基于介電常數(shù)的潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)(2)

宗陳艷　聶川　金東暉

摘 要：潤滑油主要起到潤滑、防銹、冷卻、密封等作用，對汽車發(fā)動機(jī)的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。若不及時更換發(fā)動機(jī)潤滑油會引起運動件磨損、增壓器溫度過高甚至發(fā)動機(jī)損壞的風(fēng)險。因此在汽車發(fā)動機(jī)工作過程中，及時更換新的潤滑油是必不可少的。通過檢討潤滑油成分及變質(zhì)過程的機(jī)理，認(rèn)為可以通過測量介電常數(shù)來評價潤滑油質(zhì)量。因此，本文將論述通過發(fā)動機(jī)潤滑油介電常數(shù)的變化來在線監(jiān)測潤滑油衰變的課題。

關(guān)鍵詞：潤滑油 在線監(jiān)測 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)測潤滑油的理論基礎(chǔ)和依據(jù)

潤滑油的成分可以分為兩大類：基礎(chǔ)油和添加劑?；A(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。

潤滑油的衰變主要包括潤滑油氧化、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)，潤滑油的變質(zhì)會引起其成分的變化，介電常數(shù)也會不同。因此可以根據(jù)潤滑油介電常數(shù)的變化來評價潤滑油的污染和變質(zhì)程度[2]。

將電介質(zhì)放置在電場中，電介質(zhì)會發(fā)生極化現(xiàn)象，場強(qiáng)分布如圖1所示。極化即為極化分子沿電場排列，產(chǎn)生附加電場從而減弱原電場場強(qiáng)的現(xiàn)象。若將潤滑油放置在平板電容器間，電容會隨之增大。假設(shè)電容增大值為εr倍，那么εr就可以代表該潤滑油的相對介電常數(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，因此可以通過測量電容的變化來反映油液的污染程度[3]。

介電常數(shù)計算公式為：

2 介電常數(shù)法監(jiān)測潤滑油的實驗驗證

2.1 確定監(jiān)測電路

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，使測量更加簡便。

由外界元件R1，R2，C1和NE555構(gòu)成一個無穩(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)測電路如圖2，輸出信號可以直接通過頻率計表現(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)測電路的參數(shù)確定

潤滑油的相對介電常數(shù)大于1，所以傳感器在空氣中時對應(yīng)的頻率最大。而NE555芯片對應(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 初步驗證監(jiān)測電路的正確性

為了檢測電路的正確性，先用0.01μF電容替代CX，同時使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)，可以得出換油時主要取決于水分、鐵含量及酸值這三個理化指標(biāo)。

2.5 實驗驗證

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

公式是：，其中。

測量方法：先取一定量的新潤滑油，測量后分別向新潤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潤滑油介電常數(shù)的影響。根據(jù)測量結(jié)果，分析變化趨勢，找到規(guī)律，并確定潤滑油理化指標(biāo)變化與介電常數(shù)變化之間的關(guān)系曲線[5]，用來作為評判潤滑油質(zhì)量的理論依據(jù)。這里NE555的3腳輸出頻率由示波器測量，不僅可以直觀的看到波形還可以統(tǒng)計平均頻率，提高精確度。本實驗以SF5W/40牌號的汽油機(jī)油作為參考對象。

2.6 水分、鐵含量及酸值潤滑油相對介電常數(shù)的影響

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

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

通過實驗驗證可知，酸值、鐵含量和水含量這三個參數(shù)與潤滑油介電常數(shù)變化具有一致性，從而證明介電常數(shù)可用作評價潤滑油質(zhì)量好壞的評價指標(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)時及時得知更換，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，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量才能得出。這里就取第二章中測量的新油與舊油的一個中間值，即16000Hz代替。

焊接完成后，接入大于16000Hz的輸入信號，沒有響聲;接入小于16000Hz的輸入信號時，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)測潤滑油質(zhì)量的方法。將潤滑油看做電介質(zhì)，通過介電常數(shù)來反饋潤滑油更換需求。待潤滑油達(dá)到其使用壽命，通過蜂鳴器提醒駕駛者對其更換。減少了與資源浪費、降低了對發(fā)動機(jī)的損壞同時可有效延長汽車的使用壽命，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)動機(jī)機(jī)油的作用與選擇[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，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)動機(jī)潤滑油的電化學(xué)分析與鑒別[J].潤滑與密封，2006（12）：77-80.