油品多參數(shù)測試儀設(shè)計

李 凱，任淑艷，段海龍

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

石油產(chǎn)品的閃點、粘度、密度、介電常數(shù)等參數(shù)指標，作為目前衡量液體油品火災(zāi)隱患和質(zhì)量好壞的核心指標，對現(xiàn)階段油品的生產(chǎn)、存儲、運輸以及使用有著極大的參考價值。為此，多個團隊研發(fā)出多種油品參數(shù)測試裝置或系統(tǒng)：伊茜等[1]研制的微量閃點自動快速測試儀減少了油蒸氣的揮發(fā)，縮短了操作時間，可提高實驗效率；王艷平[2]、孔馨雨[3]均在學位論文中講述了對油品多參數(shù)測試儀的設(shè)計和研發(fā)；鄭江濤等[4]設(shè)計的油品質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)和郭建偉等[5]研發(fā)的油品多參數(shù)便攜式檢測儀使用了FPS2800B12C4 傳感器，可實現(xiàn)對油液粘度、密度等多個參數(shù)同時監(jiān)測；敖海龍[6]所設(shè)計的油品質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)突出對石油產(chǎn)品的含水量、粘度、介電常數(shù)的在線監(jiān)測；雷雯等[7]研發(fā)的油品開口閃點測試裝置則針對油品閃點特性提供了一種創(chuàng)新思想；管亮等[8]設(shè)計的石油產(chǎn)品閉口閃點無點火式測試系統(tǒng)則提高了測試儀器的安全系數(shù)。然而以上裝置或系統(tǒng)的研發(fā)僅針對油品的某一或幾個特定屬性，且現(xiàn)有可操作性設(shè)備中缺少可以對液體油品的閃點、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度同時具備檢測能力的儀器。因此，本文針對這一問題，基于上述理論基礎(chǔ)，設(shè)計出了一個可對油品的閃點、粘度、密度和介電常數(shù)等多個參數(shù)同時檢測的油品多參數(shù)測試儀。該油品多參數(shù)測試儀突破了現(xiàn)有設(shè)備無法對液體油品的閃點、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度同時檢測的現(xiàn)狀，同時，該測試儀具有體積輕小、操作簡單、自動化程度較高的優(yōu)勢，可以為油品參數(shù)的檢測提供更為便利的條件。

1 設(shè)計方案

傳感器為美國MEAS 公司的FPS2800B12C4 多參數(shù)油質(zhì)傳感器，上位機為Visual Studio 編程軟件和工控機、觸摸屏等輔助硬件，下位機為單片機、繼電器、傳感器、電機、油泵、風扇、加熱線圈、三通電磁閥、燃氣閥等硬件模塊，油品多參數(shù)測試儀的外觀采用的是一體機式設(shè)計，整機測量原理為閉口杯式測量法，同時根據(jù)所測參數(shù)和硬件需求，結(jié)合測量原理環(huán)境要求，將該測試儀分為2 個參數(shù)測試杯。油品多參數(shù)測試儀實物如圖1 所示。

圖1 油品多參數(shù)測試儀實物

在圖1（a）中，左側(cè)為1 號杯，負責檢測油品的閃點特性；右側(cè)為2 號杯，負責檢測油品的粘度、密度和介電常數(shù)；在圖1（b）中，將觸摸屏嵌入儀器內(nèi)，使儀器縮小體積的同時，更便于攜帶、保存。油品多參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 油品多參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)框圖

觸摸屏為上位機操作和顯示的載體；工控機為指令和數(shù)據(jù)的控制、處理中心；控制板在系統(tǒng)中起著驅(qū)動、開關(guān)和信息傳輸?shù)淖饔茫粋鞲衅?、電機等其他設(shè)備則作為感應(yīng)機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，分別負責數(shù)據(jù)信息采集和執(zhí)行系統(tǒng)指令。

觸摸屏為8 英寸HB8902Q 嵌入式顯示器；工控機采用EPC92A1 工業(yè)主板；控制板集成了單片機和繼電器等；油質(zhì)分析傳感器用于2 號杯的參數(shù)檢測；溫度傳感器采用了PT100 熱電阻式溫度傳感器和K型熱電偶式溫度傳感器，分別用于檢測1 號杯油品液體溫度和蒸氣溫度；液位傳感器則采用TB-M08-02N-DR 電容式接近開關(guān)，感應(yīng)距離為2 mm，用于檢測油品液位。

2 軟件設(shè)計

油品多參數(shù)測試儀是利用Visual Studio 作為編程軟件，為上位機的控制和顯示提供運行環(huán)境。在設(shè)計中，將測試杯的各功能集成為上位機按鍵式控制，同時結(jié)合硬件，在軟件中設(shè)計了一鍵加油和多參數(shù)自動測試功能，實現(xiàn)了油品多參數(shù)測試的自動化、智能化。最終將2 個測試杯進行數(shù)據(jù)融合，形成了油品多參數(shù)測試儀軟件控制系統(tǒng)。

2.1 上位機界面設(shè)計

本文上位機界面采用分割式設(shè)計，將2 個測試杯的按鍵操作和界面顯示分為上下結(jié)構(gòu)。設(shè)備啟動后應(yīng)先通過測試按鍵部分進行硬件故障排查，依次排查加熱電機、風扇、攪拌電機、油泵和三通是否出現(xiàn)故障，按下按鍵，指示燈為綠色，表示該硬件工作正常，指示燈為紅色，則表明該硬件工作異常，應(yīng)及時維修；而在測試前應(yīng)先對1 號杯所需參數(shù)進行設(shè)定和校正，如預(yù)閃點、大氣壓、油號等；2 個測試杯都設(shè)有自動啟動和一鍵停止，同時1 號杯也設(shè)有手動按鍵，以便于發(fā)生部分功能障礙時采用手動方式繼續(xù)測試閃點；最后設(shè)置日志保存按鍵，目的是將1 號杯的閃點測試溫度和2號杯100 ℃時的粘度、密度、介電常數(shù)數(shù)據(jù)保存并輸出。

2.2 程序功能實現(xiàn)

油品多參數(shù)測試儀實現(xiàn)了對油品的多個參數(shù)進行檢測的功能，基本實現(xiàn)了自動化操作，主要包括一鍵自動加油、參數(shù)自動檢測等。

2.2.1 總體流程

系統(tǒng)開機后進入自動初始化，包括硬件開關(guān)復(fù)位、軟件參數(shù)置零等操作，而后進入一鍵加油、測試杯啟動和風冷啟動等設(shè)定，測試結(jié)束后將測試數(shù)據(jù)保存為日志。其總體程序流程如圖3 所示。

圖3 總體程序流程圖

在測試中，系統(tǒng)初始化后，當按下一鍵加油按鍵時，油泵開始向測試杯中加油，等待加油結(jié)束后，系統(tǒng)可自動啟動或手動啟動1 號杯和2 號杯測試程序，默認使用手動啟動，隨即進入油品的參數(shù)測試子程序，測試完畢，風冷立即啟動并對設(shè)備做降溫處理，當檢測到系統(tǒng)設(shè)備全部關(guān)閉后，系統(tǒng)自動保存測試數(shù)據(jù)到日志。

2.2.2 自動加油

自動加油程序開始便進入初始化，即按鍵復(fù)位，當接收到加油指令后，油泵開始工作，隨后通過液位傳感器進行液位判斷，利用三通切換，最終實現(xiàn)自動加油和換杯加油的功能。

在該子程序中，設(shè)定通過按鍵判斷來啟動加油操作，通過液位比較判斷來終止加油操作。當接收到啟動命令后，油泵開始向1 號杯注入油液，此時1 號杯中液位傳感器1 實時判斷液位信息，當1 號杯液位到達預(yù)設(shè)位置后，該傳感器發(fā)出信號，子程序終止1 號杯加油操作，同時啟動三通，開始向2 號杯注入油液，與1 號杯原理相似，當液位到達預(yù)設(shè)值后，子程序終止加油操作，關(guān)閉三通。最后，該子程序向總程序發(fā)送加油結(jié)束信號后跳出，返回主程序。

在測試中，根據(jù)液位設(shè)定，通過油泵和三通的配合，系統(tǒng)能夠較精準地完成加油操作，經(jīng)過程序調(diào)試，油泵可連續(xù)均勻地向測試杯中加油，加油后杯內(nèi)無滴濺、無雜質(zhì)，因此對參數(shù)測試無影響且操作流暢。

2.2.3 閃點自動測試

閃點測試中，閃點分析方法規(guī)定的重要控制參數(shù)包括溫度達到預(yù)期閃點前多少時開始控制升溫速率，升溫速率為多少，自動引進火焰開始試閃溫度，試閃溫度間隔等是不完全相同的。如果所有油品都采用一個模式測定，則會有許多控制參數(shù)超出分析方法規(guī)定的要求，從而導(dǎo)致整個分析結(jié)果無效[9]，同時研究表明，我國大多數(shù)石化企業(yè)、石油石化檢測實驗室和軍用機場油料化驗室依據(jù)標準為GB/T261—2008[10]。故基于以上2 點分析，本油品多參數(shù)測試儀采用的測試分析依據(jù)為國家標準GB/T261—2008《閃點的測定賓斯基-馬丁閉口杯法》[11]，該標準通過對油品的閃點是否已知、油品類型的分類以及點火頻率和升溫頻率等進行判斷和控制，可選擇不同的步驟，改變重要的控制參數(shù)，從而做到對不同的油液樣本的閃點特性進行測試。閃點測試程序流程如圖4 所示。

圖4 閃點測試程序流程圖

根據(jù)上文所提標準，閃點測試的基本原理可以概述為：將待測石油樣品鍵入測試閉口杯中，在規(guī)定的速率下連續(xù)攪拌，并以恒定速率加熱樣品，以規(guī)定的溫度間隔，在中斷攪拌的情況下，將火源引入測試杯開口處，使樣品發(fā)生瞬間閃火，且蔓延至液體表面的最低溫度，此溫度為環(huán)境大氣壓下的閃點，再經(jīng)公式修正到標準大氣壓下的閃點，即為被測樣品的閃點。

閃點的修正公式為

式中：101.3 為標準大氣壓101.3 kPa；T 為環(huán)境大氣壓下的測試閃點（°C）；p 為環(huán)境大氣壓（kPa）。

本測試儀在1 號杯中使用了2 種溫度傳感器：PT100 熱電阻溫度傳感器，用來檢測油液樣品液體溫度；K 型熱電偶溫度傳感器，用來檢測閉口杯中油品蒸氣的溫度。

（1）當測試油液樣本以恒定速率升溫時，杯內(nèi)油品閃火出現(xiàn)時，油品蒸氣在被點燃的一瞬間將產(chǎn)生藍色火焰，釋放大量熱量的同時，造成杯內(nèi)氣體溫度上升速率明顯加快，故需要至少2 個溫度傳感器來分別檢測杯內(nèi)的液體溫度和氣體溫度。

（2）在硬件電路設(shè)計中，測試杯內(nèi)液體的溫度可由熱電阻式溫度傳感器的電阻變化而計算得到，被測溫度T 計算公式為

式中:α 為溫度系數(shù)；t0通常取值為0 ℃；Rt為溫度T 時所測的電阻值；Rt0為溫度t0時對應(yīng)的電阻值。

另外，因要利用其溫度變化特性進行閃點判據(jù)，故該部分傳感器必須對測試杯內(nèi)氣體的溫度變化敏感且精度高，最終選用了K 型熱電偶溫度傳感器，又由于熱電偶式傳感器的檢測原理為熱電效應(yīng)，故在該硬件電路部分利用濾波器、電壓放大器、電壓比較器，結(jié)合程序設(shè)計，可以較精準地得到氣體的溫度變化速率。同時，熱電阻溫度傳感器為熱電阻材質(zhì)、三線制、測量范圍在-200～1 000 ℃；熱電偶溫度傳感器為熱電偶材質(zhì)、雙線制、精度高且誤差小、測量范圍在0～600 ℃。2 種溫度傳感器因測量原理、材質(zhì)、接線方式不同，從而可以更好地減少或避免相互之間的影響，提高測量精準度。

閃點的判斷依據(jù)通常分為2 種：在開口測試儀器中，通常使用藍色火焰現(xiàn)象作為閃點出現(xiàn)的判據(jù)，在閉口杯中則利用硬件和軟件的結(jié)合，通過溫度變化特性來判斷閃點是否出現(xiàn)。在本測試儀中采用了以上2種判據(jù)，通過人眼識別和程序設(shè)計，最終將藍色火焰出現(xiàn)和油品蒸氣溫度上升速率加快視作閃點出現(xiàn)的雙重判據(jù)，但是在實際測試中，由于設(shè)計測試儀的初衷為實現(xiàn)自動控制，所以把第2 種控制方式作為閃點的首要判據(jù)。采用雙重判據(jù)，目的在于設(shè)備故障或測試數(shù)據(jù)偏差較大時，利用人眼識別作為輔助手段進行校正。

2.2.4 粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度自動測試

FPS2800B12C4 傳感器是一款獨特的液體特性傳感器，采用低成本4 針連接器，CAN J1939 認證，支持CAN 2.0A 和CAN 2.0B 標準數(shù)字輸出，分辨率高，可以同時直接精確重復(fù)測量大多數(shù)液體油品的粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度，方便地檢測液體的多個物理屬性以及之間的直接關(guān)系和動態(tài)關(guān)系[12]，其工作原理是基于石英音叉，通過改變石英晶體在液體介質(zhì)中的諧振頻率來檢測其特征參數(shù)[13-15]。檢測過程中，該傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN 幀格式形式，同時保持30 s 的數(shù)據(jù)回傳周期，上位機通過對CAN 數(shù)據(jù)幀進行解析和計算，依次解析出粘度、密度、介電常數(shù)和平均溫度的有效數(shù)據(jù)，其后將有效數(shù)據(jù)數(shù)值換算后可得出參數(shù)的實際值，故在此采用了一種USB-CAN 轉(zhuǎn)換器進行信號轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了傳感器與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。

進入該子程序后，先進行初始化操作，包括參數(shù)置零和CAN 信號清空，隨后開始接收該傳感器的檢測數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)格式出錯則重啟傳感器，經(jīng)初始化后再次判斷，直至格式正確后，進行幀解析和數(shù)值換算。重復(fù)以上操作，直到測試杯內(nèi)溫度穩(wěn)定在100 ℃時，子程序立即保存此溫度下的參數(shù)實際值到輸出日志，同時向主程序發(fā)送測試完成信號并跳出返回主程序。

傳感器所測的4 個參數(shù)分為2 個數(shù)據(jù)幀：粘度、密度和介電常數(shù)數(shù)據(jù)在第1 幀；溫度數(shù)據(jù)在第2 幀。FPS2800B12C4 傳感器數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示。

表1 FPS2800B12C4 傳感器數(shù)據(jù)幀格式

此時欲得到實際參數(shù)值，需對回傳的有效數(shù)據(jù)進行數(shù)值換算，換算公式為

粘度（cP）=DATA*0.015 625

密度（gm/cc）=DATA*0.000 030 52

介電常數(shù)=DATA*0.000 122 07

平均溫度（℃）=（DATA*0.031 25）-273

3 結(jié)果和討論

（1）通過初步測試，油品多參數(shù)測試儀運行正常且與其他測試儀器相比，體積較小、響應(yīng)速度較快，可用于一般油品的參數(shù)測試。

（2）測試儀操控界面簡潔方便、參數(shù)顯示實時、動態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)，同時增加了一鍵加油按鍵和相應(yīng)指示燈，用戶所有操作均可在操作界面完成，降低了測試復(fù)雜度，提高了測試效率。

（3）測試儀點火速度恒定、火焰連續(xù)、升溫速率可根據(jù)設(shè)定改變，符合閃點測試的標準。

（4）測試儀自帶循環(huán)降溫裝置，可以實現(xiàn)油品參數(shù)的多次重復(fù)測量，加快了參數(shù)測定的效率。

（5）測試儀具備多參數(shù)檢測能力，可以同時檢測油品的閃點、粘度、密度和介電常數(shù)的特性。

（6）測試儀實現(xiàn)了較完善的自動控制功能，包括溫度自動升降、自動冷卻、自動修正測試結(jié)果、自動顯示、自動鎖定閃點值等自動操作，達到了測試過程自動化的基本要求，具有升溫迅速、攪拌連續(xù)均勻、點火準確、操作簡單等優(yōu)點。

（7）同時測試儀由于缺少必要的實驗條件，難以開展大量實驗并進行完備的數(shù)據(jù)分析，后期條件成熟后應(yīng)加以完善和改進。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以單片機和FPS2800B12C4 傳感器為核心的油品多參數(shù)測試儀，該測試儀操作簡便、成本較低、體積小且攜帶方便，實現(xiàn)了對油液的閃點、粘度、密度、介電常數(shù)和流體溫度的測試，有效滿足了油品生產(chǎn)、運輸、存儲和使用的相關(guān)需求，能夠?qū)τ推饭芾戆l(fā)揮積極作用和對油品多參數(shù)檢測技術(shù)起到較大的推動作用。因此，該測試儀具有較大的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。

但在油品參數(shù)測試儀設(shè)計研發(fā)工作中，有些要素還應(yīng)進行更為深入的研究和改進，如大氣壓的檢測優(yōu)化、石油樣本的含水量自動檢測、石油產(chǎn)品閉口閃點測定因素分析和溫度對油品的粘度、密度、介電常數(shù)的影響等。由于實驗室測定試驗火災(zāi)危險性無法得到精準分析以及實驗條件不夠完備，所以無法通過大量實驗完善此測試設(shè)備，有些因素分析還需合理推遲時間再進行改進或研究，屆時通過硬件升級、軟件優(yōu)化等手段，實現(xiàn)油品參數(shù)測試方案的精準性與安全性，如增加油品含水量檢測、大氣壓強自動檢測、升溫曲線自動調(diào)節(jié)、溫度超值預(yù)警等。