油液多參數(shù)便攜式檢測儀設(shè)計與測試

郭建偉 ，魏 冀 ，劉亞龍 ，趙志龍 ，侯鐵城

（1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南平頂山467099；2.中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南平頂山467099；3.陜西東輝控制工程有限公司，陜西西安710082；4.西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安710072；5.西北工業(yè)集團公司設(shè)計二所，陜西西安710043）

液壓油等油液扮演著煤礦機械設(shè)備“血液”的重要角色，油液的品質(zhì)特性變化，如磨損顆粒、酸值、水分等變化會直接反映在油液理化參數(shù)的變化上，其中油液中磨損顆粒量可以直觀反映出機械部件零件表面的磨損程度和疲勞狀態(tài)[1]。因此，及時、準(zhǔn)確地掌握和了解潤滑油的理化參數(shù)，進而對油液的油質(zhì)、使用壽命以及設(shè)備的磨損狀況進行判斷，已經(jīng)成為保障煤礦機械設(shè)備安全運行的重要手段。

傳統(tǒng)的油液檢測方法檢測精度高，但成本高，測量參數(shù)單一，并對測量人員有一定的要求。該文以MES精良電子公司的FPS2800B12C4流體特性傳感器為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，利用HMIEditor軟件在Linux系統(tǒng)環(huán)境下編寫油液測試系統(tǒng)軟件，完成一種油液多參數(shù)便攜式檢測儀的軟硬件設(shè)計，并通過液壓油的檢測驗證了其測試功能。

1 總體方案設(shè)計

油液檢測儀主要由傳感器模塊、電源模塊、CAN總線接口電路模塊組成，此外還有USB接口電路、電池充電模塊電路、硬件電路外接CAN總線液晶觸摸屏和一個微型打印機。由于傳感器屬于CAN總線協(xié)議，需要外接一個CAN總線接口電路進行數(shù)據(jù)采集。CAN總線接口電路采用CAN總線控制器SJA1000和CAN驅(qū)動器82C251組成。油液檢測儀方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 油液檢測儀方案設(shè)計

將FPS2800B12C4流體特性傳感器浸入油液，油液采用電磁攪拌方式，F(xiàn)PS2800B12C4流體特性傳感器可以同時測量油液的溫度、粘度、密度和介電常數(shù)，它將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線接口電路輸出到各個終端。便攜式油液檢測儀設(shè)置了觸摸顯示屏，其可以控制便攜式油液檢測儀的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和實時顯示檢測的油液參數(shù)，如圖2。軟件的具體功能部分如圖3，包括油液4個參數(shù)檢測、油液的粘溫特性曲線、含水率、酸值、金屬雜質(zhì)、數(shù)據(jù)打印、歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖2 油液檢測儀

2 FPS2800B12C4流體特性傳感器

2.1 傳感器介紹

圖3 軟件檢測功能

FPS2800B12C4流體特性傳感器是由美國精量電子基于石英音叉技術(shù)的液體模塊傳感器，屬于高度整合的單體模塊，包括傳感器和電子處理模塊部分，如圖4所示。

圖4 FPS2800B12C4流體特性傳感器

該傳感器采用NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所）標(biāo)定流體進行標(biāo)定，按照J1939、CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)或者CAN2.0A的數(shù)字輸出，具有高分辨度的參數(shù)讀取功能，可以同時和重復(fù)測量溫度、粘度、密度和介電常數(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過專利的音叉技術(shù)，傳感器可以檢測到諸如發(fā)動機潤滑油、燃油、傳動油、剎車液、液壓油和齒輪油等流體的多個物理屬性間的直接和間接的關(guān)系。傳感器具有高強度的結(jié)構(gòu)，可在高壓高流速的環(huán)境中工作。在傳感器探頭部分涂有特殊的抗腐蝕與抗污染涂層，使其可以在惡劣環(huán)境下保持良好的工作狀態(tài)。傳感器內(nèi)置微處理器可以進行數(shù)據(jù)采集，工作電壓可以是12 V或者24 V電源電壓，具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 傳感器測試原理

FPS2800B12C4流體特性傳感器是一種基于石英音叉技術(shù)的液體模塊傳感器，其工作原理可以概括為：油液中溫度、粘度、密度、介電常數(shù)等理化參數(shù)的變化會引起石英音叉諧振頻率的變化，將石英音叉諧振器作為敏感器件接入振蕩器的反饋回路，其諧振特性決定了振蕩器的頻率，利用振蕩電路檢測諧振頻率的變化，從而反映出油液理化參數(shù)的變化。石英晶體的等效電路如圖6所示。

圖6 石英晶體等效電路

C1為電路動態(tài)電容，C2為靜電電容，相當(dāng)于平板電容，R表示的是等效電阻，是由于石英晶體在液體中振動受到摩擦力的損耗。

根據(jù)實驗研究，傳感器的輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)的物理量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

1）動力粘度：V=DATA×0.015 625，單位為cP;

2）介電常數(shù)：ε=DATA×0.000 122 07；

3）溫度：(DATA×0.031 25)-273，單位為℃；

4）密度：ρ=DATA×0.000 305 2，單位為g/mL。

3 電路設(shè)計

3.1 電源模塊電路

由于便攜式檢測儀設(shè)計可以和市電相連，所以開關(guān)電源選用24VDDC開關(guān)電源供電，電源電路部分采用線性電源轉(zhuǎn)換芯片LM1085-5與LM1085-3.3，以實現(xiàn)24 V到5 V與3.3 V的電源電壓轉(zhuǎn)換。電源模塊設(shè)計如圖7所示。

3.2 CAN總線接口電路

CAN總線接口模塊部分由CAN控制器芯片SJA1000與CAN驅(qū)動器80C251構(gòu)成，具體電路如圖8所示。SJA1000在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現(xiàn)軟件測試系統(tǒng)與微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。其作用是接受來自CPU的指示，并命令CAN寄存器作出相應(yīng)的動作，并為CPU反饋中斷命令信息。微處理器和位流處理器之間需要連接一個SJA1000的發(fā)送緩沖器，它能夠保存通過CAN網(wǎng)絡(luò)的的報文信息。接收過濾器和微處理器之間需要連接接收緩沖器，用來保存CAN網(wǎng)絡(luò)上的命令信息。位流處理器通過控制數(shù)據(jù)信息，并進行CAN網(wǎng)絡(luò)上的錯誤自檢、識別、補充和糾錯。82C251芯片具有較高的擊穿電壓，能夠在24 V電源電壓下正常驅(qū)動總線工作，而且在隱性狀態(tài)下的下拉電流更小，在掉電情況下總線的輸出特性得到一定的保障。

圖7 電源模塊電路

圖8 CAN總線接口電路

4 實驗研究

為了檢驗檢測儀的性能，采用昆侖46#抗磨液壓油進行了檢測試驗，在30～40℃的情況下，測得不同含水率油液的介電常數(shù)變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 不同含水率油液在不同溫度下介電常數(shù)變化規(guī)律

由圖9所示，在含水率為0.1%以下時，液壓油的介電常數(shù)隨著溫度的增加而變小，當(dāng)含水率為0.1%時，油液的介電常數(shù)隨著溫度的增加而變大，與之前的變化趨勢相反。這主要是因為液壓油屬于絕緣油，在含水量很小時，油液的介電常數(shù)起主導(dǎo)作用，所以隨著溫度的升高，混合油樣的介電常數(shù)減小，當(dāng)油液含水量超過0.1%時，混合油樣的介電常數(shù)[17]受水的影響變大，隨著溫度的升高而增大。這也證明了液壓油含水率換油指標(biāo)不超過0.1%的科學(xué)性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的便攜式多參數(shù)油液檢測儀操作簡便，成本低，利用FPS2800B12C4流體特性傳感器的特點可以同時檢測油液的溫度、密度、粘度、介電常數(shù)，可以實現(xiàn)對油液的在線監(jiān)測，不僅提高了對煤礦機械設(shè)備的安全保障，而且克服了煤礦上傳統(tǒng)油液檢測方法周期長、成本高等缺點，給煤礦上油液檢測帶來了極大便利。

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