新型柴油氧化安定性快速评定仪器的研制

孟凡坤，宋世远，钱述鹏，熊 刚

（陆军勤务学院 油料系，重庆401331）

随着柴油机市场的扩大，柴油需求呈现出逐年增长的趋势，对柴油的品质提出了较高的要求，柴油的氧化安定性成为评价柴油储存与使用的重要指标。氧化安定性不合格的柴油在长期储存过程中会氧化变质，继续使用会造成发动机严重损伤或者酿成事故。目前，我国对柴油的氧化安定性评价方法依照SH/T 0175—2004《馏分燃料油氧化安定性测定法（加速法）》，然而该方法操作过程繁琐，测试时间较长，测试结果受外界影响较大，对油品氧化安定性优劣判断准确程度低[1-4]。在此，研制了一种快速评定柴油氧化安定性的仪器，进一步简化了柴油氧化安定性的评价方法，使其能够适应各种使用环境的需要。

1 氧化安定性概述

燃料的安定性是指燃料在贮存或使用情况下保持原有质量不变的性能[5]。柴油的安定性包括储存安定性和热安定性[6]。储存安定性是指柴油在储运过程中保持其外观、组成和使用性能不变的能力。柴油的热安定性是指柴油在较高的温度以及氧气或空气存在的情况下抗氧化变质的能力[6]。

2 仪器设计原理

仪器由温度控制单元、金属浴、压力表、试验氧弹、充放氧系统、软件控制系统等组成。如图1所示，新型柴油氧化安定性评定仪的测定原理主要是，通过上位机PC控制下位机对装有油样的密封氧弹进行加热，然后利用单片机控制继电器对氧弹进行充放氧，并且采用压力传感器对氧弹内压力进行实时监测，通过观察氧弹中氧气压力随时间的变化曲线来分析柴油氧化安定性的好坏。

图1 柴油氧化安定性评定仪原理Fig.1 Principle of diesel oxidation stability evaluation instrument

仪器在加热方面改变了传统的水浴方式，而采用先进的金属浴，克服了不同地区，不同大气压造成不同沸点的问题，更改善了检测人员在检测时所处的潮湿环境，且具有升温快、精度高，不用换算的优点。该仪器采用电磁阀完成氧弹的充放氧，使操作过程简便易行。电磁阀连接均采用硬连接方式，最大限度地避免了系统微漏。充氧后直接关闭氧气截止阀，避免系统微漏影响试验结果。仪器的主要参数见表1。

表1 柴油氧化安定性测定仪主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of diesel oxidation stability evaluation instrument

基于氧弹法原理研制的柴油氧化安定性快速评定仪，主要进行硬件和软件2部分设计。

3 硬件设计方案

硬件设计分为主控板设计和继电器板设计。主控板的主要功能是温度采集与控制、压力信号采集以及与上位机通讯；继电器板主要实现对充放氧阀门的控制。

3.1 主控板设计

主控板电路原理如图2所示。通过采用PID温控方式实现温度的稳定控制，利用上述位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，与设定值相减得到偏差，再与之进行PID运算输出结果，然后根据该结果调整加热器的加热功率。

图2 主控板原理Fig.2 Principle of main control board

PID算法可实现的控温精度为±0.1°C。温度传感器采用进口高精度传感器薄膜铂电阻PT100，铂在一定的温度变化范围之内，不易被氧化污染，从而获得稳定的电阻-温度特性，重复性好，对温度变化敏感。PT100温度传感器通过测量传感器的电阻，将电阻的变化转化为电流模拟信号，经过电路信号放大、数/模转换等信号输入处理器之后再转换成相应的温度[7]。

采用麦克公司的MPM380系列传感器实现压力的实时采集。该传感器介质兼容性好，性能稳定可靠，精度高。在压力和温度采集方面，由于传感器输出电信号很小，故采用了OP07信号放大器和ICI7135芯片模数转换器的组合对采集信号进行放大与A/D转换。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路[8]，具有输入偏置电流低的特点，适用于传感器微弱信号的放大。ICI7135是4位双积分A/D转换芯片，可以转换输出±20000个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便[9]，具有精度高（相当于14位A/D转换）、价格低等优点。

3.2 继电器板电路设计

继电器板电路原理如图3所示。继电器板通过单片机输出的I/O端口线直接相连，单片机I/O口发出控制电磁阀开关的信号，经74HC244线路驱动器后，再经过光耦器件隔离，传送给继电器，从而控制电磁阀的开关。74HC244是一款常见的信号驱动芯片，常用于各种单片机MCU系统中，由于单片机I/O口输出的电流小，驱动负载能力弱，因此采用74HC244用于增加驱动功率。

图3 继电器板电原理Fig.3 Principle of relay board

控制信号在经过光耦隔离电路时可以对输入、输出电信号起隔离作用，光耦合器一般由3部分组成：光的发射、光的接收及信号放大[10]。输入的电信号驱动发光二极管LED，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。由此完成电—光—电的转换，起到输入、输出、隔离的作用，因此光耦合电路可以防止继电器的通断对单片机电路的干扰，具有良好的电绝缘性能和抗干扰能力[11]。

4 软件设计方案

软件设计分为下位机软件和上位机软件设计。下位机软件实现对硬件系统的驱动和对上位机命令的执行以及回传；上位机软件主要实现对仪器参数的设置、试验数据的处理、仪器元器件控制命令的下达以及与下位机通讯等功能。

4.1 下位机软件设计

下位机软件主要具有以下功能：①对系统初始值的设定；②实现对各个子系统的驱动、控制和访问；③与上位机通讯，接收并执行上位机的命令，并实现数据交换（回传温度、压力等数据）。下位机主程序流程如图4所示。

图4 下位机主程序流程Fig.4 Main program flow chart of lower computer

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用C#语言编写而成，主要实现对仪器参数的设置、试验数据的处理、仪器元器件控制命令的下达以及与下位机的通讯等功能。其功能如图5所示。

图5 上位机软件总体功能Fig.5 Overall functional of upper computer software

4.2.1 上位机主界面

主界面主要由显示区、控制区和功能区3部分组成 （如图6所示）。其中显示区主要是对压力曲线、一阶导数、氧化浴温度、氧弹状态进行显示。控制区对实验过程的控制，主要包括氧弹氧化的启动与停止，氧化浴加热与停止。功能区可以实现仪器的其他功能操作，包括试漏、测定设置、实验结果、系统设置。

图6 上位机主界面Fig.6 Upper computer interface

4.2.2 氧弹试漏界面

试漏界面如图7所示。氧弹1和氧弹2的信息分布在主界面的左右两侧，以1号氧弹为例，界面的上部模拟压力表盘，用指针实时指示氧弹内的压力，在压力表盘的下方显示运行时间、压力降、仪器状态等信息。当试漏达到标准规定的要求后，在状态栏中提示试漏结束，需立即将氧弹放入氧化浴中。

4.2.3 测定设置界面

在测定设置界面（如图8所示）中，可以输入试样信息如试样名称、试样编号、采样地点、采样时间、操作员等。

图8 测定设置界面Fig.8 Measurement settings interface

4.2.4 实验结果界面

实验结果界面（如图9所示）用于管理已有的实验结果。这些结果按照实验日期的先后排序，最后的结果显示在当前界面上。点击 “生成TXT文件”，就会在相应文件夹中生成对应实验数据的TXT文件。

图9 实验结果界面Fig.9 Experimental result interface

4.2.5 系统设置界面

图10 参数修正界面Fig.10 Parameter correction interface

系统设置界面（如图10所示）包括基本设置和参数修正。在基本设置界面，可以对系统时间和用户名称进行设置。参数修正界面，主要有2个功能：对压力示值进行修正；对氧化浴温度进行修正。初次使用仪器时需对压力示值和氧化浴温度进行修正。

5 仪器试验考察

使用新研制的柴油氧化安定性评定仪器，分别对玉门车柴和齐鲁加氢裂化军柴进行了6次重复性和区分性试验，并对新研制仪器样机的测试精度进行分析。

在此，分别采用氧化诱导期和氧化拐点，对柴油的氧化安定性进行表征。根据美国标准ASTM D7545的规定，氧化过程中持续检测压力，当监测压力低于最高压Pmax的10%时出现转折点。将试样从加热到出现测试转折点的时间间隔定义为诱导期（induction period），并以此表征中间馏分燃料的氧化安定性。氧化拐点被定义为氧化过程进入平缓期所对应的时间，用于表征柴油氧化安定性的好坏。氧化拐点出现的时间越晚，油品的氧化安定性越好。

5.1 重复性考察

根据SH/T 0193中对重复性的要求，即2次测定结果之差不大于 r值，r=0.12x。

诱导期重复试验结果和氧化拐点重复试验的结果见表2。由表可知，玉门车柴和齐鲁加氢裂化军柴2种油样，其诱导期重复试验和氧化拐点重复试验的结果，均同时满足重复性要求。

表2 诱导期和氧化拐点重复试验结果Tab.2 Induction period and oxidation break point repeated test results

5.2 区分性考察

诱导期区分性试验结果见表3。不同体积比的油样诱导期方差分析见表4。

表3 诱导期区分性试验结果Tab.3 Differential test results during induction period

表4 不同体积比的油样诱导期方差分析Tab.4 Variance analysis for induction period of oil samples with different volume ratio

由表3可知，不同体积比的调和油样诱导期差异比较明显，军柴的氧化诱导期大于车柴的氧化诱导期，而且随着军柴体积比的增加，调和油样诱导期也逐渐增大，说明其诱导期具有良好的区分性。由方差 分析表 4 可知，F=792.6204，Fcrit=3.47805，F＞＞Fcrit，表明不同体积比的油样之间在该方法下诱导期差异显著；Pvalue=1.84×10-12，α=0.05，Pvalue＜＜α。表明在置信度为95%时该结果可信。

氧化拐点区分性试验结果见表5。由表可知，车柴和军柴的氧化拐点时间相差较大，不同体积比的油样氧化拐点差异较大，而且随着军柴体积比的增加，氧化拐点也在逐渐增大，说明其氧化拐点区分性良好。根据不同体积比油样氧化拐点方差分析（见表 6），F=329.70，Fcrit=3.47，F＞＞Fcrit；Pvalue=1.84×10-12，α=0.05，Pvalue＜＜α，表明在置信度为 95%时该结果可信。该方法能够区分氧化安定性不同的柴油。

表5 氧化拐点区分性试验结果Tab.5 Differential test results during oxidation break point

表6 不同体积比的油样氧化拐点方差分析Tab.6 Variance analysis for Oxidation break point of oil samples with different volume ratio

根据对玉门车柴和齐鲁加氢裂化军柴2种油样的试验结果进行重复性和区分性考察，结果显示柴油油样的诱导期和氧化拐点均满足重复性要求。

6 结语

新型柴油氧化安定性评定仪器采用金属浴加热器进行试验过程的恒温，加热过程采用PID控制，可实现自由设定充氧压力，自动充放氧，自动试漏。试验过程中可实时检测压力，并绘制压力-时间曲线。通过对2种不同的柴油进行重复性和区分性考察，试验结果表明，该仪器具有检测过程方便快捷，检测速度较快，自动化程度高的特点，能够满足快速检测评定柴油氧化安定性的需要。

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