智能石油產品運動粘度測定儀設計

任 龍，姜 濤

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

智能石油產品運動粘度測定儀設計

任 龍，姜 濤

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

運動粘度是表征石油產品物理性能的一項重要指標，它表明產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單片機為控制核心的智能石油產品運動粘度測定儀，該測定儀具有石油產品運動粘度的測定、顯示即時信息、打印報告單、自動清洗等功能。詳細的敘述了該石油運動粘度測定儀的原理、硬件組成及軟件的設計。

avr單片機;運動粘度;石油

0 引言

運動粘度是石油產品的一項重要的物理指標。粘度是評價油品流動性能的指標，是油品特別是潤滑油的重要質量標準，是工藝計算中不可缺少的物性參數［1］。某些石油產品的使用性能和油品的粘稠情況密切相關，所以石油產品出廠前，必須先測量它的運動粘度。目前國內運動粘度測量方法主要是人工手動測量，勞動量大，操作復雜，而且誤差大，因此有必要設計一種智能石油產品運動粘度測定儀。

1 運動粘度的測量原理及方法

式中:η—液體的運動粘度;r—毛細管半徑;V—在時間τ內液體流出的體積;L—毛細管的長度;τ—液體流出V體積所用的時間;P1P2—流體單元所受的壓力。

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

毛細試管粘度計測定液體運動粘度的原理是根據Poiseuille定律［2］，即:

ρ—液體的密度;m—常數;將式(2)改寫為:

其中

針對某一種毛細管運動粘度計而言，其中A、B是儀器常數;用兩種運動粘度已知的液體進行測量其運動粘度，來確定A、B的值。當A、B的值確定后，通過記錄液體通過的時間來計算出所測液體的運動粘度。

毛細試管法測定運動粘度:毛細管粘度計機構如圖1所示，粘度計的支管處接橡皮管，管身的管口插入承油品的燒杯中，通過連接支管處橡皮管的洗耳球將油品吸至下刻度線上部的擴張部分，不能出現氣泡，取出粘度計，擦干粘度計壁，將粘度計垂直放置在水浴中［3］，用洗耳球將油品試樣吸至上刻度線以上少許，設定好水浴的溫度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，觀察液面當液面到上刻度線時開始計時，液面經過下刻度線時停止計時，重復測定4次，取4次的流動時間所得算數平均值作為平均流動時間。通過粘度計的常數A、B計算出所測試樣的運動粘度值。

圖1 毛細管粘度計機構

2 運動粘度測定儀的硬件組成

智能石油產品運動粘度測定儀采用逆流法測量，利用光敏傳感器記錄一定體積油品通過毛細管標定位置的時間，經分析、計算、得出該油品的運動粘度值。本智能石油運動粘度測定要實現溫度的控制、液面檢測、運動粘度的測量、顯示即使信息、打印報告單、自動清洗等功能。本運動粘度測定儀采用模塊化設計思想，測量、控制與管理等功能由各功能模塊分工完成。主要包括主機控制模塊、溫度控制模塊、液晶顯示模塊、液位檢測模塊、自動清洗模塊、打印機模塊以及其它接口模塊。如圖2所示。

圖2 運動粘度測定儀的功能模塊

根據運動粘度測定儀的功能需要，本系統的硬件結構如圖3所示

圖3 智能運動粘度測定儀的硬件結構圖

主機模塊:系統的核心芯片采用avr單片機，avr單片機采用RISC結構，具有1MIPS/MHZ的高速運行處理能力。由于avr單片機采用了harvard結構，所以它的程序存儲器和數據存儲器是分開組織和尋址的。尋址空間分別為可直接訪問8MB的程序存儲器和8MB的數據存儲器。主機模塊主要完成接受信號、數據處理、計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，恒溫液槽是一個直徑250mm高270mm的透明玻璃缸。由于石油的運動粘度的測量需要恒溫環境，所以要求系統必須嚴格控制水浴的恒溫環境［4］。PT100溫度傳感器的精度為0.1度，由鉑電阻PT100采集溫度信號轉為數字信號送給avr單片機，溫度的設定值與測量值進行比較，經PID計算后，給加熱裝置相應的信號進行加熱，實現溫度控制。

液晶顯示模塊:采用SMG12864液晶顯示器，主要負責顯示運動粘度測定儀的工作信息，包括:初始化狀態信息、設定溫度、即使溫度、采集的時間等。使操作人員清晰地觀察運動粘度測定儀的工作狀態。

液面檢測模塊:負責采集液面流經毛細管的上下計時標線的時間，傳送給avr單片機。液面檢測模塊由光纖探頭及光導纖維組成。光線探頭必須與毛細管的上下計時標線位置相符，否者將影響測量的精度。

打印模塊:接打印機，打印測量結果的報告單。

自動清洗系統:當運動粘度測量完畢后，自動清洗毛細管，便于下次使用。

3 軟件的設計

運動粘度測定儀系統的軟件程序編寫主要包括系統的初始化子程序、鍵盤子輸入子程序、液晶顯示子程序、溫度設定子程序、加熱pid運算子程序、液面檢測中斷子程序、數據運算子程序等。在系統通電后，自動啟動初始化子程序，然后調用液晶顯示程序，調用鍵盤程序來設定系統的參數，設定溫度后，經PID控制溫度，當溫度達到設定值時注入所測油品，使油品在恒溫水浴中保持30分鐘，啟動液面自動檢測程序開始計時，采集時間后調用粘度計算程序，將計算結果顯示在液晶屏上，最后打印報告單及調用自動清洗程序。系統采用c語言進行編寫，降低了讀程序的難度，提高設計和調試工作的效率。程序流程如圖4所示。

圖4 系統的程序流程圖

4 結語

本文設計了一種以avr單片機為核心的石油運動粘度測定系統，實現了恒溫控制、自動檢測、計算粘度、自動清洗烘干、打印報告單等全過程的自動化。逆流法測試符合GB/T11137-89標準。本運動粘度測定儀的自動化程度高、操作簡單、測量精度高。所以這種智能石油產品運動粘度測定儀必將有廣闊的市場前景。

［1］GB/T265-88，石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法［S］//石油和石油產品實驗方法國家標準匯編(上).北京:中國標準出版社，1988.

［2］ 王常診.冶金物理化學［M］.北京:冶金工業出版社，1992.

［3］ 于斌.毛細管粘度計安裝垂直度對檢定的影響［J］.計量與測量技術，2001(1):19－21.

［4］ 龐愛青.如何減少毛細管粘度計檢定中的影響因素［J］.計量與測試技術，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，主要從事機電系統控制與技術方面研究。

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

責任編輯:吳旭云