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　　針對原有自動界面張力儀及測試方法方面存在的不足，提出了改進措施和方法，提高了儀器測量的準確性，解決了現(xiàn)行國標測試方法受環(huán)境溫度制約的問題。
[關(guān)鍵詞] 液體界面張力、渦流傳感器、相敏檢波器、文氏橋振蕩器、溫度補償
[中圖分類號] [文獻標識碼] [文章編號]
1 引 言
　　界面張力能敏感的反映絕緣油質(zhì)劣化產(chǎn)物和從固體絕緣材料中產(chǎn)生的可溶性極性雜質(zhì)，油水界面張力值的大小與新油的純凈程度和運行油劣化狀況有著密切的關(guān)系。
　　我國20世紀80年代制定了GB6541-86《石油產(chǎn)品油對水界面張力測定法（圓環(huán)法）》的國家標準，并隨后研制出了圓環(huán)法自動界面張力儀。由于該測定方法操作簡單，對電力用油的劣化與污染反映敏感，因而在其后頒布的GB2536-90《變壓器油》、GB/T14542-93《運行中變壓油維護管理導(dǎo)則》GB7595-2000《運行中變壓器油質(zhì)量標準》中，均把油對水界面張力值作為必測項目。但該項目在測定方法頒布十幾年后，至今沒有在行業(yè)內(nèi)得到有效的貫徹執(zhí)行。筆者認為除行業(yè)內(nèi)對該項指標的認識不足外，其主要還在于原有儀器測試精度低，操作較為復(fù)雜，對測試環(huán)境溫度要求苛刻等原因所致。
　　針對在界面張力測試過程中遇到的各種問題，我們對自動界面張力儀進行了全新的設(shè)計和改進，以此來推動該測試項目的完善和開展。
2 設(shè)計特點
2.1測試原理
圓環(huán)法測定油對水界面的原理如圖1所示：

圖?。?　　盛有被測樣品的測試杯放置在由微電機驅(qū)動升降的工作臺上，當測試杯平穩(wěn)且緩慢地向下移動、測量用鉑金環(huán)從兩種不同密度且不相容的液體形成的界面拉出時，受到液體界面張力的牽引，使杠桿的另一端金屬片（位于渦流傳感器的探頭中）產(chǎn)生位移。渦流傳感器將該位移變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。一方面該轉(zhuǎn)換電壓加在磁力電感兩端，永磁體受到的電磁引力隨位移的增加而增大，使杠桿達到新的平衡狀態(tài)即總有
F張×L1=F磁×L2
成立，另外該轉(zhuǎn)換電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器。CPU將轉(zhuǎn)換結(jié)果進行非線性修正輸出測定張力值結(jié)果。
　　2.2采用了磁罐封閉式傳感器　　　　
　　傳感器的靈敏度，穩(wěn)定性，抗干擾性，決定了測量結(jié)果的重復(fù)性，再現(xiàn)性。
　　試驗表明探頭采用磁罐封閉式，磁力線為單方向,封閉性能較好,不易受外界干擾。振蕩器采用高精度高速度運算放大器構(gòu)成文氏橋正弦波振蕩器，結(jié)構(gòu)簡單，失真度較小，易調(diào)試。要滿足100毫牛頓/米的滿量程測量范圍時有0.1毫牛頓的分辨率，采用12位AD轉(zhuǎn)換器較合理，且可以擴大至200毫牛頓/米的滿量程測量范圍時仍有0.1毫牛頓的分辨率，以應(yīng)用于有較大張力值的特殊液體測量。
　　2.3對原始測試數(shù)值進行了等間隔多點標定
　　CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,其數(shù)值對應(yīng)一個重量值 ,由于傳感器的非線性,mg與ad-result之間是一個非
線性關(guān)系，如圖2所示。

　　 圖2 ad-result與mg之間關(guān)系曲線
可以用mg=f（ad-result）來描述上述曲線。如何找出上述函數(shù)表達式，這就需要對儀器進行標定。通常有兩種方法: 　　2.3.1根據(jù)泰勒公式
　　f（x）=a0+a1x+a2x2+a3x3+……anxn…
　　 因為a0總為0，我們可以近似描述上述曲線為：
　　mg=a1.ad-result+a2.ad-result2+a3.ad-result3 ………… （公式1）
　　這里舍去3次項以后的成份。要確定公式（1）需要至少標定3個點，然后解三元一次方程組，就可求得a1.a2.a3，函數(shù)式也就確定下來。這種方法的優(yōu)點是只標定幾個點，但精度不夠高，因為舍去高次項引起較大的誤差，當然可以保留更多的高次項，但其計算量將增大很多，對單片機來說，有些力不從心。
　　2.3.2采用儀表業(yè)常用的等間隔多點標定。當間隔較小時，間隔內(nèi)*按線性處理。引入的誤差很小，計算量較少。試驗表明，對于100毫牛頓滿量程的儀器，100mg的標定間隔較為合理，標定點為11~12個。
　　CPU根據(jù)　ad-result 得到m后，按照理論公式2，計算出界面張力值，單位為 毫牛頓／米。
M = mg/2L …………………………………（公式2）
式中：
m 為質(zhì)量　單位：千克；
g 為重力加速度　單位：米／秒 ；
L為鉑環(huán)平均周長，單位： 米。
再根據(jù)GB6541-86方法標準中第六條的三個公式計算出樣品的實際界面張力值。
δ= M•F ………………………………………（公式3）

式中：ρ0—水25℃時的密度 ….單位：千克／立方米；
ρ1——試樣在25℃時的密度…. ….單位：千克／立方米；
rw　——鉑絲的半徑………………..單位：毫米；
rγ ——鉑環(huán)的平均半徑…………..單位：毫米；
P ——常數(shù)，按公式（５）計算；
δ——實際界面張力值…………….單位：毫牛頓／米。
舉例：
　　在純水標定中，當M=80毫牛頓/米時，代入鉑環(huán)平均半徑和鉑絲半徑的實際值，計算得：F=0.890，δ=MF=80×0.890=71.3毫牛頓/米。
　　2.4增加了環(huán)境溫度補償功能
　　GB6541中的公式是25℃時的經(jīng)驗公式，該公式?jīng)]有引入溫度修正因子。試驗表明，液體溫度越低界面張力值越大，原因是溫度越低液體的分子熱運動越不活躍，分子間引力越大，而產(chǎn)生的界面張力值就越大；反之溫度越高，產(chǎn)生的界面張力值就越小。
　　純水作為一種標準物質(zhì)，在“純水標定”中的意義是使儀器得到標準的量值傳遞。儀器的溫度補償首先是純水受溫度影響后對形成水—氣界面時張力值的補償。在水—氣界面張力值得到補償且恰好在GB6541第5.3條規(guī)定的71~72毫牛頓/米的區(qū)間內(nèi)，才能證明量值傳遞正確。這是儀器能夠正常使用的關(guān)鍵。其次是在“樣品測試”中對絕緣油和純水所構(gòu)成的水—油界面張力值的溫度補償，試驗證明水—油界面的張力值受溫度的影響小于水—氣界面的張力值，但做為用圓環(huán)法來測定絕緣油的污染程度，也是不可忽略而必須進行補償?shù)摹?br />　　另外水和油的密度也隨溫度變化而變化，根據(jù)公式4，也將影響界面張力值。
　　由于以上原因GB6541規(guī)定必須嚴格在25℃條件下操作。在我國電力行業(yè)的現(xiàn)有條件下，做起來很不容易。經(jīng)過數(shù)千次的試驗后我們得出了 10~35℃范圍的水—氣界面和水—油界面張力值溫度補償曲線。儀器測定時只要在參數(shù)設(shè)定中輸入當前的工作溫度，微處理器根據(jù)工作溫度，以25℃為基準，實行雙向補償，自動計算，準確地輸出25℃條件下的符合GB6541的界面張力值。儀器的溫度補償范圍能夠滿足所有的試驗室的環(huán)境溫度，使得儀器使用條件大大放寬。這是目前國產(chǎn)界面張力儀在技術(shù)上的重大突破。
　　2.5利用單片機技術(shù)使分析方法程序化
　　當今儀器儀表，越來越多地應(yīng)用了圖形陣式液晶作為顯示界面，特別對于我國使用漢字語言，圖形點陣式液晶是儀表完成人機對話，*的一個關(guān)鍵部件，可以容納GB6541-86《石油產(chǎn)品油對水界面張力測定法（圓環(huán)法）》的所有操作步驟的條款，簡要說明﹑幫助等信息也可以通過大屏幕液晶顯示，人機界面更加直觀。另無標識按鍵的使用，又可減少按鍵，減少了誤操作的機會。
　　3 結(jié)論
　　綜上所述，改進設(shè)計的自動界面張力儀與其它同類儀器相比有以下幾個顯著特點。
　　3.1因使用了磁罐封閉式傳感器，解決了原有傳感器的靈敏度﹑穩(wěn)定性和抗干擾性問題，提高了測量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
　　3.2儀器增加了環(huán)境溫度補償功能，切實滿足了GB6541測定方法規(guī)定的條件，保證了輸出數(shù)據(jù)的準確性。
　　3.3利用單片機大屏幕液晶顯示技術(shù)，把GB6541測定方法步驟程序化，使分析操作更為簡便，減少了人為測定誤差，有利于該測試項目的推廣應(yīng)用。