李 凱，任淑艷，段海龍

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

石油產(chǎn)品的閃點(diǎn)、粘度、密度、介電常數(shù)等參數(shù)指標(biāo)，作為目前衡量液體油品火災(zāi)隱患和質(zhì)量好壞的核心指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)階段油品的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及使用有著極大的參考價(jià)值。為此，多個(gè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出多種油品參數(shù)測試裝置或系統(tǒng)：伊茜等[1]研制的微量閃點(diǎn)自動(dòng)快速測試儀減少了油蒸氣的揮發(fā)，縮短了操作時(shí)間，可提高實(shí)驗(yàn)效率；王艷平[2]、孔馨雨[3]均在學(xué)位論文中講述了對(duì)油品多參數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)和研發(fā)；鄭江濤等[4]設(shè)計(jì)的油品質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)和郭建偉等[5]研發(fā)的油品多參數(shù)便攜式檢測儀使用了FPS2800B12C4 傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油液粘度、密度等多個(gè)參數(shù)同時(shí)監(jiān)測；敖海龍[6]所設(shè)計(jì)的油品質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)突出對(duì)石油產(chǎn)品的含水量、粘度、介電常數(shù)的在線監(jiān)測；雷雯等[7]研發(fā)的油品開口閃點(diǎn)測試裝置則針對(duì)油品閃點(diǎn)特性提供了一種創(chuàng)新思想；管亮等[8]設(shè)計(jì)的石油產(chǎn)品閉口閃點(diǎn)無點(diǎn)火式測試系統(tǒng)則提高了測試儀器的安全系數(shù)。然而以上裝置或系統(tǒng)的研發(fā)僅針對(duì)油品的某一或幾個(gè)特定屬性，且現(xiàn)有可操作性設(shè)備中缺少可以對(duì)液體油品的閃點(diǎn)、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度同時(shí)具備檢測能力的儀器。因此，本文針對(duì)這一問題，基于上述理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)可對(duì)油品的閃點(diǎn)、粘度、密度和介電常數(shù)等多個(gè)參數(shù)同時(shí)檢測的油品多參數(shù)測試儀。該油品多參數(shù)測試儀突破了現(xiàn)有設(shè)備無法對(duì)液體油品的閃點(diǎn)、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度同時(shí)檢測的現(xiàn)狀，同時(shí)，該測試儀具有體積輕小、操作簡單、自動(dòng)化程度較高的優(yōu)勢，可以為油品參數(shù)的檢測提供更為便利的條件。

1 設(shè)計(jì)方案

傳感器為美國MEAS 公司的FPS2800B12C4 多參數(shù)油質(zhì)傳感器，上位機(jī)為Visual Studio 編程軟件和工控機(jī)、觸摸屏等輔助硬件，下位機(jī)為單片機(jī)、繼電器、傳感器、電機(jī)、油泵、風(fēng)扇、加熱線圈、三通電磁閥、燃?xì)忾y等硬件模塊，油品多參數(shù)測試儀的外觀采用的是一體機(jī)式設(shè)計(jì)，整機(jī)測量原理為閉口杯式測量法，同時(shí)根據(jù)所測參數(shù)和硬件需求，結(jié)合測量原理環(huán)境要求，將該測試儀分為2 個(gè)參數(shù)測試杯。油品多參數(shù)測試儀實(shí)物如圖1 所示。

圖1 油品多參數(shù)測試儀實(shí)物

在圖1（a）中，左側(cè)為1 號(hào)杯，負(fù)責(zé)檢測油品的閃點(diǎn)特性；右側(cè)為2 號(hào)杯，負(fù)責(zé)檢測油品的粘度、密度和介電常數(shù)；在圖1（b）中，將觸摸屏嵌入儀器內(nèi)，使儀器縮小體積的同時(shí)，更便于攜帶、保存。油品多參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 油品多參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)框圖

觸摸屏為上位機(jī)操作和顯示的載體；工控機(jī)為指令和數(shù)據(jù)的控制、處理中心；控制板在系統(tǒng)中起著驅(qū)動(dòng)、開關(guān)和信息傳輸?shù)淖饔?；傳感器、電機(jī)等其他設(shè)備則作為感應(yīng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集和執(zhí)行系統(tǒng)指令。

觸摸屏為8 英寸HB8902Q 嵌入式顯示器；工控機(jī)采用EPC92A1 工業(yè)主板；控制板集成了單片機(jī)和繼電器等；油質(zhì)分析傳感器用于2 號(hào)杯的參數(shù)檢測；溫度傳感器采用了PT100 熱電阻式溫度傳感器和K型熱電偶式溫度傳感器，分別用于檢測1 號(hào)杯油品液體溫度和蒸氣溫度；液位傳感器則采用TB-M08-02N-DR 電容式接近開關(guān)，感應(yīng)距離為2 mm，用于檢測油品液位。

2 軟件設(shè)計(jì)

油品多參數(shù)測試儀是利用Visual Studio 作為編程軟件，為上位機(jī)的控制和顯示提供運(yùn)行環(huán)境。在設(shè)計(jì)中，將測試杯的各功能集成為上位機(jī)按鍵式控制，同時(shí)結(jié)合硬件，在軟件中設(shè)計(jì)了一鍵加油和多參數(shù)自動(dòng)測試功能，實(shí)現(xiàn)了油品多參數(shù)測試的自動(dòng)化、智能化。最終將2 個(gè)測試杯進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成了油品多參數(shù)測試儀軟件控制系統(tǒng)。

2.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文上位機(jī)界面采用分割式設(shè)計(jì)，將2 個(gè)測試杯的按鍵操作和界面顯示分為上下結(jié)構(gòu)。設(shè)備啟動(dòng)后應(yīng)先通過測試按鍵部分進(jìn)行硬件故障排查，依次排查加熱電機(jī)、風(fēng)扇、攪拌電機(jī)、油泵和三通是否出現(xiàn)故障，按下按鍵，指示燈為綠色，表示該硬件工作正常，指示燈為紅色，則表明該硬件工作異常，應(yīng)及時(shí)維修；而在測試前應(yīng)先對(duì)1 號(hào)杯所需參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和校正，如預(yù)閃點(diǎn)、大氣壓、油號(hào)等；2 個(gè)測試杯都設(shè)有自動(dòng)啟動(dòng)和一鍵停止，同時(shí)1 號(hào)杯也設(shè)有手動(dòng)按鍵，以便于發(fā)生部分功能障礙時(shí)采用手動(dòng)方式繼續(xù)測試閃點(diǎn)；最后設(shè)置日志保存按鍵，目的是將1 號(hào)杯的閃點(diǎn)測試溫度和2號(hào)杯100 ℃時(shí)的粘度、密度、介電常數(shù)數(shù)據(jù)保存并輸出。

2.2 程序功能實(shí)現(xiàn)

油品多參數(shù)測試儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)油品的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測的功能，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，主要包括一鍵自動(dòng)加油、參數(shù)自動(dòng)檢測等。

2.2.1 總體流程

系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入自動(dòng)初始化，包括硬件開關(guān)復(fù)位、軟件參數(shù)置零等操作，而后進(jìn)入一鍵加油、測試杯啟動(dòng)和風(fēng)冷啟動(dòng)等設(shè)定，測試結(jié)束后將測試數(shù)據(jù)保存為日志。其總體程序流程如圖3 所示。

圖3 總體程序流程圖

在測試中，系統(tǒng)初始化后，當(dāng)按下一鍵加油按鍵時(shí)，油泵開始向測試杯中加油，等待加油結(jié)束后，系統(tǒng)可自動(dòng)啟動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)1 號(hào)杯和2 號(hào)杯測試程序，默認(rèn)使用手動(dòng)啟動(dòng)，隨即進(jìn)入油品的參數(shù)測試子程序，測試完畢，風(fēng)冷立即啟動(dòng)并對(duì)設(shè)備做降溫處理，當(dāng)檢測到系統(tǒng)設(shè)備全部關(guān)閉后，系統(tǒng)自動(dòng)保存測試數(shù)據(jù)到日志。

2.2.2 自動(dòng)加油

自動(dòng)加油程序開始便進(jìn)入初始化，即按鍵復(fù)位，當(dāng)接收到加油指令后，油泵開始工作，隨后通過液位傳感器進(jìn)行液位判斷，利用三通切換，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加油和換杯加油的功能。

在該子程序中，設(shè)定通過按鍵判斷來啟動(dòng)加油操作，通過液位比較判斷來終止加油操作。當(dāng)接收到啟動(dòng)命令后，油泵開始向1 號(hào)杯注入油液，此時(shí)1 號(hào)杯中液位傳感器1 實(shí)時(shí)判斷液位信息，當(dāng)1 號(hào)杯液位到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，該傳感器發(fā)出信號(hào)，子程序終止1 號(hào)杯加油操作，同時(shí)啟動(dòng)三通，開始向2 號(hào)杯注入油液，與1 號(hào)杯原理相似，當(dāng)液位到達(dá)預(yù)設(shè)值后，子程序終止加油操作，關(guān)閉三通。最后，該子程序向總程序發(fā)送加油結(jié)束信號(hào)后跳出，返回主程序。

在測試中，根據(jù)液位設(shè)定，通過油泵和三通的配合，系統(tǒng)能夠較精準(zhǔn)地完成加油操作，經(jīng)過程序調(diào)試，油泵可連續(xù)均勻地向測試杯中加油，加油后杯內(nèi)無滴濺、無雜質(zhì)，因此對(duì)參數(shù)測試無影響且操作流暢。

2.2.3 閃點(diǎn)自動(dòng)測試

閃點(diǎn)測試中，閃點(diǎn)分析方法規(guī)定的重要控制參數(shù)包括溫度達(dá)到預(yù)期閃點(diǎn)前多少時(shí)開始控制升溫速率，升溫速率為多少，自動(dòng)引進(jìn)火焰開始試閃溫度，試閃溫度間隔等是不完全相同的。如果所有油品都采用一個(gè)模式測定，則會(huì)有許多控制參數(shù)超出分析方法規(guī)定的要求，從而導(dǎo)致整個(gè)分析結(jié)果無效[9]，同時(shí)研究表明，我國大多數(shù)石化企業(yè)、石油石化檢測實(shí)驗(yàn)室和軍用機(jī)場油料化驗(yàn)室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T261—2008[10]。故基于以上2 點(diǎn)分析，本油品多參數(shù)測試儀采用的測試分析依據(jù)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T261—2008《閃點(diǎn)的測定賓斯基-馬丁閉口杯法》[11]，該標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)油品的閃點(diǎn)是否已知、油品類型的分類以及點(diǎn)火頻率和升溫頻率等進(jìn)行判斷和控制，可選擇不同的步驟，改變重要的控制參數(shù)，從而做到對(duì)不同的油液樣本的閃點(diǎn)特性進(jìn)行測試。閃點(diǎn)測試程序流程如圖4 所示。

圖4 閃點(diǎn)測試程序流程圖

根據(jù)上文所提標(biāo)準(zhǔn)，閃點(diǎn)測試的基本原理可以概述為：將待測石油樣品鍵入測試閉口杯中，在規(guī)定的速率下連續(xù)攪拌，并以恒定速率加熱樣品，以規(guī)定的溫度間隔，在中斷攪拌的情況下，將火源引入測試杯開口處，使樣品發(fā)生瞬間閃火，且蔓延至液體表面的最低溫度，此溫度為環(huán)境大氣壓下的閃點(diǎn)，再經(jīng)公式修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的閃點(diǎn)，即為被測樣品的閃點(diǎn)。

閃點(diǎn)的修正公式為

式中：101.3 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa；T 為環(huán)境大氣壓下的測試閃點(diǎn)（°C）；p 為環(huán)境大氣壓（kPa）。

本測試儀在1 號(hào)杯中使用了2 種溫度傳感器：PT100 熱電阻溫度傳感器，用來檢測油液樣品液體溫度；K 型熱電偶溫度傳感器，用來檢測閉口杯中油品蒸氣的溫度。

（1）當(dāng)測試油液樣本以恒定速率升溫時(shí)，杯內(nèi)油品閃火出現(xiàn)時(shí)，油品蒸氣在被點(diǎn)燃的一瞬間將產(chǎn)生藍(lán)色火焰，釋放大量熱量的同時(shí)，造成杯內(nèi)氣體溫度上升速率明顯加快，故需要至少2 個(gè)溫度傳感器來分別檢測杯內(nèi)的液體溫度和氣體溫度。

（2）在硬件電路設(shè)計(jì)中，測試杯內(nèi)液體的溫度可由熱電阻式溫度傳感器的電阻變化而計(jì)算得到，被測溫度T 計(jì)算公式為

式中:α 為溫度系數(shù)；t0通常取值為0 ℃；Rt為溫度T 時(shí)所測的電阻值；Rt0為溫度t0時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值。

另外，因要利用其溫度變化特性進(jìn)行閃點(diǎn)判據(jù)，故該部分傳感器必須對(duì)測試杯內(nèi)氣體的溫度變化敏感且精度高，最終選用了K 型熱電偶溫度傳感器，又由于熱電偶式傳感器的檢測原理為熱電效應(yīng)，故在該硬件電路部分利用濾波器、電壓放大器、電壓比較器，結(jié)合程序設(shè)計(jì)，可以較精準(zhǔn)地得到氣體的溫度變化速率。同時(shí)，熱電阻溫度傳感器為熱電阻材質(zhì)、三線制、測量范圍在-200～1 000 ℃；熱電偶溫度傳感器為熱電偶材質(zhì)、雙線制、精度高且誤差小、測量范圍在0～600 ℃。2 種溫度傳感器因測量原理、材質(zhì)、接線方式不同，從而可以更好地減少或避免相互之間的影響，提高測量精準(zhǔn)度。

閃點(diǎn)的判斷依據(jù)通常分為2 種：在開口測試儀器中，通常使用藍(lán)色火焰現(xiàn)象作為閃點(diǎn)出現(xiàn)的判據(jù)，在閉口杯中則利用硬件和軟件的結(jié)合，通過溫度變化特性來判斷閃點(diǎn)是否出現(xiàn)。在本測試儀中采用了以上2種判據(jù)，通過人眼識(shí)別和程序設(shè)計(jì)，最終將藍(lán)色火焰出現(xiàn)和油品蒸氣溫度上升速率加快視作閃點(diǎn)出現(xiàn)的雙重判據(jù)，但是在實(shí)際測試中，由于設(shè)計(jì)測試儀的初衷為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所以把第2 種控制方式作為閃點(diǎn)的首要判據(jù)。采用雙重判據(jù)，目的在于設(shè)備故障或測試數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，利用人眼識(shí)別作為輔助手段進(jìn)行校正。

2.2.4 粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度自動(dòng)測試

FPS2800B12C4 傳感器是一款獨(dú)特的液體特性傳感器，采用低成本4 針連接器，CAN J1939 認(rèn)證，支持CAN 2.0A 和CAN 2.0B 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出，分辨率高，可以同時(shí)直接精確重復(fù)測量大多數(shù)液體油品的粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度，方便地檢測液體的多個(gè)物理屬性以及之間的直接關(guān)系和動(dòng)態(tài)關(guān)系[12]，其工作原理是基于石英音叉，通過改變石英晶體在液體介質(zhì)中的諧振頻率來檢測其特征參數(shù)[13-15]。檢測過程中，該傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN 幀格式形式，同時(shí)保持30 s 的數(shù)據(jù)回傳周期，上位機(jī)通過對(duì)CAN 數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和計(jì)算，依次解析出粘度、密度、介電常數(shù)和平均溫度的有效數(shù)據(jù)，其后將有效數(shù)據(jù)數(shù)值換算后可得出參數(shù)的實(shí)際值，故在此采用了一種USB-CAN 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

進(jìn)入該子程序后，先進(jìn)行初始化操作，包括參數(shù)置零和CAN 信號(hào)清空，隨后開始接收該傳感器的檢測數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)格式出錯(cuò)則重啟傳感器，經(jīng)初始化后再次判斷，直至格式正確后，進(jìn)行幀解析和數(shù)值換算。重復(fù)以上操作，直到測試杯內(nèi)溫度穩(wěn)定在100 ℃時(shí)，子程序立即保存此溫度下的參數(shù)實(shí)際值到輸出日志，同時(shí)向主程序發(fā)送測試完成信號(hào)并跳出返回主程序。

傳感器所測的4 個(gè)參數(shù)分為2 個(gè)數(shù)據(jù)幀：粘度、密度和介電常數(shù)數(shù)據(jù)在第1 幀；溫度數(shù)據(jù)在第2 幀。FPS2800B12C4 傳感器數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示。

表1 FPS2800B12C4 傳感器數(shù)據(jù)幀格式

此時(shí)欲得到實(shí)際參數(shù)值，需對(duì)回傳的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值換算，換算公式為

粘度（cP）=DATA*0.015 625

密度（gm/cc）=DATA*0.000 030 52

介電常數(shù)=DATA*0.000 122 07

平均溫度（℃）=（DATA*0.031 25）-273

3 結(jié)果和討論

（1）通過初步測試，油品多參數(shù)測試儀運(yùn)行正常且與其他測試儀器相比，體積較小、響應(yīng)速度較快，可用于一般油品的參數(shù)測試。

（2）測試儀操控界面簡潔方便、參數(shù)顯示實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)，同時(shí)增加了一鍵加油按鍵和相應(yīng)指示燈，用戶所有操作均可在操作界面完成，降低了測試復(fù)雜度，提高了測試效率。

（3）測試儀點(diǎn)火速度恒定、火焰連續(xù)、升溫速率可根據(jù)設(shè)定改變，符合閃點(diǎn)測試的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）測試儀自帶循環(huán)降溫裝置，可以實(shí)現(xiàn)油品參數(shù)的多次重復(fù)測量，加快了參數(shù)測定的效率。

（5）測試儀具備多參數(shù)檢測能力，可以同時(shí)檢測油品的閃點(diǎn)、粘度、密度和介電常數(shù)的特性。

（6）測試儀實(shí)現(xiàn)了較完善的自動(dòng)控制功能，包括溫度自動(dòng)升降、自動(dòng)冷卻、自動(dòng)修正測試結(jié)果、自動(dòng)顯示、自動(dòng)鎖定閃點(diǎn)值等自動(dòng)操作，達(dá)到了測試過程自動(dòng)化的基本要求，具有升溫迅速、攪拌連續(xù)均勻、點(diǎn)火準(zhǔn)確、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

（7）同時(shí)測試儀由于缺少必要的實(shí)驗(yàn)條件，難以開展大量實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行完備的數(shù)據(jù)分析，后期條件成熟后應(yīng)加以完善和改進(jìn)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)和FPS2800B12C4 傳感器為核心的油品多參數(shù)測試儀，該測試儀操作簡便、成本較低、體積小且攜帶方便，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油液的閃點(diǎn)、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度的測試，有效滿足了油品生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用的相關(guān)需求，能夠?qū)τ推饭芾戆l(fā)揮積極作用和對(duì)油品多參數(shù)檢測技術(shù)起到較大的推動(dòng)作用。因此，該測試儀具有較大的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。

但在油品參數(shù)測試儀設(shè)計(jì)研發(fā)工作中，有些要素還應(yīng)進(jìn)行更為深入的研究和改進(jìn)，如大氣壓的檢測優(yōu)化、石油樣本的含水量自動(dòng)檢測、石油產(chǎn)品閉口閃點(diǎn)測定因素分析和溫度對(duì)油品的粘度、密度、介電常數(shù)的影響等。由于實(shí)驗(yàn)室測定試驗(yàn)火災(zāi)危險(xiǎn)性無法得到精準(zhǔn)分析以及實(shí)驗(yàn)條件不夠完備，所以無法通過大量實(shí)驗(yàn)完善此測試設(shè)備，有些因素分析還需合理推遲時(shí)間再進(jìn)行改進(jìn)或研究，屆時(shí)通過硬件升級(jí)、軟件優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)油品參數(shù)測試方案的精準(zhǔn)性與安全性，如增加油品含水量檢測、大氣壓強(qiáng)自動(dòng)檢測、升溫曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)、溫度超值預(yù)警等。