小的运算放大器。

图2 检测电路仿真原理

恒电位电路的电压偏置及驱动能力，对电极CE驱动所需电位和传感器提供电流。传感器电流的方向，由目标介质决定，当WE电极发生氧化反应失去电子，CE发生还原反应，电流从WE流出；WE电极发生还原反应得到电子，CE发生氧化反应，电流从WE流入。当电流从WE流入时，单电源模式下偏置就产生了作用，不加偏置对电极CE将与地电位相差-300～-400 mV，随着浓度的增加电压差越大。

2 测试及数据解析

2.1 测试方法

图3所示为电化学传感器实验平台，电化学传感器通过夹具悬在装有润滑油的烧杯中，对润滑油的状态进行连续监测；采用密闭恒温水浴对烧杯进行加温保温；通过搅拌器使得润滑油液均匀混合；通过更换油品和调节润滑油的理化指标改变油液状态，分析传感器检测数据的变化。

图3 电化学传感器实验平台

2.2 数据解析

图4示出了润滑油进水后传感器监测数据的变化。可见润滑油进水时，传感器检测的润滑油体相阻抗升高，高频阻抗降低，界面阻抗降低，润滑油湿度值升高。

图4 润滑油进水后传感器监测数据变化

2.3 实验验证

在工业现场的某机组油箱中，按时序取得了1瓶新油和4瓶不同阶段的油样，按照图3所示的测试方法进行实验验证。单独测试新油、800 h在用油、2 300 h在用油、含水量为1×10-6(质量分数)的混合油和含水量为5×10-6(质量分数)的混合油各15 h。图5(a)、(b)、(c)中的分段曲线分别对应其体相阻抗、高频阻抗和界面阻抗的数值，其中横坐标为时间点，以15 h间隔区分一种油品，纵坐标为频率，单位是Hz；图5(d)所示是含水量数据曲线，其中横坐标为取样第N个小时，纵坐标为水分质量分数(%)。

图5 不同油样的传感器监测数据

润滑油老化引起阻抗变化机制：因为油液使用时间长短决定添加剂含量，其导致高频电荷、中频电荷和低频电荷的游离程度不同，所以出现大范围的极化和物质转移现象，因此体相阻抗表现为上升，高频阻抗表现为下降，界面阻抗表现为不稳定波动。

水污染引起阻抗变化机制：体相阻抗由于水滴周围的清洁剂形成反胶束导致升高。在界面保护方面，加水后界面阻抗立即下降，这是由于水滴取代部分表面保护添加剂附着在电极上，电极表面保护层受到损害。然后因为表面保护层恢复，界面阻抗缓慢上升。另外，不同污染源可能对测量产生相反的影响。如果使用单参数去表征复杂的油液系统就可能存在风险。

图5(a)表明：(1)与新油的初始状态比较，运行800 h的润滑油体相阻抗数值保持在1.5×108Hz，运行2 300 h的润滑油体相阻抗数值保持在2×108Hz，数据趋势成比例增长，分别为100%和150%；(2)含水量1×10-3(质量分数)的润滑油体相阻抗趋势低于含水量5×10-3(质量分数)的润滑油。

图5(b)表明：(1)与新油的初始状态比较，运行800 h的润滑油高频阻抗数值保持在3.62×104Hz，运行2 300 h的润滑油体相阻抗数值保持在3.605×104Hz，趋势近似成比例阶段性增长；(2)含水量1×10-3(质量分数)的润滑油高频阻抗趋势高于含水量5×10-3(质量分数)的润滑油，且含水量越高，变化越剧烈。

图5(c)表明：(1)与新油的初始状态比较，运行800和2 300 h的数据呈无规律增长，趋势类似于体相阻抗；(2)含水量1×10-3和5×10-3(质量分数)的数据呈无规律下降，趋势类似于高频阻抗。

图5(d)表明：润滑油中含水量越大，曲线趋势越剧烈。

综上，电化学油液状态传感器可以区分不同使用时间和不同含水量的油样，具体表现为油液使用时间越长，体相阻抗数值越大，高频阻抗有适度变化；水分越高，高频阻抗数值越小，体相阻抗有适度变化。

3 结论

(1)润滑系统中存在多个性能指标同步或异步退化现象，并且各个性能参数的退化过程相互影响，其退化数据有一定的关联性。在油况传感器检测的阻抗数值中表现为某一阻抗数值突变，其余两阻抗数值渐变的特征。

(2)电化学油液状态传感器的体相阻抗是传感器的关键参数，对各种油品参数敏感，测试表现为润滑油老化时间越长，体相阻抗数值越高。高频阻抗对各种分散和溶解的污染物敏感，测试表现为润滑油老化不同时间点的污染物不同，高频阻抗数值随之变化。界面阻抗对影响机械表面和传感器头部的添加剂敏感，特别是在低油温情况下，界面阻抗对于润滑油类型的可识别性，可作为油品校验的参数。

(3)电化学油况传感器体相阻抗和高频阻抗随油液使用时间的变化而变化，相对湿度随含水量增加而升高。在多个传感参数之间，测试表明该传感器能够成功地区分不同的油液状态。通过工程论证了传感器的应用能提高润滑油检测性能，能有效解决工程中在线监测的水分异常和润滑油老化失效临界等问题，为设备润滑安全运维策略提供依据。