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自動(dòng)潤滑油氧化安定性試驗(yàn)器的研究

0引言

潤滑油氧化安定性是潤滑油產(chǎn)品抵抗大氣或氧氣的作用且保持其性質(zhì)不發(fā)生永久變化的能力，是潤滑油出廠最重要的性能指標(biāo)之一[1-2]。旋轉(zhuǎn)氧彈法通過模擬潤滑油在高溫、高壓、氧氣充足等加速氧化的條件下的氧化過程，判斷樣品的抗氧化能力[3]。

傳統(tǒng)潤滑油氧化安定性試驗(yàn)器(旋轉(zhuǎn)氧彈法)，在恒溫浴方面采用大量硅油作為恒溫介質(zhì)，不但價(jià)格昂貴，而且環(huán)保性能差[4-6]；在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方面，傳統(tǒng)儀器接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需浸沒在油浴中，不但運(yùn)行過程中噪聲大，而且有受熱膨脹后易卡死等缺陷[7]。所以，研究全新的自動(dòng)潤滑油氧化安定性試驗(yàn)器很有必要。

1儀器設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)潤滑油氧化安全性試驗(yàn)器的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬浴外面包裹加熱帶進(jìn)行試驗(yàn)過程的恒溫，加熱至恒溫點(diǎn)速度快，控制容易，且控溫精度高。在傳動(dòng)方面，由主動(dòng)磁力座帶動(dòng)被動(dòng)磁力套件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)安靜運(yùn)轉(zhuǎn)。儀器采用單片機(jī)和8英寸(1英寸=25.4 mm)彩色液晶觸摸屏進(jìn)行控制，節(jié)約成本且能很好地實(shí)現(xiàn)所需功能。

控制系統(tǒng)的研究包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度和壓力的采集與控制，充氧和放氧電磁閥控制，電機(jī)和打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)等模塊。軟件設(shè)計(jì)方面做到人機(jī)界面大方美觀，操作簡便；自動(dòng)恒溫、自動(dòng)判斷泄漏、自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示曲線、自動(dòng)判斷試驗(yàn)拐點(diǎn)和自動(dòng)結(jié)束試驗(yàn)；RS-232通信實(shí)現(xiàn)LIMS功能。一般含抗氧劑的油樣氧化時(shí)間都在1 000 min(16 h)以上，所以儀器使用雙金屬浴裝置，且單獨(dú)控制，一次試驗(yàn)即能驗(yàn)證油樣的重復(fù)性，極大地節(jié)約了時(shí)間成本。

圖1　儀器外形結(jié)構(gòu)圖

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

2.1主控板及電源設(shè)計(jì)

主控板電路原理如圖2所示，主要涉及與彩色觸摸屏和溫控儀通信，以及與驅(qū)動(dòng)板相連的I/O接口。單片機(jī)(MCU)通過MAX3232ESE芯片，與彩色觸摸屏之間建立RS-232通信，負(fù)責(zé)顯示圖片、文字、曲線和坐標(biāo)傳遞等。MCU與溫控儀之間通過ADM2582E芯片連接，采用RS-485通信，主要用于設(shè)置溫控儀PID參數(shù)。試驗(yàn)開始時(shí)啟動(dòng)溫控儀，實(shí)時(shí)讀取溫度值和實(shí)驗(yàn)；結(jié)束時(shí)，關(guān)閉溫控儀控溫。在打印方面，采用熱敏打印機(jī)，通過74LVC4245A電平轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連，接口形式為并口TTL電平；在試驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)方面，與EEPROM之間采用I2C通信。之所以將主控板與驅(qū)動(dòng)板分開設(shè)計(jì)，是為了讓主控板成為通用板，其他儀器根據(jù)功能的不同，只設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板即可。

整個(gè)控制電路電源包含3.3 V、5 V和12 V這3種電源，5 V和12 V電源由開關(guān)電源直接給出，3.3 V由電源轉(zhuǎn)換芯片得出。數(shù)字地和模擬地之間采用片式鐵氧體普通磁珠連接，可抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力[8-10]。

圖2　主控板電路原理圖

2.2驅(qū)動(dòng)板電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)板電路原理如圖3所示，主要包括壓力采集，以及電機(jī)、電磁閥和冷卻風(fēng)扇等的控制。在壓力采集電路方面，因被測試氣體經(jīng)氣壓傳感器得到的電信號(hào)幅度很小，無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以必須對這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大處理。氣壓傳感器采用MEAS公司的US300系列壓力傳感器，該傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)，壓力范圍為0～16 Bar，穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高。電磁閥和風(fēng)扇的控制采用DC-AC的固態(tài)繼電器，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接由I/O接口控制。對于電機(jī)的控制，因儀器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都需要旋轉(zhuǎn)，為了減輕MCU的負(fù)擔(dān)，采用配套電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與I/O接口的連接主要涉及MCU監(jiān)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速和報(bào)警信號(hào)，以及發(fā)送使能和啟停信號(hào)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度控制可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上對應(yīng)的電位器來實(shí)現(xiàn)。

圖3　驅(qū)動(dòng)板電路原理圖

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

后臺(tái)程序框圖如圖4所示。其主要包括MCU引腳、定時(shí)器、觸摸屏和A/D轉(zhuǎn)換等幾個(gè)方面的初始化，以及主循環(huán)部分，包括電磁閥狀態(tài)判斷、自動(dòng)充放氧功能、溫控儀通信、溫度與壓力曲線處理、溫度與壓力實(shí)時(shí)顯示和試驗(yàn)結(jié)果處理。自動(dòng)充放氧功能：先讀取溫控儀中金屬浴的溫度，然后控制電磁閥的通斷調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的對應(yīng)溫度下的氧氣壓力，相比手動(dòng)儀器，極大地提高了初始?jí)毫Φ臏?zhǔn)確性和效率。溫度與壓力的處理與顯示： MCU與AD芯片之間采用SPI通信方式，實(shí)時(shí)讀取壓力值，與溫度值一起向觸摸屏發(fā)送指令，顯示溫度與壓力曲線。試驗(yàn)結(jié)果處理：MCU與EEPROM之間采用I2C通信，存取每條試驗(yàn)結(jié)果，并可以按照熱敏打印機(jī)的時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)打印結(jié)果。

圖4　后臺(tái)程序框圖

前臺(tái)程序主要包括5個(gè)定時(shí)器中斷和2個(gè)UART(通用異步收發(fā)器)中斷。5個(gè)定時(shí)器中斷的作用分別為溫控儀RS-485通信發(fā)送數(shù)據(jù)、觸摸屏RS-232通信發(fā)送數(shù)據(jù)、監(jiān)測試驗(yàn)狀態(tài)和曲線顯示、LIMS發(fā)送數(shù)據(jù)和監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速(儀器調(diào)試時(shí)使用)。2個(gè)UART中斷的作用為溫控儀RS-485通信接收數(shù)據(jù)處理和觸摸屏RS-232通信接收數(shù)據(jù)處理。

人機(jī)交互界面示意圖如圖5所示。

①號(hào)區(qū)域?yàn)楣δ馨存I區(qū)，通過點(diǎn)擊區(qū)域中6個(gè)按鍵，分別觸發(fā)儀器的6個(gè)功能模塊：儀器設(shè)置、試驗(yàn)程序、儀器調(diào)試、壓力校正、溫度校正和結(jié)果查詢。儀器設(shè)置：可以設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間，根據(jù)不同的油品選擇不同的控制溫度點(diǎn)。試驗(yàn)程序：可以輸入油樣編號(hào)，開始一個(gè)新的試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程全自動(dòng)完成，實(shí)時(shí)刷新壓力、溫度曲線，并保存試驗(yàn)結(jié)果。儀器調(diào)試：在未試驗(yàn)狀態(tài)下，可以調(diào)試電機(jī)、風(fēng)扇和電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)充放氧功能，以及系統(tǒng)測漏功能。壓力校正：儀器使用3個(gè)月左右，需使用配套的精密壓力表對壓力傳感器重新標(biāo)定和校正，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度校正：可以分別校正左右彈體的溫度。結(jié)果查詢：能瀏覽或刪除歷史記錄結(jié)果，還可以選擇打印功能，以及使用LIMS上傳數(shù)據(jù)。

③號(hào)區(qū)域?yàn)楣r顯示區(qū)，用于顯示儀器的實(shí)時(shí)工況。工況內(nèi)容包括左/右彈壓力、左/右彈溫度、充/放氧電磁閥狀態(tài)。

圖5　人機(jī)交互界面示意圖

4結(jié)束語

自動(dòng)潤滑油氧化安定性試驗(yàn)器，是集單片機(jī)處理、無接觸傳動(dòng)、自動(dòng)控制、傳感器測控、通信系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)。儀器具備手動(dòng)/自動(dòng)充放氧氣、試驗(yàn)結(jié)果查詢/打印、歷史/實(shí)時(shí)試驗(yàn)曲線顯示、全自動(dòng)試驗(yàn)判斷等功能，符合ASTM2272標(biāo)準(zhǔn)，控溫精度為±0.1 K。經(jīng)過多次測試，儀器的硬件和軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性均符合標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。儀器的成功研制，打破了國外同類儀器的壟斷地位，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

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Research on the Automatic Control System of Lube Oil Oxidation Stability Tester

楊小峰1羅爭光2顧怡3

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，上海200093；中科院研究生院軟件學(xué)院2， 北京100190；東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3，上海201620)

摘要：針對傳統(tǒng)油浴恒溫清洗不便、油浴體積大、熱容較大、能耗高等特點(diǎn)，研究了新型自動(dòng)潤滑油氧化安定性試驗(yàn)器。采用金屬浴進(jìn)行加熱，使用磁力傳動(dòng)代替機(jī)械傳動(dòng)，降低了試驗(yàn)過程中的噪聲。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)和彩色觸摸屏進(jìn)行控制，對硬件和軟件設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分析。通過對不同油品的多次測試，驗(yàn)證了該儀器良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性，具備一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：潤滑油氧化安定性分析儀器壓力傳感器單片機(jī)人機(jī)界面電路設(shè)計(jì)

Abstract：In view of the disadvantages of traditional constant temperature oil bath,e.g.,inconvenient cleaning,big volume of oil bath,larger heat capacity,and high energy consumption,etc.,the new type of automatic tester for oxidation stability of lubricating oil is researched.Using the metal bath for heating,and using the magnetic transmission to replace mechanical transmission,the noise is decreased in the testing.The whole system is controlled by single chip computer and color touch screen,and the design principles of hardware and software are analyzed.Many times of tests with different oil verify that the repeatability and reproducibility of instrument are good; and it has occupied a certain degree of marketing.

Keywords:Lube oilOxidation stabilityAnalytical instrumentPressure sensorMCUHuman machine interfaceCircuit design

中圖分類號(hào)：TH89;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604024

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者楊小峰(1986-)，男，2013年畢業(yè)于上海理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理工程師；主要從事石油產(chǎn)品分析儀器的研究。