自動(dòng)潤(rùn)滑油氧化安定性試驗(yàn)器的研究
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揚(yáng)小峰1 羅爭(zhēng)光2 顧 怡3
（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，上海200093；中科院研究生院軟件學(xué)院2，北京100190；東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3，上海201620）
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)油浴恒溫清洗不便、油浴體積大、熱容較大、能耗高等特點(diǎn)，研究了新型自動(dòng)潤(rùn)滑油氧化安定性試驗(yàn)器。采用金屬浴進(jìn)行加熱，使用磁力傳動(dòng)代替機(jī)械傳動(dòng)，降低了試驗(yàn)過(guò)程中的噪聲。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)和彩色觸摸屏進(jìn)行控制，對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)不同油品的多次測(cè)試，驗(yàn)證了該儀器良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性，具備一定的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑油氧化安定性分析儀器壓力傳感器單片機(jī)人機(jī)界面電路設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TH89；TP273 DOI：10.16086/j．cnki. issnl000 - 0380. 201604024
0引言
潤(rùn)滑油氧化安定性是潤(rùn)滑油產(chǎn)品抵抗大氣或氧氣的作用且保持其性質(zhì)不發(fā)生永久變化的能力，是潤(rùn)滑油出廠最重要的性能指標(biāo)之一。旋轉(zhuǎn)氧彈法通過(guò)模擬潤(rùn)滑油在高溫、高壓、氧氣充足等加速氧化的條件下的氧化過(guò)程，判斷樣品的抗氧化能力。
傳統(tǒng)潤(rùn)滑油氧化安定性試驗(yàn)器（旋轉(zhuǎn)氧彈法），在恒溫浴方面采用大量硅油作為恒溫介質(zhì)，不但價(jià)格昂貴，而且環(huán)保性能差；在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方面，傳統(tǒng)儀器接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需浸沒(méi)在油浴中，不但運(yùn)行過(guò)程中噪聲大，而且有受熱膨脹后易卡死等缺陷。所以，研究全新的自動(dòng)潤(rùn)滑油氧化安定性試驗(yàn)器很有必要。
1儀器設(shè)計(jì)方案
自動(dòng)潤(rùn)滑油氧化安全性試驗(yàn)器的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬浴外面包裹加熱帶進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程的恒溫，加熱至恒溫點(diǎn)速度快，控制容易，且控溫精度高。在傳動(dòng)方面，由主動(dòng)磁力座帶動(dòng)被動(dòng)磁力套件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)安靜運(yùn)轉(zhuǎn)。儀器采用單片機(jī)和8英寸（1英寸：25.4 mm)彩色液晶觸摸屏進(jìn)行控制，節(jié)約成本且能很好地實(shí)現(xiàn)所需功能。
控制系統(tǒng)的研究包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度和壓力的采集與控制，充氧和放氧電磁閥控制，電機(jī)和打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)等模塊。軟件設(shè)計(jì)方面做到人機(jī)界面大方美觀，操作簡(jiǎn)便；自動(dòng)恒溫、自動(dòng)判斷泄漏、自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示曲線、自動(dòng)判斷試驗(yàn)拐點(diǎn)和自動(dòng)結(jié)束試驗(yàn)；RS - 232通信實(shí)現(xiàn)LIMS功能。一般含抗氧劑的油樣氧化時(shí)間都在1 000 min(16 h)以上，所以儀器使用雙金屬浴裝置，且單獨(dú)控制，一次試驗(yàn)即能驗(yàn)證油樣的重復(fù)性，極大地節(jié)約了時(shí)間成本。
2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理
2.1 主控板及電源設(shè)計(jì)
主控板電路原理如圖2所示，主要涉及與彩色觸摸屏和溫控儀通信，以及與驅(qū)動(dòng)板相連的I/O接口。單片機(jī)( MCU)通過(guò)MAX3232ESE芯片，與彩色觸摸屏之間建立RS - 232通信，負(fù)責(zé)顯示圖片、文字、曲線和坐標(biāo)傳遞等。MCU與溫控儀之間通過(guò)ADM2582E芯片連接，采用RS - 485通信，主要用于設(shè)置溫控儀PID參數(shù)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)溫控儀，實(shí)時(shí)讀取溫度值和實(shí)驗(yàn)；結(jié)束時(shí)，關(guān)閉溫控儀控溫。在打印方面，采用熱敏打印機(jī)，通過(guò)74LVC4245A電平轉(zhuǎn)換芯片與MCU相連，接口形式為并口TTL電平；在試驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)方面，與EEPROM之間采用I2C通信。之所以將主控板與驅(qū)動(dòng)板分開(kāi)設(shè)計(jì)，是為了讓主控板成為通用板，其他儀器根據(jù)功能的不同，只設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板即可。
整個(gè)控制電路電源包含3.3 V、5V和12 V這3種電源，5V和12 V電源由開(kāi)關(guān)電源直接給出，3.3 V由電源轉(zhuǎn)換芯片得出。數(shù)字地和模擬地之間采用片式鐵氧體普通磁珠連接，可抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。
2.2驅(qū)動(dòng)板電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)板電路原理如圖3所示，主要包括壓力采集，以及電機(jī)、電磁閥和冷卻風(fēng)扇等的控制。在壓力采集電路方面，因被測(cè)試氣體經(jīng)氣壓傳感器得到的電信號(hào)幅度很小，無(wú)法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以必須對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大處理。氣壓傳感器采用MEAS公司的US300系列壓力傳感器，該傳感器輸出4~20 m A電流信號(hào)，壓力范圍為0～16 Bar，穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高。電磁閥和風(fēng)扇的控制采用DC - AC的固態(tài)繼電器，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接由I/O接口控制。對(duì)于電機(jī)的控制，因儀器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都需要旋轉(zhuǎn)，為了減輕MCU的負(fù)擔(dān)，采用配套電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與I/O接口的連接主要涉及MCU監(jiān)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速和報(bào)警信號(hào)，以及發(fā)送使能和啟停信號(hào)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上對(duì)應(yīng)的電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析
后臺(tái)程序框圖如圖4所示。其主要包括MCU引腳、定時(shí)器、觸摸屏和A/D轉(zhuǎn)換等幾個(gè)方面的初始化，以及主循環(huán)部分，包括電磁閥狀態(tài)判斷、自動(dòng)充放氧功能、溫控儀通信、溫度與壓力曲線處理、溫度與壓力實(shí)時(shí)顯示和試驗(yàn)結(jié)果處理。自動(dòng)充放氧功能：先讀取溫控儀中金屬浴的溫度，然后控制電磁閥的通斷調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的對(duì)應(yīng)溫度下的氧氣壓力，相比手動(dòng)儀器，極大地提高了初始?jí)毫Φ臏?zhǔn)確性和效率。溫度與壓力的處理與顯示：MCU與AD芯片之間采用SPI通信方式，實(shí)時(shí)讀取壓力值，與溫度值一起向觸摸屏發(fā)送指令，顯示溫度與壓力曲線。試驗(yàn)結(jié)果處理：MCU與EEPROM之間采用I2C通信，存取每條試驗(yàn)結(jié)果，并可以按照熱敏打印機(jī)的時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)打印結(jié)果。
前臺(tái)程序主要包括5個(gè)定時(shí)器中斷和2個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）中斷。5個(gè)定時(shí)器中斷的作用分別為溫控儀RS -485通信發(fā)送數(shù)據(jù)、觸摸屏RS - 232通信發(fā)送數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)試驗(yàn)狀態(tài)和曲線顯示、LIMS發(fā)送數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速（儀器調(diào)試時(shí)使用）。2個(gè)UART中斷的作用為溫控儀RS - 485通信接收數(shù)據(jù)處理和觸摸屏RS - 232通信接收數(shù)據(jù)處理。
人機(jī)交互界面示意圖如圖5所示。
①號(hào)區(qū)域?yàn)楣δ馨存I區(qū)，通過(guò)點(diǎn)擊區(qū)域中6個(gè)按鍵，分別觸發(fā)儀器的6個(gè)功能模塊：儀器設(shè)置、試驗(yàn)程序、儀器調(diào)試、壓力校正、溫度校正和結(jié)果查詢。儀器設(shè)置：可以設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間，根據(jù)不同的油品選擇不同的控制溫度點(diǎn)。試驗(yàn)程序：可以輸入油樣編號(hào)，開(kāi)始一個(gè)新的試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程全自動(dòng)完成，實(shí)時(shí)刷新壓力、溫度曲線，并保存試驗(yàn)結(jié)果。儀器調(diào)試：在未試驗(yàn)狀態(tài)下，可以調(diào)試電機(jī)、風(fēng)扇和電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)充放氧功能，以及系統(tǒng)測(cè)漏功能。壓力校正：儀器使用3個(gè)月左右，需使用配套的精密壓力表對(duì)壓力傳感器重新標(biāo)定和校正，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度校正：可以分別校正左右彈體的溫度。結(jié)果查詢：能瀏覽或刪除歷史記錄結(jié)果，還可以選擇打印功能，以及使用LIMS上傳數(shù)據(jù)。
③號(hào)區(qū)域?yàn)楣r顯示區(qū)，用于顯示儀器的實(shí)時(shí)工況。工況內(nèi)容包括左／右彈壓力、左／右彈溫度、充／放氧電磁閥狀態(tài)。
4結(jié)束語(yǔ)
自動(dòng)潤(rùn)滑油氧化安定性試驗(yàn)器，是集單片機(jī)處理、無(wú)接觸傳動(dòng)、自動(dòng)控制、傳感器測(cè)控、通信系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)。儀器具備手動(dòng)／自動(dòng)充放氧氣、試驗(yàn)結(jié)果查詢／打印、歷史／實(shí)時(shí)試驗(yàn)曲線顯示、全自動(dòng)試驗(yàn)判斷等功能，符合ASTM2272標(biāo)準(zhǔn)，控溫精度為土0.1 K。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，儀器的硬件和軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性均符合標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。儀器的成功研制，打破了國(guó)外同類儀器的壟斷地位，在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。
