ÖLJYÄ KÄYTETÄÄN laajalti teollisuuden voitelu- ja hydrauliikkakohteissa. Pitkäaikaisessa käytössä sen laatua huonontavien tekijöiden määrä kasvaa ja toisinaan öljyn laadun heikkeneminen voi tapahtua hyvinkin nopeasti. Usein laatumuutokset voidaan havaita ensimmäiseksi öljyn värin muuttumisena. On-line -värimittauksella laadulliset muutokset voidaan havaita välittömästi ja ryhtyä korjaaviin toimenpiteisiin ennen merkittävien vahinkojen syntymistä.

Tunnettuja öljyn laatuun suoraan tai välillisesti vaikuttavia tekijöitä on runsaasti. Nämä tekijät saattavat liittyä jo öljyn valmistusprosessiin tai laadun käytönaikaiseen muuttumiseen. Kyseisiä tekijöitä ovat muun muassa [1], [2] jalostusaste, öljyn luonnollinen ikääntyminen, lisäaineet sekä niiden hajoaminen ja reaktiot, polymeroituminen, vesi, hapettuminen, lämpötila, ulkopuolelta tulleet kemialliset aineet, järjestelmästä irronneet metalli- ja muut partikkelit, liuenneet kaasut, jne.

Öljyn laatu ja laadun muutokset vaikuttavat oleellisesti öljyn suorituskykyyn käyttötarkoituksessaan. Vääränlaatuinen tai laadultaan heikentynyt öljy voi pahimmillaan aiheuttaa kalliita konerikkoja tai jopa henkilövahinkoja. Öljyn laadun- ja kunnonvalvonta onkin muodostunut merkittäväksi tekijäksi lähes kaikkialla teollisuudessa. Tähän tarkoitukseen on kehitetty hyvin kirjava valikoima erityyppisiä mittalaitteita, kuten [3] suhteellisen kosteuden ja absoluuttisen vesipitoisuuden mittareita, partikkelilaskureita, dielektrisyysvakioantureita, hapettumisen mittareita (TAN -luku), viskositeettimittareita ja värianalysaattoreita. Näiden laitteiden toimintaperiaatteet on puolestaan toteutettu monin eri teknisin ratkaisuin ja mittausmenetelmät vaihtelevat on-line -tyyppisistä laboratoriolaitteisiin. Osa laitteista on tarkoitettu tietyn, hyvin rajatun ominaisuuden tai laatuun vaikuttavan yksittäisen tekijän mittaamiseen; osa puolestaan kykenee indikoimaan useista tekijöistä johtuvia laadullisia muutoksia. Eräs tällainen laitekategoria on värianalysaattorit.

Kolmen värin yhdistelmä

Väri ei sellaisenaan ole fysikaalinen suure vaan hyvin subjektiivinen käsite [4]. Kohteen väriin vaikuttavat aina valaistusolosuhteet (valolähteen ominaisuudet), kyseisen kohteen valon eri aallonpituuksien heijastus- ja läpäisyominaisuudet sekä viimekädessä katsojan silmän reseptorien ja aivojen näköalueiden kyky käsitellä saapuvaa signaalia sekä katsojan opitut käsitykset väreistä. Etenkin silmän värinäön tuottavien tappisolujen herkkyys eri aallonpituuksille näyttelee värin käsitteessä merkittävää roolia. Värien ja niiden aistimisen ympärille onkin kehittynyt hyvin laaja oma tieteenalansa.

[4} 1800-luvun alkuun mennessä oli varmistunut, että värinäön aikaansaavia tappisoluja on kolmentyyppisiä: karkeasti jaoteltuna punaiselle (R), vihreälle (G) ja siniselle (B) herkkiä. Lisäksi oli havaittu, että kaksi eri spektrillä varustettua valostimulaatiota saattoi saada aikaan saman värin (metamerismi). Vuoden 1930 paikkeilla Wright ja Guild tekivät toisistaan riippumattomia visuaalisia kokeita johtaakseen ns. värinsovitusfunktiot käyttäen kolmea primääriväriä (monokromaattiset): punainen, vihreä ja sininen. Kokeisiin osallistuneiden henkilöiden tehtävänä oli vakioiduissa olosuhteissa säätää näiden primäärivärien määriä (suhteita) siten, että tulokset vastasivat annettuja monokromaattisia värinäytteitä. Näin 

KUVA 1. RGB-VÄRINSOVITUSFUNKTIOT

kyettiin selvittämään ihmisen värinäön herkkyyttä tietyille aallonpituuksille sekä metamerismi-ilmiötä. Vuonna 1931 CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) omaksui nämä tulokset standardisoiduiksi RGB värinsovitusfunktioiksi [kuva 1][6]. Tämä toimi osaltaan lähtölaukauksena lukuisten muiden väriavaruuksien kehitystyölle.

Värin käsitteen moniselitteisyydestä johtuen värinmittaamiseen ja tulosten numeeriseen ilmaisemiseen on kehitetty laaja valikoima yksinkertaistettuja, standardoituja, käyttötarkoituksesta riippuvia asteikoita useiden eri organisaatioiden toimesta. Omat väriasteikot löytyvät mm. [5] öljyille, oluelle, hunajalle, lateksille, viskille, maidolle, veren ureapitoisuudelle sekä monille muille käyttökohteille.

Väriasteikko kertoo tummuuden

Eräs yleisimmin käytetty nimenomaan öljyille tarkoitettu väriasteikko on ASTM D 1500 [7]. Se on laajasti hyödynnetty etenkin öljynjalostusteollisuudessa indikoimassa tuotteiden jalostusastetta ja asiakkaille näkyvää värin tasalaatuisuutta. Toisaalta asteikkoa käytetään yleisesti myös öljyjen kunnon valvonnassa osoittamaan laadussa tapahtuvia muutoksia.

KUVA 2. Viitteellinen kuva ASTM D 1500 väriasteikosta (värit saattavat poiketa todellisista johtuen muun muassa näyttöpäätteiden ja tulostimien väritarkkuuksista).

ASTM D 1500 on yksidesimaalinen, yksiulotteinen puhdas luku asteikolla 0,5 – 8,0 sisältäen 16 arvoa 0,5 välein. Luku 0,5 vastaa hyvin vaaleaa ”oljenkorren sävyä” ja 8,0 syvän punaista (lähes mustaa) [kuva 2].

ASTM D 1500 testausmenetelmän mukaisesti öljynäytteen väri arvioidaan vertaamalla sitä standardoituihin (ASTM D 1500) värillisiin lasilevyihin standardoiduissa olosuhteissa. Perinteisesti suorittamalla testausmenetelmällä päästään huonoimmillaan (1:20 tapauksessa) yhden (1,0) väriyksikön tarkkuuteen.

Asteikko soveltuu käytettäväksi värinmääritykseen varsin monille öljyjalosteille, kuten [7] voiteluöljyille, lämmitysöljyille, dieselöljyille ja jopa öljypohjaisille vahoille. Kerosiinille, bensiinille ja muille hyvin vaaleasävyisille (väri vaaleampi kuin 0,5 ASTM D 1500 asteikolla) öljyjalosteille asteikko ei sovellu. Tällöin voidaan käyttää esimerkiksi ASTM D 156 (Saybolt) asteikkoa ja testausmenetelmää [8].

KUVA 3. Alkoholin hapettuminen aldehydiksi ja edelleen karboksyylihapoksi

Monet öljyn laatuun vaikuttavat tekijät, kuten [1], [2], [7] jalostusaste, hapettuminen, partikkelit, ikääntyminen, jne. vaikuttavat suoraan myös öljyn väriin. Yleisesti ottaen ikääntyessään, ja siten mm. edellä mainittujen tekijöiden tilan muuttuessa, öljy tummuu. Öljyn värin mittaaminen antaakin hyvän yleiskuvan mahdollisesta öljyn laadunvaihtelusta tai ikääntymisestä. Vaikka väri ei välttämättä aina suoraan kerro mitään absoluuttista öljyn laadusta tai sen toiminnallisista ominaisuuksista, etenkin värin muutos on selvä indikaatio ainakin jonkin laadullisen ominaisuuden muuttumisesta. Tämä voi siten toimia ennakkovaroituksena esimerkiksi voitelujärjestelmän alkavasta vauriosta, öljynvaihdontarpeen lähestymisestä tai siitä, että jalostusprosessissa on jotain muuttunut. Ainakin värin muuttuessa yli (esimerkiksi kokemusperäisesti) asetettujen rajojen osataan ryhtyä ennakoiviin toimenpiteisiin ja tarvittaessa analysoimaan käytettävää tai prosessoitavaa öljyä tarkemmin.

Hapettuminen muuttaa väriä

Eräs merkittävimmistä öljyn väriä muuttavista ja öljyn laatua sen ikääntyessä huonontavista tekijöistä on hapettuminen [1]. Öljyn hapettuessa sen hiilivety luovuttaa elektroneja hapelle. Samalla happi, ottaessaan elektronit vastaan, luonnollisesti pelkistyy. Tätä reaktiota osaltaan nopeuttavat korkea lämpötila ja öljyn mahdollisesti sisältämät eräät katalyyttiset aineet, kuten kupari ja lyijy.

Hapettumisreaktiossa syntyy mm. alkoholeja, jotka edelleen hapettuvat aldehydeiksi ja ketoneiksi. Näistä aldehydit puolestaan hapettuvat edelleen karboksyylihapoiksi [kuva 3]; ketonit eivät enää hapetu. Karboksyylihapot syövyttävät hyvin lyijypitoisia metalleja. Toisaalta öljystä haihtuessaan pienimolekyylisen hapon vesiliuos saattaa syövyttää jopa pinnan yläpuolisia osia.

Hapettumisreaktion edetessä hiilivetyketjut pitenevät. Nämä polymeroitumistuotteet sakkautuvat helposti ja aiheuttavat öljyjärjestelmään lietettä, joka pahimmillaan voi jopa tukkia sen. Lisäksi hapettuneen öljyn osuessa kuumaan pintaan se muodostaa herkästi kyseiselle pinnalle lakkamaisen kerrostuman, mikä mm. pienentää välyksiä ja aiheuttaa siten lämpötilan nousua. Tämä puolestaan edelleen nopeuttaa hapettumisreaktiota.

Hapettumisilmiö on helpoimmin havaittavissa öljyn värin muutoksena [1]. Väri muuttuu hapettumisen edetessä tummaksi ja lopulta lähes mustaksi. Tämän värimuutoksen tarkasteluun soveltuu parhaiten edellä esitelty ASTM D 1500 väriasteikko. Yleisesti käytetty hapettumisasteen mittari on ns. kokonaishappoluku (TAN, Total Acid Number), mikä määritetään standardin ASTM D 664 menetelmällä [9]. Kokonaishappoluku on kuitenkin hapettumisilmiöön varsin hitaasti reagoiva mittari, minkä tuloksia osaltaan hieman vääristävät öljyn alkuperäiset lisäaineistukset. Lisäksi, koska ASTM D 644 -menetelmän mukainen määritys tehdään titraamalla laboratoriossa, esimerkiksi on-line -tyyppinen värimittaus antaa huomattavasti nopeamman palautteen öljyn hapettumisasteen muutoksesta.

On-line –värimittaus laadunvarmistukseen

Perinteisen laboratorioissa tapahtuvan ASTM D 1500 [7] -standardin mukaisen väritestauksen rinnalle on tullut myös automaattisia on-line -tyyppisiä värimittareita. Nämä mittarit voidaan kalibroida joko käyttämällä em. standardin mukaista laitteistoa ja järjestelyä tai kalibrointitarkoitukseen soveltuvien nestemäisten ASTM D 1500 -standardireferenssivärien avulla.

Automaattisten mittareiden selkeänä etuna verrattuna perinteiseen analysointimenetelmään on niiden parempi tarkkuus johtuen inhimillisen tekijän puuttumisesta. Siinä, missä ASTM D 1500 mukaisesti suoritetun analyysin tarkkuus on huonoimmillaan 1,0 yksik köä 1:20 tapauksessa [7], voidaan näillä automaattisilla mittareilla päästä jopa selvästi alle 0,5 yksikön tarkkuuksiin vieläpä huomattavasti paremmalla toistettavuudella. Itse asiassa, koska tämän tyyppiset laitteet voidaan virittää näyttämään tulokset vaikka useamman desimaalin tarkkuudella, ne voivat periaatteessa olla tarkempia kuin varsinainen standardi edes edellyttää tai määrittelee. Lisäksi etenkin on-line -tyyppisessä mittauksessa reaktio värimuutoksiin tapahtuu välittömästi ja tulokset saadaan reaaliaikaisesti. Öljynäytteitä ei siten tarvitse kerätä ja toimittaa laboratorioon; laboratoriotuloksia ei tarvitse odotella saati näihin palveluihin investoida. Nopea reaaliaikainen tieto öljyn värin muutoksista auttaa ennakoimaan huolto-, öljynvaihto- tai jalostusprosessimuutostarpeita ja siten voidaan välttyä mahdollisilta merkittäviltä vahingoilta.

OILCOL öljyn värianalysaattori

EDELLÄ ESITELTYJEN lähtökohtien ja tutkittujen asiakastarpeiden pohjalta aloitti Kytola Instruments Oy yhteistyökumppaneidensa (mm. VTT) kanssa kehitystyön, jossa tähdättiin luotettavan on-line -tyyppisen öljyn ASTM D 1500 -värimittarin kehittämiseen. Laitteen oli lisäksi osaltaan tarkoitus täydentää yrityksen öljyjärjestelmien valvonnan tuoteperhettä perinteisten rotametrien, soikioratasmittareiden sekä jo pidemmällä aikavälillä suosituksi tulleen ja hyväksi todetun OILAN (öljyn

vesipitoisuusanalysaattori) -laiteen rinnalla. OILCOL Oil Color Analyzeriksi nimetty laite mittaa öljyn väriä ASTM D 1500 -standardin mukaisella asteikolla ja ilmoittaa tuloksen lukutarkkuudella 0,1. On-line -tyyppinen mittalaite, joka toisaalta soveltuu käytettäväksi myös liikuteltavana analysaattorina, antaa öljyn väristä reaaliaikaista tietoa. Jämäkkä, alumiinirunkoinen laite on helppo asentaa ja käyttöönottaa. Sähköisinä kytkentämahdollisuuksina löytyvät sarjaliityntä (Modbus) ja milliampeerilähtö (4 - 20 mA). Laitetta voidaan käyttää lähes kaikille öljytuotteille, joille ASTM D 1500 asteikko soveltuu, kuten [7] voitelu-, lämmitys-, diesel- ja mineraaliöljyt. Lisäksi rakenteensa ja ympäristöolosuhteiden kestävyytensä (-20 °C +70 °C) ansiosta se on asennettavissa hyvin monenlaisiin käyttöympäristöihin, kuten paperi-, kaivos- ja petrokemianteollisuus tai off-shore -toiminta.

 [1]: FLUID Finland 1-2005, K Räty, ”Öljyn hapettuminen”. [2]: FLUID Finland 1-2005, L Manninen, B Lindström, K Kurjanen, T Nousiainen, J Koskinen, ”Öljyn puhtaanapito – vasaraa parempi menetelmä”. [3]: FLUID Finland 3-2004, Fluid klinikka No 9, R Parikka, V Vidqvist, ”Anturit ja mittalaitteet öljyjen kunnonvalvonnassa”. [4]: Paper for IS&T NIP Conference, Vancouver, Canada, Oct. 16-20, 2000, Y Ohno, Optical Technology Division, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburq, MD 20899 USA, “CIE Fundamentals for Color Measurements”. [5]: www.lovibondcolour.com/colour-scales (haettu 28.11.2013) [6]: en.m.wikipedia.org [7]: ASTM D 1500 –standard, “Standard Test Method for ASTM Color of Petroleum Products (ASTM Color Scale)”. [8]: ASTM D 156 –standard, “Standard Test Method for Saybolt Color of Petroleum Products (Saybolt Chromometer Method)”. [9]: ASTM D 664 –standard, “Standard Test Method for Acid Number of Petroleum Products by Potentiometric Titration”.

Heikki Heiskanen 

(FL), Laatupäälikkö,

Kytola Instruments Oy,

heikki.heiskanen@kytola.com