基于介電常數(shù)的潤(rùn)滑油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2)

宗陳艷　聶川　金東暉

摘 要：潤(rùn)滑油主要起到潤(rùn)滑、防銹、冷卻、密封等作用，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。若不及時(shí)更換發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油會(huì)引起運(yùn)動(dòng)件磨損、增壓器溫度過高甚至發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，及時(shí)更換新的潤(rùn)滑油是必不可少的。通過檢討潤(rùn)滑油成分及變質(zhì)過程的機(jī)理，認(rèn)為可以通過測(cè)量介電常數(shù)來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油質(zhì)量。因此，本文將論述通過發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油介電常數(shù)的變化來在線監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油衰變的課題。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑油 在線監(jiān)測(cè) 介電常數(shù)

On-line Monitoring System of Lubricating Oil Based on Dielectric Constant （2）

Zong Chenyan Nie Chuan Jin Donghui

Abstract：Lubricating oil mainly plays the role of lubrication， rust prevention， cooling， sealing， etc. which is very important to the normal operation of automobile engines. If the engine lubricating oil is not replaced in time， it will cause the risk of wear of moving parts， excessive temperature of the supercharger and even engine damage. Therefore， it is indispensable to replace new lubricating oil in time when the car engine is working. By reviewing the lubricating oil composition and the mechanism of the deterioration process， it is believed that the quality of lubricating oil can be evaluated by measuring the dielectric constant. Therefore， this article will discuss the subject of online monitoring of lubricant decay through changes in the dielectric constant of engine lubricants.

Key words：lubricating oil， online monitoring， dielectric constant

1 介電常數(shù)法監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的理論基礎(chǔ)和依據(jù)

潤(rùn)滑油的成分可以分為兩大類：基礎(chǔ)油和添加劑。基礎(chǔ)油主要是礦物基礎(chǔ)油[1]，常用的添加劑包含很多，如摩擦緩和劑、乳化劑、金屬鈍化劑等。

潤(rùn)滑油的衰變主要包括潤(rùn)滑油氧化、添加劑損耗及油液污染。幾乎所有自然界的物質(zhì)都是電介質(zhì)，潤(rùn)滑油的變質(zhì)會(huì)引起其成分的變化，介電常數(shù)也會(huì)不同。因此可以根據(jù)潤(rùn)滑油介電常數(shù)的變化來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的污染和變質(zhì)程度[2]。

將電介質(zhì)放置在電場(chǎng)中，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，場(chǎng)強(qiáng)分布如圖1所示。極化即為極化分子沿電場(chǎng)排列，產(chǎn)生附加電場(chǎng)從而減弱原電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的現(xiàn)象。若將潤(rùn)滑油放置在平板電容器間，電容會(huì)隨之增大。假設(shè)電容增大值為εr倍，那么εr就可以代表該潤(rùn)滑油的相對(duì)介電常數(shù)。由于平行板電容器的電容c跟介電常量ε為正比關(guān)系，因此可以通過測(cè)量電容的變化來反映油液的污染程度[3]。

介電常數(shù)計(jì)算公式為：

2 介電常數(shù)法監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 確定監(jiān)測(cè)電路

通過第一章可知，電容值可以反饋出介電常數(shù)大小。但是電容的變化不易直接測(cè)量，因此考慮使用C/F變換電路將電容值轉(zhuǎn)換為頻率值，使測(cè)量更加簡(jiǎn)便。

由外界元件R1，R2，C1和NE555構(gòu)成一個(gè)無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電器，它的振蕩頻率為：

制作介電常數(shù)監(jiān)測(cè)電路如圖2，輸出信號(hào)可以直接通過頻率計(jì)表現(xiàn)出來。將傳感器連在一起，形成多諧振蕩電路可以大大降低傳輸誤差和干擾。

2.2 監(jiān)測(cè)電路的參數(shù)確定

潤(rùn)滑油的相對(duì)介電常數(shù)大于1，所以傳感器在空氣中時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率最大。而NE555芯片對(duì)應(yīng)的最大頻率是500kHz，所以要滿足輸出最大頻率小于500kHz。多諧振蕩電路需要考慮占空比，占空比是：。盡量使D約等于0.5，即應(yīng)使R1遠(yuǎn)小于R2。具體R1，R2數(shù)據(jù)等確定了傳感器后確定。

2.3 初步驗(yàn)證監(jiān)測(cè)電路的正確性

為了檢測(cè)電路的正確性，先用0.01μF電容替代CX，同時(shí)使R1=220K?，R2 =845K?，理論值為75Hz，得出數(shù)值為74.591Hz，如圖3，為示波器顯示結(jié)果。

2.4 影響潤(rùn)滑油介電常數(shù)的理化指標(biāo)

表1是內(nèi)燃機(jī)油換油指標(biāo)，可以得出換油時(shí)主要取決于水分、鐵含量及酸值這三個(gè)理化指標(biāo)。

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用上面所得到的電路測(cè)量金屬磨粒、酸值和水污染對(duì)潤(rùn)滑油介電常數(shù)的影響，其中傳感器取簡(jiǎn)單易得的平板電容傳感器。

公式是：，其中。

測(cè)量方法：先取一定量的新潤(rùn)滑油，測(cè)量后分別向新潤(rùn)滑油中多次加入不同定量的鐵粉、氫氧化鉀及水分。分別分析三種污染物含量的增加對(duì)潤(rùn)滑油介電常數(shù)的影響。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析變化趨勢(shì)，找到規(guī)律，并確定潤(rùn)滑油理化指標(biāo)變化與介電常數(shù)變化之間的關(guān)系曲線[5]，用來作為評(píng)判潤(rùn)滑油質(zhì)量的理論依據(jù)。這里NE555的3腳輸出頻率由示波器測(cè)量，不僅可以直觀的看到波形還可以統(tǒng)計(jì)平均頻率，提高精確度。本實(shí)驗(yàn)以SF5W/40牌號(hào)的汽油機(jī)油作為參考對(duì)象。

2.6 水分、鐵含量及酸值潤(rùn)滑油相對(duì)介電常數(shù)的影響

根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)利用Matlab中曲線擬合方法得出水分與相對(duì)介電常數(shù)的變化關(guān)系三次數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)利用Matlab中曲線擬合方法得出鐵含量與相對(duì)介電常數(shù)的變化關(guān)系三次數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)利用Matlab中曲線擬合方法得出機(jī)油酸值與相對(duì)介電常數(shù)的變化關(guān)系三次數(shù)學(xué)模型如下：

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，酸值、鐵含量和水含量這三個(gè)參數(shù)與潤(rùn)滑油介電常數(shù)變化具有一致性，從而證明介電常數(shù)可用作評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 51單片機(jī)控制蜂鳴器

為了使客戶可以在機(jī)油變質(zhì)時(shí)及時(shí)得知更換，編寫程序?qū)崿F(xiàn)51單片機(jī)控制蜂鳴器結(jié)構(gòu)。當(dāng)多諧振蕩電路輸出的頻率小于極限值時(shí)，通過51單片機(jī)控制蜂鳴器，使其鳴叫，從而達(dá)到提醒用戶換油的目的。需要注意的是這里的極限值并不知道，需要以后更精確地測(cè)量才能得出。這里就取第二章中測(cè)量的新油與舊油的一個(gè)中間值，即16000Hz代替。

焊接完成后，接入大于16000Hz的輸入信號(hào)，沒有響聲;接入小于16000Hz的輸入信號(hào)時(shí)，有滴滴的響聲，中間的間隔大約是1S。

4 總結(jié)

本論文提出了一種可以監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油質(zhì)量的方法。將潤(rùn)滑油看做電介質(zhì)，通過介電常數(shù)來反饋潤(rùn)滑油更換需求。待潤(rùn)滑油達(dá)到其使用壽命，通過蜂鳴器提醒駕駛者對(duì)其更換。減少了與資源浪費(fèi)、降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞同時(shí)可有效延長(zhǎng)汽車的使用壽命，因此適合推廣，有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖志紅.平板式電容傳感器電路研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（7）.

[2]陸玉靖.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的作用與選擇[J].桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，52（4）：61-62.

[3]王莉田，王玉田.電荷轉(zhuǎn)移式原油含水率傳感器的研究傳感器技術(shù)[J].1999，18（2）：19-22.

[4]GB/T8028-1994，汽油機(jī)油換油指標(biāo)[S].

[5]史永剛，劉超璞，張潔等.發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的電化學(xué)分析與鑒別[J].潤(rùn)滑與密封，2006（12）：77-80.