CN113418477B - 一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，步骤为，取标记了正电子核素的润滑油，使核素均匀混合于润滑油中；将标记了核素的润滑油分别注入被测件和参照件的润滑装置中；让被测件和参照件同时运作一段时间，使被测件内腔壁附着一层带有核素的润滑油；利用γ光子探测装置获得一段时间线上的被测件和参照件的符合线数量；根据参照件的实验数据确定一段时间线上油膜厚度‑符合线数量关系；对比被测件与参照件的符合线数量，得到被测件内腔油膜厚度。本发明降低了测量成本，提高了测量精度，通过无接触、无嵌入的方式实现对内腔真实状态下的油膜厚度的无损测量。
Description
技术领域
本发明属于油膜厚度测量方法，特别涉及了一种基于正电子湮灭技术的油膜厚度测量方法。
背景技术
在工业领域，对复杂设备腔内油膜厚度的精确测量逐渐成为研究其内部性能不可或缺的一部分。以工业设备中润滑系统为例，其腔内附着油膜厚度可以直接反应出该润滑系统是否完备，是润滑系统能否高效运行至关重要的的一个因素。
例如，在发动机润滑系统中，系统能否正常运行，对于汽车燃油效率有着极大的影响。缸套-活塞环摩擦副是内燃机中最重要的摩擦副之一，有研究表明缸套- 活塞环组件的摩擦损失占整个内燃机摩擦损失的50％-68％，因此缸套与活塞环的工作情况直接影响到内燃机的动力性、经济性和可靠性。而缸套-活塞环润滑状态的好坏对改善缸套- 活塞环组件的摩擦磨损起着至关重要的作用，缸套 -活塞环间润滑油膜的厚度是反应活塞环与缸套间润滑性能的重要参数，缸套-活塞环间油膜厚度参数可以反映出包括活塞往复速度、润滑油的粘度、活塞环的表面轮廓、缸套的变形以及表面粗糙度的大小等多重因素，所以对于发动机泵体内腔壁润滑油油膜厚度的测量极为必要。
目前测量油膜厚度的方法有多种，大致可分为直接测量和间接测量两种。
直接测量的方法包括电阻法、电容法、超声波法、X射线法、荧光诱导法。电阻法根据测得的电阻大小来区分油膜厚度大小，但由于油膜电阻非常大，而油膜厚度很小，因此难于标定；电容法将所测电容代入电容公式计算得出油膜厚度，但由于电容是由两表面间整体距离决定的，不能得到最小油膜厚度，仅能用于膜厚均匀的场合，因此通过电容公式计算的膜厚也并不能代表某个位置的膜厚，而且这个值与理论计算的值也有偏差。超声测量法通过介质间界面反射信号的时间差及声波在介质中的传播速度来确定油膜厚度，当油膜厚度变小，直到信号叠加，这种方法就不再适用，且受空穴效应影响大，极易对测量结果产生较大影响。激光诱导荧光法要求实验发动机缸套为透明缸套，不能够准确反映出现实中发动机运行时真实油膜状态，且由于荧光强度会受到环境因素和采集时拍摄参数的综合影响，会造成一定实验误差。
间接测量的方法采用多路光纤位移传感器或电涡流传感器进行测量。间接测量时，虽然能得到最小油膜厚度及油膜厚度分布，但除了传感器精度造成的影响以外还受加工误差、弹性变形等因素的影响，计算得到的油膜厚度及其分布与实际会有偏差。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，解决现有测量方法实验成本高，步骤复杂，测量误差大，精度不高等问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，包括以下步骤：
(1)取标记了正电子核素的润滑油，使核素均匀混合于润滑油中；
(2)将标记了核素的润滑油分别注入被测件和参照件的润滑装置中，其中参照件与被测件的材质和内腔结构相同；
(3)让被测件和参照件同时运作一段时间，使被测件内腔壁附着一层带有核素的润滑油，其中参照件内腔上的油膜厚度已知，被测件内腔上的油膜厚度未知；
(4)利用γ光子探测装置获得一段时间线上的被测件和参照件的符合线数量；
(5)根据参照件的实验数据确定一段时间线上油膜厚度-符合线数量关系；
(6)对比被测件与参照件的符合线数量，得到被测件内腔油膜厚度。
进一步地，采用18F作为正电子核素。
进一步地，润滑油中核素的浓度为5-20mci/L。
进一步地，将核素标记到可溶于酯的化合物中再与工作介质混合，然后将工作介质溶于 润滑油中制成混合溶液。
进一步地，通过以下方法确保工作介质中18F的均匀分布：
首先，将标记的可溶于酯的化合物与工作介质混合，其总活性测量为X；
然后，将混合物振荡5分钟，从混合物中提取三个样品，每个样品占总体积的十分之一；
最后，测量三个样品的活性Y1、Y2和Y3，并满足两个标准，其中一个标准是Y1、Y2和Y3两两之间的差值不超过5％，另一个标准是(Y1+Y2+Y3)/3 与X/10之间的差值不超过5％。
进一步地，所述γ光子探测装置包括一对γ光子探测器，调节使得该对探测器与油膜所附着的一侧内腔壁呈一固定角度，并且使得该对探测器保持固定距离且油膜位于该对探测器中心点，获取符合线数量。
进一步地，需要对测得的符合线进行剔除和筛选，使得检测标准统一。
进一步地，一对探测器连线所对应的区域为确定区域；而对于不确定区域，不同被测件的测量面积不一样，但是不确定区域同样会被探测器记录下符合线数量，应当对该区域产生并被记录的符合线进行剔除。
进一步地，在确定区域内，对获取的数据进一步筛选：每个探测器分布有若干探测晶体，一对探测器的各探测晶体是一一对应的，为一一对应的探测晶体所测得的符合线，予以记录，对非对应探测晶体测得的符合线进行剔除。
进一步地，所述油膜厚度-符合线数量关系包括线型关系常数。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明在润滑油中标记一定量正电子核素试剂，通过控制一定的检测时间，即可以获得足够多的响应线数量，从而使得在符合线数量-油膜厚度的线型关系上大大提高了分辨率，更具有可行性；同时实现无接触，无嵌入的方式实现对发动机真实运行状态下的油膜厚度的无损测量。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明中不确定区域的符合线剔除示意图；
图3为本发明中确定区域的符合线筛选示意图；
图4为本发明中探测器安装位置示意图；
图5为参照实验示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
调研发现，检测发动机油膜厚度领域还未有正电子湮灭技术的研究。这种方法用探测器对装有标记有核素的润滑油的发动机进行探测，正电子湮灭产生两个几乎同时向相反方向飞出的γ光子。γ光子具有强穿透性，能够轻松穿透工件外壳，并且被通过γ光子探测仪探测并且记录下来，这个过程被称为γ光子符合事件，符合事件的个数与油膜厚度成线性关系。结合这个特点，使得正电子湮灭技术探测油膜厚度成为可能。
本发明设计了一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：取标记了正电子核素的润滑油，使核素均匀混合于润滑油中；
步骤2：将标记了核素的润滑油分别注入被测件和参照件的润滑装置中，其中参照件与被测件的材质和内腔结构相同；
步骤3：让被测件和参照件同时运作一段时间，使被测件内腔壁附着一层带有核素的润滑油，其中参照件内腔上的油膜厚度已知，被测件内腔上的油膜厚度未知；
步骤4：将γ光子探测装置系统安置在合适位置，利用γ光子探测装置获得一段时间线上的被测件和参照件的符合线数量；
步骤5：根据参照件的实验数据确定一段时间线上油膜厚度-符合线数量关系；
步骤6：对比被测件与参照件的符合线数量，得到被测件内腔油膜厚度。
在本实施例中，优选地，采用18F作为正电子核素，以便于在半衰期内完成测试。由于带有18F正电子放射性核素的润滑油溶剂中正电子的不均匀分布，可能会出现假象并误导检测，导致人为不连续性。提出了一种将18F标记到燃料工作介质中的化学方法，基于“类似溶解类似”的原理，酯溶性化合物(如BTE前体) 能够与润滑油介质相互溶解，由此通过一系列物理操作和化学反应完成18F标记。通过以上方法，用18F原子取代氟脱氧葡萄糖(FDG)分子的羟基，将18F标记到载体溶剂中。混合均匀后，可将制成的载体溶剂溶于润滑油中制成混合溶液。
由于带有18F正电子放射性核素的润滑油溶剂中正电子的不均匀分布，可能会出现假象并误导检测，导致人为不连续性。可以通过三个步骤以确保工作介质中18F的均匀分布。首先，将标记的可溶于酯的化合物与工作介质混合，其总活性测量为X。然后，将混合物振荡5分钟，从混合物中提取三个样品，每个样品占总体积的十分之一。最后，测量所有三个样品的活性Y1、Y2和Y3。即使满足两个标准，也要考虑工作介质中的18F分布，其中一个标准是Y1、Y2和Y3 之间的差值不超过5％，另一个标准是(Y1+Y2+Y3)/3和X/10之间的差值也不超过5％。
具有18F作为正电子放射性核素的润滑油中核素的浓度为5-20mci/L，该范围核素浓度下可以避免因浓度过低造成的数据量不足和浓度过高造成的探测器获取泄露，从而取得最好的测量效果。
记录在探测器探测下的混合液所得的符合线数量和探测时间有关，在相同的探测时间下测量，可以减少因时间对测量带来的影响和误差。为了降低核素衰变对后续测量的影响提高测量精度，又能够记录充分多的符合线数量，选取扫描时间为60秒。
确定待探测油膜位于探测器的连线中心上。为减小误差，每组检测各进行三组，取其均值，从而减小误差带来的影响。
正电子湮灭过程产生符合事件(响应线)，其中除了真实符合事件外，还包括散射复合事件和随机符合事件，应对所获得的的符合线进行筛选。以现有的一实验探测器为例，该探测器中有6*6个探测晶体，一对探测器中共有72个探测晶体。每个探测晶体为2mm的正方体，即探测器每个面为边长1.2cm的正方形。
如图2所示，一对探测器连线所对应的区域为1.2cm*1.2cm的确定区域B，而对于不确定区域A，不同被测件A区域的测量面积不一样，但是A区域同样会被探测器记录下符合线数量，应当对该区域产生并被记录的符合线进行剔除。
在确定区域内同样也需要对获取数据进一步筛选，具有6*6个探测晶体的传感器，每一个探测器阵列分布有36个探测晶体，如图3所示，根据每一行、列对探测晶体标号，A11探测晶体对应于B11探测晶体，对于确定区域内，只选取对应探测晶体探测所得的符合线。例如，图中符合线为相互一一对应的探测器所测得的，予以记录；对非对应探测晶体测得的符合线进行剔除。由于每一个探测晶体仅为2*2毫米的正方形，可近似看做一点，从而实现了PET探测器阵列面上对于点的测量。
为避免探测两层油膜带来的误差，利用该测量装置结构简单，操作方便的特点，可以灵活地实现对气缸油膜厚度的测量，如图4所示，通过调节旋转仪使得两探测器与油膜所附着的一侧内腔壁呈现一固定角度，并且使得该对探测器保持固定距离、油膜位于该对探测器中心点，测得获取的符合线数量。然后仅需进行大于等于三组标定实验即可轻松获得在确定角度、确定探测器间距下的符合线数量-油膜厚度的线性关系。
需要确定参照物从而避免核素活度对于符合线数量的影响，从而提升测量的精度。对于待测油泵，用相同材质制作几个油膜厚度确定的参照件，参照件同被测油泵具有相同的内部腔体结构，其中被测件油膜厚度未知待测，参照件油膜厚度已知。在相同核素活度下同时进行测量，仅需对参照件进行实验分析即可得到相应的油膜厚度-符合线数量的关系，从而实现该类型被测油泵对于任意厚度下被测油泵内腔油膜厚度的测量。如图5所示，左边为被测油泵，右侧为参照模型，在进行实验时，使得两对探测器同被测件、参照件各自内腔壁所附着的一层油膜呈现相同角度，其中A1与B1探测器、A2与B2探测器一一对应构成两对探测器。通过该方法从而避免了核素活度对测量带来的影响。
为了减小被测件中原有不带核素的润滑油所造成的影响，将制成的带核素润滑油充分混合，分别注入厚度已知的参照件和厚度未知的被测件中，同时运行足够长的时间从而使得旧油耗尽，新油替换。确定一段固定运行时间，该固定时间为每对探测晶体记录一定数量响应线个数的时间(例如可确定符合线数量为1000 条，但不限于1000条)，并以此时间点为初始时刻，通过γ光子探测器重新记录符合线数量，按照上述方案进行符合线剔除、筛选后制成一段时间线上每一时刻的符合线衰减曲线。通过分析几组厚度已知的参照件符合线衰减曲线从而建立一段时间线上的符合线数量-油膜厚度线型关系，比对后即可得到被测件的油膜厚度。
在具体的实施例中，某一时刻的响应线数量为N：
N＝khBq(t) (1)
其中：k为响应线系数，该值与油泵材质、尺寸、壁厚有关；h为油膜厚度；Bq(t) 为经过t时间衰变后的核素强度。
油膜厚度h1未知的被测件某一时刻的响应线数量N1为：
N1＝k1h1Bq1(t) (2)
油膜厚度h2已知的参照件某一时刻的响应线数量N2为：
N2＝k2h2Bq2(t) (3)
对于某一类型的被测油泵，参照件同被测油泵具有相同的材质和内部腔体结构，可知k1等于k2。
又因为参照件和被测件同时运行足够长的一固定时间，在保证新旧油完全替换的前提下，确定了相同的初始时刻，消除了时间t对活度的影响，从而消除了活度对实验的影响，即Bq1(t)＝Bq2(t)。
由式(2)、(3)可得：
N1/N2＝h1/h2 (4)
由于N1，N2，h2已知，从而算出被测件油膜厚度h1。
本发明利用探测器符合线数量与油膜厚度成线型关系的规律，相较于激光诱导荧光法中价格昂贵的双快门相机，超声检测法对于环境极为严苛的要求，X射线法极易产生大量有害辐射，微型传感器法对传感器精度要求极高。本发明在润滑油中标记一定量正电子核素试剂，通过控制一定的检测时间，即可以获得足够多的响应线数量，从而使得在符合线数量-油膜厚度的线型关系上大大提高了分辨率，更具有可行性。同时实现无接触，无嵌入的方式实现对发动机真实运行状态下的油膜厚度的无损测量。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取标记了正电子核素的润滑油，使核素均匀混合于润滑油中；
(2)将标记了核素的润滑油分别注入被测件和参照件的润滑装置中，其中参照件与被测件的材质和内腔结构相同；
(3)让被测件和参照件同时运作一段时间，使被测件内腔壁附着一层带有核素的润滑油，其中参照件内腔上的油膜厚度已知，被测件内腔上的油膜厚度未知；
(4)利用γ光子探测装置获得一段时间线上的被测件和参照件的符合线数量；
(5)根据参照件的实验数据确定一段时间线上油膜厚度-符合线数量关系；
(6)对比被测件与参照件的符合线数量，得到被测件内腔油膜厚度。
2.根据权利要求1所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，采用18F作为正电子核素。
3.根据权利要求1所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，润滑油中核素的浓度为5-20mci/L。
4.根据权利要求1所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，将核素标记到可溶于酯的化合物中再与工作介质混合，然后将工作介质溶于 润滑油中制成混合溶液。
5.根据权利要求4所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，通过以下方法确保工作介质中18F的均匀分布：
首先，将标记的可溶于酯的化合物与工作介质混合，其总活性测量为X；
然后，将混合物振荡5分钟，从混合物中提取三个样品，每个样品占总体积的十分之一；
最后，测量三个样品的活性Y1、Y2和Y3，并满足两个标准，其中一个标准是Y1、Y2和Y3两两之间的差值不超过5％，另一个标准是(Y1+Y2+Y3)/3与X/10之间的差值不超过5％。
6.根据权利要求1所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，所述γ光子探测装置包括一对γ光子探测器，调节使得该对探测器与油膜所附着的一侧内腔壁呈一固定角度，并且使得该对探测器保持固定距离且油膜位于该对探测器中心点，获取符合线数量。
7.根据权利要求6所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，需要对测得的符合线进行剔除和筛选，使得检测标准统一。
8.根据权利要求7所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，一对探测器连线所对应的区域为确定区域；而对于不确定区域，不同被测件的测量面积不一样，但是不确定区域同样会被探测器记录下符合线数量，应当对该区域产生并被记录的符合线进行剔除。
9.根据权利要求8所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，在确定区域内，对获取的数据进一步筛选：每个探测器分布有若干探测晶体，一对探测器的各探测晶体是一一对应的，为一一对应的探测晶体所测得的符合线，予以记录，对非对应探测晶体测得的符合线进行剔除。
10.根据权利要求1所述基于正电子湮灭技术的油泵内腔油膜厚度测量方法，其特征在于，所述油膜厚度-符合线数量关系包括线型关系常数。
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2021
- 2021-06-16 CN CN202110664729.9A patent/CN113418477B/zh active Active
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Also Published As
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