طی بیش از ۴۰ سال گذشته، آنالیز طیفسنجی روغن (عنصری) بهعنوان یک روش پایش وضعیت روتین و مقرونبهصرفه مورد استفاده قرار گرفته است.
این روش برای تعیین غلظت عنصری فلزات سایش، آلایندهها و مواد افزودنی در نمونه روغن کارکرده، بر حسب قسمت در میلیون (ppm)، به کار میرود.
با آگاهی از مقادیر فلزات سایشی و آلایندههای موجود در دستگاه یا موتور تحت پایش، میتوان از این تکنیک برای ارزیابی عملکرد صحیح تجهیز نمونهبرداریشده استفاده کرد.
با این حال، یک واقعیت شناختهشده این است که کارایی آشکارسازی در آنالیز طیفسنجی روغن با افزایش اندازه ذرات سایش کاهش مییابد. این محدودیت در موتورهای رفتوبرگشتی که عمدتاً ذرات ریز تولید میکنند چندان مشکلساز نیست، اما در خرابیهای خستگی یاتاقانهای غلتشی – مانند یاتاقانهای مورد استفاده در توربینهای گاز نظامی – میتواند چالشبرانگیز باشد؛ چرا که این نوع خرابیها در مراحل اولیه، ذرات درشت تولید میکنند بدون آنکه لزوماً ذرات ریز قابلتشخیص ایجاد شود.
علاوه بر این، برخی مکانیسمهای سایش نظیر پوستهپوسته شدن (Spalling)، سایش لغزشی شدید و سایش برشی ذرات بزرگی تولید میکنند که ممکن است توسط روشهای متداول طیفسنجی شناسایی نشوند. شدت این محدودیت بسته به نوع ماشین و نوع دستگاه طیفسنج متفاوت است.
طیفسنجی جذب اتمی (AAS) و طیفسنجی پلاسمای جفتشده القایی (ICP) با محدودیتهایی در آشکارسازی ذرات درشت مواجه هستند. طیفسنجهای الکترود دیسکی چرخان (RDE) نسبت به ذرات بزرگتر حساسترند، اما بهطور سنتی حد بالای آشکارسازی آنها در حدود ۱۰ میکرون بوده است. در مقابل، روشهایی مانند فروگرافی و آنالیز اشعه ایکس این محدودیت را پوشش داده و بهعنوان تکنیکهای مکمل قادر به شناسایی ذرات درشت سایش هستند.
الکترودهای دیسکی کربنی مورد استفاده در طیفسنجهای RDE ساختاری متخلخل دارند و میتوانند بهعنوان فیلتر برای به دام انداختن ذرات موجود در نمونه روغن عمل کنند؛ ویژگیای که مبنای روش طیفسنجی فیلتر روترود (Rotrode Filter Spectroscopy-RFS) است. نسخههای اولیه تجهیز RFS از الکترودهای دیسکی استاندارد استفاده میکردند و به حساسیت قابل قبولی دست مییافتند، اما هندسه استاندارد این الکترودها فرآیند را کند میکرد و عدم کنترل دقیق تخلخل در فرآیند تولید، باعث کاهش تکرارپذیری نتایج میشد.
با توجه به مزایای ذاتی این مفهوم، روش RFS اخیراً با هدف ارتقای عملکرد مورد بازنگری قرار گرفت. در نسخه بهروزرسانیشده، از الکترودهای گرافیتی حلقهای سفارشی و یک فرآیند نیمهخودکار استفاده میشود که منجر به افزایش حساسیت، بهبود تکرارپذیری و کاهش زمان آمادهسازی نمونه شده است.
مبانی نظری RFS
بررسی میکروسکوپی الکترودهای دیسکی کربنی مورد استفاده در طیفسنجهای RDE نشان میدهد که این الکترودها متخلخل هستند و روش RFS از این ویژگی بهره میگیرد. در این روش، الکترودها در یک فیکسچر قیفیشکل مهار میشوند و با اعمال خلأ، نمونه روغن کارکرده از محیط بیرونی الکترود عبور داده میشود. در طی این فرآیند، ذرات موجود در روغن توسط الکترود به دام میافتند.
پس از آن، روغن با استفاده از حلال شسته شده و الکترود خشک میشود. در این حالت، ذرات بر روی محیط بیرونی الکترود باقی میمانند و هنگام انجام آنالیز در دستگاه RDE تبخیر شده و قابل آشکارسازی خواهند بود.
از آنجا که استانداردهای روغن با غلظت وزنی مشخص از ذرات برای هر عنصر وجود ندارد، روش RFS بهصورت مقایسهای مورد استفاده قرار میگیرد. در عمل، ابتدا نمونه روغن با روش متداول RDE آنالیز میشود که اطلاعات مربوط به عناصر محلول و ذرات ریز را ارائه میدهد. سپس همان نمونه با روش RFS آنالیز میشود تا ذرات درشت سایش شناسایی شوند.
مقایسه نتایج این دو آنالیز، توزیع اندازه ذرات سایش در نمونه را مشخص میکند. حضور ناگهانی ذرات درشت ممکن است در آنالیز متداول قابل مشاهده نباشد، اما از طریق آنالیز RFS بهوضوح نمایان میشود.
فیکسچر RFS
اولین فیکسچر RFS برای آمادهسازی الکترودها جهت آنالیز ذرات درشت در اوایل دهه ۱۹۹۰ توسعه داده شد. این تجهیز از الکترودهای دیسکی استاندارد استفاده میکرد که در قیفها مهار میشدند تا ذرات بزرگ را فیلتر و جمعآوری کنند. این فیکسچر دارای پنج ایستگاه بود و امکان آمادهسازی همزمان پنج نمونه را فراهم میکرد. با استفاده از پمپ خلأ، نمونه از میان الکترود عبور داده میشد.
برای شستوشوی باقیمانده روانکار، فرآیند شستوشوی دستی با هپتان انجام میگرفت. زمان آمادهسازی هر الکترود بسته به ویسکوزیته و میزان آلودگی نمونه روغن متغیر بود؛ بهطوری که برای روغنهای نسبتاً تمیز، این زمان میتوانست ۴ تا ۵ دقیقه باشد، اما در نمونههای روغن موتور دیزل با سطح دوده بالا، زمان فیلتراسیون گاهی به ۳۰ دقیقه یا بیشتر میرسید.
فیکسچر اولیه RFS
عدم یکنواختی تخلخل در الکترودهای دیسکی استاندارد باعث تغییر در کارایی به داماندازی ذرات و در نتیجه کاهش تکرارپذیری نتایج میشد. همچنین، زمانهای طولانی آمادهسازی برای نمونههای بسیار آلوده، استفاده عملی از این روش را در برخی آزمایشگاهها با محدودیت مواجه میکرد.
این چالشها منجر به توسعه نسل جدیدی از این سیستم شد که با نام طیفسنجی فیلتر روترود خودکار (Automated Rotrode Filter Spectroscopy/A-RFS) شناخته میشود. در این نسخه، تکرارپذیری نتایج از طریق استفاده از الکترودهای کنترلشده، اتوماسیون فرآیند و بهکارگیری پمپ خلأ/فشار برای کاهش زمان آمادهسازی بهطور چشمگیری بهبود یافته است.
سیستم A-RFS
سیستم A-RFS یک تجهیز نیمهخودکار آمادهسازی نمونه با پنج ایستگاه فیلتراسیون است که بر همان اصول RFS اولیه کار میکند، اما از الکترودهای ویژه با تخلخل یکنواخت، چرخه شستوشوی خودکار و اعمال همزمان خلأ و فشار برای عبور سریعتر نمونه استفاده میکند.
الکترود جدید A-RFS بهصورت سفارشی و با مشخصات تخلخل کنترلشده تولید میشود. دیوارههای نازکتر این الکترودها موجب بهبود تکرارپذیری و کاهش زمان فیلتراسیون شدهاند.
مقایسه الکترود متداول و الکترود RFS
در فرآیند کاری معمول، الکترودهای A-RFS بر روی مجموعه گیره مخصوص نصب شده و در یکی از پنج ایستگاه آمادهسازی قرار میگیرند. هر گیره شمارهگذاری شده تا تطابق آن با نمونه روغن مربوطه بهراحتی قابل ردیابی باشد.
پس از قرار دادن نمونه و الکترود تازه، فرآیند خودکار آغاز میشود. پمپ خلأ اختلاف فشاری در حدود ۵ اتمسفر در دو سوی الکترود ایجاد میکند که باعث عبور نمونه از الکترود میشود. در این مرحله، ذرات درشت سایش بر روی سطح الکترود به دام میافتند. حسگر دستگاه زمان تکمیل فیلتراسیون را تشخیص داده و بهطور خودکار چرخه شستوشو و سپس خشککردن الکترود را آغاز میکند.
پس از عبور کامل روغن، شستوشوی باقیمانده و خشک شدن الکترود، فرآیند آمادهسازی RFS به پایان میرسد. سپس اپراتور مجموعه گیره را خارج کرده و الکترود را برای انجام آنالیز در دستگاه طیفسنج نصب میکند.
تفسیر دادههای RFS
بهمنظور ایجاد مبنای کالیبراسیون و اطمینان از یکنواختی دادهها، دستگاههای طیفسنج با استفاده از استانداردهای متالو–آلی معتبر تجاری یا نظامی کالیبره میشوند. این کار تضمین میکند که پاسخ دستگاه در طول زمان ثابت باقی مانده و امکان روندیابی فلزات سایش و ذرات آلاینده فراهم شود.
روش RFS یک ابزار تحلیلی قدرتمند است، زیرا اطلاعات تکمیلی ارزشمندی درباره ذرات واقعی سایش و آلودگی موجود در نمونه روغن ارائه میدهد. در فرآیندهای روتین آزمایشگاهی، معمولاً دو آنالیز بر روی هر نمونه انجام میشود:
۱. آنالیز متداول روغن برای شناسایی عناصر محلول و ذرات ریز
۲. آنالیز RFS برای آشکارسازی ذرات درشت و ترکیب عنصری آنها
ترکیب و روندیابی نتایج این دو آنالیز، تصویر شفافتری از وضعیت واقعی تجهیز در اختیار قرار میدهد.
نتیجه گیری
روش RFS بهویژه در برنامههای آنالیز روغن نظامی بهعنوان ابزاری ارزشمند شناخته شده است؛ هرچند در ابتدای معرفی چنین جایگاهی نداشت. این روش ابتدا در کاربردهای صنعتی توسعه یافت و امروزه نیز نقش مهمی در ارائه اطلاعات حیاتی برای آزمایشگاههای داخلی سازمانها و آزمایشگاههای تجاری آنالیز روغن ایفا میکند.
اطلاعات این مقاله برگرفته از این منبع میباشد.
