便攜式機動車機油性能檢測儀設計

林 峰 嚴 瑾 邵建文 郁海希

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

便攜式機動車機油性能檢測儀設計

林 峰1嚴 瑾1邵建文1郁海希2

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

為了解決單一參數評價機油性能的局限性，實現機油快速、方便、準確的綜合在線檢測，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、介電常數以及溫度的檢測來實現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據信息由變送器傳送給PIC單片機進行處理，單片機通過接收按鍵信號將測量到的數據值顯示在LCD液晶屏上。試驗結果表明，該檢測儀性能穩定、使用方便、誤差小。

機油性能 機油黏度 介電常數 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的重要工作內容。依據我國頒布的《汽油機油換油指標》(GB/T 8028-2010)、《柴油機油換油指標》(GB/T 7607-2002)等標準，規定當機油的黏度、水分、閃點、酸值、鐵含量等理化參數中的某一項超過限值時，需要更換機油。傳統機油質量判斷方法[1]主要有三類,分別為化學分析法、觀察法、電化學分析法。這些檢測方法各有優缺點，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，本文設計了便攜式機動車機油性能檢測儀，將黏度、介電常數以及溫度作為判斷機油性能的依據，實現了三個測量參數的綜合分析，解決了當前傳統檢測單一參數評價機油性能局限性的問題。

1 檢測原理分析

機油的黏度、介電常數以及溫度三個參數都是影響機油品質的重要因素。其中，機油黏度太高將導致油壓累積高，并妨礙充分的油流向發動機關鍵區域以供應新鮮潤滑油，導致加速磨損；機油黏度太低將導致載荷表面的不良液壓潤滑。介電常數越高，則表明此時機油的抗氧化性能較差，介電常數與機油含水率、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值的變化影響很大。當油溫很高時，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。

根據不同溫度下報廢機油黏度的變化，依據國標《汽油機油換油指標》(GB/T 8028-2010)，所取的報廢機油運動黏度變化率>25%。當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，由于介電常數和機油的含水率、鐵磨粒含量、總酸值和介電常數具有相同的變化趨勢，因此在某個溫度下，當機油某個理化指標超過國家標準時，測得機油的介電常數值即為介電常數在某一溫度下的閾值。

建立機油性能黏度數據庫以及介電常數數據庫，并且確立此種機油黏度以及介電常數與溫度的耦合關系，也即確定了任意溫度下機油黏度的閾值以及介電常數的閾值。

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。將測得的值與所建立的機油性能數據庫中同一溫度下機油黏度與介電常數閾值進行比較，確定是否需要更換機油。

2 系統硬件設計

便攜式機動車機油性能檢測儀硬件設計主要由在線液體黏度傳感器、在線機油介電常數傳感器、溫度傳感器和專用參數變送器，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。總體的結構示意圖如圖1所示。

圖1 檢測儀總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the detector

專用參數變送器對在線液體黏度傳感器、在線機油介電常數傳感器以及溫度傳感器進行數據采集，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行數據處理。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，將測得的數據與機油性能數據庫中的數據進行比較。若比對數據超過閾值，則發出“換油”的警告信號；反之不產生“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、連續的和實時的測量范圍內保證了極好的精度與可重復性。其工作原理是當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變化，來感知液體黏度變化。黏度傳感器的技術參數如表1所示。

表1 黏度傳感器技術參數Tab.1 Technical parameters of viscosity transducer

在線機油介電常數傳感器[5]，可以在線準確測定機油的污染程度。其工作原理是當被測液體與探頭敏感器件接觸時，通過測得介電常數值這一變化量，即可分析潤滑油品質的變質程度以及含水量。在線潤滑油介電常數傳感器的技術參數如表2所示。

表2 介電常數傳感器技術參數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，其電阻和溫度變化的關系如下：R=Ro(1+αT)。該傳感器將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號，具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。溫度傳感器的技術參數如表3所示。

表3 溫度傳感器技術參數Tab.3 Technical parameter of temperature transducer

2.2 專用參數變送器模塊

專用參數變送器[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傳感器輸出的電壓信號，并對采集到的原始數據進行計算。計算后的數據以及原始數據通過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，并在PIC18指令集的基礎上進行了可選擇的擴展，添加了八條新指令和一個變址尋址模式；可以優化和重入應用程序代碼，并集成了豐富的外圍模塊，使用方便、靈活。

串口通信采用標準的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點。LCD液晶顯示模塊采用YJD1602B型，具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的優點。主控板還帶有與上位機通信的RS-232模塊[9]。

為了方便現場檢定，檢測儀采用便攜式的設計思路，設計系帶，方便攜帶。整個檢測儀體積小，質量輕，采用統一標準的航空插頭，以便與檢測機油的傳感器連接。

3 系統軟件設計

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]設計的開發環境是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進行在線調試、在線編程、在線觀測和運行結果檢驗。整個軟件編程主要分為三個模塊進行分析。一個是機油黏度測試，第二個是機油介電常數測試，第三個是溫度測試。

主板上電之后，首先PIC單片機進行系統初始化，持續大約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”，進行串口初始化以及實時時鐘初始化。接著進入主循環，由不同的按鍵值以及標志位確定單片機執行不同的指令，并在LCD上顯示所對應的測得值。

4 標定及試驗結果分析

在開始實際試驗之前，首先要對相關傳感器進行標定。即對黏度傳感器、介電常數傳感器和溫度傳感器進行標定。

對于在線液體黏度傳感器，其標定溫度為25 ℃，且已知在空氣中的溫度補償系數Kt和FairT0，需要標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,根據式(3)可以計算得到a、b、c的值。

F=a-bln(η+c)

(3)

結合傳感器輸出值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行黏度標定，結果如表4所示。

表4 黏度傳感器的標定結果(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傳感器，其標定就是對其含水率進行標定。標定溫度為T0，傳感器輸出和機油含水率的關系符合以下線性關系方程式(5)。線性相關系數R的平方達到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。

通過介電常數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，即可獲得Vot和K的值，完成標定。標定結果如表5所示。

表5 介電常數傳感器標定結果Tab.5 Calibration result of dielectric constant transducer

完成對傳感器的標定后，搭建試驗平臺對通用機油進行試驗(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果如表6所示。

表6 1#機油黏度測試試驗結果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數據庫中的閾值進行比較，便可確定是否需要更換機油。

5 結束語

便攜式機動車機油性能檢測儀實現了對機動車機油性能的綜合檢測，建立了一種快速、準確、穩定、方便，并能適應長時間在線檢測的方法，解決了當前傳統檢測單一參數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用價值。試驗建立的機油性能參數數據庫，為機油的合理利用提供數據支持，這對于今后保護日益緊張的石油資源、節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計[J].微計算機信息,2009(8):124-126.

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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年畢業于中國計量學院測控技術與儀器專業,獲學士學位，高級工程師；主要從事機動車檢測設備和交通執法設備計量標準和方法研究。

TP302;TH83

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506027

修改稿收到日期：2014-10-16。