CN108613899B - 一种应变式自适应油品粘度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应变式自适应油品粘度测量装置及方法，装置包括油品预处理部分、测量部分、信号处理及控制部分，油品预处理部分和测量部分连接，信号处理及控制部分分别和油品预处理部分、测量部分连接；油品预处理部分包括泵、减压阀、冷却系统、加热器、流道、导热油、加热箱体、搅拌风扇、小测试箱体；测量部分包括温度传感器、电阻应变式传感器、压力传感器、流量计；信号处理及控制部分为嵌入式开发板；该装置结构简单、性能优异、符合在线测量和离线取样测量要求，同时将全域粘度分成干等级并对应不同的流速挡位，在使用过程根据测量粘度自适应进行调整，从而精确获取油品的实时粘度。
Description
技术领域
本发明涉及流体粘度测量领域，尤其涉及一种应变式自适应油品粘度测量装置及方法。
背景技术
粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。粘度大表现内摩擦力大，分子量越大，碳氢结合越多，这种力量也越大。随着使用时间的增长，油品粘度会逐渐发生变化。粘度变高的原因主要有：不溶物，冷却剂、水，氧化，油品加错或混掺，输送过程污染等。而机油粘度过高将导致油品流动阻力增加，散热速度变慢，设备运行性能变坏。因此获取油品粘度对于有效评价油品使用性能、质量鉴别和确定用途，及各种燃料用油的燃烧性能及用度具有重要的意义，尤其是在线获取油品粘度，这对于润滑对象的维护、摩擦故障的分析会提供更为直观的数据依据。
目前测量油品粘度的方法有毛细管法、落球法、旋转剪切法及振动法等多种方法。1839年Hagen依据测量得到的油品在重力的的作用下通过毛细管的时间研制了第一套毛细管粘度计从而获取油品的运动粘度。落球法与毛细管法的动力源一致，依靠重力，不同的是，落球法是测量的小球在油品中运动的时间，且要求测量油品透明才能获取小球在油品之中的速度。随后这两种方法都成为了离线测量油品粘度的主要方法。旋转剪切法基于油品粘性阻力对运动部件的作用制造而成，是测量牛顿流体与非牛顿流体的最广泛方法，也是在线测量粘度的主要方式之一。当前市场已有较多的基于旋转剪切法的产品，如美国布鲁克菲尔德实验室公司出品、日本产的B型粘度计、丹麦的米拉旋转粘度计、瑞士的埃普雷克特流变仪、英国的费伦特-雪莉锥形平板粘度计以及我国的NDJ系列等等，诸如此类粘度计都有一个共同的缺点，结构较为复杂，所需获取的参数较多，且装置的使用寿命受限于装置中的弹性连接部件。随着科技的进步，其他各类用于测量油品粘度的新技术相继涌现，如振动法、电磁感应法、光电感应法、声波法等等，而这些技术的共同点则是结构非常复杂，而且制造成本昂贵。
发明内容
针对现代工业对油品使用寿命数字化的需求，本发明提供一种应变式自适应粘度测量装置及方法，该装置结构简单、性能优异，同时将全域粘度分成干等级并对应不同的流速档位，在使用过程根据测量粘度自适应进行调整，从而精确获取油品的实时粘度，为有效评价油品使用性能、质量鉴别和用途确定，为各种燃料用油的燃烧性能、用度及润滑对象的维护、摩擦故障的分析提供更为直观的数据依据。
本发明的目的在于提供一种应变式自适应油品粘度测量装置，包括油品预处理部分1、测量部分2、信号处理及控制部分3，油品预处理部分1和测量部分2连接，信号处理及控制部分3分别和油品预处理部分1、测量部分2连接；
油品预处理部分1包括泵4、减压阀6、冷却系统7、加热器8、流道9、导热油11、加热箱体12、搅拌风扇13、小测试箱体15；
测量部分2包括温度传感器10、电阻应变式传感器16、压力传感器18、流量计19；
泵4的一端与油品引出管路相连，另一端通过油品入口5与流道9的一端连接，油品入口5处设有减压阀6，流道9内设有流量计19，流道9穿过冷却系统7后进入加热箱体12，加热箱体12内部且流道9外部充装导热油11，导热油11内部设置加热器8、温度传感器10、搅拌风扇13，流道9中部设置小测试箱体15，压力传感器18设置在小测试箱体15内部，小测试箱体15入口处设有电阻应变式传感器16，电阻应变式传感器16的上缘与流道9的中心线平齐，流道9另一端设置油品出口14，信号处理及控制部分3与减压阀6、加热器8、温度传感器10、搅拌风扇13、电阻应变式传感器16、压力传感器18、流量计19连接。
所述电阻应变式传感器16通过支撑杆17固定设置在小测试箱体15入口处，支撑杆17通过焊接、螺纹连接或粘接固定在小测试箱体15内壁。
所述支撑杆17为铝合金杆。
所述冷却系统7为板式换热器或压缩式制冷机。
所述信号处理及控制部分3为具有以内核芯片为中央处理器的嵌入式开发板，包括嵌入式AMR开发板等。
所述加热器8是将若干电阻加热棒固定在一片开孔钢板上得到。
本发明还提供一种应变式自适应油品粘度测量方法，油品经泵4和减压阀6后从油品入口5进入流道9，通过泵4和减压阀6调节流速档位，先调节流速为高档流速，根据GB/T3141-1994《工业液体润滑剂ISO粘度分类》中对油品的要求，经冷却系统7对油品进行预处理降温至40℃以下，降温后的油品流入加热箱体12，充分换热后油品温度达到40～150℃，油品到达小测试箱体15，冲击到固定于小测试箱体15内的支撑杆17上的电阻应变式传感器16上缘，电阻应变式传感器16将变化反馈给信号处理及控制部分3，如果电阻应变式传感器16反映的电信号显示超出电阻应变式传感器16的检测范围，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至中档流速，如果电阻应变式传感器16的电信号反映仍然超出检测范围，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至低档流速，至信号处理及控制部分3接收到的电阻应变式传感器16反映的电信号显示在电阻应变式传感器16的检测范围内，根据信号处理及控制部分3内预设的数据库得到油品粘度。
所述测量过程中压力传感器18检测到的压力值小于等于5kPa，若高于5kPa表明装置出现故障，信号处理及控制部分3启动关机程序，关闭泵4、阀门6、冷却系统7、加热器8、搅拌风扇13等。
所述电阻应变式传感器16的检测范围为其量程的1/3～2/3。
所述流速档位设定三档，高档流速为0.1m/s，中档流速为0.05m/s，低档流速为0.02m/s。在测量过程当中，泵4和减压阀6调控流速，电阻应变式传感器16反映的电信号显示不在电阻应变式传感器16的检测范围内，信号处理及控制部分3自适应调节流速；冷却系统7调控流体的温度，当流体温度低于40℃时，停止启动冷却系统7，当高于40℃时，启动冷却系统7并迅速降温；加热箱体12调控测量环境的温度，其中加热箱体12内的加热器8提供热量，加热箱体12内的搅拌风扇13使得环境温度场迅速达到平衡状态，检测环境温度可控；压力传感器18的数据用以验证整个装置是否正常运行。
所述信号处理及控制部分3内预设的数据库的建立，基于上述应变式自适应油品粘度测量装置，选择已知粘度的流体在该装置中进行测量，经过多次测量得出不同温度下的电阻应变式传感器的反馈的电信号-粘度曲线，将曲线导入信号处理及控制部分3备用。
测量原理如下：
如图1所示，流体的黏度是由于相邻层间以不同速度流动时产生的摩擦造成的，管中心处阻力最小，液层流动速度最大；管壁附近液层同时受到液体黏性阻力和管壁摩擦力作用，速度最小，在管壁上液层的移动速度为零(假定在不产生滑移时)。
在一般的平行流动中，如直管，剪切应力正比于速度梯度，当管道中心速度保持不变时，剪切应力只与粘度有关系。
其中，τ：剪切力，μ：粘度，u：为中心处的流速，速度在y方向的变化梯度，F：宏观压力，R：中心到管内壁的距离，A：平均剪切力作用的宏观面积。
既往的粘度测量，通常需要测出速度梯度和剪切力，此处则只用保持速度u不变，且固定流道的结构参数也是确定的，因此宏观的受力F与粘度之间就呈现一一对应的关系。
当保持某一固定流速u，通入不同粘度的待测液体时，因粘度的改变，其剪切力同样会发生改变，且随粘度呈现线性变换关系，该剪切力积分到某一面积上形成宏观粘滞力压强p时，可通过电阻应变片感知微弱的力信号，产生微弱应变变形，从而引起电阻的细微变化，继而产生不同的外界电信号输出，对这个信号进行去干扰和放大处理并采集这个电信号，将其变为标准电信号传送到计算机，根据粘度变化与电信号的理论和实验修正关系，反推电信号对应的粘度值，通过计算机写入该对应关系，从而可以直接读出对应的粘度值。
本发明的有益效果：
(1)可实现基于应变效应的在线油品粘度或离线取样的准确可靠测量，且粘温特性的测量更加快速，测量仪的恒温环境装置更加紧凑，方便携带。
(2)监测(测量)过程采用智能自调节工作模式，大大降低了人为操作的干预。
(3)具备自我保障机制，提高了装置的使用寿命。
(4)装在发动机润滑与密封系统的回油口管路上，可获取实时在线数据，为润滑对象的维护、摩擦故障的分析提供更为直观的数据依据，弥补了以往其它测量方法的不足。
附图说明
图1为本发明的测量理论原理图；
图2本发明实施例1的结构示意图；
图3本发明实施例1的结构示意图；
图4本发明实施例1小测试箱体处的放大图；
图中，1-油品预处理部分，2-测量部分，3-信号处理及控制部分，4-泵，5-油品入口，6-减压阀，7-冷却系统，8-加热器，9-流道，10-温度传感器，11-导热油，12-加热箱体，13-搅拌风扇，14-油品出口，15-小测试箱体，16-电阻应变式传感器，17-支撑杆，18-压力传感器，19-流量计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种应变式自适应油品粘度测量装置，如图2、3、4所示，包括油品预处理部分1、测量部分2、信号处理及控制部分3，油品预处理部分1和测量部分2连接，信号处理及控制部分3分别和油品预处理部分1、测量部分2连接；
油品预处理部分1包括泵4、减压阀6、冷却系统7、加热器8、流道9、导热油11、加热箱体12、搅拌风扇13、小测试箱体15；
测量部分2包括温度传感器10、电阻应变式传感器16、压力传感器18、流量计19；
泵4的一端与液体引出管路相连，另一端通过油品入口5与流道9的一端连接，油品入口5处设有减压阀6，流道9内设有流量计19，流道9穿过冷却系统7后进入加热箱体12，冷却系统7为板式换热器，加热箱体12内部且流道9外部充装导热油11，导热油11内部设置加热器8、温度传感器10、搅拌风扇13，流道9中部设置小测试箱体15，压力传感器18设置在小测试箱体15内部，小测试箱体15入口处设有电阻应变式传感器16，电阻应变式传感器16的上缘与流道9的中心线平齐，电阻应变式传感器16通过支撑杆17固定设置在小测试箱体15入口处，支撑杆17通过焊接固定在小测试箱体15内壁，支撑杆17为铝合金杆，流道9另一端设置油品出口14，信号处理及控制部分3与减压阀6、加热器8、温度传感器10、搅拌风扇13、电阻应变式传感器16、压力传感器18、流量计19连接，加热器8是将50个电阻加热棒固定在一片开孔钢板上得到，温度传感器10和压力传感器18为贴片式的压力传感器和贴片式的温度传感器，温度传感器10固定在支架上，支架再焊接在加热箱体12内壁，压力传感器18固定在支架上，支架再焊接在小测试箱体15内壁。
信号处理及控制部分3为具有以内核芯片为中央处理器的嵌入式开发板即嵌入式AMR开发板，型号为GX-AMR9-S3C2410-B；包括：命令输入端口、校准写入口、嵌入式ARM芯片、A/D转换、D/A转换、通讯接口、显示部分；命令输入端口、校准写入口、A/D转换、D/A转换、通讯接口、显示部分分别和嵌入式ARM芯片连接，其中，命令输入端口为可控信号输入端，校准写入口为可控信号在不同通讯协议下的规范校准，A/D转换、D/A转换为传感器信号在保证传输信号为数字信号条件下的转换，嵌入式ARM芯片为控制及信号处理中心，通讯接口进行对外信号传输可以为RS232通讯接口、RS485通讯接口或CAN通讯接口，显示部分为人机交互界面，信号处理及控制部分3还包括运行保障部，运行保障部包括通讯识别、指令错误识别、测量异常识别、错接识别、超范畴动作、断电保护、装置停止运行；其中通讯识别和错接识别连接；错接识别、指令错误识别、测量异常识别和超范畴动作连接；超范畴动作还和断电保护、装置停止运行连接，通讯识别是具备错接识别，目的在于通讯错接线时进行自我保护避免对芯片的烧毁；指令错误识别用于预存程序的保护，防止错误减压阀开度情况下流道内流速过大对电阻应变式传感器造成冲击从而损毁以及不合理的温度设置导致装置损毁；测量异常识别用于测量对象异常或者超出检测范围时的自我保护相应；超范畴动作主要有两个，1是断电保护，2是装置停止运行，断电保护主要对内置的芯片进行保护，装置停止运行主要对装置的内置部件进行保护，避免物理性损伤。
基于本实施例装置的应变式自适应油品粘度测量方法，油品经泵4和减压阀6后从油品入口5进入流道9，通过泵4和减压阀6调节流速档位，先调节流速为高档流速，根据GB/T3141-1994《工业液体润滑剂ISO粘度分类》中对油品温度的要求，经冷却系统7对油品进行预处理降温至40℃以下，降温后的油品流入加热箱体12，充分换热后油品温度达到40～150℃，油品到达小测试箱体15，冲击到固定于小测试箱体15内壁的支撑杆17上的电阻应变式传感器16上缘，电阻应变式传感器16将变化反馈给信号处理及控制部分3，如果电阻应变式传感器16反映的电信号显示超出电阻应变式传感器16的检测范围，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至中档流速，如果电阻应变式传感器16的电信号反映仍然超出检测范围，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至低档流速，至信号处理及控制部分3接收到的电阻应变式传感器16反映的电信号显示在电阻应变式传感器16的检测范围内。
信号处理及控制部分3内预设的数据库的建立，基于上述应变式自适应油品粘度测量装置，选择已知粘度的流体在该装置中进行测量，经过多次测量得出不同温度下的电阻应变式传感器16反馈的电信号-粘度曲线，将曲线导入信号处理及控制部分3备用。
电阻应变式传感器16反馈的电信号-粘度曲线被储存在信号处理及控制部分3，需要测定未知粘度的油品在40℃时的粘度，该流体经泵4和减压阀6的共同调节以0.1m/s的高档流速从油品入口5进入流道9，经冷却系统7对45℃的流体进行预处理降温至35℃；降温后的流体进入加热箱体12，流体在流道9里面流动，流量计19对流道9内流体流速进行检测，确定流体流速与流速档位对应，经过充分换热后流体温度达到40℃，流体到达小测试箱体15电阻应变式传感器16的位置，冲击到电阻应变式传感器16的上缘，电阻应变式传感器16得到流体流动使之造成的应变值，电阻应变式传感器16将变化反馈给信号处理及控制部分3，，如果电阻应变式传感器16反映的电信号显示超出电阻应变式传感器16的量程范围的2/3，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至中档流速0.05m/s，流量计19对流道9内流体流速进行检测，确定流体流速与流速档位对应，如果电阻应变式传感器16反映的电信号显示超出电阻应变式传感器16的量程范围的2/3，则信号处理及控制部分3调节泵4和减压阀6，降低油品在流道的流速至低档流速0.02m/s，流量计19对流道9内流体流速进行检测，确定流体流速与流速档位对应，此时信号处理及控制部分3接收到的电阻应变式传感器16反映的电信号显示在电阻应变式传感器16的量程的1/3～2/3范围以内，根据信号处理及控制部分3内预设的数据库得到油品粘度。
若调整到低档流速时，信号处理及控制部分3接收到的电阻应变式传感器16反映的电信号显示达不到电阻应变式传感器16的量程下限，则只要保证在电阻应变式传感器16的量程范围内，重新回到高一档流速测定该油品的粘度即可。
当需要测定不同温度如100℃或150℃的流体粘度时，温度传感器10将导热油11的实测温度反馈给信号处理及控制部分3，若温度没有达到需要的温度，则信号处理及控制部分3发出信号启动导热油11内部的加热器8和搅拌风扇13，加热器8对导热油11进行加热，搅拌风扇13是导热油11的温度更加均匀，当导热油11的温度达到设定温度时，信号处理及控制部分3关闭加热器8，不再进行加热，搅拌风扇13持续搅拌，流体进入流道9，测量设定温度下的粘度。
在使用过程中会存在各种操作和使用因素影响装置的使用寿命和测量结果的可靠性，当出现问题的时候信号处理及控制部分3的运行保障部发挥作用，测量过程中压力传感器18检测到的压力值小于等于5kPa，若高于5kPa表明装置出现故障，信号处理及控制部分3启动关机程序，关闭泵4、阀门6、冷却系统7、加热器8、搅拌风扇13等，保证结果的准确性，延长装置使用寿命。
Claims (7)
1.一种应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，包括油品预处理部分（1）、测量部分（2）、信号处理及控制部分（3），油品预处理部分（1）和测量部分（2）连接，信号处理及控制部分（3）分别和油品预处理部分（1）、测量部分（2）连接；
油品预处理部分（1）包括泵（4）、减压阀（6）、冷却系统（7）、加热器（8）、流道（9）、导热油（11）、加热箱体（12）、搅拌风扇（13）、小测试箱体（15）；
测量部分（2）包括温度传感器（10）、电阻应变式传感器（16）、压力传感器（18）、流量计（19）；
泵（4）的一端与油品引出管路相连，另一端通过油品入口（5）与流道（9）的一端连接，油品入口（5）处设有减压阀（6），流道（9）内设有流量计（19），流道（9）穿过冷却系统（7）后进入加热箱体（12），加热箱体（12）内部且流道（9）外部充装导热油（11），导热油（11）内部设置加热器（8）、温度传感器（10）、搅拌风扇（13），流道（9）中部设置小测试箱体（15），压力传感器（18）设置在小测试箱体（15）内部，小测试箱体（15）入口处设有电阻应变式传感器（16），电阻应变式传感器（16）的上缘与流道（9）的中心线平齐，流道（9）另一端设置油品出口（14），信号处理及控制部分（3）与减压阀（6）、加热器（8）、温度传感器（10）、搅拌风扇（13）、电阻应变式传感器（16）、压力传感器（18）、流量计（19）连接；
所述应变式自适应油品粘度测量装置的测量过程如下：
油品从油品入口（5）进入流道（9），通过泵（4）和减压阀（6）调节流速档位，先调节流速为高档流速，经冷却系统（7）对油品进行预处理降温至40℃以下，降温后的油品流入加热箱体（12），充分换热后油品温度达到40~150℃，油品到达小测试箱体（15），冲击到电阻应变式传感器（16）的上缘，电阻应变式传感器（16）将变化反馈给信号处理及控制部分（3），如果电阻应变式传感器（16）反映的电信号显示超出电阻应变式传感器（16）的检测范围，则信号处理及控制部分（3）调节泵（4）和减压阀（6），降低油品在流道的流速至下一档，直至信号处理及控制部分（3）接收到的电阻应变式传感器（16）反映的电信号显示在电阻应变式传感器（16）的检测范围内，根据信号处理及控制部分（3）内预设的数据库得到油品粘度；
测量过程中压力传感器（18）检测到的压力值小于等于5kPa，若高于5kPa表明装置出现故障，信号处理及控制部分（3）启动关机程序。
2.根据权利要求1所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述电阻应变式传感器（16）通过支撑杆（17）设置在小测试箱体（15）入口处，支撑杆（17）通过焊接、螺纹连接或粘接固定在小测试箱体（15）内壁。
3.根据权利要求2所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述支撑杆（17）为铝合金杆。
4.根据权利要求1所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述冷却系统（7）为板式换热器或压缩式制冷机。
5.根据权利要求1所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述信号处理及控制部分（3）为嵌入式开发板。
6.根据权利要求1所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述电阻应变式传感器（16）的检测范围为其量程的1/3~2/3。
7.根据权利要求1所述应变式自适应油品粘度测量装置，其特征在于，所述流速档位设定三档，高档流速为0.1m/s，中档流速为0.05m/s，低档流速为0.02m/s。
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