一种在线油料电导率测量装置的研制

时间：2024-09-03

胡国星，徐大刚，荀其宁，拓锐，杨欣欣，张彬

(中国兵器工业集团第五三研究所，山东济南250031)

0 引言

油料在运输、存储和使用过程中，发生流动、喷射、过滤、冲挤、灌注和剧烈晃动等一系列接触、分离现象，使油料在储运过程中产生静电。当静电聚集到一定程度时，就可能因火花放电而发生火灾和爆炸事故。目前，大多在油料中添加防静电剂，增加油料的导电能力，及时将静电导出，以保证油料的安全性，因此，实时监测油料的电导率在油料安全性保障中十分重要［1］。现阶段，我国大多采用对油品采样后送实验室检测的方法，因其测量存在时间间隔、地域差异和环境变化，无法及时对油品质量监控，同时测量数据的可比性存在争议，因此一定程度上凸显了油品安全性测量的局限性。

1 装置功能介绍和主要技术指标

针对以上存在的问题，采用“分体设计，兼容对接”的设计思路，研制了一种在线油料电导率测量装置。该测量装置可测量轻质石油产品的电导率值，同时增加了测量被测油料温度、环境湿度和大气压力的功能，通过温度系数对各温度下的测量值进行修正，保证了油料安全特性数据测量的实时性和完整性，使得不同地域对同批次油料测量数据的可比性得以实现，提高了油料质量管理和溯源的科学性。

在线油料电导率测量装置设计的主要技术指标如下:

1)测量范围:0 ～1999 pS/m;

2)测量误差:±3%;

3)温度范围:-30 ～55 ℃;

4)大气压力:50 ～115 kPa;

5)显示方式:数字显示，三位半。

2 装置设计

2.1 总体设计

在线油料电导率测量装置主要分为显示控制模块，电导测量模块和环境监测模块三个部分。显示控制模块主要包括单片机控制器、显示电路、键盘电路;电导测量部分主要包括基准电压电路、弱电流放大电路、模数转换电路;环境监测部分主要包括温度测量电路、湿度测量电路、大气压路测量电路。其总体框架图如图1所示。

图1 装置总体框架图

在线油料电导率测量装置采用电池供电，也可通过外部充电器直接供电，通过供电电路完成对整机供电，基准电压电路产生基准电压加载到电导池上，流经电导池内轻质油料的电流经弱电流放大器放大后，进入模数转换器，转换成数字信号后，由单片机处理器内程序计算得出被测轻质油料的电导值(电阻值)，计算结果由显示屏显示出来;通过操作键盘，调节显示内容和显示模式，设置电导池参数、温度系数和温湿度、大气压力修正值。

2.2 显示控制模块设计

显示控制模块是油料电导率测量装置的管理中心，负责整个装置的逻辑控制、结果运算、数据存储。该装置的功能较多，程序工作量较大，同时需要存储校准数据，所以单片机内部需要有足够的存储空间;模块上的显示电路采用定制液晶显示器，显示实时测量数据和操作菜单;按键电路采用2×2 阵列按键，进行装置工作状态选定、菜单操作、参数设置和定点校准。

基于以上功能设计，单片机要完成的功能较多，需要较强的硬件功能模块以增强装置的实用性。为满足装置多参数测量的控制要求，采用STM32F103 单片机作为内核控制器。该单片机使用32 位的RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(高达512 K 字节的闪存和64 K 字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB 总线的外设，同时内部包含3个12 位的ADC、4 个通用16 位定时器和2 个PWM 定时器，完全满足本设计的需求。

2.3 电导测量模块设计

电导测量模块是油料电导率测量装置的核心，主要负责弱电流信号的采集、放大和模数转换。

弱电流信号的采集采用圆柱形电导池，制作材料选用不锈钢，可有效防止油品对电导池的腐蚀;圆柱形设计可获得较小的电导池常数(两电极间距与相对截面积的比值)，提高油料电导率测量装置的测量范围。

信号放大采用AD549 运算放大器，该运算放大器采用激光调节，专用于极低输入电流，输入极具有1015Ω 的工模阻抗，输入失调电压和漂移为0.25 mV 和5 μV/℃;模数转换采用单片机STM32F103 自带12 位数模转换器，满足本设计的指标要求。

2.4 环境监测模块设计

环境监测模块主要负责环境温度、湿度和大气压力的测量，可对电导率值进行修正，满足不同地域、不同温度下数据的对比。

2.5 装置的软件设计

考虑到装置的实时性要求以及采用了多种终端子程序，软件设计采用C 语言编写，采用模块化程序设计方法。

系统主要完成的软件包括三部分:装置的测量主程序;定时中断采样及处理程序，包括温湿度传感器和大气压力传感器信号采样的程序;按键响应中断子程序。

三部分的工作配合模式:启动装置电源，系统运行测量主程序，定时调用中断采样及处理程序，若无按键中断，系统一直工作于这种模式。当按键按下时，系统响应按键中断，程序被调度至按键响应中断子程序，根据不同的按键做出响应的处理。本系统设定的中断按优先级从高到低依次为:按键中断，定时采样处理。当中断同时发生时，先处理按键中断，然后响应定时采样及处理。一旦程序响应按键中断，装置在响应过程中不进行采样测量。软件控制流程图如图2。

3 性能检验

依据GJB/J 3049-97《轻质油料电导率仪检定规程》对本套在线油料电导率测量装置进行检定/校准，主要检定项目为电子单元示值误差、重复性和稳定性，这三部分的检定方法［2-4］和检定结果如下。

3.1 电子单元示值误差

图2 软件控制流程图

实验室温度为22℃，湿度为53%RH。将被检仪器(在线油料电导率仪测量装置)与标准高阻箱连接，在标准高阻箱给定的七个检定点中，根据被检仪器的适用范围任选不少于三个检定点进行检定。对应所选定的检定点，读出被检仪器的电导率显示值，每一检定点测量6 次，检定结果见表1。表1 中:G 为标准电导值;κij为第i 个检定点第j 次电导率测量值，j=1，…，6;为第i 个检定点处电导率测量平均值;Δκi为测量相对误差。

表1 电子单元示值误差检定结果

由表1 可见，在线油料电导率仪测量装置的电子单元示值误差小于设计值，满足设计要求。

3.2 仪器重复性

实验室温度为22℃，湿度为47%RH。将在线油料电导率测量装置的电导池清洗干净，并干燥。取1 L电导率值为(187±5)pS/m 的油样(经实验室高精度电导率仪在25℃恒温下测量)，放置于恒温水槽(设置温度为25℃)中，待油样温度平衡后，开启在线油料电导率测量装置至状态稳定，将电导池放入待测油样中，测量时间为3 s，记录最高读数，测量次数为20次，重复性测量结果见表2。表2 中:κh为第h 次电导率测量值，h=1，…，20;为电导率测量平均值;Δκh为第h 次测量残差。

由表2 数据可见，在200 pS/m 范围内，油料电导率测量最大残差为5 pS/m，小于检定规程规定的技术指标，可满足油料电导率在线测量的要求。

表2 在线油料电导率仪测量装置重复性结果 pS/m