基于介电常数的润滑油在线监测系统(2)

宗陈艳　聂川　金东晖

摘 要：润滑油主要起到润滑、防锈、冷却、密封等作用，对汽车发动机的正常运转至关重要。若不及时更换发动机润滑油会引起运动件磨损、增压器温度过高甚至发动机损坏的风险。因此在汽车发动机工作过程中，及时更换新的润滑油是必不可少的。通过检讨润滑油成分及变质过程的机理，认为可以通过测量介电常数来评价润滑油质量。因此，本文将论述通过发动机润滑油介电常数的变化来在线监测润滑油衰变的课题。

关键词：润滑油 在线监测 介电常数

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 介电常数法监测润滑油的理论基础和依据

潤滑油的成分可以分为两大类：基础油和添加剂。基础油主要是矿物基础油[1]，常用的添加剂包含很多，如摩擦缓和剂、乳化剂、金属钝化剂等。

润滑油的衰变主要包括润滑油氧化、添加剂损耗及油液污染。几乎所有自然界的物质都是电介质，润滑油的变质会引起其成分的变化，介电常数也会不同。因此可以根据润滑油介电常数的变化来评价润滑油的污染和变质程度[2]。

将电介质放置在电场中，电介质会发生极化现象，场强分布如图1所示。极化即为极化分子沿电场排列，产生附加电场从而减弱原电场场强的现象。若将润滑油放置在平板电容器间，电容会随之增大。假设电容增大值为εr倍，那么εr就可以代表该润滑油的相对介电常数。由于平行板电容器的电容c跟介电常量ε为正比关系，因此可以通过测量电容的变化来反映油液的污染程度[3]。

介电常数计算公式为：

2 介电常数法监测润滑油的实验验证

2.1 确定监测电路

通过第一章可知，电容值可以反馈出介电常数大小。但是电容的变化不易直接测量，因此考虑使用C/F变换电路将电容值转换为频率值，使测量更加简便。

由外界元件R1，R2，C1和NE555构成一个无稳态多谐振荡电器，它的振荡频率为：

制作介电常数监测电路如图2，输出信号可以直接通过频率计表现出来。将传感器连在一起，形成多谐振荡电路可以大大降低传输误差和干扰。

2.2 监测电路的参数确定

润滑油的相对介电常数大于1，所以传感器在空气中时对应的频率最大。而NE555芯片对应的最大频率是500kHz，所以要满足输出最大频率小于500kHz。多谐振荡电路需要考虑占空比，占空比是：。尽量使D约等于0.5，即应使R1远小于R2。具体R1，R2数据等确定了传感器后确定。

2.3 初步验证监测电路的正确性

为了检测电路的正确性，先用0.01μF电容替代CX，同时使R1=220K?，R2 =845K?，理论值为75Hz，得出数值为74.591Hz，如图3，为示波器显示结果。

2.4 影响润滑油介电常数的理化指标

表1是内燃机油换油指标，可以得出换油时主要取决于水分、铁含量及酸值这三个理化指标。

2.5 实验验证

本文利用上面所得到的电路测量金属磨粒、酸值和水污染对润滑油介电常数的影响，其中传感器取简单易得的平板电容传感器。

公式是：，其中。

测量方法：先取一定量的新润滑油，测量后分别向新润滑油中多次加入不同定量的铁粉、氢氧化钾及水分。分别分析三种污染物含量的增加对润滑油介电常数的影响。根据测量结果，分析变化趋势，找到规律，并确定润滑油理化指标变化与介电常数变化之间的关系曲线[5]，用来作为评判润滑油质量的理论依据。这里NE555的3脚输出频率由示波器测量，不仅可以直观的看到波形还可以统计平均频率，提高精确度。本实验以SF5W/40牌号的汽油机油作为参考对象。

2.6 水分、铁含量及酸值润滑油相对介电常数的影响

根据测得数据利用Matlab中曲线拟合方法得出水分与相对介电常数的变化关系三次数学模型如下：

根据测得数据利用Matlab中曲线拟合方法得出铁含量与相对介电常数的变化关系三次数学模型如下：

根据测得数据利用Matlab中曲线拟合方法得出机油酸值与相对介电常数的变化关系三次数学模型如下：

通过实验验证可知，酸值、铁含量和水含量这三个参数与润滑油介电常数变化具有一致性，从而证明介电常数可用作评价润滑油质量好坏的评价指标。

3 51单片机控制蜂鸣器

为了使客户可以在机油变质时及时得知更换，编写程序实现51单片机控制蜂鸣器结构。当多谐振荡电路输出的频率小于极限值时，通过51单片机控制蜂鸣器，使其鸣叫，从而达到提醒用户换油的目的。需要注意的是这里的极限值并不知道，需要以后更精确地测量才能得出。这里就取第二章中测量的新油与旧油的一个中间值，即16000Hz代替。

焊接完成后，接入大于16000Hz的输入信号，没有响声;接入小于16000Hz的输入信号时，有滴滴的响声，中间的间隔大约是1S。

4 总结

本论文提出了一种可以监测润滑油质量的方法。将润滑油看做电介质，通过介电常数来反馈润滑油更换需求。待润滑油达到其使用寿命，通过蜂鸣器提醒驾驶者对其更换。减少了与资源浪费、降低了对发动机的损坏同时可有效延长汽车的使用寿命，因此适合推广，有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]肖志红.平板式电容传感器电路研究[J].现代电子技术，2004（7）.

[2]陆玉靖.发动机机油的作用与选择[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2008，52（4）：61-62.

[3]王莉田，王玉田.电荷转移式原油含水率传感器的研究传感器技术[J].1999，18（2）：19-22.

[4]GB/T8028-1994，汽油机油换油指标[S].

[5]史永刚，刘超璞，张洁等.发动机润滑油的电化学分析与鉴别[J].润滑与密封，2006（12）：77-80.