全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

黃 鶴，李寶泉

吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132013

油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中占有十分重要的位置，其測(cè)量方法大體分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種測(cè)量方法。手動(dòng)測(cè)量步驟繁瑣且測(cè)量精度低；而目前自動(dòng)測(cè)量技術(shù)大都電路復(fù)雜且設(shè)備制作成本高。本文所論述的全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置是在傳統(tǒng)的毛細(xì)管測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，首先介紹下全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置的構(gòu)成及測(cè)量過(guò)程。

1 全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置構(gòu)成及測(cè)量過(guò)程

1.1 測(cè)量基本原理

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置，采用毛細(xì)管作為測(cè)量元件，其工作原理是基于伯塞爾方程進(jìn)行測(cè)量的。其中運(yùn)動(dòng)粘度νt=c× t，其中c是粘度系數(shù)（mm2/s2）；t是試樣的平均流動(dòng)時(shí)間（s）；vt是運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s），粘度系數(shù)c是常量，測(cè)量時(shí)只需要測(cè)量出樣品流經(jīng)測(cè)量球的時(shí)間t值，然后依據(jù)公式便可以方便地計(jì)算出運(yùn)動(dòng)粘度值[1]的。

1.2 全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置

全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置主要由樣品測(cè)量管路系統(tǒng)；樣品位置檢測(cè)電路；鍵盤(pán)、顯示控制電路；油浴溫度控制系統(tǒng)和電源等組成。裝置的主要特點(diǎn)是粘度測(cè)量范圍寬（0.5mm2/s～5 000mm2/s)/40℃ ；（0.5mm2/s～2 000mm2/s）/100℃，測(cè) 量 精 度 高（0.001），適用于透明、半透明與不透明油品運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量，該裝置還具有自動(dòng)清洗和自動(dòng)干燥處理功能。

1.3 樣品測(cè)量管路系統(tǒng)構(gòu)成及測(cè)量過(guò)程

樣品測(cè)量管路系統(tǒng)[2]是待測(cè)樣品注入、測(cè)量及排出的管路系統(tǒng)，包括：玻璃管測(cè)量球1個(gè)；二位三通電磁閥10個(gè)；樣品流通導(dǎo)管若干米；泄氣閥1個(gè)；真空瓶1個(gè)；真空泵1個(gè)；有機(jī)溶劑清洗液兩瓶等，該測(cè)量管路系統(tǒng)的主要功能是完成樣品采集、樣品檢測(cè)、管路清洗和干燥等項(xiàng)工作，這些工作都是在微控制器的控制下自動(dòng)完成的，下面介紹油品測(cè)量管路系統(tǒng)的工作過(guò)程。

圖1 油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置方框圖

1.3.1 自動(dòng)采樣過(guò)程

自動(dòng)測(cè)量[3]操作的第一步是采樣，采樣管路如圖1所示，首先將電磁閥6接到1位置，閥4接到1位置，閥二接到1位置，閥一接到1位置。保證采樣管路暢通。并將微量排氣閥稍微打開(kāi)點(diǎn)，起到減壓作用。然后通過(guò)控制器啟動(dòng)真空泵，將樣品吸到測(cè)量球毛細(xì)管1中。接著微控制器監(jiān)測(cè)測(cè)量球C點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)樣品到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，微控制器發(fā)出指令停真空泵。

1.3.2 自動(dòng)控制停泵

當(dāng)被測(cè)樣品油到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，真空泵停止工作，同時(shí)控制電磁閥4接到2位置，電磁閥2接到2處，電磁閥3接到2處，目的使三支測(cè)量球中的樣品依靠重力下降，為獲得測(cè)量時(shí)間t做準(zhǔn)備。

1.3.3 運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)間t值的自動(dòng)測(cè)量

待測(cè)樣品在毛細(xì)管1中下降時(shí)，微控制器監(jiān)測(cè)A點(diǎn)，到達(dá)時(shí)，微控制器啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)樣品到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，微控制器停止計(jì)時(shí)。這是的計(jì)時(shí)時(shí)間為t1，然后通過(guò)微控制器保存t1的值。然后利用測(cè)量球中的樣品進(jìn)行第二次、第三次測(cè)量時(shí)間t2、t3值。重復(fù)三次得到三個(gè)時(shí)間值，即t1、t2、t3。然后求取其平均值，再將平均值與t1、t2、t3比較 ，依據(jù)公式算出相對(duì)誤差，將該誤差值與設(shè)定值誤差相比較，去掉誤差最大的時(shí)間t'值，取余下的兩個(gè)時(shí)間，再取這兩個(gè)時(shí)間值的平均值-，該值便是最后的測(cè)量t時(shí)間，然后依據(jù)公式計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度的大小。

1.3.4 測(cè)量管路的自動(dòng)排空過(guò)程經(jīng)過(guò)三次自動(dòng)測(cè)量，獲得測(cè)量時(shí)間-值，得到了運(yùn)動(dòng)粘度v值。tt然后，需要排出管路及測(cè)量球中的被測(cè)樣品，對(duì)管路進(jìn)行自動(dòng)清洗和干燥，以保證下次測(cè)量時(shí)被測(cè)樣品的純凈度。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分主要包括：傳感器及其轉(zhuǎn)換電路，C8051單片機(jī)電路等。被測(cè)樣品液面檢測(cè)傳感器及其轉(zhuǎn)換電路是將樣品液面的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量信號(hào)送給微控制器。

液面檢測(cè)傳感器及其轉(zhuǎn)換電路：

液面檢測(cè)傳感器及其轉(zhuǎn)換電路主要包括：三組電容式傳感器[4]、變壓器反饋式振蕩器、選頻放大器和電壓比較器組成。電容式傳感器有兩個(gè)極板，安裝時(shí)將兩個(gè)極板分別放置在毛細(xì)管外部?jī)蓚?cè)，共有三組電容式傳感器分別放置在測(cè)量球A、B、C三點(diǎn)處，如圖1-1所示。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)在測(cè)量球中上升穿過(guò)電容器兩極板時(shí)，會(huì)引起電容式傳感器介電常數(shù)ε發(fā)生變化，即ε值增加；反之，當(dāng)介質(zhì)液面下降時(shí)，介電常數(shù)ε值會(huì)減少。依據(jù)公式算Cx值，因此檢測(cè)樣品液面的位置就轉(zhuǎn)換成檢測(cè)電容器Cx值的變化量。將Cx與電感線圈組成振蕩電路來(lái)測(cè)量Cx值的大小。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置與手動(dòng)測(cè)量裝置在結(jié)構(gòu)上有很大不同，且測(cè)量精度高，下面看下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

3.1 恒溫時(shí)間的確定

全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度裝置取樣數(shù)量取決于油品運(yùn)動(dòng)粘度的大小，粘度越大量就越小，采樣時(shí)間就越短些。取樣數(shù)量的不同將影響油品在浴中的恒溫時(shí)間，所以對(duì)全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置測(cè)定不同溫度下油品的恒溫時(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的恒溫時(shí)間進(jìn)行了比較，以便找出合適的自動(dòng)粘度的操作條件，這里將手動(dòng)粘度儀與全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度自動(dòng)測(cè)量裝置的恒溫時(shí)間作下比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度自動(dòng)測(cè)量裝置在測(cè)定20℃運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，恒溫時(shí)間在4min以上。

3.2 手動(dòng)測(cè)量和全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度自動(dòng)測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果比較

選取具有代表性的不同粘度范圍的幾種油品分別用兩種儀器進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

樣品名稱 測(cè)量結(jié)果mm2/s 平均值X差值ΔX重復(fù)要求r再現(xiàn)性要求R手動(dòng)儀器自動(dòng)儀器標(biāo)準(zhǔn)油1 64.30 64.50 64.40 0.20 0.644 1.420標(biāo)準(zhǔn)油2 684.1 687.3 685.7 3.20 6.857 15.090

表1 兩種粘度儀測(cè)定結(jié)果比較

由表1可以看出，兩種粘度儀測(cè)定結(jié)果的差值符合GB/T265-88規(guī)定的再現(xiàn)性要求，大部分測(cè)試結(jié)果也符合重復(fù)性的要求。

總之， 文章采用毛細(xì)管測(cè)量運(yùn)動(dòng)粘度的基礎(chǔ)上，利用電容式傳感器及其轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)液面的位置，輸出開(kāi)關(guān)量電信號(hào)，利用C8051單片機(jī)完成計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)處理等工作，利用鍵盤(pán)復(fù)位，并且針對(duì)每一種功能進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。全自動(dòng)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量裝置比國(guó)外同類產(chǎn)品降低了設(shè)計(jì)成本，對(duì)國(guó)內(nèi)油品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

[1]GB/T 265-88,石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定法和動(dòng)力粘度計(jì)算法[S].

[2]陳剛，朱震剛，水嘉鵬.利用強(qiáng)迫震動(dòng)擺方法測(cè)量液體粘度系數(shù)的原理[J].物理學(xué)報(bào)，1999(3)：421-424.

[3]趙茂泰.智能儀器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009，3.

[4]吳旗.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2003：20-21.