全自動油品運動粘度測量裝置設計

黃 鶴，李寶泉

吉林工業職業技術學院，吉林吉林 132013

油品運動粘度測量技術在生產過程中占有十分重要的位置，其測量方法大體分為手動和自動兩種測量方法。手動測量步驟繁瑣且測量精度低；而目前自動測量技術大都電路復雜且設備制作成本高。本文所論述的全自動油品運動粘度測量裝置是在傳統的毛細管測量技術基礎上設計的，產品電路設計簡單，測量精度較高，首先介紹下全自動油品運動粘度測量裝置的構成及測量過程。

1 全自動油品運動粘度測量裝置構成及測量過程

1.1 測量基本原理

本文設計的測量裝置，采用毛細管作為測量元件，其工作原理是基于伯塞爾方程進行測量的。其中運動粘度νt=c× t，其中c是粘度系數（mm2/s2）；t是試樣的平均流動時間（s）；vt是運動粘度（mm2/s），粘度系數c是常量，測量時只需要測量出樣品流經測量球的時間t值，然后依據公式便可以方便地計算出運動粘度值[1]的。

1.2 全自動油品運動粘度測量裝置

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

1.3 樣品測量管路系統構成及測量過程

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

圖1 油品運動粘度測量裝置方框圖

1.3.1 自動采樣過程

自動測量[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點，起到減壓作用。然后通過控制器啟動真空泵，將樣品吸到測量球毛細管1中。接著微控制器監測測量球C點狀態，當樣品到達C點時，微控制器發出指令停真空泵。

1.3.2 自動控制停泵

當被測樣品油到達C點時，真空泵停止工作，同時控制電磁閥4接到2位置，電磁閥2接到2處，電磁閥3接到2處，目的使三支測量球中的樣品依靠重力下降，為獲得測量時間t做準備。

1.3.3 運動粘度時間t值的自動測量

待測樣品在毛細管1中下降時，微控制器監測A點，到達時，微控制器啟動計時器計時，當樣品到達B點時，微控制器停止計時。這是的計時時間為t1，然后通過微控制器保存t1的值。然后利用測量球中的樣品進行第二次、第三次測量時間t2、t3值。重復三次得到三個時間值，即t1、t2、t3。然后求取其平均值，再將平均值與t1、t2、t3比較 ，依據公式算出相對誤差，將該誤差值與設定值誤差相比較，去掉誤差最大的時間t'值，取余下的兩個時間，再取這兩個時間值的平均值-，該值便是最后的測量t時間，然后依據公式計算運動粘度的大小。

1.3.4 測量管路的自動排空過程經過三次自動測量，獲得測量時間-值，得到了運動粘度v值。tt然后，需要排出管路及測量球中的被測樣品，對管路進行自動清洗和干燥，以保證下次測量時被測樣品的純凈度。

2 硬件電路設計

硬件電路部分主要包括：傳感器及其轉換電路，C8051單片機電路等。被測樣品液面檢測傳感器及其轉換電路是將樣品液面的信號檢測出來，通過轉換電路轉換為開關量信號送給微控制器。

液面檢測傳感器及其轉換電路：

液面檢測傳感器及其轉換電路主要包括：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極板，安裝時將兩個極板分別放置在毛細管外部兩側，共有三組電容式傳感器分別放置在測量球A、B、C三點處，如圖1-1所示。當被測介質在測量球中上升穿過電容器兩極板時，會引起電容式傳感器介電常數ε發生變化，即ε值增加；反之，當介質液面下降時，介電常數ε值會減少。依據公式算Cx值，因此檢測樣品液面的位置就轉換成檢測電容器Cx值的變化量。將Cx與電感線圈組成振蕩電路來測量Cx值的大小。

3 實驗數據分析與處理

全自動運動粘度測量裝置與手動測量裝置在結構上有很大不同，且測量精度高，下面看下實驗數據對比。

3.1 恒溫時間的確定

全自動油品運動粘度裝置取樣數量取決于油品運動粘度的大小，粘度越大量就越小，采樣時間就越短些。取樣數量的不同將影響油品在浴中的恒溫時間，所以對全自動油品運動粘度測量裝置測定不同溫度下油品的恒溫時間與國際標準中規定的恒溫時間進行了比較，以便找出合適的自動粘度的操作條件，這里將手動粘度儀與全自動運動粘度自動測量裝置的恒溫時間作下比較，通過實驗結果分析，全自動運動粘度自動測量裝置在測定20℃運動粘度時，恒溫時間在4min以上。

3.2 手動測量和全自動運動粘度自動測量裝置測量結果比較

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行測定，測定結果如表1所示。

樣品名稱 測量結果mm2/s 平均值X差值ΔX重復要求r再現性要求R手動儀器自動儀器標準油1 64.30 64.50 64.40 0.20 0.644 1.420標準油2 684.1 687.3 685.7 3.20 6.857 15.090

表1 兩種粘度儀測定結果比較

由表1可以看出，兩種粘度儀測定結果的差值符合GB/T265-88規定的再現性要求，大部分測試結果也符合重復性的要求。

總之， 文章采用毛細管測量運動粘度的基礎上，利用電容式傳感器及其轉換電路檢測液面的位置，輸出開關量電信號，利用C8051單片機完成計時和數據處理等工作，利用鍵盤復位，并且針對每一種功能進行測試，達到了設計的要求。全自動油品運動粘度測量裝置比國外同類產品降低了設計成本，對國內油品運動粘度測量技術的發展起到積極的推動作用。

[1]GB/T 265-88,石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法[S].

[2]陳剛，朱震剛，水嘉鵬.利用強迫震動擺方法測量液體粘度系數的原理[J].物理學報，1999(3)：421-424.

[3]趙茂泰.智能儀器[M].北京：電子工業出版社，2009，3.

[4]吳旗.傳感器與自動檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2003：20-21.