胡國星，徐大剛，荀其寧，拓銳，楊欣欣，張彬

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，山東濟南250031)

0 引言

油料在運輸、存儲和使用過程中，發(fā)生流動、噴射、過濾、沖擠、灌注和劇烈晃動等一系列接觸、分離現(xiàn)象，使油料在儲運過程中產生靜電。當靜電聚集到一定程度時，就可能因火花放電而發(fā)生火災和爆炸事故。目前，大多在油料中添加防靜電劑，增加油料的導電能力，及時將靜電導出，以保證油料的安全性，因此，實時監(jiān)測油料的電導率在油料安全性保障中十分重要［1］?，F(xiàn)階段，我國大多采用對油品采樣后送實驗室檢測的方法，因其測量存在時間間隔、地域差異和環(huán)境變化，無法及時對油品質量監(jiān)控，同時測量數(shù)據(jù)的可比性存在爭議，因此一定程度上凸顯了油品安全性測量的局限性。

1 裝置功能介紹和主要技術指標

針對以上存在的問題，采用“分體設計，兼容對接”的設計思路，研制了一種在線油料電導率測量裝置。該測量裝置可測量輕質石油產品的電導率值，同時增加了測量被測油料溫度、環(huán)境濕度和大氣壓力的功能，通過溫度系數(shù)對各溫度下的測量值進行修正，保證了油料安全特性數(shù)據(jù)測量的實時性和完整性，使得不同地域對同批次油料測量數(shù)據(jù)的可比性得以實現(xiàn)，提高了油料質量管理和溯源的科學性。

在線油料電導率測量裝置設計的主要技術指標如下:

1)測量范圍:0 ～1999 pS/m;

2)測量誤差:±3%;

3)溫度范圍:-30 ～55 ℃;

4)大氣壓力:50 ～115 kPa;

5)顯示方式:數(shù)字顯示，三位半。

2 裝置設計

2.1 總體設計

在線油料電導率測量裝置主要分為顯示控制模塊，電導測量模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊三個部分。顯示控制模塊主要包括單片機控制器、顯示電路、鍵盤電路;電導測量部分主要包括基準電壓電路、弱電流放大電路、模數(shù)轉換電路;環(huán)境監(jiān)測部分主要包括溫度測量電路、濕度測量電路、大氣壓路測量電路。其總體框架圖如圖1所示。

圖1 裝置總體框架圖

在線油料電導率測量裝置采用電池供電，也可通過外部充電器直接供電，通過供電電路完成對整機供電，基準電壓電路產生基準電壓加載到電導池上，流經電導池內輕質油料的電流經弱電流放大器放大后，進入模數(shù)轉換器，轉換成數(shù)字信號后，由單片機處理器內程序計算得出被測輕質油料的電導值(電阻值)，計算結果由顯示屏顯示出來;通過操作鍵盤，調節(jié)顯示內容和顯示模式，設置電導池參數(shù)、溫度系數(shù)和溫濕度、大氣壓力修正值。

2.2 顯示控制模塊設計

顯示控制模塊是油料電導率測量裝置的管理中心，負責整個裝置的邏輯控制、結果運算、數(shù)據(jù)存儲。該裝置的功能較多，程序工作量較大，同時需要存儲校準數(shù)據(jù)，所以單片機內部需要有足夠的存儲空間;模塊上的顯示電路采用定制液晶顯示器，顯示實時測量數(shù)據(jù)和操作菜單;按鍵電路采用2×2 陣列按鍵，進行裝置工作狀態(tài)選定、菜單操作、參數(shù)設置和定點校準。

基于以上功能設計，單片機要完成的功能較多，需要較強的硬件功能模塊以增強裝置的實用性。為滿足裝置多參數(shù)測量的控制要求，采用STM32F103 單片機作為內核控制器。該單片機使用32 位的RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機)內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達512 K 字節(jié)的閃存和64 K 字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB 總線的外設，同時內部包含3個12 位的ADC、4 個通用16 位定時器和2 個PWM 定時器，完全滿足本設計的需求。

2.3 電導測量模塊設計

電導測量模塊是油料電導率測量裝置的核心，主要負責弱電流信號的采集、放大和模數(shù)轉換。

弱電流信號的采集采用圓柱形電導池，制作材料選用不銹鋼，可有效防止油品對電導池的腐蝕;圓柱形設計可獲得較小的電導池常數(shù)(兩電極間距與相對截面積的比值)，提高油料電導率測量裝置的測量范圍。

信號放大采用AD549 運算放大器，該運算放大器采用激光調節(jié)，專用于極低輸入電流，輸入極具有1015Ω 的工模阻抗，輸入失調電壓和漂移為0.25 mV 和5 μV/℃;模數(shù)轉換采用單片機STM32F103 自帶12 位數(shù)模轉換器，滿足本設計的指標要求。

2.4 環(huán)境監(jiān)測模塊設計

環(huán)境監(jiān)測模塊主要負責環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力的測量，可對電導率值進行修正，滿足不同地域、不同溫度下數(shù)據(jù)的對比。

2.5 裝置的軟件設計

考慮到裝置的實時性要求以及采用了多種終端子程序，軟件設計采用C 語言編寫，采用模塊化程序設計方法。

系統(tǒng)主要完成的軟件包括三部分:裝置的測量主程序;定時中斷采樣及處理程序，包括溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器信號采樣的程序;按鍵響應中斷子程序。

三部分的工作配合模式:啟動裝置電源，系統(tǒng)運行測量主程序，定時調用中斷采樣及處理程序，若無按鍵中斷，系統(tǒng)一直工作于這種模式。當按鍵按下時，系統(tǒng)響應按鍵中斷，程序被調度至按鍵響應中斷子程序，根據(jù)不同的按鍵做出響應的處理。本系統(tǒng)設定的中斷按優(yōu)先級從高到低依次為:按鍵中斷，定時采樣處理。當中斷同時發(fā)生時，先處理按鍵中斷，然后響應定時采樣及處理。一旦程序響應按鍵中斷，裝置在響應過程中不進行采樣測量。軟件控制流程圖如圖2。

3 性能檢驗

依據(jù)GJB/J 3049-97《輕質油料電導率儀檢定規(guī)程》對本套在線油料電導率測量裝置進行檢定/校準，主要檢定項目為電子單元示值誤差、重復性和穩(wěn)定性，這三部分的檢定方法［2-4］和檢定結果如下。

3.1 電子單元示值誤差

圖2 軟件控制流程圖

實驗室溫度為22℃，濕度為53%RH。將被檢儀器(在線油料電導率儀測量裝置)與標準高阻箱連接，在標準高阻箱給定的七個檢定點中，根據(jù)被檢儀器的適用范圍任選不少于三個檢定點進行檢定。對應所選定的檢定點，讀出被檢儀器的電導率顯示值，每一檢定點測量6 次，檢定結果見表1。表1 中:G 為標準電導值;κij為第i 個檢定點第j 次電導率測量值，j=1，…，6;為第i 個檢定點處電導率測量平均值;Δκi為測量相對誤差。

表1 電子單元示值誤差檢定結果

由表1 可見，在線油料電導率儀測量裝置的電子單元示值誤差小于設計值，滿足設計要求。

3.2 儀器重復性

實驗室溫度為22℃，濕度為47%RH。將在線油料電導率測量裝置的電導池清洗干凈，并干燥。取1 L電導率值為(187±5)pS/m 的油樣(經實驗室高精度電導率儀在25℃恒溫下測量)，放置于恒溫水槽(設置溫度為25℃)中，待油樣溫度平衡后，開啟在線油料電導率測量裝置至狀態(tài)穩(wěn)定，將電導池放入待測油樣中，測量時間為3 s，記錄最高讀數(shù)，測量次數(shù)為20次，重復性測量結果見表2。表2 中:κh為第h 次電導率測量值，h=1，…，20;為電導率測量平均值;Δκh為第h 次測量殘差。

由表2 數(shù)據(jù)可見，在200 pS/m 范圍內，油料電導率測量最大殘差為5 pS/m，小于檢定規(guī)程規(guī)定的技術指標，可滿足油料電導率在線測量的要求。

表2 在線油料電導率儀測量裝置重復性結果 pS/m

3.3 儀器穩(wěn)定性

穩(wěn)定性考察從2013年10月到2014年3月，時間間隔為1 個月，共進行6 組測量。將油料電導率儀測量裝置電子單元與標準高阻箱連接，標準高阻箱輸出值設置為200 pS，記錄油料電導率儀測量裝置顯示值。測得數(shù)據(jù)見表3。表3 中:κm為第m 組測量值;為m 組測量平均值;Sm/κ標為儀器穩(wěn)定性。

表3 在線油料電導率儀測量裝置穩(wěn)定性考察結果

由表3 可知，在線油料電導率測量裝置在6 個月內的測量值的穩(wěn)定性為1.4%，滿足使用要求。

4 結論

在線油料電導率測量裝置通過不銹鋼箍或螺栓可固定在輸油管道、運輸油罐或倉儲油罐上，實現(xiàn)對油料電導率值的實時監(jiān)控，測量范圍和準確度滿足實際使用要求;增加了環(huán)境影響參數(shù)溫濕度和大氣壓力測量功能，增強了同批次油料、不同地域測量數(shù)據(jù)的可比性，具有較高的推廣應用價值。

［1］閆明龍，吳明，劉永峰，等.油氣儲運過程中靜電的產生與防范［J］.當代化工，2011，40(12):1244-1245.

［2］國防科學技術工業(yè)委員會.GJB/J 3049-97 輕質油料電導率儀檢定規(guī)程［S］.北京:國防科工委軍標出版發(fā)行部，1997.

［3］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T6539-1997 航空燃料與餾分燃料電導率測定法［S］.北京:中國標準出版社，1997.

［4］徐大剛，邢德林，王曙光，等.輕質油料電導率儀檢定方法研究［J］.化學分析計量，2001，10(5):33-35.