元素分析：用于大颗粒分析的FPQ-XRF（二）

一、新技术 - 过滤颗粒定量技与EDXRF技术相结合

  在这种*的分析系统中，机器故障的根本原因分析是通过将两步分析过程结合改进在一起实现的，其包括：压差技术与XRF技术。这个相对快速的系统可以筛选具有高颗粒计数的样品，并对所得样品过滤器进行完整的13元素XRF分析。

  过滤颗粒定量技术（FPQ）和XRF设备相结合

  改进的孔阻塞技术被称为“压差法颗粒计数法”或FPQ。FPQ具有约30,000个直径为4um的孔的聚碳酸酯过滤器的注射器以恒定流速驱动3ml油液样品。根据测量的相对于大气压的穿过滤膜的压降，用于量化大于 4um的每毫升高达百万的颗粒的数量。相对于常规孔堵塞仪器，这一设备主要是通过改进滤膜设计来实现的。

 

  分析完成后，过滤的油液从FPQ传递到XRF设备。由于存在颗粒交换现象，FPQ和XRF在校准方面密切相关。FPQ和XRF仪器使用一系列*的规则和校准，以确保高达每毫升1百万个颗粒的元素定量计数。这种技术与过滤器相结合克服了XRF设备通常使用的油杯进行分析的问题。这种*的过滤器设计能够将颗粒输送到过滤器的小区域中，使得聚焦的X射线束可以将其能量集中在那些颗粒上。该仪器使用40kev和15kev来量化13个元素，平均检测限为〜1ppm。

二、FPQ / XRF设备案例研究

  下面的案例研究展示了FPQ / XRF设备与现有的用于测量各种实际应用中颗粒的分析技术的

相关性。

1、FPQ和与XRF相关的测试技术

  以下数据来自一系列的船用柴油机，用于评估FPQ和XRF技术。在FPQ装置和XRF上分析样品，发现LaserNet分析结果和经过酸解ICP结果存在较好的相关性。使用已知长宽尺寸和颗粒质量的颗粒模型来进一步的验证，LNF的颗粒计数结果与与FPQ压差法颗粒计数结果是一致的，XRF元素结果与LaserNet Fines铁磁颗粒浓度结果是一致的，如图4和图5所示。

2、XRF与酸解ICP结果对照

  LNF直接成像和光谱法是用于颗粒的定量计数和元素浓度分析的成熟技术。RDE和ICP光谱仪进行大颗粒检测时灵敏度不佳，所以它们往往被用作细小颗粒元素分析的工具。大颗粒的量化分析方法可以先将样品酸解，然后使用ICP进行检测。考虑到酸解操作需要耗费大量腐蚀性化学品、时间、成本等，使得酸解技术的应用并不够经济。

  图6显示了相对同一样品，样品E和F在ICP结果（大颗粒）的差异。注意，XRF数据未在上面的表1中示出。 大颗粒部分（在3ppm内）与过滤的XRF结果（图6）高度一致。

  图7显示样品F中Fe和Al在ICP和XRF读数之间的浓度差异。这是一组基于闭环系统中大、小颗粒行为预测而得的结果。与未发生损失并在浓度上继续增长的细颗粒相比，大颗粒更易丢失和被过滤掉。

3、FPQ滤膜上PPM（浓度）与粒子浓度（数量）关系

  基于铁的密度估算，在1ml油中需要约100个所示尺寸的颗粒才能将元素浓度提高仅1ppm。对于较轻的金属如铝，其需要大约三倍于铁的颗粒数。这就解释了为什么使用ICP和XRF的差分元素读数相对于使用常规光谱的溶解或小的颗粒读数相对较低。在这个例子中，Fe和Al磨损颗粒可能是由气缸-活塞磨损引起的。这是应用中的常见故障模式，其显示了依据XRF技术是如何查找出故障问题的根本原因的。

4、磨损运动的失效

  当机器进行异常磨损状态时，大磨损颗粒的尺寸和数量都会显著增加。它们会被从系统已知的平衡曲线上显现的增加趋势中识别出来。随着异常磨损的进行，这些颗粒的尺寸和产生速率都会持续增加，直到系统终失效。

  需要注意的是，通过RDE光谱和ICP检测的细磨颗粒在润滑系统中继续上升，并且不受滤清器过滤作用或其它系统损失机理的影响。在换油操作后，要对细微磨削数据与XRF数据进行解释时务必要谨慎。在这种情况下判断的依据应该为变化率。

  使用FPQ和XRF对大颗粒进行分析会发现，在系统达到平衡之后颗粒数目会达到静态平衡状态，如图8所示。

  与现有的光学颗粒计数器和孔阻塞技术不同，FPQ广泛应用于处理磨损率相对高的样品（高达100万p/ml）。 表2显示了典型在重型工业车辆设备（如发动机，变速器，主传动和前差速器）中的各种部件的FPQ和XRF数据。数据显示了各部件磨损率的高低情况。

  正如预期一样，FPQ上的颗粒计数与直接成像颗粒计数密切相关。此外XRF元素结果可区分低磨损系统和更关键的高磨损系统。数据结果表明，可以基于润滑系统中的磨损元素情况找出引起磨损增加的根本原因。

  该数据集还显示了FPQ在分析乳剂和其它包含在总颗粒数中的包含“假”颗粒的样品类型时所具有的*优点。水和其他液体通过聚碳酸酯过滤器孔时，不会对结果产生影响。样品E3含有大量游离水，在LaserNetFines®上显著提高了颗粒数读数。而该样品中的真实颗粒数仅为31kp/ml，元素水平较低。

三、结论

  FPQ拥有双动态过滤系统，可应用于处理各种不同磨损水平的润滑油。使用FPQ滤波器的颗粒计数与现有的直接成像粒子计数的结果能够较好地吻合。使用XRF分析来自FPQ滤波器的后续元素浓度与ICP差异酸化结果高度一致，表明该方法是有效的。颗粒计数技术和元素浓度识别技术相结合能够识别磨损率的变化，识别出润滑系统故障的根本原因。颗粒计数和元素浓度提供了对从过滤器上捕获和量化的颗粒的进行元素分析的功能。该方法解决了其它技术无法解决的许多问题，例如大尺寸磨损元素检测，重型工业设备已用油液检测。