便携式机动车机油性能检测仪设计

林 峰 严 瑾 邵建文 郁海希

(浙江省计量科学研究院化学与环境所1，浙江 杭州 310018;中国计量学院机电工程学院2，浙江 杭州 310018)

便携式机动车机油性能检测仪设计

林 峰1严 瑾1邵建文1郁海希2

(浙江省计量科学研究院化学与环境所1，浙江 杭州 310018;中国计量学院机电工程学院2，浙江 杭州 310018)

为了解决单一参数评价机油性能的局限性，实现机油快速、方便、准确的综合在线检测，研制了便携式机动车机油性能检测仪。该检测仪以机油性能为研究对象，提出一种通过对机油黏度、介电常数以及温度的检测来实现机油性能评价的在线检测方法。RS- 485通信模块将采集到的数据信息由变送器传送给PIC单片机进行处理，单片机通过接收按键信号将测量到的数据值显示在LCD液晶屏上。试验结果表明，该检测仪性能稳定、使用方便、误差小。

机油性能 机油黏度 介电常数 温度检测 污染程度

0 引言

汽车机油污染度测试是机油使用与维护的重要工作内容。依据我国颁布的《汽油机油换油指标》(GB/T 8028-2010)、《柴油机油换油指标》(GB/T 7607-2002)等标准，规定当机油的黏度、水分、闪点、酸值、铁含量等理化参数中的某一项超过限值时，需要更换机油。传统机油质量判断方法[1]主要有三类,分别为化学分析法、观察法、电化学分析法。这些检测方法各有优缺点，但都普遍存在携带不便、效率低下等不足。

针对目前机油检测存在的问题，本文设计了便携式机动车机油性能检测仪，将黏度、介电常数以及温度作为判断机油性能的依据，实现了三个测量参数的综合分析，解决了当前传统检测单一参数评价机油性能局限性的问题。

1 检测原理分析

机油的黏度、介电常数以及温度三个参数都是影响机油品质的重要因素。其中，机油黏度太高将导致油压累积高，并妨碍充分的油流向发动机关键区域以供应新鲜润滑油，导致加速磨损；机油黏度太低将导致载荷表面的不良液压润滑。介电常数越高，则表明此时机油的抗氧化性能较差，介电常数与机油含水率、铁磨粒含量以及总酸度有相同的变化趋势，因而机油中水分含量、铁磨粒含量以及总酸值含量增值越大。而温度则对机油黏度和介电常数值的变化影响很大。当油温很高时，油中的抗氧化剂有耗尽的趋势，并且由于氧化，油变得更粘和酸性；当油温很低时，燃料、水和积碳有积聚在油中的趋势，减少了黏度，增大了摩擦。

根据不同温度下报废机油黏度的变化，依据国标《汽油机油换油指标》(GB/T 8028-2010)，所取的报废机油运动黏度变化率>25%。当机油黏度变化率恰为25%时，机油即为所需的报废机油，此时机油的黏度也就是报废机油的阈值[2]。该阈值可以通过式(1)计算得到。

η=(v2-v1)/v1×100%

(1)

式中：η为运动黏度变化率，%；v1为新油运动黏度实测值，mm2/s； v2为使用中油运动黏度实测值，mm2/s。

同理，由于介电常数和机油的含水率、铁磨粒含量、总酸值和介电常数具有相同的变化趋势，因此在某个温度下，当机油某个理化指标超过国家标准时，测得机油的介电常数值即为介电常数在某一温度下的阈值。

建立机油性能黏度数据库以及介电常数数据库，并且确立此种机油黏度以及介电常数与温度的耦合关系，也即确定了任意温度下机油黏度的阈值以及介电常数的阈值。

用便携式机动车机油性能检测的装置确定检测时某种机油的温度，并基于温度确定机油的黏度和介电常数。将测得的值与所建立的机油性能数据库中同一温度下机油黏度与介电常数阈值进行比较，确定是否需要更换机油。

2 系统硬件设计

便携式机动车机油性能检测仪硬件设计主要由在线液体黏度传感器、在线机油介电常数传感器、温度传感器和专用参数变送器，单片机模块、LCD液晶模块、按键模块以及上位机通信模块组成。总体的结构示意图如图1所示。

图1 检测仪总体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the detector

专用参数变送器对在线液体黏度传感器、在线机油介电常数传感器以及温度传感器进行数据采集，并将所得的测量值通过串口通信RS- 485传送给单片机模块进行数据处理。单片机模块接收按键模块信号，并在LCD液晶模块上显示相应值。同时单片机通过RS-232通信模块与上位机连接，将测得的数据与机油性能数据库中的数据进行比较。若比对数据超过阈值，则发出“换油”的警告信号；反之不产生“换油”信号。

2.1 传感器模块

本检测仪选用FWS- 4型在线液体黏度传感器[3]，这个传感器是机油黏度测定法应用的理想选择。该传感器采用新型超声振动方法[4]，在一个较宽的、连续的和实时的测量范围内保证了极好的精度与可重复性。其工作原理是当被测液体与探头敏感器件接触时，通过测量压电超声敏感器件的参数变化，来感知液体黏度变化。黏度传感器的技术参数如表1所示。

表1 黏度传感器技术参数Tab.1 Technical parameters of viscosity transducer

在线机油介电常数传感器[5]，可以在线准确测定机油的污染程度。其工作原理是当被测液体与探头敏感器件接触时，通过测得介电常数值这一变化量，即可分析润滑油品质的变质程度以及含水量。在线润滑油介电常数传感器的技术参数如表2所示。

表2 介电常数传感器技术参数Tab.2 Technical parameter of dielectric constant transducer

Pt100温度传感器[6]是一种用铂做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系如下：R=Ro(1+αT)。该传感器将温度变量转换为可传送的标准化输出信号，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。温度传感器的技术参数如表3所示。

表3 温度传感器技术参数Tab.3 Technical parameter of temperature transducer

2.2 专用参数变送器模块

专用参数变送器[7]是具有RS- 485通信的综合信号采集模块，可以采集温度传感器输出的电阻信号、黏度传感器输出的脉冲信号以及介电常数传感器输出的电压信号，并对采集到的原始数据进行计算。计算后的数据以及原始数据通过RS- 485传输给PIC单片机模块。

2.3 单片机以及其他模块

便携式机动车机油性能检测仪主控板采用PIC18F97J60芯片作为中央处理器[4]。它不仅具有高效、稳定、功耗低、抗干扰能力强等特点，而且具有精简的C语言指令系统，并在PIC18指令集的基础上进行了可选择的扩展，添加了八条新指令和一个变址寻址模式；可以优化和重入应用程序代码，并集成了丰富的外围模块，使用方便、灵活。

串口通信采用标准的RS- 485的通信模式[8]。RS- 485串口通信电路如图2所示。

图2 RS- 485串口通信电路Fig.2 RS- 485 serial communication circuit

按键模块采用QN12-A3型，具有高强度抗破坏性的优点。LCD液晶显示模块采用YJD1602B型，具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的优点。主控板还带有与上位机通信的RS-232模块[9]。

为了方便现场检定，检测仪采用便携式的设计思路，设计系带，方便携带。整个检测仪体积小，质量轻，采用统一标准的航空插头，以便与检测机油的传感器连接。

3 系统软件设计

检测机油程序流程图如图3所示。

图3 检测程序流程图Fig.3 Flowchart of detecting program

便携式机动车机油性能检测仪软件[10]设计的开发环境是MPLAB，选用MCC18编译器编写软件程序。在软件程序编写完成后，使用MPLAB ICD3进行在线调试、在线编程、在线观测和运行结果检验。整个软件编程主要分为三个模块进行分析。一个是机油黏度测试，第二个是机油介电常数测试，第三个是温度测试。

主板上电之后，首先PIC单片机进行系统初始化，持续大约100 ms后断开启动电阻(启动电阻接继电器常闭端，初始状态时启动电阻接入主电路)，完成主回路大电容的充电。然后开机显示“ZJLM机油测试”，进行串口初始化以及实时时钟初始化。接着进入主循环，由不同的按键值以及标志位确定单片机执行不同的指令，并在LCD上显示所对应的测得值。

4 标定及试验结果分析

在开始实际试验之前，首先要对相关传感器进行标定。即对黏度传感器、介电常数传感器和温度传感器进行标定。

对于在线液体黏度传感器，其标定温度为25 ℃，且已知在空气中的温度补偿系数Kt和FairT0，需要标定黏度传感器的灵敏度a、b、c。由式(2)可以得出温度补偿FairT。

FairT=KtT+FairT0

(2)

通过3次测量,根据式(3)可以计算得到a、b、c的值。

F=a-bln(η+c)

(3)

结合传感器输出值F，由式(4)便可得温度T下该机油的黏度值。

η=e[a-F+Kt(T-T1)]/b-c

(4)

对于不同黏度的机油进行黏度标定，结果如表4所示。

表4 黏度传感器的标定结果(试验温度25 ℃)Tab.4 Calibration result of viscosity transducer (test temperature:25 ℃)

对于在线机油介电常数传感器，其标定就是对其含水率进行标定。标定温度为T0，传感器输出和机油含水率的关系符合以下线性关系方程式(5)。线性相关系数R的平方达到0.99。

Vt=Vot+K(h-ho)

(5)

式中：Vt为在温度T0时传感器在待测油液中的输出电压；Vot为新油(含水ho%)中在温度T0的输出；h为被测油液的含水率，%；K为传感器灵敏度系数。

通过介电常数传感器在同一温度下同种型号、不同含水率的油样中的读数，即可获得Vot和K的值，完成标定。标定结果如表5所示。

表5 介电常数传感器标定结果Tab.5 Calibration result of dielectric constant transducer

完成对传感器的标定后，搭建试验平台对通用机油进行试验(取1#机油)。这里以黏度传感器为例。测试机油性能时，当温度传感器显示刚好为80 ℃时，读出此时检测仪上显示的黏度值。黏度传感器的试验结果如表6所示。

表6 1#机油黏度测试试验结果Tab.6 Test results of viscosity of 1# engine oil

由表6可以看出，在相同的温度下，行驶的路程越多，机油的黏度越小。将测得的值与机油性能参数数据库中的阈值进行比较，便可确定是否需要更换机油。

5 结束语

便携式机动车机油性能检测仪实现了对机动车机油性能的综合检测，建立了一种快速、准确、稳定、方便，并能适应长时间在线检测的方法，解决了当前传统检测单一参数评价机油性能的局限性，具有很好的理论研究意义和实际应用价值。试验建立的机油性能参数数据库，为机油的合理利用提供数据支持，这对于今后保护日益紧张的石油资源、节能减排起到积极的作用。

[1] 覃伟年,邹健初,黄光幸,等.便携式机油老化性能探测仪的研究与设计[J].微计算机信息,2009(8):124-126.

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[5] 李红旗.基于介电常数的车用润滑油在线监测方法研究[D].长春：吉林大学,2007.

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Design of the Portable Performance Detector for Engine Oil of Motor Vehicle

To solve the limitation of evaluating the performance of engine oil by single parameter, and implement comprehensive online detecting the engine oil quickly, easily and accurately, the portable performance detector for engine oil of motor vehicle has been developed. With the performance of engine oil as the researching object, the online detection method of evaluating performance of engine oil is realized by detecting viscosity, dielectric constant of engine oil, and temperature, is proposed. The data information collected are sent to PIC single chip machine from transmitters via RS- 485 communication module; through receiving push button signal, the measured data are displayed on LCD screen by single chip machine. The test results indicate that the detector operates stably, easy to use, and with small error.

Performance of engine oil Viscosity of engine oil Dielectric constant Temperature detection Pollution levels

浙江省科技计划基金资助项目(编号：2012C21080)。

林峰(1982-)，男，2004年毕业于中国计量学院测控技术与仪器专业,获学士学位，高级工程师；主要从事机动车检测设备和交通执法设备计量标准和方法研究。

TP302;TH83

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506027

修改稿收到日期：2014-10-16。