便攜式機動車機油性能檢測儀設(shè)計

林 峰 嚴(yán) 瑾 邵建文 郁海希

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

便攜式機動車機油性能檢測儀設(shè)計

林 峰1嚴(yán) 瑾1邵建文1郁海希2

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

為了解決單一參數(shù)評價機油性能的局限性，實現(xiàn)機油快速、方便、準(zhǔn)確的綜合在線檢測，研制了便攜式機動車機油性能檢測儀。該檢測儀以機油性能為研究對象，提出一種通過對機油黏度、介電常數(shù)以及溫度的檢測來實現(xiàn)機油性能評價的在線檢測方法。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單片機進(jìn)行處理，單片機通過接收按鍵信號將測量到的數(shù)據(jù)值顯示在LCD液晶屏上。試驗結(jié)果表明，該檢測儀性能穩(wěn)定、使用方便、誤差小。

機油性能 機油黏度 介電常數(shù) 溫度檢測 污染程度

0 引言

汽車機油污染度測試是機油使用與維護(hù)的重要工作內(nèi)容。依據(jù)我國頒布的《汽油機油換油指標(biāo)》(GB/T 8028-2010)、《柴油機油換油指標(biāo)》(GB/T 7607-2002)等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定當(dāng)機油的黏度、水分、閃點、酸值、鐵含量等理化參數(shù)中的某一項超過限值時，需要更換機油。傳統(tǒng)機油質(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。這些檢測方法各有優(yōu)缺點，但都普遍存在攜帶不便、效率低下等不足。

針對目前機油檢測存在的問題，本文設(shè)計了便攜式機動車機油性能檢測儀，將黏度、介電常數(shù)以及溫度作為判斷機油性能的依據(jù)，實現(xiàn)了三個測量參數(shù)的綜合分析，解決了當(dāng)前傳統(tǒng)檢測單一參數(shù)評價機油性能局限性的問題。

1 檢測原理分析

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

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

η=(v2-v1)/v1×100%

(1)

式中：η為運動黏度變化率，%；v1為新油運動黏度實測值，mm2/s； v2為使用中油運動黏度實測值，mm2/s。

同理，由于介電常數(shù)和機油的含水率、鐵磨粒含量、總酸值和介電常數(shù)具有相同的變化趨勢，因此在某個溫度下，當(dāng)機油某個理化指標(biāo)超過國家標(biāo)準(zhǔn)時，測得機油的介電常數(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油黏度的閾值以及介電常數(shù)的閾值。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

便攜式機動車機油性能檢測儀硬件設(shè)計主要由在線液體黏度傳感器、在線機油介電常數(shù)傳感器、溫度傳感器和專用參數(shù)變送器，單片機模塊、LCD液晶模塊、按鍵模塊以及上位機通信模塊組成。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)變送器對在線液體黏度傳感器、在線機油介電常數(shù)傳感器以及溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將所得的測量值通過串口通信RS- 485傳送給單片機模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機模塊接收按鍵模塊信號，并在LCD液晶模塊上顯示相應(yīng)值。同時單片機通過RS-232通信模塊與上位機連接，將測得的數(shù)據(jù)與機油性能數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若比對數(shù)據(jù)超過閾值，則發(fā)出“換油”的警告信號；反之不產(chǎn)生“換油”信號。

2.1 傳感器模塊

本檢測儀選用FWS- 4型在線液體黏度傳感器[3]，這個傳感器是機油黏度測定法應(yīng)用的理想選擇。該傳感器采用新型超聲振動方法[4]，在一個較寬的、連續(xù)的和實時的測量范圍內(nèi)保證了極好的精度與可重復(fù)性。其工作原理是當(dāng)被測液體與探頭敏感器件接觸時，通過測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

在線機油介電常數(shù)傳感器[5]，可以在線準(zhǔn)確測定機油的污染程度。其工作原理是當(dāng)被測液體與探頭敏感器件接觸時，通過測得介電常數(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，具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。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通信的綜合信號采集模塊，可以采集溫度傳感器輸出的電阻信號、黏度傳感器輸出的脈沖信號以及介電常數(shù)傳感器輸出的電壓信號，并對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。計算后的數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)通過RS- 485傳輸給PIC單片機模塊。

2.3 單片機以及其他模塊

便攜式機動車機油性能檢測儀主控板采用PIC18F97J60芯片作為中央處理器[4]。它不僅具有高效、穩(wěn)定、功耗低、抗干擾能力強等特點，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，具有高強度抗破壞性的優(yōu)點。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。主控板還帶有與上位機通信的RS-232模塊[9]。

為了方便現(xiàn)場檢定，檢測儀采用便攜式的設(shè)計思路，設(shè)計系帶，方便攜帶。整個檢測儀體積小，質(zhì)量輕，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的航空插頭，以便與檢測機油的傳感器連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

檢測機油程序流程圖如圖3所示。

圖3 檢測程序流程圖Fig.3 Flowchart of detecting program

便攜式機動車機油性能檢測儀軟件[10]設(shè)計的開發(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、在線觀測和運行結(jié)果檢驗。整個軟件編程主要分為三個模塊進(jìn)行分析。一個是機油黏度測試，第二個是機油介電常數(shù)測試，第三個是溫度測試。

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

4 標(biāo)定及試驗結(jié)果分析

在開始實際試驗之前，首先要對相關(guān)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。即對黏度傳感器、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)可以得出溫度補償FairT。

FairT=KtT+FairT0

(2)

通過3次測量,根據(jù)式(3)可以計算得到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下該機油的黏度值。

η=e[a-F+Kt(T-T1)]/b-c

(4)

對于不同黏度的機油進(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(試驗溫度25 ℃)Tab.4 Calibration result of viscosity transducer (test temperature:25 ℃)

對于在線機油介電常數(shù)傳感器，其標(biāo)定就是對其含水率進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定溫度為T0，傳感器輸出和機油含水率的關(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時傳感器在待測油液中的輸出電壓；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、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

完成對傳感器的標(biāo)定后，搭建試驗平臺對通用機油進(jìn)行試驗(取1#機油)。這里以黏度傳感器為例。測試機油性能時，當(dāng)溫度傳感器顯示剛好為80 ℃時，讀出此時檢測儀上顯示的黏度值。黏度傳感器的試驗結(jié)果如表6所示。

表6 1#機油黏度測試試驗結(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，機油的黏度越小。將測得的值與機油性能參數(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油。

5 結(jié)束語

便攜式機動車機油性能檢測儀實現(xiàn)了對機動車機油性能的綜合檢測，建立了一種快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、方便，并能適應(yīng)長時間在線檢測的方法，解決了當(dāng)前傳統(tǒng)檢測單一參數(shù)評價機油性能的局限性，具有很好的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。試驗建立的機油性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為機油的合理利用提供數(shù)據(jù)支持，這對于今后保護(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.便攜式機油老化性能探測儀的研究與設(shè)計[J].微計算機信息,2009(8):124-126.

[2] 鄭永真.便攜式車用機油檢測儀的研究[D].杭州：中國計量學(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)的柴油機機油質(zhì)量監(jiān)測研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,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)測方法研究[D].長春：吉林大學(xué),2007.

[6] 張峰,趙曉,陳夫東,等.機油鐵顆粒含量和黏度傳感器在柴油機保護(hù)儀中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與動力裝置,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.機油品質(zhì)異常監(jiān)測[J].內(nèi)燃機,2012(4):44-48.

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

[10]劉強,趙曉,張峰.在線監(jiān)測機油實時黏度和其100℃參考溫度時黏度轉(zhuǎn)化[J].內(nèi)燃機與動力裝置,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

浙江省科技計劃基金資助項目(編號：2012C21080)。

林峰(1982-)，男，2004年畢業(yè)于中國計量學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事機動車檢測設(shè)備和交通執(zhí)法設(shè)備計量標(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。