УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕССНОГО КОНТРОЛЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНА

Полезная модель относится к средствам измерений параметров физической среды и может быть использована для экспрессного измерения октанового числа бензинов разных марок.
Известно устройство для экспресс-контроля качества автомобильного бензина, содержащее генератор, емкостный датчик цилиндрической формы, источник напряжения питания и блок цифровой индикации на основе аналого-цифрового преобразователя и жидкокристаллического индикатора [Патент РФ №2287811, МПК G01N 27/22].
В этом приборе для получения результата измерения, пропорционального октановому числу, применена кусочно-линейная аппроксимация характеристики преобразования с помощью аналоговых схем детектора, сумматора и пороговых усилителей, нестабильность параметров которых приводит к уменьшению точности контроля. На погрешность устройства существенное влияние оказывает также температура контролируемого бензина, увеличение которой приводит к прямо пропорциональному повышению получаемых результатов, так как октановое число зависит не только от диэлектрической проницаемости бензина, но и от температуры и плотности бензина. Несмотря на то, что в этом устройстве реализуется разновременное измерение диэлектрической проницаемости и электрической проводимости бензина, наличие аналоговых функциональных преобразователей сигналов приводит к ограничению диапазона контроля. В частности, измерение дополнительного параметра - удельной электрической проводимости - выполняется в диапазоне наносименс/метр, что эквивалентно измерению сопротивления бензина в диапазоне от сотен мегаом до десятков гигаом. Однако наличие даже небольшого процентного состава воды, ацетона или других примесей в бензине приводит к уменьшению его электрического сопротивления до десятков - сотен килоом, что ограничивает возможность практического применения этого прибора.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемого устройства является устройство для измерения октанового числа бензина, содержащее встроенные в общий корпус цилиндрический емкостной датчик и датчик температуры, подключенные к входам первого и второго генераторов, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока обработки данных, первый выход которого соединен с блоками сопряжения и индикации. При этом второй выход первого генератора через аналого-цифровой преобразователь подключен к третьему входу блока обработки данных, второй выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя. [Патент №2460065, МПК G01N 27/22].
Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон измерения активного сопротивления контролируемого бензина, значение которого для высококачественного топлива составляет десятки гигаом, а при наличии воды или электропроводных присадок уменьшается до единиц килоом, что приводит к срыву колебаний первого генератора и, как следствие, не позволяет определять октановое число низкокачественного топлива.
Задачей полезной модели является создание устройства экспрессного контроля октанового числа бензина, позволяющего получить расширение диапазона контроля и повышение чувствительности устройства к контролируемым параметрам.
Эта задача решается тем, что в устройство, содержащее встроенные в общий корпус автономный блок питания, цилиндрический емкостной датчик, подключенный к входу первого генератора, и датчик температуры, подключенный к входу второго генератора, выход которого соединен с первым входом блока обработки данных, причем первый выход первого генератора подключен к второму входу блока обработки данных через аналого-цифровой преобразователь, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока обработки данных, второй выход которого подключен к блоку сопряжения и цифровому индикатору, дополнительно введены кварцевый генератор и блок вычитания частот, а на центральный стержень цилиндрического емкостного датчика нанесено диэлектрическое покрытие, при этом второй выход первого генератора подключен к первому входу блока вычитания частот, выход кварцевого генератора соединен с вторым входом блока вычитания частот, выход которого подключен к третьему входу блока обработки данных.
Конструктивно все функциональные блоки размещены в корпусе устройства, на торце рукоятки которого расположен цифровой индикатор.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения октанового числа бензинов, на фиг.2 показана схема первого генератора с подключенным к нему емкостным датчиком, а на фиг.3 приведена схема блока вычитания частот с кварцевым генератором.
В состав устройства входит емкостной датчик 1 цилиндрической формы, один из электродов которого выполнен в виде короткого стержня, покрытого диэлектрической защитной пленкой и расположенного внутри цилиндра с загнутыми внутрь краями. На одной из внутренних стенок этого цилиндра закреплен малогабаритный полупроводниковый датчик температуры 2. Внутренний электрод емкостного датчика 1 подключен к резонансному контуру первого генератора 3, а выход датчика температуры 2 соединен с входом второго генератора 4. Выход кварцевого генератора 5 и первый выход первого генератора 3 и соединены с блоком вычитания частот 6, а второй выход первого генератора 3 через аналого-цифровой преобразователь 7 подключен к одному из входов блока обработки данных 8, два других входа которого соединены соответственно с выходами генератора 4 и блока вычитания частот 6. Перечисленные функциональные узлы размещены в корпусе 9 устройства.
К выходу блока обработки данных 8 подключены блок сопряжения 10 с персональным компьютером и цифровой индикатор 11. Для получения напряжения питания функциональных блоков устройства применен автономный блок питания 12, расположенный в рукоятке устройства 13, а общая клемма блока питания подключена к корпусу устройства.
Принципиальная схема емкостного датчика 1 содержит измеряемую емкость датчика 1.1, эквивалентное сопротивление бензина 1.2, обратно пропорциональное его электрической проводимости, и эквивалентную емкость изоляции диэлектрического покрытия 1.3 центрального стержня (фиг.2).
Схема первого генератора 3 собрана по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе 3.1, исток которого через первую индуктивность 3.2 соединен с емкостным датчиком 1 и выходом устройства, а через вторую индуктивность 3.3 соединен со вторым выходом первого генератора 3 и через резистивно-емкостной фильтр 3.4, 3.5 подключен к корпусу 8 устройства. При этом затвор полевого транзистора 3.1 через конденсатор обратной связи 3.6 соединен с первым выходом генератора 3, а также через параллельно соединенные резистор 3.7 и диод 3.8 подключен к корпусу устройства (фиг.2).
Кварцевый генератор 5 собран на логическом элементе 5.1 Триггер Шмидта с кварцевым резонатором 5.2 на входе и резистором 5.3 в обратной связи (фиг.3). В схему блока вычитания частот 6 входит формирователь импульсов 6.1, подключенный к первому входу D-триггера 6.2, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 5.
Устройство для измерения октанового числа бензина работает следующим образом.
1.1
3
5
6
5
3
При выполнении измерений емкостной датчик 1 совместно с датчиком температуры погружается в бензин, в зависимости от октанового числа которого изменяется относительная диэлектрическая проницаемость между обкладками емкостного датчика 1. Это приводит к изменению эквивалентной емкости С емкостного датчика 1, что изменяет частоту колебаний f первого генератора 3, которые поступают на первый вход блока вычитания частот 6. Импульсы образцовой частоты f от кварцевого генератора 5 подаются на второй вход блока вычитания частот 6, на выходе которого формируются импульсы разностной частоты f=f-f, которые поступают на первый вход блока обработки данных 8.
4
ИЗМ
4
4
ИЗМ
6
6
ИЗМ
Изменение температуры бензина приводит к изменению сопротивления датчика температуры 2 и пропорциональному изменению частоты колебаний f второго генератора 4, которые поступают на второй вход блока обработки данных 8. Цифровое измерение частоты колебаний, поступающих от генератора 4 и блока вычитания частот 6, выполняется в блоке обработки данных 8 в течение интервала фиксированной длительности T=const, в конце которого в память блока обработки данных 8 записываются два кода: N=f·T и N=f·T.
6
4
4
7
Цифровой код N зависит от разностной частоты на выходе блока вычитания частот 6 и соответствует диэлектрической проницаемости контролируемого бензина, а код N определяется частотой f второго генератора 4 и пропорционален температуре бензина. Кроме этого, на третий вход блока обработки данных 8 поступает код N от аналого-цифрового преобразователя 7, значение которого пропорционально электрической проводимости бензина.
6
4
4
7
6
Для получения результата преобразования, соответствующего октановому числу бензина, в программируемую память блока обработки данных 8 предварительно записывается калибровочная характеристика, т.е. зависимость октанового числа от кода N, пропорционального разностной частоте, а также две таблицы поправочных коэффициентов. Коэффициенты, записанные в первой таблице, зависят от кода N, пропорционального частоте f второго генератора 4, и при обработке данных служат для автоматического введения поправки на температуру бензина. Коэффициенты, записанные во второй таблице, зависят от значения кода N, пропорционального электрической проводимости бензина, и в процессе обработки полученных данных служат для коррекции результата N цифрового измерения разностной частоты. После совместной обработки кодов в микропроцессорном блоке обработки данных 8 получается результат преобразования, соответствующий октановому числу бензина, который выводится на цифровой индикатор 11.
Блок сопряжения 10 с ПЭВМ служит для записи калибровочной характеристики и поправочных коэффициентов в перепрограммируемую память блока обработки данных 8 в процессе калибровки устройства при использовании бензинов разных марок с известным значением октанового числа. Калибровка устройства практически выполняется при разных температурах и при различном процентном содержании воды или присадок в бензине.
При эксплуатации устройства таблица соответствия октановых чисел бензина измеренной частоте, электропроводности и температуре хранится в памяти блока обработки данных 8, а промежуточные значения октановых чисел рассчитываются в блоке обработки данных 8 методом интерполяции.
5
3
Расширение диапазона контроля электрической проводимости обеспечивается за счет применения изоляционного покрытия центрального стержня емкостного датчика 1, позволяющего обеспечить стабильную работу первого генератора 3 даже при высокой электрической проводимости исследуемого топлива. При этом также в предлагаемом устройстве достигается повышение чувствительности к диэлектрическим свойствам топлива за счет измерения разности частот f кварцевого генератора 5 и f первого генератора 3.
1.1
Например, зависимость частоты колебаний первого генератора 3 от эквивалентной емкости С датчика 1 в схеме прототипа определяется выражением
,
1.1
1.1
3.П
3.П
по которому относительное изменение емкости датчика на 100·ΔC/C=1% приводит к изменению частоты колебаний на величину 100·Δf/f≈0,5%.
1.3
В предлагаемом устройстве на частоту колебаний оказывает влияние эквивалентная емкость С диэлектрического покрытия стержня датчика, с учетом которой частота колебаний определяется формулой
,
1.1
1.3
1.1
1.1
3
3
5
3
6
5
3
3
1.1
1.1
3
6
и при одинаковых значениях емкостей датчика и диэлектрического покрытия С≈С относительное повышение емкости датчика на 100·ΔС/С=1% приводит к снижению частоты колебаний всего лишь на 100·Δf/f≈0,25%, что в два раза меньше, чем у прототипа. Однако, при установке частоты импульсов кварцевого генератора 5 на 10% выше начальной частоты колебаний первого генератора 3 при пустом датчике 1 по условию f≥1,1f, разностная частота на выходе блока вычитания частот 6 составит f=f-f≈0,1f, поэтому аналогичное увеличение емкости датчика на 100·ΔС/C=1% приведет к относительному изменению частоты на выходе блока вычитания частот на величину на 100·Δf/f≈2,5%, т.е. в пять раз больше, чем у прототипа, что эквивалентно пятикратному повышению чувствительности устройства.
3
3
3
4
На выходах схемы генератора 3 (фиг.2) формируются два параметра: по частоте колебаний f можно судить о диэлектрической проницаемости и октановом числе, а по напряжению U на резистивно-емкостном фильтре 3.4, 3.5 - о проводимости бензина, которая растет при увеличении содержания электропроводящих примесей в бензине. Это позволяет использовать напряжение U совместно с частотой f генератора 4, пропорциональной температуре, для коррекции результатов измерений октанового числа бензинов.
3
Кроме того, малая потребляемая мощность устройства обеспечивается за счет применения в генераторе 3 полевом транзистора (например, типа КП303Е), который большую часть каждого периода колебаний работает в режиме отсечки, поэтому его максимальный ток питания не превышает десятков микроампер. Низкое энергопотребление также обеспечивается за счет применения КМОП микропроцессора и жидкокристаллического цифрового индикатора. Применение в кварцевом генераторе 4 и блоке вычитания частот КМОП микросхем с высоким входным сопротивлением (триггера Шмидта 5.1 в генераторе 5 и формирователя импульсов 6.1 на одной микросхеме типа К561ТЛ1, D-триггера - на микросхеме К561ТМ2) позволяет исключить их влияние на стабильность частоты f при низкой мощности потребления. В итоге повышается время автономной работы устройства без замены элементов гальванического питания в широком диапазоне электропроводимости и при высокой чувствительности к октановому числу топлива.