Измеритель октанового числа бензина

Полезная модель относится к акустическим датчикам на основе резонаторов с поперечным электрическим полем и может быть использована для измерения октанового числа бензина.
В настоящее время наиболее точно октановое число бензина определяется моторным методом на специальных моторных установках (G.E. Totten, S.R. Westbrook, and R.J. Shah, Fuels and Lubricants Handbook: Technology, Properties, Performance, and Testing, Astm Manual Series, Mnl 37. West Conshokhoken: ASTM International, 2003, pp. 635-648). Однако этот метод осуществляется лишь в лабораторных условиях при помощи дорогостоящего оборудования с привлечением квалифицированного персонала.
Поэтому весьма перспективными являются измерители для экспресс-анализа бензина, приобретаемого на автозаправке. Известна попытка разработать измеритель, в котором предлагалось определять октановое число бензина по его вязкости (R.M. Lec, X.J. Zhang, and J.M. Hammond, "A remote acoustic engine oil quality sensor," Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 419-422, 1997). Однако эта идея не была доведена до практической реализации ввиду малой вязкости бензина.
Известен бытовой измеритель - октанометр ПЭ-7300ПК для измерения октанового числа бензина, основанный на измерении его диэлектрической проницаемости, которая однозначно связана с его октановым числом (Паспорт на октанометр "ПЭ-7300," Краснодар, Энергия, 2014, сс. 1-10). Недостатком является узкий диапазон температур 15-35 С и необходимость использования электрических контактов, соприкасающихся с бензином, что может привести к его случайному возгоранию.
Известен также измеритель октанового числа бензина ОКТИС-2, который также основан на измерении диэлектрической проницаемости бензина (Руководство пользователя индикатора октанового числа автомобильных бензинов "Октис-2," 2010, сс. 1-11). Недостатком является необходимость использования большого объема бензина в специальном контейнере, куда опускается щуп прибора и необходимость использования электрических контактов, погруженных в бензин, что может привести к его случайному возгоранию.
Известен ультразвуковой измеритель октанового числа бензина, основанный на зависимости скорости звука от октанового числа (Корнев А., Ультразвуковой измеритель октанового числа бензина, Радио, 2015, №2, С 44-46; 2. Корнев А., Упрощенный ультразвуковой измеритель октанового числа бензина, Радио, 2016, №7, С 47-48). Предполагается расположение излучающего и принимающего ультразвуковых преобразователей на разных сторонах бензобака автомобиля. Электронная схема определяет время прохождения акустической волны от одного преобразователя до другого, и по известному расстоянию между ними определяется ее скорость, а по скорости - октановое число. Поскольку скорость волны зависит от температуры, то предполагается еще расположение датчика температуры, контактирующего с бензином и подогревателя бензобака. К недостаткам можно отнести большой объем исследуемого бензина - для получения достаточной точности требуется длина пробега волны как минимум 0.5 м. Метод также требует большого количества времени для того, чтобы после заправки жидкость полностью перемешалась и стала однородной. Третий недостаток - это необходимость подогрева бензобака, что опасно с точки зрения безопасности. Также непонятно, что делать с большим объемом бензина в бензобаке, если выяснится, что он некачественный.
0
Наиболее близким к заявляемому устройству является датчик, основанный на автогенераторе, в котором в цепь обратной связи включена линия задержки на основе пластины ниобата лития Y-X среза, по которой распространяется акустическая волна с поперечно - горизонтальной поляризацией (Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Seleznev E.P., Verona E. Gasoline Identifier Based on Piezoactive SH Plate Acoustic Waves // Ultrasonics, 2016, v. 70, pp. 34-37 DOI:10.1016/j.ultras.2016.04.016). Линия задержки представляет собой пластину из сильного пьезоэлектрика (ниобата лития), на нижней стороне которой размещены излучающий и приемный ультразвуковые встречно-штыревые преобразователи для возбуждения и приема акустической волны с поперечно-горизонтальной поляризацией. На пути распространения этой волны на верхней стороне пластины расположена жидкостная ячейка, в которую наливается исследуемый бензин емкостью 3 мл. Показано, что частота генерации однозначно связана с диэлектрической проницаемостью бензина, которая в свою очередь однозначно связана с его октановым числом. К основному достоинству можно отнести отсутствие каких-либо электрических контактов с бензином.
К недостаткам данного устройства можно отнести довольно трудоемкий процесс создания пьезоэлектрического звукопровода. Для получения высокого значения коэффициента электромеханической связи поперечно-горизонтальной волны толщина пьезоэлектрической пластины должна быть существенно меньше длины волны. Например, для частоты 3-4 МГц толщина пластины должна быть порядка 0,2 мм или меньше. Очевидно, что подобный измеритель является достаточно хрупким, что существенно снижает возможность его использования в быту.
Кроме того, можно отметить малую чувствительность описанного в прототипе измерителя. Указано, что изменение октанового числа от 80 до 95 приводит к изменению регистрируемого параметра (частота генерации) от 3656,8 кГц до 3655,2 кГц, т.е. меняется всего на 0,044%.
Целью предлагаемого устройства является создание механически прочного и более чувствительного измерителя октанового числа бензина при сохранении отсутствия электрических контактов с исследуемым бензином.
Указанная цель достигается тем, что измеритель октанового числа бензина, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины с расположенными на ней жидкостной ячейкой и электродной структурой для возбуждения и снятия информационного сигнала согласно полезной модели представляет собой резонатор с поперечным возбуждающим электрическим полем, при этом жидкостная ячейка прикреплена к верхней стороне пьезоэлектрической пластины, толщина которой выбрана в интервале 0,5-1 мм (коммерчески доступная толщина), электродная структура, выполненная в виде электродов прямоугольной формы, частично покрытых демпфирующим слоем для подавления паразитных колебаний, расположена на нижней стороне пьезоэлектрической пластины, к которой приложено поперечное возбуждающее электрическое поле, а резонатор подключен к измерителю S параметров для измерения его электрического импеданса.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема измерителя октанового числа бензина на основе резонатора с поперечным электрическим полем; на фиг. 2 представлены частотные зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей электрического импеданса измерителя с пустой жидкостной ячейкой, на фиг. 3 (а, б, в) представлены частотные зависимости действительной части электрического импеданса измерителя с нагруженной бензином ячейкой для бензина с различными значениями октанового числа: 80 (а), 92 (б) и 95 (в); на фиг. 4 представлена зависимость значения действительной части электрического импеданса измерителя на резонансной частоте от октанового числа.
Измеритель октанового числа бензина на основе резонатора с поперечным электрическим полем содержит (фиг. 1) пьезоэлектрическую пластину 1, два прямоугольных электрода 2, демпфирующий слой 3 для подавления паразитных колебаний и жидкостную ячейку 4, содержащую исследуемую жидкость 5.
2
Экспериментальное исследование особенностей работы измерителя октанового числа бензина на основе резонатора с поперечным электрическим полем проводилось на примере пьезоэлектрической пластины ниобата лития X среза (кристаллофизическая ось X перпендикулярна плоскости пластины). На прямоугольную пластину ниобата лития X среза с поперечными размерами 60×20 мм и толщиной 510 микрон наносились напылением в вакууме три пары прямоугольных электродов длиной 10 мм и шириной 5 мм и зазором 3 мм между ними, как показано на фиг. 1. Расстояние между отдельными парами электродов составляло 6 мм. В качестве электродов использовались двухслойные пленки хром - серебро с толщинами ~30 нм и ~200 нм, напыленные в вакууме через соответствующую маску. Поперечное электрическое поле было направлено вдоль кристаллофизической оси Y. Для обеспечения электрического контакта использовался проводящий клей и золотая проволока диаметром 25 микрон. Каждый из резонаторов при помощи кабелей подсоединялся к четырехканальному измерителю S параметров Agilent Е5071С, для измерения частотных зависимостей реальной и мнимой частей электрического импеданса каждого резонатора. Для подавления паразитных колебаний (волн Лэмба и SH волн, а также объемных волн, бегущих под электродами) вокруг электродов резонаторов и на часть электродов наносился слой специального демпфирующего покрытия на основе полистирола в четыреххлористом углероде (фиг. 1). Значение ширины непокрытой части электродов Δ менялось от 2,2 до 2,7 мм. Эксперименты показали, что устойчивый резонанс достигается на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси X, и возбуждаемой поперечными компонентами поля, параллельными оси Y
11
22
33
12
13
23
Устройство подключалось к 4 портовому измерителю S - параметров типа Е5071С и каждый резонатор подключался к одному из портов измерителя (фиг. 2). Измерялись частотные зависимости параметров S, S и S каждого резонатора, по которым определялись частотные зависимости реальной и мнимой частей электрического импеданса каждого резонатора. Затем измерялись частотные зависимости параметров S, S и S, которые характеризуют степень акустической связи между резонаторами. Эти зависимости для жидкостной ячейки в отсутствии бензина представлены на фиг. 2. Видно, что на частоте 6,48 МГц присутствует ярко выраженный параллельный резонанс. При этом интенсивность паразитных колебаний существенно ниже. Далее были проведены измерения частотных зависимостей реальной и мнимой частей электрического импеданса датчика, нагруженного бензином с известным октановым числом. Эти зависимости для реальной части импеданса резонатора для значений октанового числа 80, 92 и 95 представлены на фиг. 3 (а), 5 (б) и 5 (в), соответственно. Было установлено, что значения резонансной частоты во всех трех случаях совпадают, а в качестве параметра, однозначно связанного с октановым числом, можно выбрать максимальное значение реальной части импеданса резонатора. На фиг. 4 представлена зависимость максимума реальной части импеданса резонатора от октанового числа бензина, которую можно рассматривать как калибровочную кривую датчика. Устройство работает следующим образом.
Резонатор с поперечным электрическим полем с жидкостной ячейкой подключается к измерителю LCR параметров в режиме измерения частотной зависимости резистанса от частоты. При этом на электроды резонатора подается переменное электрическое напряжение и в пьезоэлектрической пластине возникает неоднородное электрическое поле. В пространстве между электродами наибольшее значение имеет поперечная составляющая поля, а нормальная компонента максимальна под электродами. Указанные компоненты поля возбуждают набор акустических волн с различной поляризацией. Основная мода, на которую рассчитан каждый резонатор, это волна, распространяющаяся в пространстве между его электродами и возбуждаемая поперечным электрическим полем. Эта волна является поперечно-пьезоактивной, т.е. сопровождается поперечной электрической поляризацией. Если пьезоэлектрическая пластина имеет толщину порядка половины длины волны, то эта волна испытывает механический резонанс. Остальные акустические моды являются паразитными и успешно подавляются демпфирующим слоем. Жидкостная ячейка заполняется исследуемым бензином, измеряется частотная зависимость реальной части импеданса резонатора вблизи резонанса и определяется его максимальное значение. Затем по калибровочной кривой на фиг. 4 определяется исследуемое октановое число.
max
Был проведен эксперимент, по определению октанового числа произвольной смеси образцов бензина с октановыми числами 80 и 92. Было установлено, что для измеренного значения R=20,149 кОм октановое число оказалось равным 82,25.
Было также обнаружено, что изменение октанового числа от 80 до 95 приводит к изменению регистрируемого параметра (максимальное значение реальной части электрического импеданса) от 20,5 кОм до 18,2 кОм, т.е. изменение составило 12%. Таким образом, заявляемая полезная модель имеет более высокую чувствительность, чем прототип.
Таким образом, технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении механической прочности устройства и чувствительности измерителя октанового числа бензина при сохранении отсутствия электрических контактов с исследуемым бензином.