油液多參數(shù)便攜式檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與測(cè)試

郭建偉 ，魏 冀 ，劉亞龍 ，趙志龍 ，侯鐵城

（1.中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南平頂山467099；2.中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南平頂山467099；3.陜西東輝控制工程有限公司，陜西西安710082；4.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072；5.西北工業(yè)集團(tuán)公司設(shè)計(jì)二所，陜西西安710043）

液壓油等油液扮演著煤礦機(jī)械設(shè)備“血液”的重要角色，油液的品質(zhì)特性變化，如磨損顆粒、酸值、水分等變化會(huì)直接反映在油液理化參數(shù)的變化上，其中油液中磨損顆粒量可以直觀反映出機(jī)械部件零件表面的磨損程度和疲勞狀態(tài)[1]。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握和了解潤滑油的理化參數(shù)，進(jìn)而對(duì)油液的油質(zhì)、使用壽命以及設(shè)備的磨損狀況進(jìn)行判斷，已經(jīng)成為保障煤礦機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。

傳統(tǒng)的油液檢測(cè)方法檢測(cè)精度高，但成本高，測(cè)量參數(shù)單一，并對(duì)測(cè)量人員有一定的要求。該文以MES精良電子公司的FPS2800B12C4流體特性傳感器為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用HMIEditor軟件在Linux系統(tǒng)環(huán)境下編寫油液測(cè)試系統(tǒng)軟件，完成一種油液多參數(shù)便攜式檢測(cè)儀的軟硬件設(shè)計(jì)，并通過液壓油的檢測(cè)驗(yàn)證了其測(cè)試功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

油液檢測(cè)儀主要由傳感器模塊、電源模塊、CAN總線接口電路模塊組成，此外還有USB接口電路、電池充電模塊電路、硬件電路外接CAN總線液晶觸摸屏和一個(gè)微型打印機(jī)。由于傳感器屬于CAN總線協(xié)議，需要外接一個(gè)CAN總線接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。CAN總線接口電路采用CAN總線控制器SJA1000和CAN驅(qū)動(dòng)器82C251組成。油液檢測(cè)儀方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 油液檢測(cè)儀方案設(shè)計(jì)

將FPS2800B12C4流體特性傳感器浸入油液，油液采用電磁攪拌方式，F(xiàn)PS2800B12C4流體特性傳感器可以同時(shí)測(cè)量油液的溫度、粘度、密度和介電常數(shù)，它將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線接口電路輸出到各個(gè)終端。便攜式油液檢測(cè)儀設(shè)置了觸摸顯示屏，其可以控制便攜式油液檢測(cè)儀的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的油液參數(shù)，如圖2。軟件的具體功能部分如圖3，包括油液4個(gè)參數(shù)檢測(cè)、油液的粘溫特性曲線、含水率、酸值、金屬雜質(zhì)、數(shù)據(jù)打印、歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖2 油液檢測(cè)儀

2 FPS2800B12C4流體特性傳感器

2.1 傳感器介紹

圖3 軟件檢測(cè)功能

FPS2800B12C4流體特性傳感器是由美國精量電子基于石英音叉技術(shù)的液體模塊傳感器，屬于高度整合的單體模塊，包括傳感器和電子處理模塊部分，如圖4所示。

圖4 FPS2800B12C4流體特性傳感器

該傳感器采用NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所）標(biāo)定流體進(jìn)行標(biāo)定，按照J(rèn)1939、CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)或者CAN2.0A的數(shù)字輸出，具有高分辨度的參數(shù)讀取功能，可以同時(shí)和重復(fù)測(cè)量溫度、粘度、密度和介電常數(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過專利的音叉技術(shù)，傳感器可以檢測(cè)到諸如發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油、燃油、傳動(dòng)油、剎車液、液壓油和齒輪油等流體的多個(gè)物理屬性間的直接和間接的關(guān)系。傳感器具有高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，可在高壓高流速的環(huán)境中工作。在傳感器探頭部分涂有特殊的抗腐蝕與抗污染涂層，使其可以在惡劣環(huán)境下保持良好的工作狀態(tài)。傳感器內(nèi)置微處理器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作電壓可以是12 V或者24 V電源電壓，具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 傳感器測(cè)試原理

FPS2800B12C4流體特性傳感器是一種基于石英音叉技術(shù)的液體模塊傳感器，其工作原理可以概括為：油液中溫度、粘度、密度、介電常數(shù)等理化參數(shù)的變化會(huì)引起石英音叉諧振頻率的變化，將石英音叉諧振器作為敏感器件接入振蕩器的反饋回路，其諧振特性決定了振蕩器的頻率，利用振蕩電路檢測(cè)諧振頻率的變化，從而反映出油液理化參數(shù)的變化。石英晶體的等效電路如圖6所示。

圖6 石英晶體等效電路

C1為電路動(dòng)態(tài)電容，C2為靜電電容，相當(dāng)于平板電容，R表示的是等效電阻，是由于石英晶體在液體中振動(dòng)受到摩擦力的損耗。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，傳感器的輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的物理量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

1）動(dòng)力粘度：V=DATA×0.015 625，單位為cP;

2）介電常數(shù)：ε=DATA×0.000 122 07；

3）溫度：(DATA×0.031 25)-273，單位為℃；

4）密度：ρ=DATA×0.000 305 2，單位為g/mL。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊電路

由于便攜式檢測(cè)儀設(shè)計(jì)可以和市電相連，所以開關(guān)電源選用24VDDC開關(guān)電源供電，電源電路部分采用線性電源轉(zhuǎn)換芯片LM1085-5與LM1085-3.3，以實(shí)現(xiàn)24 V到5 V與3.3 V的電源電壓轉(zhuǎn)換。電源模塊設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.2 CAN總線接口電路

CAN總線接口模塊部分由CAN控制器芯片SJA1000與CAN驅(qū)動(dòng)器80C251構(gòu)成，具體電路如圖8所示。SJA1000在電路中是一個(gè)總線接口芯片，通過它實(shí)現(xiàn)軟件測(cè)試系統(tǒng)與微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。其作用是接受來自CPU的指示，并命令CAN寄存器作出相應(yīng)的動(dòng)作，并為CPU反饋中斷命令信息。微處理器和位流處理器之間需要連接一個(gè)SJA1000的發(fā)送緩沖器，它能夠保存通過CAN網(wǎng)絡(luò)的的報(bào)文信息。接收過濾器和微處理器之間需要連接接收緩沖器，用來保存CAN網(wǎng)絡(luò)上的命令信息。位流處理器通過控制數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)上的錯(cuò)誤自檢、識(shí)別、補(bǔ)充和糾錯(cuò)。82C251芯片具有較高的擊穿電壓，能夠在24 V電源電壓下正常驅(qū)動(dòng)總線工作，而且在隱性狀態(tài)下的下拉電流更小，在掉電情況下總線的輸出特性得到一定的保障。

圖7 電源模塊電路

圖8 CAN總線接口電路

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢驗(yàn)檢測(cè)儀的性能，采用昆侖46#抗磨液壓油進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，在30～40℃的情況下，測(cè)得不同含水率油液的介電常數(shù)變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 不同含水率油液在不同溫度下介電常數(shù)變化規(guī)律

由圖9所示，在含水率為0.1%以下時(shí)，液壓油的介電常數(shù)隨著溫度的增加而變小，當(dāng)含水率為0.1%時(shí)，油液的介電常數(shù)隨著溫度的增加而變大，與之前的變化趨勢(shì)相反。這主要是因?yàn)橐簤河蛯儆诮^緣油，在含水量很小時(shí)，油液的介電常數(shù)起主導(dǎo)作用，所以隨著溫度的升高，混合油樣的介電常數(shù)減小，當(dāng)油液含水量超過0.1%時(shí)，混合油樣的介電常數(shù)[17]受水的影響變大，隨著溫度的升高而增大。這也證明了液壓油含水率換油指標(biāo)不超過0.1%的科學(xué)性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式多參數(shù)油液檢測(cè)儀操作簡便，成本低，利用FPS2800B12C4流體特性傳感器的特點(diǎn)可以同時(shí)檢測(cè)油液的溫度、密度、粘度、介電常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油液的在線監(jiān)測(cè)，不僅提高了對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備的安全保障，而且克服了煤礦上傳統(tǒng)油液檢測(cè)方法周期長、成本高等缺點(diǎn)，給煤礦上油液檢測(cè)帶來了極大便利。

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