УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗИНОВ
DEVICE TO MEASURE OCTANE NUMBER OF BENZINES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспрессного измерения октанового числа бензина разных марок.
Известно устройство для измерения октанового числа бензина в бензопроводе автомобиля, содержащее цилиндрический емкостный датчик, датчик температуры, встроенный в цилиндрический корпус емкостного датчика, RC-фильтр, генератор, блок клавиатуры, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок и блок индикации [Патент №2380695, МПК G01N 27/02].
Недостатком этого октанометра является зависимость результатов измерений от электрической проводимости контролируемого бензина, которая шунтирует емкость датчика. Это приводит к увеличению погрешности измерений октанового числа и даже к срыву колебаний генератора.
Известно также устройство для экспрессного 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 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 данном устройстве выполняется 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 или других примесей в бензине приводит к уменьшению активного сопротивления между обкладками емкостного датчика до десятков-сотен килоом, что значительно уменьшает точность измерения октанового числа и ограничивает универсальность применения такого прибора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является октанометр, содержащий емкостный датчик со встроенным датчиком температуры, блок обработки данных и индикации, в котором емкостный датчик с коаксиально расположенными цилиндрическими обкладками подключен к входу первого генератора, а резистивный датчик температуры соединен с входом второго генератора, причем емкостный датчик и датчик температуры установлены в корпусе устройства. Выход первого генератора соединен с первым входом блока обработки данных и индикации, выход второго генератора соединен со вторым входом этого блока, выход которого через устройство сопряжения подключен к персональному компьютеру [Патент №2206085, МПК G01N 27/22].
Недостатком данного устройства является то, что на частоту колебаний первого генератора оказывает существенное влияние электрическая проводимость бензина, и наличие в нем даже относительно небольшого содержания воды приводит к большим погрешностям измерений октанового числа и, как следствие, к уменьшению достоверности результатов контроля.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности контроля за счет исключения влияния электрической проводности бензина на результаты измерения октанового числа, а также уменьшение потребляемой мощности устройства.
Для достижения этого технического результата в устройство, содержащее встроенные в общий корпус цилиндрический емкостной датчик и датчик температуры, подключенные соответственно к входам первого и второго генераторов, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока обработки данных, выход которого соединен с блоком сопряжения и блоком индикации, дополнительно введены автономный блок питания и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с третьим входом блока обработки данных, один из выходов которого подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя. При этом сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с дополнительным выходом первого генератора, выполненного по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе, исток которого через первую индуктивность и резистивно-емкостной фильтр подключен к корпусу устройства, а также через вторую индуктивность соединен с емкостным датчиком, который через конденсатор обратной связи соединен с затвором полевого транзистора и через параллельно соединенные резистор и диод подключен к корпусу устройства. Дополнительный выход первого генератора соединен с резистивно-емкостным фильтром. Конструктивно все функциональные блоки размещены в корпусе устройства, на торце рукоятки которого расположен блок индикации.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения октанового числа бензинов, а на фиг.2 показана схема первого генератора с подключенным к нему емкостным датчиком.
В состав устройства входит емкостной датчик 1 цилиндрической формы, один из электродов которого выполнен в виде короткого стержня, 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. Дополнительный выход первого генератора 3 через аналого-цифровой преобразователь 5 подключен к третьему входу блока обработки данных 6, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами генераторов 3 и 4. Основные функциональные узлы размещены в корпусе 7 устройства. К выходу блока обработки данных 6 подключены блок сопряжения 8 с персональным компьютером и блок индикации 9. Для получения напряжения питания функциональных узлов применен автономный блок питания 10, расположенный в рукоятке 11 устройства, а общая клемма блока питания подключена к корпусу устройства.
Принципиальная схема емкостного датчика 1 содержит измеряемую емкость 1.1 и эквивалентное сопротивление 1.2, значение которого обратно пропорционально активной проводимости контролируемого бензина. Схема генератора 3 содержит полевой транзистор 3.1, исток которого через вторую катушку индуктивности 3.2 соединен с емкостным датчиком 1 и первым выходом генератора 3, а также через первую катушку индуктивности 3.3 соединен с дополнительным выходом генератора 3 и через резистивно-емкостной фильтр 3.4, 3.5 подключен к корпусу 7 устройства. 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.
Устройство для измерения октанового числа бензинов работает следующим образом.
1
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 C датчика 1 и обратно пропорциональному изменению частоты колебаний f генератора 3, подаваемой на первый вход блока обработки данных 6.
4
ИЗМ
3
3
ИЗМ
4
4
ИЗМ
Изменение температуры бензина приводит к изменению сопротивления термодатчика 2 и соответствующему изменению частоты f колебаний второго генератора 4, подаваемой на второй вход блока обработки данных 6. Цифровое измерение частоты колебаний, поступающих от генераторов 3 и 4, выполняется в блоке обработки данных 6 на интервале времени фиксированной длительности Т=const, в конце которого в память блока обработки данных 6 записываются два кода: N=f·Т и N=f·Т.
3
3
4
4
5
Цифровой код N зависит от частоты f первого генератора 3 и соответствует диэлектрической проницаемости контролируемого бензина, а второй код N определяется частотой f второго генератора 4 и пропорционален температуре бензина. Кроме этого, на третий вход блока обработки данных 6 поступает код N с выхода аналого-цифрового преобразователя 5, значение которого пропорционально электрической проводимости бензина.
3
3
4
4
5
3
3
5
Для получения результата преобразования, соответствующего октановому числу бензина, в программируемую память блока обработки данных 6 предварительно записывается калибровочная характеристика, т.е. зависимость октанового числа от кода N, пропорционального частоте выходного сигнала f первого генератора 3, а также две таблицы поправочных коэффициентов. Коэффициенты, записанные в первой таблице, зависят от кода N, пропорционального частоте f второго генератора 4, и при дальнейшей 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 частоты f первого генератора 3. После совместной обработки кодов, реализуемой в микропроцессорном блоке обработки данных 6, получается результат преобразования, соответствующий октановому числу бензина, который выводится на блок индикации 9. Кроме того, на блок индикации выводится число, соответствующее процентному содержанию воды в контролируемом бензине, которое вычисляется в блоке обработки данных 6 по значению выходного кода N аналого-цифрового преобразователя 5.
Наличие информации об октановом числе и о процентном содержании воды в бензине позволяет потребителям судить о его реальном качестве и исключить возможную заправку автомобилей низкокачественным бензином.
Блок сопряжения 8 с ПЭВМ служит для записи калибровочной характеристики и поправочных коэффициентов в перепрограммируемую память блока обработки данных 6 в процессе калибровки устройства при использовании бензина разных марок с известным значением октанового числа. Калибровка устройства должна выполняться практически при разных температурах и при различном процентном содержании воды в бензине.
При эксплуатации устройства таблица соответствия октановых чисел бензина измеренной частоте, электрической проводимости и температуре хранится в памяти блока обработки данных 6, а промежуточные значения октановых чисел рассчитываются методом интерполяции.
Повышение точности измерений в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет компенсации влияния электрической проводимости бензина на результаты измерения его октанового числа. Это достигается в оригинальной схеме первого генератора 3 на полевом транзисторе 3.1 (фиг.2). Этот генератор позволяет выполнять основные требования, предъявляемые к приборам с автономным напряжением питания:
M
1) амплитуда выходного сигнала ограничивается на максимальном уровне U≤2 B за счет включения кремниевого диода VD в цепи затвора полевого транзистора, что позволяет автоматически согласовать уровни выходного сигнала генератора с микропроцессором блока обработки данных 6;
3
3
3
2) применение в цепи истока полевого транзистора 3.1 резистора 3.5 с сопротивлением R, зашунтированного фильтрующим конденсатором 3.4, позволяет ограничить постоянный ток питания генератора на микроамперном уровне и тем самым повысить температурную стабильность частоты f выходных колебаний при изменении напряжения питания генератора. При этом на резистивно-емкостном фильтре 3.4, 3.5 формируется напряжение U, прямо пропорциональное электрической проводимости бензина.
3
3
3
На первом и дополнительном выходах схемы генератора 3 (фиг.2) формируются два параметра, характеризующих октановое число и электрическую проводимость бензина - по частоте колебаний f можно судить о диэлектрической проницаемости и октановом числе, а по напряжению U - об электрической проводимости бензина, которая повышается при увеличении содержания воды. Это позволяет использовать второй параметр (напряжение U) для коррекции результатов измерений октанового числа бензинов, а также для расчета процентного содержания воды в контролируемом бензине.
1
1
2
1
Если не учитывать электрическую проводимость бензина, то частота выходных колебаний генератора 3 зависит от емкости C емкостного датчика 1 и индуктивностей L и L элементов 3.2 и 3.3 резонансного контура  (В.И.Мухин "Электротехника с основами электроники", с.258). Однако наличие электрической проводимости бензина приводит к уменьшению активного эквивалентного сопротивления R между обкладками емкостного датчика, вследствие чего реальная частота колебаний генератора 3 уменьшается и определяется выражением  (В.И.Мухин "Электротехника с основами электроники", с.262).
1
3
ОТС
При уменьшении активного сопротивления бензина R увеличивается ток питания полевого транзистора 3.1 и повышается падение напряжения U на резистивно-емкостном фильтре, которое с учетом напряжения отсечки U полевого транзистора определяется выражением .
Вследствие этого в блоке обработки данных 6 вычислить скорректированное значение частоты выходных колебаний генератора 3 по формуле:
.
ОТС
5
3
3
3
5
Запись этой функции в память блока обработки данных 6 позволяет по известному значению напряжения отсечки U и полученному на выходе аналого-цифрового преобразователя 5 коду N, соответствующему значению напряжения U, вычислять скорректированное значение частоты f генератора 3 и определять октановое число бензина по калибровочной таблице, хранящейся в таблице блока обработки данных 6. Кроме того, по значению напряжения U и кода N вычисляется процентное содержание воды в бензине.
Второй положительный эффект изобретения - уменьшение потребляемой мощности - обеспечивается за счет применения генератора 3 на полевом транзисторе, который большую часть каждого периода колебаний работает в режиме отсечки, поэтому его максимальный ток питания не превышает десятков микроампер. Уменьшение энергопотребления также обеспечивается за счет применения КМОП микропроцессора и жидкокристаллического блока индикации, что в итоге повышает время автономной работы устройства.