УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕНЗИНА
APPARATUS FOR REAL-TIME GASOLINE QUALITY CONTROL

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться для экспресс-контроля соответствия качества исследуемого бензина параметрам эталонного образца.
Известно устройство для оперативного измерения октанового числа бензинов [патент РФ №2206085, МПК G01N 27/22], содержащее емкостной датчик, подключенный к входу первого RC-генератора, выход которого подключен к первому входу устройства обработки и индикации данных, резистивный датчик температуры, подключенный к входу второго RC-генератора, выход которого подключен к второму входу устройства обработки и индикации данных.
Недостатком устройства является низкая чувствительность и отсутствие учета влияния проводимости контролируемого горючего на результат измерения.
Известно устройство для определения октанового числа автомобильного бензина [патент РФ №2240548, МПК G01N 27/22], содержащее емкостный датчик и датчик температуры пробы бензина, генератор, соединенный с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая полуобмотка соединена с опорным конденсатором, выход генератора подключен к входу первого канала многоканального аналого-цифрового преобразователя, к входу его второго канала подключена вторичная обмотка дифференциального трансформатора, к третьему каналу преобразователя подключен датчик температуры, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к блоку обработки данных.
Недостатком устройства является сложность алгоритма определения октанового числа автомобильного бензина, основанного на использовании нейронных сетей, отсутствие информации о проводимости бензина, существенно влияющего на его качество.
Известен прибор для экспресс-контроля качества автомобильного бензина [патент РФ №2287811, МПК G01N 27/22], содержащий емкостный датчик, автогенератор, детектор информационного сигнала, блок цифровой индикации, усилители с порогом усиления по входному сигналу, сумматор, резистор с масштабирующим усилителем и переключатель режимов.
Достоинством прибора является возможность учета влияния на качество бензина его электропроводности.
Недостатком устройства является сложность алгоритма вычисления показателя качества бензина и сложность схемотехнического решения, что затрудняет возможность обеспечения высокой точности измерения.
Известно устройство [патент РФ №2460065, МПК G01N 27/22], содержащее емкостной датчик, конструктивно совмещенный с камерой пробоотборника контролируемого бензина, датчик температуры, два генератора, вход одного из них соединен с емкостным датчиком, вход второго соединен с датчиком температуры, блок обработки данных, два входа которого подключены соответственно к выходам первого и второго генераторов, а выход блока обработки данных соединен с блоком сопряжения и цифровым индикатором, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с третьим входом блока обработки данных, а вход аналого-цифрового преобразователя соединен с дополнительным выходом первого генератора.
Достоинством устройства является учет влияния на качество бензина его электропроводности.
Недостатками устройства являются:
- низкая достоверность оценки качества контролируемого бензина, обусловленная использованием в качестве эталона математической модели, представленной набором калибровочных характеристик, которые принципиально не могут полностью описать все особенности параметров горючего и их зависимость от различных присадок и факторов внешней среды;
- сложность создания и обновления математической модели всех марок горючего, представляемых таблицами калибровочных характеристик, таблицами поправочных коэффициентов на температуру и на проводимости бензина, определяемые достаточно сложными математическими зависимостями.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство экспрессного контроля октанового числа бензина [полезная модель РФ №132206, МПК G01N 27/22], содержащее автономный блок питания, емкостной датчик и датчик температуры, конструктивно совмещенные с камерой пробоотборника контролируемого бензина, блок обработки данных, выход которого подключен к входу блока сопряжения и цифровому индикатору, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с одним из входов блока обработки данных, первый генератор, к входу которого подключен емкостной датчик, а выход подключен к первому входу блока вычитания частот и через аналого-цифровой преобразователь ко второму входу блока обработки данных, кварцевый генератор, выход которого подключен ко второму входу блока вычитания, второй генератор, к входу которого подключен датчик температуры, а его выход подключен к одному из входов блока обработки данных.
Достоинством устройства является учет влияния на качество бензина его электропроводности и повышение его чувствительности к диэлектрическим свойствам топлива.
Недостатками устройства являются:
- низкая достоверность оценки качества контролируемого бензина, обусловленная использованием в качестве эталона математической модели, представленной набором калибровочных характеристик, которые принципиально не могут полностью описать все особенности параметров горючего и их зависимость от различных присадок и факторов внешней среды;
- сложность создания и обновления математической модели всех марок горючего, представляемых таблицами калибровочных характеристик, таблицами поправочных коэффициентов на температуру и на проводимости бензина, определяемые достаточно сложными математическими зависимостями;
- невозможность оптимально повысить чувствительность к диэлектрическим свойствам топлива за счет выделения разности частоты генератора, во времязадающей цепи которого включен емкостной датчик, и частоты кварцевого генератора.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении достоверности оперативного контроля качества бензина и оптимальном повышении чувствительности к диэлектрическим свойствам топлива.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее автономный блок питания, основной емкостной датчик, конструктивно совмещенный с камерой пробоотборника контролируемого бензина, блок обработки данных, выход которого подключен к входу блока сопряжения и цифровому индикатору, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом блока обработки данных, введен дополнительный емкостной датчик, конструктивно совмещенный с камерой пробоотборника эталонного бензина, соединенный с одним из входов измерителя разности двух емкостей, второй вход которого соединен с основным емкостным датчиком, а его выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства.
Устройство содержит автономный блок питания 1, основной емкостной датчик 2, конструктивно совмещенный с камерой пробоотборника контролируемого бензина 3, аналого-цифровой преобразователь 4, выход которого соединен с блоком обработки данных 5, выходы которого подключены к цифровому индикатору 6, дополнительный емкостной датчик 7, конструктивно совмещенный с камерой пробоотборника эталонного бензина 8, выход которого соединен с одним из входов измерителя разности двух емкостей 9, второй вход которого соединен с основным емкостным датчиком 2, а его выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 4.
Устройство работает следующим образом: предварительно очищенные пробоотборники 3, 8 с емкостными датчиками 2, 7 заполняют соответственно контролируемым и эталонным бензином.
X
Х
Э
Э
При этом емкость основного емкостного датчика 2 C будет пропорциональна диэлектрической проницаемости контролируемого бензина ε, а емкость дополнительного датчика 8 С пропорциональна диэлектрической проницаемости эталонного бензина ε.
Сигналы с обоих датчиков поступают на входы измерителя разности двух емкостей 9. В качестве измерителя разности емкостей, например, можно использовать микросхему CAV424 фирмы Analog Microelectronics, которая осуществляет преобразование разности двух емкостей, подключенных к ее входам, в напряжение постоянного тока, или другое устройство аналогичного назначения [патент РФ №2156472].
Э
Полученный сигнал с выхода измерителя 9 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 4, цифровой код с выхода которого поступает в блок обработки данных 5, который в форме процентного отклонения (ΔС/С)% выдает информацию на цифровой индикатор 6 без сложной математической обработки результатов измерения и использования градуировочных и калибровочных таблиц.
Сравнение качества двух образцов горючего, находящихся в одинаковых условиях, позволяет автоматически учесть не только температурное изменение диэлектрической проницаемости, но и других факторов внешней среды и наличие присадок, влияющих как на диэлектрическую проницаемость, так и на проводимость бензина.
1
1
2
2
1
Э
2
Х
0
Х
Э
2
1
Так, например, при использовании в качестве измерителя разности двух емкостей устройства [патент РФ №2156472] формируемое на его выходе напряжение пропорционально разности времязадающих цепей RC и RC двух одновибраторов (С=С, С=С, , ;  - проводимость контролируемого бензина,  - проводимость эталонного бензина, R - базовое значение сопротивления времязадающих цепей одновибраторов). Уровень получаемого сигнала пропорционален совокупному параметру, зависящему как от изменения диэлектрической проницаемости бензина, определяющегося разностью ΔС=С-С, так и отклонения ΔR=R-R, определяемого разностью проводимостей контролируемого и эталонного бензинов. Таким образом, при полном совпадении качества контролируемого бензина и качества эталонного бензина: ΔС=0, ΔR=0, и это условие сохранится при всех изменениях температуры. В то же время отклонение любого параметра контролируемого бензина от измеряемого параметра эталонного бензина приведет к пропорциональному изменению величин ΔС и (или) ΔR.
Повышение чувствительности к диэлектрическим свойствам топлива достигается оптимизацией уровня сигнала, преобразуемого аналого-цифровым преобразователем для дальнейшего анализа устройством обработки данных.
MIN
Под чувствительностью к диэлектрическим свойствам топлива понимают минимальное приращение диэлектрической проницаемости топлива Δε, которое способно определить измерительное устройство.
Уровень требуемой чувствительности определяет требования к эффективной разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя.
MAX
MIN
Для большинства сортов горючего показатели диэлектрической проницаемости различаются во втором, третьем знаке после запятой. Так, отличие диэлектрической проницаемости бензинов А92 (ε=2,60) и А95 (ε=2,67) при температуре 20° составляет всего Δε=0,07. Чтобы зафиксировать это отличие с погрешностью не более 1% необходимо обеспечить чувствительность Δε≤0,0007.
Для устройств, основанных на преобразовании полного значения измеряемой емкости датчика контролируемого бензина, требуемая чувствительность будет обеспечена при эффективной разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) N, определяемой соотношением
MAX
MIN
где ε - максимально возможное значение диэлектрической проницаемости всех контролируемых марок бензина при самых неблагоприятных внешних факторах, Δε - требуемая чувствительность, n - разрядность АЦП с эффективной разрешающей способностью N.
MAX
Если принять за значение ε=2,97 (диэлектрическая проницаемость бензина А95 при температуре 40°), то в соответствии с (1) N≥4235, n≥14.
MAX
В прототипе повышение чувствительности достигнуто за счет того, что преобразованию подвергается разностное значение Δε, определяемое разностью частоты генератора, во времязадаюшую цепь которого включена емкость датчика, и частоты кварцевого генератора. В этом случае будет справедливо выражение
MAX
МАХ
Выбор величины Δε должен учитывать разброс значений диэлектрической проницаемости для всех марок контролируемого бензина, лежащий в пределах Δε≈0,7. В этом случае, в соответствии с (2), получим требование N≥1000, т.е. обеспечивается заданная чувствительность при примерно четырехкратном снижении требований к разрешающей способности АЦП. Расчеты авторов прототипа подтверждают эти выводы.
MAX
MAX
MAX
В предлагаемом устройстве значение Δε определяется как разность диэлектрических проницаемостей контролируемого бензина и бензина выбранной марки. Следовательно, выбор значения Δε определяется допустимым отклонением диэлектрической проницаемости в пределах выбранной марки, которая не может быть больше минимального отличия диэлектрической проницаемости бензина другой марки. Как было показано выше, это отличие лежит в пределах Δε≈0,07. При этом в соответствии с выражением (2) заданная чувствительность обеспечивается при N≥100, т.е при одинаковой эффективной разрешающей способности аналого-цифрового преобразования в предлагаемом устройстве чувствительность к диэлектрическим свойствам топлива по сравнению с прототипом может быть увеличена почти на порядок.