油品多参数测试仪设计

李 凯，任淑艳，段海龙

（1.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

石油产品的闪点、粘度、密度、介电常数等参数指标，作为目前衡量液体油品火灾隐患和质量好坏的核心指标，对现阶段油品的生产、存储、运输以及使用有着极大的参考价值。为此，多个团队研发出多种油品参数测试装置或系统：伊茜等[1]研制的微量闪点自动快速测试仪减少了油蒸气的挥发，缩短了操作时间，可提高实验效率；王艳平[2]、孔馨雨[3]均在学位论文中讲述了对油品多参数测试仪的设计和研发；郑江涛等[4]设计的油品质量在线监测系统和郭建伟等[5]研发的油品多参数便携式检测仪使用了FPS2800B12C4 传感器，可实现对油液粘度、密度等多个参数同时监测；敖海龙[6]所设计的油品质量在线监测系统突出对石油产品的含水量、粘度、介电常数的在线监测；雷雯等[7]研发的油品开口闪点测试装置则针对油品闪点特性提供了一种创新思想；管亮等[8]设计的石油产品闭口闪点无点火式测试系统则提高了测试仪器的安全系数。然而以上装置或系统的研发仅针对油品的某一或几个特定属性，且现有可操作性设备中缺少可以对液体油品的闪点、粘度、密度、介电常数和流体温度同时具备检测能力的仪器。因此，本文针对这一问题，基于上述理论基础，设计出了一个可对油品的闪点、粘度、密度和介电常数等多个参数同时检测的油品多参数测试仪。该油品多参数测试仪突破了现有设备无法对液体油品的闪点、粘度、密度、介电常数和流体温度同时检测的现状，同时，该测试仪具有体积轻小、操作简单、自动化程度较高的优势，可以为油品参数的检测提供更为便利的条件。

1 设计方案

传感器为美国MEAS 公司的FPS2800B12C4 多参数油质传感器，上位机为Visual Studio 编程软件和工控机、触摸屏等辅助硬件，下位机为单片机、继电器、传感器、电机、油泵、风扇、加热线圈、三通电磁阀、燃气阀等硬件模块，油品多参数测试仪的外观采用的是一体机式设计，整机测量原理为闭口杯式测量法，同时根据所测参数和硬件需求，结合测量原理环境要求，将该测试仪分为2 个参数测试杯。油品多参数测试仪实物如图1 所示。

图1 油品多参数测试仪实物

在图1（a）中，左侧为1 号杯，负责检测油品的闪点特性；右侧为2 号杯，负责检测油品的粘度、密度和介电常数；在图1（b）中，将触摸屏嵌入仪器内，使仪器缩小体积的同时，更便于携带、保存。油品多参数测试仪结构框图如图2 所示。

图2 油品多参数测试仪结构框图

触摸屏为上位机操作和显示的载体；工控机为指令和数据的控制、处理中心；控制板在系统中起着驱动、开关和信息传输的作用；传感器、电机等其他设备则作为感应机构和执行机构，分别负责数据信息采集和执行系统指令。

触摸屏为8 英寸HB8902Q 嵌入式显示器；工控机采用EPC92A1 工业主板；控制板集成了单片机和继电器等；油质分析传感器用于2 号杯的参数检测；温度传感器采用了PT100 热电阻式温度传感器和K型热电偶式温度传感器，分别用于检测1 号杯油品液体温度和蒸气温度；液位传感器则采用TB-M08-02N-DR 电容式接近开关，感应距离为2 mm，用于检测油品液位。

2 软件设计

油品多参数测试仪是利用Visual Studio 作为编程软件，为上位机的控制和显示提供运行环境。在设计中，将测试杯的各功能集成为上位机按键式控制，同时结合硬件，在软件中设计了一键加油和多参数自动测试功能，实现了油品多参数测试的自动化、智能化。最终将2 个测试杯进行数据融合，形成了油品多参数测试仪软件控制系统。

2.1 上位机界面设计

本文上位机界面采用分割式设计，将2 个测试杯的按键操作和界面显示分为上下结构。设备启动后应先通过测试按键部分进行硬件故障排查，依次排查加热电机、风扇、搅拌电机、油泵和三通是否出现故障，按下按键，指示灯为绿色，表示该硬件工作正常，指示灯为红色，则表明该硬件工作异常，应及时维修；而在测试前应先对1 号杯所需参数进行设定和校正，如预闪点、大气压、油号等；2 个测试杯都设有自动启动和一键停止，同时1 号杯也设有手动按键，以便于发生部分功能障碍时采用手动方式继续测试闪点；最后设置日志保存按键，目的是将1 号杯的闪点测试温度和2号杯100 ℃时的粘度、密度、介电常数数据保存并输出。

2.2 程序功能实现

油品多参数测试仪实现了对油品的多个参数进行检测的功能，基本实现了自动化操作，主要包括一键自动加油、参数自动检测等。

2.2.1 总体流程

系统开机后进入自动初始化，包括硬件开关复位、软件参数置零等操作，而后进入一键加油、测试杯启动和风冷启动等设定，测试结束后将测试数据保存为日志。其总体程序流程如图3 所示。

图3 总体程序流程图

在测试中，系统初始化后，当按下一键加油按键时，油泵开始向测试杯中加油，等待加油结束后，系统可自动启动或手动启动1 号杯和2 号杯测试程序，默认使用手动启动，随即进入油品的参数测试子程序，测试完毕，风冷立即启动并对设备做降温处理，当检测到系统设备全部关闭后，系统自动保存测试数据到日志。

2.2.2 自动加油

自动加油程序开始便进入初始化，即按键复位，当接收到加油指令后，油泵开始工作，随后通过液位传感器进行液位判断，利用三通切换，最终实现自动加油和换杯加油的功能。

在该子程序中，设定通过按键判断来启动加油操作，通过液位比较判断来终止加油操作。当接收到启动命令后，油泵开始向1 号杯注入油液，此时1 号杯中液位传感器1 实时判断液位信息，当1 号杯液位到达预设位置后，该传感器发出信号，子程序终止1 号杯加油操作，同时启动三通，开始向2 号杯注入油液，与1 号杯原理相似，当液位到达预设值后，子程序终止加油操作，关闭三通。最后，该子程序向总程序发送加油结束信号后跳出，返回主程序。

在测试中，根据液位设定，通过油泵和三通的配合，系统能够较精准地完成加油操作，经过程序调试，油泵可连续均匀地向测试杯中加油，加油后杯内无滴溅、无杂质，因此对参数测试无影响且操作流畅。

2.2.3 闪点自动测试

闪点测试中，闪点分析方法规定的重要控制参数包括温度达到预期闪点前多少时开始控制升温速率，升温速率为多少，自动引进火焰开始试闪温度，试闪温度间隔等是不完全相同的。如果所有油品都采用一个模式测定，则会有许多控制参数超出分析方法规定的要求，从而导致整个分析结果无效[9]，同时研究表明，我国大多数石化企业、石油石化检测实验室和军用机场油料化验室依据标准为GB/T261—2008[10]。故基于以上2 点分析，本油品多参数测试仪采用的测试分析依据为国家标准GB/T261—2008《闪点的测定宾斯基-马丁闭口杯法》[11]，该标准通过对油品的闪点是否已知、油品类型的分类以及点火频率和升温频率等进行判断和控制，可选择不同的步骤，改变重要的控制参数，从而做到对不同的油液样本的闪点特性进行测试。闪点测试程序流程如图4 所示。

图4 闪点测试程序流程图

根据上文所提标准，闪点测试的基本原理可以概述为：将待测石油样品键入测试闭口杯中，在规定的速率下连续搅拌，并以恒定速率加热样品，以规定的温度间隔，在中断搅拌的情况下，将火源引入测试杯开口处，使样品发生瞬间闪火，且蔓延至液体表面的最低温度，此温度为环境大气压下的闪点，再经公式修正到标准大气压下的闪点，即为被测样品的闪点。

闪点的修正公式为

式中：101.3 为标准大气压101.3 kPa；T 为环境大气压下的测试闪点（°C）；p 为环境大气压（kPa）。

本测试仪在1 号杯中使用了2 种温度传感器：PT100 热电阻温度传感器，用来检测油液样品液体温度；K 型热电偶温度传感器，用来检测闭口杯中油品蒸气的温度。

（1）当测试油液样本以恒定速率升温时，杯内油品闪火出现时，油品蒸气在被点燃的一瞬间将产生蓝色火焰，释放大量热量的同时，造成杯内气体温度上升速率明显加快，故需要至少2 个温度传感器来分别检测杯内的液体温度和气体温度。

（2）在硬件电路设计中，测试杯内液体的温度可由热电阻式温度传感器的电阻变化而计算得到，被测温度T 计算公式为

式中:α 为温度系数；t0通常取值为0 ℃；Rt为温度T 时所测的电阻值；Rt0为温度t0时对应的电阻值。

另外，因要利用其温度变化特性进行闪点判据，故该部分传感器必须对测试杯内气体的温度变化敏感且精度高，最终选用了K 型热电偶温度传感器，又由于热电偶式传感器的检测原理为热电效应，故在该硬件电路部分利用滤波器、电压放大器、电压比较器，结合程序设计，可以较精准地得到气体的温度变化速率。同时，热电阻温度传感器为热电阻材质、三线制、测量范围在-200～1 000 ℃；热电偶温度传感器为热电偶材质、双线制、精度高且误差小、测量范围在0～600 ℃。2 种温度传感器因测量原理、材质、接线方式不同，从而可以更好地减少或避免相互之间的影响，提高测量精准度。

闪点的判断依据通常分为2 种：在开口测试仪器中，通常使用蓝色火焰现象作为闪点出现的判据，在闭口杯中则利用硬件和软件的结合，通过温度变化特性来判断闪点是否出现。在本测试仪中采用了以上2种判据，通过人眼识别和程序设计，最终将蓝色火焰出现和油品蒸气温度上升速率加快视作闪点出现的双重判据，但是在实际测试中，由于设计测试仪的初衷为实现自动控制，所以把第2 种控制方式作为闪点的首要判据。采用双重判据，目的在于设备故障或测试数据偏差较大时，利用人眼识别作为辅助手段进行校正。

2.2.4 粘度、密度、介电常数和流体温度自动测试

FPS2800B12C4 传感器是一款独特的液体特性传感器，采用低成本4 针连接器，CAN J1939 认证，支持CAN 2.0A 和CAN 2.0B 标准数字输出，分辨率高，可以同时直接精确重复测量大多数液体油品的粘度、密度、介电常数和流体温度，方便地检测液体的多个物理属性以及之间的直接关系和动态关系[12]，其工作原理是基于石英音叉，通过改变石英晶体在液体介质中的谐振频率来检测其特征参数[13-15]。检测过程中，该传感器将检测到的数据转换为CAN 帧格式形式，同时保持30 s 的数据回传周期，上位机通过对CAN 数据帧进行解析和计算，依次解析出粘度、密度、介电常数和平均温度的有效数据，其后将有效数据数值换算后可得出参数的实际值，故在此采用了一种USB-CAN 转换器进行信号转换，从而实现了传感器与上位机之间的数据通信。

进入该子程序后，先进行初始化操作，包括参数置零和CAN 信号清空，随后开始接收该传感器的检测数据，若数据格式出错则重启传感器，经初始化后再次判断，直至格式正确后，进行帧解析和数值换算。重复以上操作，直到测试杯内温度稳定在100 ℃时，子程序立即保存此温度下的参数实际值到输出日志，同时向主程序发送测试完成信号并跳出返回主程序。

传感器所测的4 个参数分为2 个数据帧：粘度、密度和介电常数数据在第1 帧；温度数据在第2 帧。FPS2800B12C4 传感器数据帧格式如表1 所示。

表1 FPS2800B12C4 传感器数据帧格式

此时欲得到实际参数值，需对回传的有效数据进行数值换算，换算公式为

粘度（cP）=DATA*0.015 625

密度（gm/cc）=DATA*0.000 030 52

介电常数=DATA*0.000 122 07

平均温度（℃）=（DATA*0.031 25）-273

3 结果和讨论

（1）通过初步测试，油品多参数测试仪运行正常且与其他测试仪器相比，体积较小、响应速度较快，可用于一般油品的参数测试。

（2）测试仪操控界面简洁方便、参数显示实时、动态数据连续，同时增加了一键加油按键和相应指示灯，用户所有操作均可在操作界面完成，降低了测试复杂度，提高了测试效率。

（3）测试仪点火速度恒定、火焰连续、升温速率可根据设定改变，符合闪点测试的标准。

（4）测试仪自带循环降温装置，可以实现油品参数的多次重复测量，加快了参数测定的效率。

（5）测试仪具备多参数检测能力，可以同时检测油品的闪点、粘度、密度和介电常数的特性。

（6）测试仪实现了较完善的自动控制功能，包括温度自动升降、自动冷却、自动修正测试结果、自动显示、自动锁定闪点值等自动操作，达到了测试过程自动化的基本要求，具有升温迅速、搅拌连续均匀、点火准确、操作简单等优点。

（7）同时测试仪由于缺少必要的实验条件，难以开展大量实验并进行完备的数据分析，后期条件成熟后应加以完善和改进。

4 结 语

本文设计了一种以单片机和FPS2800B12C4 传感器为核心的油品多参数测试仪，该测试仪操作简便、成本较低、体积小且携带方便，实现了对油液的闪点、粘度、密度、介电常数和流体温度的测试，有效满足了油品生产、运输、存储和使用的相关需求，能够对油品管理发挥积极作用和对油品多参数检测技术起到较大的推动作用。因此，该测试仪具有较大的发展前景和应用价值。

但在油品参数测试仪设计研发工作中，有些要素还应进行更为深入的研究和改进，如大气压的检测优化、石油样本的含水量自动检测、石油产品闭口闪点测定因素分析和温度对油品的粘度、密度、介电常数的影响等。由于实验室测定试验火灾危险性无法得到精准分析以及实验条件不够完备，所以无法通过大量实验完善此测试设备，有些因素分析还需合理推迟时间再进行改进或研究，届时通过硬件升级、软件优化等手段，实现油品参数测试方案的精准性与安全性，如增加油品含水量检测、大气压强自动检测、升温曲线自动调节、温度超值预警等。