自動冰點測定器的研究

羅爭光　鄔　超　楊小峰

(中國科學(xué)院研究生院軟件學(xué)院1，北京　100190；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院2，安徽 合肥　230026;上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3，上海　200093)

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自動冰點測定器的研究

羅爭光1鄔超2楊小峰3

(中國科學(xué)院研究生院軟件學(xué)院1，北京100190；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院2，安徽 合肥230026;上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3，上海200093)

摘要：針對手動冰點測定器試驗用油量多、測試結(jié)果誤差大、效率低等特點，對全自動冰點測定器進(jìn)行了研究。利用壓縮機(jī)和半導(dǎo)體混合制冷技術(shù)對油樣進(jìn)行降溫處理，采用光電捕捉技術(shù)分析油樣冰點，提高了制冷效率和制冷深度。對不同類型油樣進(jìn)行多次測試，結(jié)果表明，儀器重復(fù)性和再現(xiàn)性完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：航空燃料冰點測定器傳感器半導(dǎo)體制冷壓縮機(jī)制冷光電檢測溫度控制

Temperature control

0引言

航空燃料的冰點是保證燃料中不出現(xiàn)固態(tài)烴類結(jié)晶的最低溫度[1]。若在飛機(jī)燃料系統(tǒng)中存在此類晶體，將會阻礙燃料通過過濾器。因飛機(jī)油箱中燃料的溫度在飛行期間通常會降低，降低幅度取決于飛行速度、高度和飛行持續(xù)時間，所以燃料的冰點必須永遠(yuǎn)低于油箱的最低操作溫度[2]。

手動冰點測定器需25 mL的試樣，用干冰或液氮作制冷劑。由于靠雙眼不斷觀察試樣的結(jié)晶過程，會導(dǎo)致制冷速度慢、工作效率低且試驗耗油量大。所以，采用新型的測量方法和自動儀器代替手動儀器勢在必行。

1儀器設(shè)計原理

自動冰點測定器的基本檢測原理如下：

在樣品杯中裝入試樣(0.15±0.01)mL，通過半導(dǎo)體制冷器給試樣制冷(最低溫度能達(dá)到-85 ℃)，蒸發(fā)器帶走半導(dǎo)體的熱量。光源是恒定的激光源。當(dāng)試樣為液體時，大部分光線通過折射或者漫反射損失，只有少量的光線能進(jìn)入透鏡并被光學(xué)檢測器采集。當(dāng)試樣結(jié)晶后，其表面成固態(tài)且光源能在其上產(chǎn)生鏡面反射，大部分的光線通過透鏡被光學(xué)檢測器采集。如此一來，光電值發(fā)生明顯變化，從而分辨油液是否有結(jié)晶。吹掃氣體是為了保持檢測室干燥，以避免空氣中的水分結(jié)晶影響對光電值的判斷。

儀器設(shè)計原理如圖1所示。

圖1　儀器設(shè)計原理圖Fig.1　Design principle of the instrument

2電氣設(shè)計

2.1總體框圖

電氣設(shè)計總體框圖如圖2所示，人機(jī)交互使用工業(yè)平板電腦(帶觸摸屏)完成，與單片機(jī)(MCU)之間采用RS-232通信。半導(dǎo)體用于給樣品杯制冷，利用PID算法進(jìn)行控制，試驗時，以(15±5)℃/min的速率冷卻。當(dāng)油樣所含的烴類結(jié)晶形成時，以(10±0.5)℃/min的速率升溫，直到最后的烴類結(jié)晶轉(zhuǎn)變成液相。壓縮機(jī)系統(tǒng)能將半導(dǎo)體的熱量帶走，試驗時才打開，打開前需和上一次試驗結(jié)束間隔一定的時間，這樣能節(jié)約能源，且能很好地保護(hù)壓縮機(jī)，延長其使用壽命。光電檢測是在光源持續(xù)照射下，采用光學(xué)陣列檢測器連續(xù)監(jiān)控試樣，直到試樣烴類結(jié)晶形成，引起光強(qiáng)的不斷變化。熱敏打印機(jī)與MCU的通信方式為并口，可打印試驗結(jié)果。電磁閥用于控制試驗氣路的通斷，一般采用惰性氣體(如N2)，試驗時打開電磁閥，讓氣體流通，保持檢測室干燥，直到試驗結(jié)束，關(guān)閉電磁閥。

圖2　電氣設(shè)計總體框圖Fig.2　Overall block diagram of electrical design

2.2關(guān)鍵元器件的選型與研究

①光源。本儀器光源采用直流供電的紅色激光源，功率范圍為0.5～10 mW，激光束為圓柱型，波長為(690±50)nm的紅光，其直徑為3～6 mm。激光源以45°傾角斜射試樣[3-4]。激光源的表面需要有耐低溫、耐潮的涂層來保證激光源的使用壽命。

②檢測通道。檢測通道為一圓柱形零件，其最下端有凸透鏡，凸透鏡的作用是為了將反射的光線聚焦[5-6]。

③光學(xué)檢測器。選用型號為TSL2561的光學(xué)傳感器，該傳感器內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換，可通過IIC總線與MCU進(jìn)行通信，只需將光照強(qiáng)度的模擬信號轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號即可。該光學(xué)傳感器的位置處于透鏡的焦點附近，由于該傳感器有一定面積的感光面，所以不用將其正好安置在透鏡的焦點位置，從而降低了安裝難度。

3軟件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用上下位機(jī)的形式。上位機(jī)在Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境下采用C#語言進(jìn)行編寫，實現(xiàn)人機(jī)交互功能；下位機(jī)在MPLAB環(huán)境下采用C語言進(jìn)行編寫，實現(xiàn)所有的硬件驅(qū)動功能。通信協(xié)議Modbus制定了詳細(xì)的命令字段和參數(shù)，保證通信的穩(wěn)定、快速。

3.1人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面框圖如圖3所示。主界面采用比較流行的Ribbon風(fēng)格。Ribbon即功能區(qū)，是新的 Microsoft Office Fluent 用戶界面 (UI) 的一部分。與傳統(tǒng)的菜單式用戶界面相比較，Ribbon界面將所有功能有組織地集中存放，無需查找級聯(lián)菜單、工具欄等[7]。曲線顯示方面采用開源的動態(tài)鏈接庫ZedGraph.dll。ZedGraph 是一個開源的.NET圖表類庫，全部代碼都是用C#開發(fā)的，它可以利用任意的數(shù)據(jù)集合創(chuàng)建2D的線性和柱形圖表[8-10]。儀器使用半年左右，需進(jìn)行制冷測試和溫度校正，以監(jiān)控壓縮機(jī)和半導(dǎo)體的制冷效率和深度，以及溫度傳感器的準(zhǔn)確性。ini文件用于軟件系統(tǒng)的配置，txt文件用于保存試驗結(jié)果。試驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)基于網(wǎng)口實現(xiàn)，能夠完成對試驗室數(shù)據(jù)和信息的收集、分析、報告和管理。打印提供簡打和詳打功能，簡打時向圖2的熱敏打印機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，詳打時需外接打印機(jī)，可出具正式的試驗報告。

圖3　人機(jī)交互界面框圖Fig.3　The human-computer interface

3.2下位機(jī)程序框架

下位機(jī)程序框架如圖4所示。

圖4　下位機(jī)程序框架圖Fig.4　The frame of slave machine

下位機(jī)程序說明如下：

初始化是指MCU引腳、定時器、A/D轉(zhuǎn)換等初始化。Pt100溫度采集是指MCU與AD7793芯片之間通過SPI通信，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進(jìn)行濾波、取平均值等操作；光強(qiáng)采集則采用IIC通信直接獲取數(shù)據(jù)。PID算法是對半導(dǎo)體溫度進(jìn)行輸出控制，以保證滿足升溫和降溫速率要求。串口數(shù)據(jù)處理：利用UART(通用異步收發(fā)器)中斷函數(shù)接收上位機(jī)傳送的命令或數(shù)據(jù)，然后在主循環(huán)中進(jìn)行解析，以控制儀器在試驗不同的階段執(zhí)行不同的操作。當(dāng)試驗員選擇了試驗結(jié)果簡打時，MCU與熱敏打印機(jī)之間通過并口通信，按照其時序執(zhí)行打印操作。電磁閥控制是在試驗開始和結(jié)束時，由MCU通過I/O引腳輸出的高低電平控制其打開和關(guān)閉。

4測試數(shù)據(jù)分析

手動和自動儀器測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。自動儀器經(jīng)過大量測試不同油樣，重復(fù)性均在0.69 ℃范圍之內(nèi)，且試驗速度快、效率高，能很好地替代手動儀器。試驗結(jié)果對比如表1所示。

表1　試驗結(jié)果對比Tab.1　Comparison of the test results 　℃

5結(jié)束語

自動冰點測定器采用工業(yè)觸摸屏電腦，操作簡便，能實時顯示溫度、光強(qiáng)、試驗狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)，自動判斷試樣結(jié)果，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，方便結(jié)果查詢、打印。制冷方面利用半導(dǎo)體/壓縮機(jī)混合制冷，制冷效率高、使用壽命長、綠色環(huán)保。測試表明，該測定器具有試驗油樣用量少、測試速度快、精度高、重復(fù)性好、清洗方便等特點。各個關(guān)鍵元器件經(jīng)過多次測試與升級，穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大。儀器試驗結(jié)果完全符合SH/T 0770、ASTM D5972標(biāo)準(zhǔn)。

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中圖分類號：TH89;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607010

Research on the Automatic Freezing Point Tester

Abstract：The manual freezing point tester features big error in test results,low efficiency and wasting oil for test,so the automatic freezing point tester is researched.The samples are cooled by using the refrigeration technology which is mixing semiconductor refrigeration and compressor refrigeration; and the freezing point of samples is analyzed by using photoelectric capturing technology,the efficiency of refrigeration and the refrigerating depth are improved.Through many tests of different type of oil samples,the repeatability and reproducibility of the instrument completely match the standard.

Keywords:Aviation fuelFreezing point measurerSensorSemiconductor refrigerationCompressor refrigerationPhotoelectric detection

修改稿收到日期：2015-12-22。

第一作者羅爭光(1972—)，男，2005年畢業(yè)于中國科學(xué)院研究生院軟件工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事石油產(chǎn)品分析儀器方向的研究。