智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀設(shè)計(jì)

任 龍，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀設(shè)計(jì)

任 龍，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

運(yùn)動(dòng)粘度是表征石油產(chǎn)品物理性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它表明產(chǎn)品在一定溫度下的粘稠情況，單位是平方毫米每秒。介紹了一種以avr單片機(jī)為控制核心的智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀，該測(cè)定儀具有石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)定、顯示即時(shí)信息、打印報(bào)告單、自動(dòng)清洗等功能。詳細(xì)的敘述了該石油運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的原理、硬件組成及軟件的設(shè)計(jì)。

avr單片機(jī);運(yùn)動(dòng)粘度;石油

0 引言

運(yùn)動(dòng)粘度是石油產(chǎn)品的一項(xiàng)重要的物理指標(biāo)。粘度是評(píng)價(jià)油品流動(dòng)性能的指標(biāo)，是油品特別是潤(rùn)滑油的重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是工藝計(jì)算中不可缺少的物性參數(shù)［1］。某些石油產(chǎn)品的使用性能和油品的粘稠情況密切相關(guān)，所以石油產(chǎn)品出廠前，必須先測(cè)量它的運(yùn)動(dòng)粘度。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量方法主要是人工手動(dòng)測(cè)量，勞動(dòng)量大，操作復(fù)雜，而且誤差大，因此有必要設(shè)計(jì)一種智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀。

1 運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量原理及方法

式中:η—液體的運(yùn)動(dòng)粘度;r—毛細(xì)管半徑;V—在時(shí)間τ內(nèi)液體流出的體積;L—毛細(xì)管的長(zhǎng)度;τ—液體流出V體積所用的時(shí)間;P1P2—流體單元所受的壓力。

由于流體在試管中做層流流動(dòng)，但是在試管兩端不能完全做層流流動(dòng)，還有徑向流動(dòng)，于是引入附加管長(zhǎng)修正項(xiàng)nr。由于在試管兩端流體有動(dòng)能損失，得出:

毛細(xì)試管粘度計(jì)測(cè)定液體運(yùn)動(dòng)粘度的原理是根據(jù)Poiseuille定律［2］，即:

ρ—液體的密度;m—常數(shù);將式(2)改寫(xiě)為:

其中

針對(duì)某一種毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)而言，其中A、B是儀器常數(shù);用兩種運(yùn)動(dòng)粘度已知的液體進(jìn)行測(cè)量其運(yùn)動(dòng)粘度，來(lái)確定A、B的值。當(dāng)A、B的值確定后，通過(guò)記錄液體通過(guò)的時(shí)間來(lái)計(jì)算出所測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度。

毛細(xì)試管法測(cè)定運(yùn)動(dòng)粘度:毛細(xì)管粘度計(jì)機(jī)構(gòu)如圖1所示，粘度計(jì)的支管處接橡皮管，管身的管口插入承油品的燒杯中，通過(guò)連接支管處橡皮管的洗耳球?qū)⒂推肺料驴潭染€上部的擴(kuò)張部分，不能出現(xiàn)氣泡，取出粘度計(jì)，擦干粘度計(jì)壁，將粘度計(jì)垂直放置在水浴中［3］，用洗耳球?qū)⒂推吩嚇游辽峡潭染€以上少許，設(shè)定好水浴的溫度t，加熱水浴使水浴的溫度恒定在t度(誤差小于0.1度)，恒溫后使油品自由流下，觀察液面當(dāng)液面到上刻度線時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，液面經(jīng)過(guò)下刻度線時(shí)停止計(jì)時(shí)，重復(fù)測(cè)定4次，取4次的流動(dòng)時(shí)間所得算數(shù)平均值作為平均流動(dòng)時(shí)間。通過(guò)粘度計(jì)的常數(shù)A、B計(jì)算出所測(cè)試樣的運(yùn)動(dòng)粘度值。

圖1 毛細(xì)管粘度計(jì)機(jī)構(gòu)

2 運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的硬件組成

智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀采用逆流法測(cè)量，利用光敏傳感器記錄一定體積油品通過(guò)毛細(xì)管標(biāo)定位置的時(shí)間，經(jīng)分析、計(jì)算、得出該油品的運(yùn)動(dòng)粘度值。本智能石油運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定要實(shí)現(xiàn)溫度的控制、液面檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量、顯示即使信息、打印報(bào)告單、自動(dòng)清洗等功能。本運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀采用模塊化設(shè)計(jì)思想，測(cè)量、控制與管理等功能由各功能模塊分工完成。主要包括主機(jī)控制模塊、溫度控制模塊、液晶顯示模塊、液位檢測(cè)模塊、自動(dòng)清洗模塊、打印機(jī)模塊以及其它接口模塊。如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的功能模塊

根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的功能需要，本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3 智能運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的硬件結(jié)構(gòu)圖

主機(jī)模塊:系統(tǒng)的核心芯片采用avr單片機(jī)，avr單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，具有1MIPS/MHZ的高速運(yùn)行處理能力。由于avr單片機(jī)采用了harvard結(jié)構(gòu)，所以它的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開(kāi)組織和尋址的。尋址空間分別為可直接訪問(wèn)8MB的程序存儲(chǔ)器和8MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。主機(jī)模塊主要完成接受信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及和其他模塊的通信。

溫度控制模塊:由恒溫液槽、加熱裝置、攪拌器、PT100溫度傳感器組成，恒溫液槽是一個(gè)直徑250mm高270mm的透明玻璃缸。由于石油的運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量需要恒溫環(huán)境，所以要求系統(tǒng)必須嚴(yán)格控制水浴的恒溫環(huán)境［4］。PT100溫度傳感器的精度為0.1度，由鉑電阻PT100采集溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)送給avr單片機(jī)，溫度的設(shè)定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，經(jīng)PID計(jì)算后，給加熱裝置相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

液晶顯示模塊:采用SMG12864液晶顯示器，主要負(fù)責(zé)顯示運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的工作信息，包括:初始化狀態(tài)信息、設(shè)定溫度、即使溫度、采集的時(shí)間等。使操作人員清晰地觀察運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的工作狀態(tài)。

液面檢測(cè)模塊:負(fù)責(zé)采集液面流經(jīng)毛細(xì)管的上下計(jì)時(shí)標(biāo)線的時(shí)間，傳送給avr單片機(jī)。液面檢測(cè)模塊由光纖探頭及光導(dǎo)纖維組成。光線探頭必須與毛細(xì)管的上下計(jì)時(shí)標(biāo)線位置相符，否者將影響測(cè)量的精度。

打印模塊:接打印機(jī)，打印測(cè)量結(jié)果的報(bào)告單。

自動(dòng)清洗系統(tǒng):當(dāng)運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量完畢后，自動(dòng)清洗毛細(xì)管，便于下次使用。

3 軟件的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀系統(tǒng)的軟件程序編寫(xiě)主要包括系統(tǒng)的初始化子程序、鍵盤(pán)子輸入子程序、液晶顯示子程序、溫度設(shè)定子程序、加熱pid運(yùn)算子程序、液面檢測(cè)中斷子程序、數(shù)據(jù)運(yùn)算子程序等。在系統(tǒng)通電后，自動(dòng)啟動(dòng)初始化子程序，然后調(diào)用液晶顯示程序，調(diào)用鍵盤(pán)程序來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)，設(shè)定溫度后，經(jīng)PID控制溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)注入所測(cè)油品，使油品在恒溫水浴中保持30分鐘，啟動(dòng)液面自動(dòng)檢測(cè)程序開(kāi)始計(jì)時(shí)，采集時(shí)間后調(diào)用粘度計(jì)算程序，將計(jì)算結(jié)果顯示在液晶屏上，最后打印報(bào)告單及調(diào)用自動(dòng)清洗程序。系統(tǒng)采用c語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，降低了讀程序的難度，提高設(shè)計(jì)和調(diào)試工作的效率。程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以avr單片機(jī)為核心的石油運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了恒溫控制、自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算粘度、自動(dòng)清洗烘干、打印報(bào)告單等全過(guò)程的自動(dòng)化。逆流法測(cè)試符合GB/T11137-89標(biāo)準(zhǔn)。本運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀的自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高。所以這種智能石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀必將有廣闊的市場(chǎng)前景。

［1］GB/T265-88，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］//石油和石油產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編(上).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［2］ 王常診.冶金物理化學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1992.

［3］ 于斌.毛細(xì)管粘度計(jì)安裝垂直度對(duì)檢定的影響［J］.計(jì)量與測(cè)量技術(shù)，2001(1):19－21.

［4］ 龐愛(ài)青.如何減少毛細(xì)管粘度計(jì)檢定中的影響因素［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007，34(7):13－14.

Design for Kinetic Viscosity Instrument of Intelligent Petroleum Products

REN Long，JIANG Tao
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology Changchun 130022，China)

Kinetic viscosity is an important index indicating physical properties of petroleum products，showing products’sticky situation at a certain temperature.The unit is square millimeter per second.This paper introduces a kinetic viscosity tester of intelligent petroleum products that takes avr microcontroller as the control core，which has many functions such as determining the kinetic viscosity of petroleum products，displaying real-time information，printing report card and automatic cleaning.It describes the principle，hardware components and software design of the instrument in detail.

avr microcontroller;kinetic viscosity;petroleum

TH702

A

1009－3907(2011)10－0005－03

2011-08-10

任龍(1985-)，男，吉林四平人，碩士研究生，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù)方面研究。

姜濤(1969-)，男，山西大同人，研究員，博士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù)、光電在線檢測(cè)方面的研究與教學(xué)工作。

責(zé)任編輯:吳旭云