自动冰点测定器的研究

罗争光　邬　超　杨小峰

(中国科学院研究生院软件学院1，北京　100190；中国科学技术大学物理学院2，安徽 合肥　230026;上海理工大学机械工程学院3，上海　200093)



自动冰点测定器的研究

罗争光1邬超2杨小峰3

(中国科学院研究生院软件学院1，北京100190；中国科学技术大学物理学院2，安徽 合肥230026;上海理工大学机械工程学院3，上海200093)

摘要：针对手动冰点测定器试验用油量多、测试结果误差大、效率低等特点，对全自动冰点测定器进行了研究。利用压缩机和半导体混合制冷技术对油样进行降温处理，采用光电捕捉技术分析油样冰点，提高了制冷效率和制冷深度。对不同类型油样进行多次测试，结果表明，仪器重复性和再现性完全符合标准。

关键词：航空燃料冰点测定器传感器半导体制冷压缩机制冷光电检测温度控制

Temperature control

0引言

航空燃料的冰点是保证燃料中不出现固态烃类结晶的最低温度[1]。若在飞机燃料系统中存在此类晶体，将会阻碍燃料通过过滤器。因飞机油箱中燃料的温度在飞行期间通常会降低，降低幅度取决于飞行速度、高度和飞行持续时间，所以燃料的冰点必须永远低于油箱的最低操作温度[2]。

手动冰点测定器需25 mL的试样，用干冰或液氮作制冷剂。由于靠双眼不断观察试样的结晶过程，会导致制冷速度慢、工作效率低且试验耗油量大。所以，采用新型的测量方法和自动仪器代替手动仪器势在必行。

1仪器设计原理

自动冰点测定器的基本检测原理如下：

在样品杯中装入试样(0.15±0.01)mL，通过半导体制冷器给试样制冷(最低温度能达到-85 ℃)，蒸发器带走半导体的热量。光源是恒定的激光源。当试样为液体时，大部分光线通过折射或者漫反射损失，只有少量的光线能进入透镜并被光学检测器采集。当试样结晶后，其表面成固态且光源能在其上产生镜面反射，大部分的光线通过透镜被光学检测器采集。如此一来，光电值发生明显变化，从而分辨油液是否有结晶。吹扫气体是为了保持检测室干燥，以避免空气中的水分结晶影响对光电值的判断。

仪器设计原理如图1所示。

图1　仪器设计原理图Fig.1　Design principle of the instrument

2电气设计

2.1总体框图

电气设计总体框图如图2所示，人机交互使用工业平板电脑(带触摸屏)完成，与单片机(MCU)之间采用RS-232通信。半导体用于给样品杯制冷，利用PID算法进行控制，试验时，以(15±5)℃/min的速率冷却。当油样所含的烃类结晶形成时，以(10±0.5)℃/min的速率升温，直到最后的烃类结晶转变成液相。压缩机系统能将半导体的热量带走，试验时才打开，打开前需和上一次试验结束间隔一定的时间，这样能节约能源，且能很好地保护压缩机，延长其使用寿命。光电检测是在光源持续照射下，采用光学阵列检测器连续监控试样，直到试样烃类结晶形成，引起光强的不断变化。热敏打印机与MCU的通信方式为并口，可打印试验结果。电磁阀用于控制试验气路的通断，一般采用惰性气体(如N2)，试验时打开电磁阀，让气体流通，保持检测室干燥，直到试验结束，关闭电磁阀。

图2　电气设计总体框图Fig.2　Overall block diagram of electrical design

2.2关键元器件的选型与研究

①光源。本仪器光源采用直流供电的红色激光源，功率范围为0.5～10 mW，激光束为圆柱型，波长为(690±50)nm的红光，其直径为3～6 mm。激光源以45°倾角斜射试样[3-4]。激光源的表面需要有耐低温、耐潮的涂层来保证激光源的使用寿命。

②检测通道。检测通道为一圆柱形零件，其最下端有凸透镜，凸透镜的作用是为了将反射的光线聚焦[5-6]。

③光学检测器。选用型号为TSL2561的光学传感器，该传感器内部集成A/D转换，可通过IIC总线与MCU进行通信，只需将光照强度的模拟信号转换为16位的数字信号即可。该光学传感器的位置处于透镜的焦点附近，由于该传感器有一定面积的感光面，所以不用将其正好安置在透镜的焦点位置，从而降低了安装难度。

3软件设计

整个控制系统的软件设计采用上下位机的形式。上位机在Microsoft Visual Studio 2008环境下采用C#语言进行编写，实现人机交互功能；下位机在MPLAB环境下采用C语言进行编写，实现所有的硬件驱动功能。通信协议Modbus制定了详细的命令字段和参数，保证通信的稳定、快速。

3.1人机交互界面

人机交互界面框图如图3所示。主界面采用比较流行的Ribbon风格。Ribbon即功能区，是新的 Microsoft Office Fluent 用户界面 (UI) 的一部分。与传统的菜单式用户界面相比较，Ribbon界面将所有功能有组织地集中存放，无需查找级联菜单、工具栏等[7]。曲线显示方面采用开源的动态链接库ZedGraph.dll。ZedGraph 是一个开源的.NET图表类库，全部代码都是用C#开发的，它可以利用任意的数据集合创建2D的线性和柱形图表[8-10]。仪器使用半年左右，需进行制冷测试和温度校正，以监控压缩机和半导体的制冷效率和深度，以及温度传感器的准确性。ini文件用于软件系统的配置，txt文件用于保存试验结果。试验室信息管理系统(LIMS)基于网口实现，能够完成对试验室数据和信息的收集、分析、报告和管理。打印提供简打和详打功能，简打时向图2的热敏打印机发送数据，详打时需外接打印机，可出具正式的试验报告。

图3　人机交互界面框图Fig.3　The human-computer interface

3.2下位机程序框架

下位机程序框架如图4所示。

图4　下位机程序框架图Fig.4　The frame of slave machine

下位机程序说明如下：

初始化是指MCU引脚、定时器、A/D转换等初始化。Pt100温度采集是指MCU与AD7793芯片之间通过SPI通信，将模拟信号转换为数字信号，并进行滤波、取平均值等操作；光强采集则采用IIC通信直接获取数据。PID算法是对半导体温度进行输出控制，以保证满足升温和降温速率要求。串口数据处理：利用UART(通用异步收发器)中断函数接收上位机传送的命令或数据，然后在主循环中进行解析，以控制仪器在试验不同的阶段执行不同的操作。当试验员选择了试验结果简打时，MCU与热敏打印机之间通过并口通信，按照其时序执行打印操作。电磁阀控制是在试验开始和结束时，由MCU通过I/O引脚输出的高低电平控制其打开和关闭。

4测试数据分析

手动和自动仪器测试结果均满足标准规定的要求。自动仪器经过大量测试不同油样，重复性均在0.69 ℃范围之内，且试验速度快、效率高，能很好地替代手动仪器。试验结果对比如表1所示。

表1　试验结果对比Tab.1　Comparison of the test results 　℃

5结束语

自动冰点测定器采用工业触摸屏电脑，操作简便，能实时显示温度、光强、试验状态等相关参数，自动判断试样结果，具有强大的数据管理功能，方便结果查询、打印。制冷方面利用半导体/压缩机混合制冷，制冷效率高、使用寿命长、绿色环保。测试表明，该测定器具有试验油样用量少、测试速度快、精度高、重复性好、清洗方便等特点。各个关键元器件经过多次测试与升级，稳定可靠、功能强大。仪器试验结果完全符合SH/T 0770、ASTM D5972标准。

参考文献：

[1] 吴明清,赵丽萍,常春艳,等.喷气燃料冰点的测定方法[J].石油炼制与化工,2012,30(7):86-91.

[2] 齐泮仑,何皓,胡徐腾,等.航空生物燃料特性与规格概述[J].化工进展,2013,32(1):154-159.

[3] 王帅勇.激光源与电弧源共同作用钢靶材的等离子体诊断研究[D].长春:长春理工大学,2014.

[4] 刘江,刘昆,师红星,等.高功率全光纤中红外超连续谱激光源[J].中国激光,2014,36(9):124-130.

[5] 唐友兵,路永宁.剖析凸透镜成像实验中的“异常”现象[J].物理教学,2013,26(5):67-72.

[6] 唐斌杰.试论初中物理光学中凸透镜成像规律及其应用的巧妙记忆方法[J].课程教育研究,2015,26(21):120-124.

[7] 肖扬,肖晨帆.VS2012下的Ribbon界面开发[J].电脑编程技巧与维护,2013,30(19):26-30.

[8] 沈宫新,张国东.基于ZedGraph控件的制冷系统实时曲线的绘制[J].三门峡职业技术学院学报,2013,28(4):130-135.

[9] 王霞,周元.ZedGraph控件在岩溶塌陷监测系统开发中的应用研究[J].上海国土资源,2015,30(2):86-91.

[10]奚冬芹.ZedGraph控件在煤矿安全监控系统中的应用研究[J].电子世界,2014,32(9):178-183.

中图分类号：TH89;TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607010

Research on the Automatic Freezing Point Tester

Abstract：The manual freezing point tester features big error in test results,low efficiency and wasting oil for test,so the automatic freezing point tester is researched.The samples are cooled by using the refrigeration technology which is mixing semiconductor refrigeration and compressor refrigeration; and the freezing point of samples is analyzed by using photoelectric capturing technology,the efficiency of refrigeration and the refrigerating depth are improved.Through many tests of different type of oil samples,the repeatability and reproducibility of the instrument completely match the standard.

Keywords:Aviation fuelFreezing point measurerSensorSemiconductor refrigerationCompressor refrigerationPhotoelectric detection

修改稿收到日期：2015-12-22。

第一作者罗争光(1972—)，男，2005年毕业于中国科学院研究生院软件工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事石油产品分析仪器方向的研究。