CN103487470A

CN103487470A - 用于润滑油种类识别的电阻抗频谱快速测量装置

Info

Publication number: CN103487470A
Application number: CN201310443310.6A
Authority: CN
Inventors: 温和; 孟卓; 戴慧芳; 金冉; 沈凤文; 滕召胜
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103487470B

Abstract

本发明公开了一种用于润滑油种类识别的电阻抗频谱测量装置，由主控单元、二电极/四电极转换电路、润滑油电极切换电路、继电器控制电路；其中主控单元包括低功耗单片机MSP430F5438、阻抗分析芯片AD5934、触摸液晶显示屏DW80480C050_02WT、USB串行通信口、复位及时钟系统、3.3V电源转换芯片NCP1117ST33；AD5934通过二/四电极转换电路外接四个电极，其中一对激励电极，一对测量电极，并使用片内DSP计算润滑油特性阻抗，单片机通过I2C接口获得特性阻抗数据，完成对润滑油阻抗的多频点测量和分析，解决润滑油频谱测量过程中分析周期长、费时的技术问题。

Description

用于润滑油种类识别的电阻抗频谱快速测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于润滑油种类识别的润滑油电阻抗频谱测量装置，具体地说，涉及一种柴油机油、汽油机油和通用内燃机油电阻抗频谱快速测量的装置。

背景技术

润滑油是一类配方复杂、技术要求高、用量比较大的油品，它的主要作用是降低发动机以及其他零部件摩擦表面的摩擦与磨损。但是，润滑油的种类繁多，如汽油机油、柴油机油、齿轮机油和液压油等，每种类型的润滑油又有多种质量等级。随着科技的进步和装备的发展，在实际应用过程中，由于种种原因，常常会存在因种类或等级不清而带来一系列的问题，如损坏发动机或其他部件等。润滑油通常是润滑油生产厂商根据繁多的物化性质分析对润滑油的等级和种类进行评定，以规范的产品标记形式标注在包装物上。这些方法需要用到大量的仪器设备，并且分析周期长，显然不适合现场快速识别润滑油种类的需求。因此，润滑油的快速识别迫切需要一种有效的润滑油阻抗快速测量装置来解决。

蓝集明等在《计算机测量与控制》（文章编号为1671-4598（2012）02-0484-03）中提出“基于RBF神经网络的润滑油自动识别设计系统”，该系统通过提取油料密度、粘度、吸光度、电导率和介电常数等参数的特征向量，并通过一定的实现算法，用RBF神经网络对油料种类进行识别。但是，由于润滑油的理化性能指标类别繁多，不可能将其所有理化性能指标都提取出来，只能提取那些对润滑油种类相关性强的理化性能指标。所以，这无疑对鉴定结果的准确性有很大的影响。

电化学阻抗频谱近年来广泛应用于润滑油产品分析中，其中一个重要的用途就是用于润滑油种类的识别。它是基于不同的润滑油由于主要组成成分和结构不同，具有差异较大的电化学阻抗，从而导致结构与组成成分不同的润滑油具有特征的电化学阻抗频谱的理论基础。EIS是一种频域测量技术，可以测得频率范围很宽的阻抗频谱，在较宽频率范围获得的电化学阻抗频谱能够有效的表征一种润滑油的种类，从而建立一种全新的润滑油种类识别方法。为此，研发一种独立、小巧、高效的润滑油阻抗快速测量装置对当今润滑油快速现场识别领域具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于润滑油种类识别的润滑油电阻抗频谱快速测量装置，实现润滑油的阻抗频谱快速测量，解决润滑油频谱测量过程中分析周期长、费时的技术问题。

本发明所采取的技术方案是，一种用于润滑油种类识别的润滑油电阻抗频谱测量装置，包括主控单元、二电极/四电极转换电路、润滑油电极切换电路、继电器控制电路，其中主控单元包括低功耗单片机MSP430F5438、阻抗分析芯片AD5934、触摸液晶显示屏DW80480C050_02WT、USB串行通信口、复位及时钟系统、3.3V电源转换芯片NCP1117ST33；单片机MSP430F5438经I2C连接阻抗分析芯片AD5934，AD5934通过二/四电极转换电路外接四个电极，其中一对激励电极，一对测量电极，实现了基于四电极法原理测量阻抗信息，并使用片内DSP计算润滑油特性阻抗，单片机通过I2C接口获得特性阻抗数据，经过分析后送液晶显示，完成对润滑油阻抗的多频点测量和分析。

所述的主控单元中，单片机MSP430F5438分别与复位及时钟系统、触摸液晶显示屏DW80480C050_02WT、电源转换芯片NCP1117ST33、继电器控制电路相连，电源转换芯片和继电器控制电路之间设置有5V的电源；电源转换芯片将电压由5V转换为3.3V后给整个装置进行供电。电源转换芯片有较小的失稳电压，从而最大限度的提高阻抗分析芯片的测量精度。

所述的二电极/四电极转换电路将阻抗分析芯片AD5934由二电极法测量扩展为四电极法测量，其中2个为激励电极，2个为测量电极；二电极/四电极转换电路采用OPA2734芯片和INA155芯片将阻抗分析芯片AD5934所发出的激励电压信号转换为交流恒流源信号，发送到2个激励电极；采用仪表放大器INA155将2个测量电极上的阻抗压降信号放大，送至后端作AD转换处理。

所述的润滑油电极切换电路中，设计了4对电极，每一对电极都分别被固定在两个绝缘杆上，且被固定在不同的高度，以达到测量不同深度润滑油阻抗的目的，从而尽可能减小因深度不同、浓度不同而造成的测量误差；阻抗分析芯片AD5934外接的四个电极构成六个润滑油电阻抗频谱测量回路，通过继电器来顺序切换6个测量回路；润滑油电极切换电路采用6个双刀双掷继电器，用来对4对电极A、B、C、D两两之间所构成的6个测量回路进行切换，每个测量回路均可通过继电器开关使两对电极所对应的四个电极与二/四电极转换电路的2个激励电极和2个测量电极相连，从而实现了四电极法测量。

所述的继电器控制电路采用芯片ULN2803A驱动润滑油电极切换电路所需的6个继电器，使6个测量回路轮流工作。

所述的基于四电极法原理测量阻抗信息，是使用AD5934的片内DSP计算润滑油的阻抗，然后通过I2C接口将获得润滑油电阻抗数据送至MSP430F5438，MSP430F5438经过处理将润滑油电阻抗频谱结果送液晶显示屏DW80480C050_02WT显示。

本发明的有益效果是，通过对润滑油电阻抗的测量，来获得润滑油种类识别所需的电阻抗频谱数据，不同于现有的通过提取润滑油主要理化性能指标来识别润滑油种类的方法，克服了现有润滑油识别方法因设备复杂、分析时间长而导致实用性受限制的缺点。同时该测量装置还具有成本低廉、安全无创、简单方便、便于携带等优点，能够作为润滑油种类识别的重要工具，应用前景广阔。

附图说明

图1 是本发明装置的结构框图；

图2 是本发明润滑油电阻抗的四电极法测量示意图；

图3 是本发明装置中的电极转换预处理电路图；

图4 是本发明的润滑油电极切换电路；

图5是本发明方法四对测量电极两两之间构成的六个测量回路示意图；

图6是本发明装置中的继电器驱动电路图；

图7是本发明装置的系统工作流程图；

图8是本发明方法对不同润滑油阻抗测量的结果显示图。

图1中，1.单片机，2.复位及时钟系统，3.USB串口，4.触摸液晶显示屏，5.阻抗分析芯片，6.电源转换芯片，7.电源，8.继电器控制电路，9.电极转换预处理电路，10.润滑油电极切换电路，11.绝缘杆。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明用于润滑油种类识别的电阻抗频谱快速测量装置结构如图1所示。

如图1所示，单片机1分别与复位及时钟系统2、触摸液晶显示屏4、阻抗分析芯片5、电源转换芯片6、继电器控制电路8连接，电源转换芯片6、继电器控制电路8之间设置有5V的电源7；阻抗分析芯片5与电极转换预处理电路9连接，电极转换预处理电路9和继电器控制电路8分别与电极切换电路10连接，电极切换电路10与润滑油中的四对电极A、B、C、D相连，四对电极A、B、C、D被分别固定在绝缘杆11上。

单片机1（型号MSP430F5438）、复位及时钟系统2、USB串口3（串行通信接口）、触摸液晶显示屏4（型号为DW80480C050_02WT）、阻抗分析芯片5（型号为AD5934）、3.3V的电源转换芯片6（型号为NCP1117ST33）构成主控单元。本发明的电源转换芯片6（型号为NCP1117ST33）用于将外接的电源7由5V转换为3.3V，且有较小的失稳电压，从而最大限度的提高阻抗分析芯片5的测量精度。

如图2所示，为润滑油电阻抗的四电极法测量原理。由于阻抗分析芯片5本身只提供二电极法测量，即从Vout引脚输出激励信号，从Vin引脚接收响应信号。但是，润滑油电阻抗测量更适合用四电极法测量以克服因不同深度而导致的浓度不同对阻抗测量的影响。为此，本发明采用基于OPA2734芯片和INA155芯片的电极转换预处理电路，使测量前端实现了四电极法测量，即采用一对激励电极提供激励电流，另一对测量电极来获取通过不同深度润滑油的激励电流的压降。

如图3所示，为本发明基于OPA2734芯片和INA155芯片的电极转换预处理电路9的结构图。阻抗分析芯片5的输出端Vout通过R1连接到OPA2734（U2A）的反相端，反相端通过R2、C1的并联接到OPA2734（U2A）的输出端，OPA2734（U2A）的输出端接100欧姆电阻之后，经R4反馈接到OPA2734（U2A）的同相端，同相端通过R3接到电源电压上，OPA2734（U2A）的输出端通过100欧姆电阻接到OPA2734（U2B）的反相端，分别从OPA2734（U2B）的反相输入端和输出端引出两个电极作为激励电极Ex、Ey，OPA2734（U2B）的同相输入端经R6和R7分压得到VDD电压的1/2；润滑油的响应信号通过测量电极Hv、Lv分别接到仪表放大器INA155的Vin-和Vin+，通过放大将输出信号送到阻抗分析芯片5的Vin端口。图中所有的运放器件均为单电源3.3V工作。电极转换预处理电路采用两个OPA2734（U2A、U2B）实现，它将阻抗分析芯片5发出的激励电压信号Vout转换为交流的恒流信号Vin，其中一个运放OPA2734（U2B）将恒流源信号的电平抬升了VDD/2，转换后的多频率恒流源信号经过润滑油，测量电极所测得的在润滑油中产生的电压差通过仪表放大器INA155，送至阻抗测量芯片进行模数转换。

如图4所示，本发明的电极切换电路包括4对电极（即EA1-EA2、EB1-EB2、EC1-EC2、ED1-ED2），每一对电极都分别固定在两根绝缘杆上。电极切换电路的电路连接关系是，与EA1-EA2、EB1-EB2、EC1-EC2相连的三个继电器K1-K3的输出端分别与Ex、Rex连接；与EB1-EB2、EC1-EC2、ED1-ED2相连接的三个继电器K4-K6的输出端分别与Ey、Rey连接。六个继电器均采用双刀双掷继电器，用来对A、B、C、D四对电极两两之间所构成的6个测量回路进行切换，每个测量回路均可通过继电器双刀双掷开关使两对电极所对应的四个电极与电极转换预处理电路的Ex、Rey、Ey、Rex相连，从而实现了四电极法测量。

如图5所示，为四对电极A、B、C、D两两之间所构成的6个测量回路，由于阻抗测量芯片AD9534自身具有扫频功能，所以每个测量回路测量一次可获得从低频到高频若干个频率点的润滑油电阻抗数据。为了依次对这6个回路进行测量，必须轮流切换6个继电器的开合，使润滑油中任意两对电极所对应的4个电极分别与电极转换预处理电路中的Ex、Rey、Ey、Rex相连，实现四电极测量。

A、B、C、D两两之间所构成的6个测量回路依次导通时，6个继电器的切换方法如下所示：

（1）A-B测量回路：A电极为激励，B电极为响应，继电器K1、K4闭合，继电器K2、K3、K5、K6断开；

（2）A-C测量回路：A电极为激励，C电极为响应，继电器K1、K5闭合，继电器K2、K3、K4、K6断开；

（3）A-D测量回路：A电极为激励，D电极为响应，继电器K1、K6闭合，继电器K2、K3、K4、K5断开；

（4）B-C测量回路：B电极为激励，C电极为响应，继电器K2、K5闭合，继电器K1、K3、K4、K6断开；

（5）B-D测量回路：B电极为激励，D电极为响应，继电器K2、K6闭合，继电器K1、K3、K4、K5断开；

（6）C-D测量回路：C电极为激励，D电极为响应，继电器K3、K6闭合，继电器K1、K2、K4、K5断开；

如图6所示，为电极切换电路的继电器驱动电路的结构，通过芯片ULN2803（U3、U4）分别驱动手掌电极切换电路中的6个继电器。两个ULN2803的输入端与单片机1的6个I/O串口P1.0-P1.5分别连接，两个ULN2803的6个输出端分别与6个继电器连接，因此，单片机1的每个I/O串口可以单独控制一个继电器的通断。

如图7所示，为本发明装置的系统工作流程图。系统启动之后，进行初始化，通过编程来设定初始频率、扫描点数和频率增量等测量参数，然后通过单片机1将参数命令写入阻抗分析芯片5的相应寄存器内，阻抗分析芯片5根据设定进行相应的阻抗测量，测量结果经过单片机1分析计算，最后通过I/O接口送触摸液晶屏进行显示。

如图8所示，为本发明对不同种类润滑油的阻抗测量随频率变化的曲线，实验中频率变化范围是100kHz—900kHz，分别对两种润滑油的回路阻抗进行的测量。实验得出数据可得，不同种类的润滑油的阻抗频谱数据差异明显。本发明为今后的润滑油种类识别提供了可靠的测量装置和测量方法。

本发明用于润滑油种类识别的润滑油电阻抗频谱测量装置及其测量方法，采用了高集成度的阻抗分析芯片5，并使用信号放大电路和基于OPA2734芯片和INA155芯片的电极转换预处理电路，进行压流转换，采用四电极法进行阻抗测量，测量精度高于阻抗分析芯片5常规应用中的二电极法。集成阻抗分析芯片和相关的调理电路的应用不仅使设备的成本得到了有效的控制，而且在测试结果的精度上有很大的提高。电池供电使得本发明装置具备体积小、不需要外接电源，容易便携等优点。在小型化、便携式润滑油种类识别仪器的设计上提供了一种新的思路和广阔的应用前景。

Claims

1.用于润滑油种类识别的电阻抗频谱测量装置，其特征包括主控单元、二电极/四电极转换电路、润滑油电极切换电路、继电器控制电路，其中主控单元包括低功耗单片机MSP430F5438、阻抗分析芯片AD5934、触摸液晶显示屏DW80480C050_02WT、USB串行通信口、复位及时钟系统、3.3V电源转换芯片NCP1117ST33；单片机MSP430F5438经I2C连接阻抗分析芯片AD5934，AD5934通过二/四电极转换电路外接四个电极，其中一对激励电极，一对测量电极，实现了基于四电极法原理测量阻抗信息，并使用片内DSP计算润滑油特性阻抗，单片机通过I2C接口获得特性阻抗数据，经过分析后送液晶显示，完成对润滑油阻抗的多频点测量和分析。

2.根据权利要求1所述的用于润滑油种类识别的电阻抗频谱测量装置，其特征是，所述的二电极/四电极转换电路将阻抗分析芯片AD5934由二电极法测量扩展为四电极法测量，其中2个为激励电极，2个为测量电极；二电极/四电极转换电路采用OPA2734芯片和INA155芯片将阻抗分析芯片AD5934所发出的激励电压信号转换为交流恒流源信号，发送到2个激励电极；采用仪表放大器INA155将2个测量电极上的阻抗压降信号放大，送至后端作AD转换处理。

3.根据权利要求1所述的用于润滑油种类识别的电阻抗频谱测量装置，其特征是，所述的润滑油电极切换电路中，设计了4对电极，每一对电极都分别被固定在两个绝缘杆上，且被固定在不同的高度，以达到测量不同深度润滑油阻抗的目的，从而尽可能减小因深度不同、浓度不同而造成的测量误差；阻抗分析芯片AD5934外接的四个电极构成六个润滑油电阻抗频谱测量回路，通过继电器来顺序切换6个测量回路；润滑油电极切换电路采用6个双刀双掷继电器，用来对4对电极A、B、C、D两两之间所构成的6个测量回路进行切换，每个测量回路均可通过继电器开关使两对电极所对应的四个电极与二/四电极转换电路的2个激励电极和2个测量电极相连，从而实现了四电极法测量。

4.根据权利要求1所述的用于润滑油种类识别的电阻抗频谱测量装置，其特征是，所述的继电器控制电路采用芯片ULN2803A驱动润滑油电极切换电路所需的6个继电器，使6个测量回路轮流工作。