林 峰 嚴(yán) 瑾 邵建文 郁海希

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)與環(huán)境所1，浙江 杭州 310018;中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2，浙江 杭州 310018)

便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

林 峰1嚴(yán) 瑾1邵建文1郁海希2

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)與環(huán)境所1，浙江 杭州 310018;中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2，浙江 杭州 310018)

為了解決單一參數(shù)評(píng)價(jià)機(jī)油性能的局限性，實(shí)現(xiàn)機(jī)油快速、方便、準(zhǔn)確的綜合在線檢測(cè)，研制了便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀以機(jī)油性能為研究對(duì)象，提出一種通過對(duì)機(jī)油黏度、介電常數(shù)以及溫度的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)機(jī)油性能評(píng)價(jià)的在線檢測(cè)方法。RS- 485通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)信息由變送器傳送給PIC單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)通過接收按鍵信號(hào)將測(cè)量到的數(shù)據(jù)值顯示在LCD液晶屏上。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀性能穩(wěn)定、使用方便、誤差小。

機(jī)油性能 機(jī)油黏度 介電常數(shù) 溫度檢測(cè) 污染程度

0 引言

汽車機(jī)油污染度測(cè)試是機(jī)油使用與維護(hù)的重要工作內(nèi)容。依據(jù)我國頒布的《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》(GB/T 8028-2010)、《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》(GB/T 7607-2002)等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定當(dāng)機(jī)油的黏度、水分、閃點(diǎn)、酸值、鐵含量等理化參數(shù)中的某一項(xiàng)超過限值時(shí)，需要更換機(jī)油。傳統(tǒng)機(jī)油質(zhì)量判斷方法[1]主要有三類,分別為化學(xué)分析法、觀察法、電化學(xué)分析法。這些檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都普遍存在攜帶不便、效率低下等不足。

針對(duì)目前機(jī)油檢測(cè)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀，將黏度、介電常數(shù)以及溫度作為判斷機(jī)油性能的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)測(cè)量參數(shù)的綜合分析，解決了當(dāng)前傳統(tǒng)檢測(cè)單一參數(shù)評(píng)價(jià)機(jī)油性能局限性的問題。

1 檢測(cè)原理分析

機(jī)油的黏度、介電常數(shù)以及溫度三個(gè)參數(shù)都是影響機(jī)油品質(zhì)的重要因素。其中，機(jī)油黏度太高將導(dǎo)致油壓累積高，并妨礙充分的油流向發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵區(qū)域以供應(yīng)新鮮潤滑油，導(dǎo)致加速磨損；機(jī)油黏度太低將導(dǎo)致載荷表面的不良液壓潤滑。介電常數(shù)越高，則表明此時(shí)機(jī)油的抗氧化性能較差，介電常數(shù)與機(jī)油含水率、鐵磨粒含量以及總酸度有相同的變化趨勢(shì)，因而機(jī)油中水分含量、鐵磨粒含量以及總酸值含量增值越大。而溫度則對(duì)機(jī)油黏度和介電常數(shù)值的變化影響很大。當(dāng)油溫很高時(shí)，油中的抗氧化劑有耗盡的趨勢(shì)，并且由于氧化，油變得更粘和酸性；當(dāng)油溫很低時(shí)，燃料、水和積碳有積聚在油中的趨勢(shì)，減少了黏度，增大了摩擦。

根據(jù)不同溫度下報(bào)廢機(jī)油黏度的變化，依據(jù)國標(biāo)《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》(GB/T 8028-2010)，所取的報(bào)廢機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度變化率>25%。當(dāng)機(jī)油黏度變化率恰為25%時(shí)，機(jī)油即為所需的報(bào)廢機(jī)油，此時(shí)機(jī)油的黏度也就是報(bào)廢機(jī)油的閾值[2]。該閾值可以通過式(1)計(jì)算得到。

η=(v2-v1)/v1×100%

(1)

式中：η為運(yùn)動(dòng)黏度變化率，%；v1為新油運(yùn)動(dòng)黏度實(shí)測(cè)值，mm2/s； v2為使用中油運(yùn)動(dòng)黏度實(shí)測(cè)值，mm2/s。

同理，由于介電常數(shù)和機(jī)油的含水率、鐵磨粒含量、總酸值和介電常數(shù)具有相同的變化趨勢(shì)，因此在某個(gè)溫度下，當(dāng)機(jī)油某個(gè)理化指標(biāo)超過國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)得機(jī)油的介電常數(shù)值即為介電常數(shù)在某一溫度下的閾值。

建立機(jī)油性能黏度數(shù)據(jù)庫以及介電常數(shù)數(shù)據(jù)庫，并且確立此種機(jī)油黏度以及介電常數(shù)與溫度的耦合關(guān)系，也即確定了任意溫度下機(jī)油黏度的閾值以及介電常數(shù)的閾值。

用便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)的裝置確定檢測(cè)時(shí)某種機(jī)油的溫度，并基于溫度確定機(jī)油的黏度和介電常數(shù)。將測(cè)得的值與所建立的機(jī)油性能數(shù)據(jù)庫中同一溫度下機(jī)油黏度與介電常數(shù)閾值進(jìn)行比較，確定是否需要更換機(jī)油。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)主要由在線液體黏度傳感器、在線機(jī)油介電常數(shù)傳感器、溫度傳感器和專用參數(shù)變送器，單片機(jī)模塊、LCD液晶模塊、按鍵模塊以及上位機(jī)通信模塊組成。總體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the detector

專用參數(shù)變送器對(duì)在線液體黏度傳感器、在線機(jī)油介電常數(shù)傳感器以及溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將所得的測(cè)量值通過串口通信RS- 485傳送給單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)模塊接收按鍵模塊信號(hào)，并在LCD液晶模塊上顯示相應(yīng)值。同時(shí)單片機(jī)通過RS-232通信模塊與上位機(jī)連接，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與機(jī)油性能數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若比對(duì)數(shù)據(jù)超過閾值，則發(fā)出“換油”的警告信號(hào)；反之不產(chǎn)生“換油”信號(hào)。

2.1 傳感器模塊

本檢測(cè)儀選用FWS- 4型在線液體黏度傳感器[3]，這個(gè)傳感器是機(jī)油黏度測(cè)定法應(yīng)用的理想選擇。該傳感器采用新型超聲振動(dòng)方法[4]，在一個(gè)較寬的、連續(xù)的和實(shí)時(shí)的測(cè)量范圍內(nèi)保證了極好的精度與可重復(fù)性。其工作原理是當(dāng)被測(cè)液體與探頭敏感器件接觸時(shí)，通過測(cè)量壓電超聲敏感器件的參數(shù)變化，來感知液體黏度變化。黏度傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 黏度傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of viscosity transducer

在線機(jī)油介電常數(shù)傳感器[5]，可以在線準(zhǔn)確測(cè)定機(jī)油的污染程度。其工作原理是當(dāng)被測(cè)液體與探頭敏感器件接觸時(shí)，通過測(cè)得介電常數(shù)值這一變化量，即可分析潤滑油品質(zhì)的變質(zhì)程度以及含水量。在線潤滑油介電常數(shù)傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 介電常數(shù)傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameter of dielectric constant transducer

Pt100溫度傳感器[6]是一種用鉑做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù)，其電阻和溫度變化的關(guān)系如下：R=Ro(1+αT)。該傳感器將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 溫度傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameter of temperature transducer

2.2 專用參數(shù)變送器模塊

專用參數(shù)變送器[7]是具有RS- 485通信的綜合信號(hào)采集模塊，可以采集溫度傳感器輸出的電阻信號(hào)、黏度傳感器輸出的脈沖信號(hào)以及介電常數(shù)傳感器輸出的電壓信號(hào)，并對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算后的數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)通過RS- 485傳輸給PIC單片機(jī)模塊。

2.3 單片機(jī)以及其他模塊

便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀主控板采用PIC18F97J60芯片作為中央處理器[4]。它不僅具有高效、穩(wěn)定、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且具有精簡的C語言指令系統(tǒng)，并在PIC18指令集的基礎(chǔ)上進(jìn)行了可選擇的擴(kuò)展，添加了八條新指令和一個(gè)變址尋址模式；可以優(yōu)化和重入應(yīng)用程序代碼，并集成了豐富的外圍模塊，使用方便、靈活。

串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS- 485的通信模式[8]。RS- 485串口通信電路如圖2所示。

圖2 RS- 485串口通信電路Fig.2 RS- 485 serial communication circuit

按鍵模塊采用QN12-A3型，具有高強(qiáng)度抗破壞性的優(yōu)點(diǎn)。LCD液晶顯示模塊采用YJD1602B型，具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點(diǎn)。主控板還帶有與上位機(jī)通信的RS-232模塊[9]。

為了方便現(xiàn)場(chǎng)檢定，檢測(cè)儀采用便攜式的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)系帶，方便攜帶。整個(gè)檢測(cè)儀體積小，質(zhì)量輕，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的航空插頭，以便與檢測(cè)機(jī)油的傳感器連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)機(jī)油程序流程圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)程序流程圖Fig.3 Flowchart of detecting program

便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀軟件[10]設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境是MPLAB，選用MCC18編譯器編寫軟件程序。在軟件程序編寫完成后，使用MPLAB ICD3進(jìn)行在線調(diào)試、在線編程、在線觀測(cè)和運(yùn)行結(jié)果檢驗(yàn)。整個(gè)軟件編程主要分為三個(gè)模塊進(jìn)行分析。一個(gè)是機(jī)油黏度測(cè)試，第二個(gè)是機(jī)油介電常數(shù)測(cè)試，第三個(gè)是溫度測(cè)試。

主板上電之后，首先PIC單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，持續(xù)大約100 ms后斷開啟動(dòng)電阻(啟動(dòng)電阻接繼電器常閉端，初始狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)電阻接入主電路)，完成主回路大電容的充電。然后開機(jī)顯示“ZJLM機(jī)油測(cè)試”，進(jìn)行串口初始化以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化。接著進(jìn)入主循環(huán)，由不同的按鍵值以及標(biāo)志位確定單片機(jī)執(zhí)行不同的指令，并在LCD上顯示所對(duì)應(yīng)的測(cè)得值。

4 標(biāo)定及試驗(yàn)結(jié)果分析

在開始實(shí)際試驗(yàn)之前，首先要對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。即對(duì)黏度傳感器、介電常數(shù)傳感器和溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

對(duì)于在線液體黏度傳感器，其標(biāo)定溫度為25 ℃，且已知在空氣中的溫度補(bǔ)償系數(shù)Kt和FairT0，需要標(biāo)定黏度傳感器的靈敏度a、b、c。由式(2)可以得出溫度補(bǔ)償FairT。

FairT=KtT+FairT0

(2)

通過3次測(cè)量,根據(jù)式(3)可以計(jì)算得到a、b、c的值。

F=a-bln(η+c)

(3)

結(jié)合傳感器輸出值F，由式(4)便可得溫度T下該機(jī)油的黏度值。

η=e[a-F+Kt(T-T1)]/b-c

(4)

對(duì)于不同黏度的機(jī)油進(jìn)行黏度標(biāo)定，結(jié)果如表4所示。

表4 黏度傳感器的標(biāo)定結(jié)果(試驗(yàn)溫度25 ℃)Tab.4 Calibration result of viscosity transducer (test temperature:25 ℃)

對(duì)于在線機(jī)油介電常數(shù)傳感器，其標(biāo)定就是對(duì)其含水率進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定溫度為T0，傳感器輸出和機(jī)油含水率的關(guān)系符合以下線性關(guān)系方程式(5)。線性相關(guān)系數(shù)R的平方達(dá)到0.99。

Vt=Vot+K(h-ho)

(5)

式中：Vt為在溫度T0時(shí)傳感器在待測(cè)油液中的輸出電壓；Vot為新油(含水ho%)中在溫度T0的輸出；h為被測(cè)油液的含水率，%；K為傳感器靈敏度系數(shù)。

通過介電常數(shù)傳感器在同一溫度下同種型號(hào)、不同含水率的油樣中的讀數(shù)，即可獲得Vot和K的值，完成標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

表5 介電常數(shù)傳感器標(biāo)定結(jié)果Tab.5 Calibration result of dielectric constant transducer

完成對(duì)傳感器的標(biāo)定后，搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)通用機(jī)油進(jìn)行試驗(yàn)(取1#機(jī)油)。這里以黏度傳感器為例。測(cè)試機(jī)油性能時(shí)，當(dāng)溫度傳感器顯示剛好為80 ℃時(shí)，讀出此時(shí)檢測(cè)儀上顯示的黏度值。黏度傳感器的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 1#機(jī)油黏度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of viscosity of 1# engine oil

由表6可以看出，在相同的溫度下，行駛的路程越多，機(jī)油的黏度越小。將測(cè)得的值與機(jī)油性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的閾值進(jìn)行比較，便可確定是否需要更換機(jī)油。

5 結(jié)束語

便攜式機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)車機(jī)油性能的綜合檢測(cè)，建立了一種快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、方便，并能適應(yīng)長時(shí)間在線檢測(cè)的方法，解決了當(dāng)前傳統(tǒng)檢測(cè)單一參數(shù)評(píng)價(jià)機(jī)油性能的局限性，具有很好的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。試驗(yàn)建立的機(jī)油性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為機(jī)油的合理利用提供數(shù)據(jù)支持，這對(duì)于今后保護(hù)日益緊張的石油資源、節(jié)能減排起到積極的作用。

[1] 覃偉年,鄒健初,黃光幸,等.便攜式機(jī)油老化性能探測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(8):124-126.

[2] 鄭永真.便攜式車用機(jī)油檢測(cè)儀的研究[D].杭州：中國計(jì)量學(xué)院,2012.

[3] 付禮程,王憲成,張更云,等.基于FPS傳感器的潤滑油品質(zhì)車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].潤滑與密封,2012(11):91-93.

[4] 張更云,付禮程,王憲成,等.基于黏度和介電常數(shù)的柴油機(jī)機(jī)油質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012(4):30-33.

[5] 李紅旗.基于介電常數(shù)的車用潤滑油在線監(jiān)測(cè)方法研究[D].長春：吉林大學(xué),2007.

[6] 張峰,趙曉,陳夫東,等.機(jī)油鐵顆粒含量和黏度傳感器在柴油機(jī)保護(hù)儀中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2011(3)：11-15.

[7] Cai Meirong,Guo Ruisheng,Zhou Feng,et al.Lubricating a bright future:Lubrication contribution to energy saving and low carbon emission[J].Science China Technological Sciences,2013,56(12):2888-2913.

[8] 張更云,付禮程,王憲成,等.機(jī)油品質(zhì)異常監(jiān)測(cè)[J].內(nèi)燃機(jī),2012(4):44-48.

[9] 陳樹林,宋素玲,趙敏.對(duì)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)油油品質(zhì)量指標(biāo)的探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2012(9):30-33.

[10]劉強(qiáng),趙曉,張峰.在線監(jiān)測(cè)機(jī)油實(shí)時(shí)黏度和其100℃參考溫度時(shí)黏度轉(zhuǎn)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2012(2):28-30.

Design of the Portable Performance Detector for Engine Oil of Motor Vehicle

To solve the limitation of evaluating the performance of engine oil by single parameter, and implement comprehensive online detecting the engine oil quickly, easily and accurately, the portable performance detector for engine oil of motor vehicle has been developed. With the performance of engine oil as the researching object, the online detection method of evaluating performance of engine oil is realized by detecting viscosity, dielectric constant of engine oil, and temperature, is proposed. The data information collected are sent to PIC single chip machine from transmitters via RS- 485 communication module; through receiving push button signal, the measured data are displayed on LCD screen by single chip machine. The test results indicate that the detector operates stably, easy to use, and with small error.

Performance of engine oil Viscosity of engine oil Dielectric constant Temperature detection Pollution levels

浙江省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012C21080)。

林峰(1982-)，男，2004年畢業(yè)于中國計(jì)量學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事機(jī)動(dòng)車檢測(cè)設(shè)備和交通執(zhí)法設(shè)備計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和方法研究。

TP302;TH83

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506027

修改稿收到日期：2014-10-16。