摘 要: 运动粘度是表征石油产品物理性能的一项重要指标，它表明产品在一定温度下的粘稠情况，单位是平方毫米每秒。介绍了一种以 avr 单片机为控制核心的智能石油产品运动粘度测定仪，该测定仪具有石油产品运动粘度的测定、显示即时信息、打印报告单、自动清洗等功能。详细的叙述了该石油运动粘度测定仪的原理、硬件组成及软件的设计。
0 引 言
运动粘度是石油产品的一项重要的物理指标。粘度是评价油品流动性能的指标，是油品特别是润滑油的重要质量标准，是工艺计算中不可缺少的物性参数［1］。某些石油产品的使用性能和油品的粘稠情况密切相关，所以石油产品出厂前，必须先测量它的运动粘度。目前国内运动粘度测量方法主要是人工手动测量，劳动量大，操作复杂，而且误差大，因此有必要设计一种智能石油产品运动粘度测定仪。
1 运动粘度的测量原理及方法
毛细试管粘度计测定液体运动粘度的原理是根据 Poiseuille 定律［2］，即:
式中: η—液体的运动粘度; r—毛细管半径; V—在时间 τ 内液体流出的体积; L—毛细管的长度; τ—液体流出 V 体积所用的时间; P1P2—流体单元所受的压力。
由于流体在试管中做层流流动，但是在试管两端不能完全做层流流动，还有径向流动，于是引入附加管长修正项 nr。由于在试管两端流体有动能损失，得出:
ρ—液体的密度; m—常数; 将式( 2) 改写为:
其中
针对某一种毛细管运动粘度计而言，其中 A、B 是仪器常数; 用两种运动粘度已知的液体进行测量其运动粘度，来确定 A、B 的值。当 A、B 的值确定后，通过记录液体通过的时间来计算出所测液体的运动粘度。
毛细试管法测定运动粘度: 毛细管粘度计机构如图 1 所示，粘度计的支管处接橡皮管，管身的管口插入承油品的烧杯中，通过连接支管处橡皮管的洗耳球将油品吸至下刻度线上部的扩张部分，不能出现气泡，取出粘度计，擦干粘度计壁，将粘度计垂直放置在水浴中［3］，用洗耳球将油品试样吸至上刻度线以上少许，设定好水浴的温度 t，加热水浴使水浴的温度恒定在 t 度( 误差小于 0． 1 度) ，恒温后使油品自由流下，观察液面当液面到上刻度线时开始计时，液面经过下刻度线时停止计时，重复测定 4 次，取 4 次的流动时间所得算数平均值作为平均流动时间。通过粘度计的常数 A、B 计算出所测试样的运动粘度值。
2 运动粘度测定仪的硬件组成
智能石油产品运动粘度测定仪采用逆流法测量，利用光敏传感器记录一定体积油品通过毛细管标定位置的时间，经分析、计算、得出该油品的运动粘度值。本智能石油运动粘度测定要实现温度的控制、液面检测、运动粘度的测量、显示即使信息、打印报告单、自动清洗等功能。本运动粘度测定仪采用模块化设计思想，测量、控制与管理等功能由各功能模块分工完成。主要包括主机控制模块、温度控制模块、液晶显示模块、液位检测模块、自动清洗模块、打印机模块以及其它接口模块。如图 2 所示。
根据运动粘度测定仪的功能需要，本系统的硬件结构如图 3 所示
主机模块: 系统的核心芯片采用 avr 单片机，avr 单片机采用 RISC 结构，具有 1MIPS/MHZ 的高速运行处理能力。由于 avr 单片机采用了 harvard 结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的。寻址空间分别为可直接访问 8MB 的程序存储器和 8MB 的数据存储器。主机模块主要完成接受信号、数据处理、计算及和其他模块的通信。
温度控制模块: 由恒温液槽、加热装置、搅拌器、PT100 温度传感器组成，恒温液槽是一个直径 250mm 高270mm 的透明玻璃缸。由于石油的运动粘度的测量需要恒温环境，所以要求系统必须严格控制水浴的恒温环境［4］。PT100 温度传感器的精度为 0． 1 度，由铂电阻 PT100 采集温度信号转为数字信号送给 avr 单片机，温度的设定值与测量值进行比较，经 PID 计算后，给加热装置相应的信号进行加热，实现温度控制。
液晶显示模块: 采用 SMG12864 液晶显示器，主要负责显示运动粘度测定仪的工作信息，包括: 初始化状态信息、设定温度、即使温度、采集的时间等。使操作人员清晰地观察运动粘度测定仪的工作状态。
液面检测模块: 负责采集液面流经毛细管的上下计时标线的时间，传送给 avr 单片机。液面检测模块由光纤探头及光导纤维组成。光线探头必须与毛细管的上下计时标线位置相符，否者将影响测量的精度。
打印模块: 接打印机，打印测量结果的报告单。
自动清洗系统: 当运动粘度测量完毕后，自动清洗毛细管，便于下次使用。
3 软件的设计
运动粘度测定仪系统的软件程序编写主要包括系统的初始化子程序、键盘子输入子程序、液晶显示子程序、温度设定子程序、加热 pid 运算子程序、液面检测中断子程序、数据运算子程序等。在系统通电后，自动启动初始化子程序，然后调用液晶显示程序，调用键盘程序来设定系统的参数，设定温度后，经 PID 控制温度，当温度达到设定值时注入所测油品，使油品在恒温水浴中保持 30 分钟，启动液面自动检测程序开始计时，采集时间后调用粘度计算程序，将计算结果显示在液晶屏上，最后打印报告单及调用自动清洗程序。系统采用 c 语言进行编写，降低了读程序的难度，提高设计和调试工作的效率。程序流程如图 4 所示。
4 结语
本文设计了一种以 avr 单片机为核心的石油运动粘度测定系统，实现了恒温控制、自动检测、计算粘度、自动清洗烘干、打印报告单等全过程的自动化。逆流法测试符合 GB/T11137-89 标准。本运动粘度测定仪的自动化程度高、操作简单、测量精度高。所以这种智能石油产品运动粘度测定仪必将有广阔的市场前景。
参考文献:
［1］ GB/T265-88，石油产品运动粘度测定法和动力粘度计算法［S］/ /石油和石油产品实验方法国家标准汇编( 上) ． 北京: 中国标准出版社，1988．
［2］ 王常诊． 冶金物理化学［M］． 北京: 冶金工业出版社，1992．
［3］ 于斌． 毛细管粘度计安装垂直度对检定的影响［J］． 计量与测量技术，2001( 1) : 19 －21．
［4］ 庞爱青． 如何减少毛细管粘度计检定中的影响因素［J］． 计量与测试技术，2007，34( 7) : 13 －14．
本文作者：任 龙，姜 涛
