УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения октанового числа топлива, например, бензина при его производстве, хранении и контроле.
При использовании в двигателях бензинов различных марок основным фактором, определяющим мощностные и экономические показатели двигателя, является детонационная стойкость бензина. Стойкость бензина к возникновению детонационного сгорания зависит от его группового химического состава, количества в нем стойких к детонации соединений и наличия антидетонационных присадок. На практике детонационную стойкость бензинов оценивают октановыми числами (ОЧ). Октановое число - показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания.
Известен способ определения октанового числа топлив, заключающийся в определении значения ОЧ по зависимости ОЧ от информационных параметров, таких как диэлектрическая проницаемость бензина, плотность бензина, температура бензина. За основу принимаются частотные характеристики: амплитудно-частотная и фазо-частотная конкретных автомобильных бензинов, которые идентифицируются по их октановому числу. Устройство для определения октанового числа, реализующее вышеуказанный способ, (патент РФ №2100803), содержит емкостный датчик с датчиком температуры пробы бензина, причем емкостный датчик соединен с генератором, подключенным к блоку управления, генератор выполнен с возможностью формирования напряжения с частотами 1÷30 МГц и соединен с емкостным датчиком через одну из первичных полуобмоток дифференциального трансформатора, вторая первичная полуобмотка которого соединена с опорным конденсатором, причем вторичная обмотка трансформатора соединена через усилитель сигнала, канал передачи данных к одному из независимых каналов двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к одной из цифровых шин блока управления, выполненного в виде ПЭВМ, к другой цифровой шине которой подсоединен датчик температуры пробы бензина через усилитель и одноканальный аналого-цифровой преобразователь, при этом общая точка подключения генератора и двух первичных полуобмоток дифференциального трансформатора подключена через другой независимый канал передачи данных к другому каналу двухканального аналого-цифрового преобразователя. Причем ПЭВМ содержит нейронную сеть, предварительно обученную сравнению поступающих с цифровой шины входных сигналов в виде амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик исследуемого бензина с амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками эталонных бензинов. В данном случае изобретение решает задачу идентификации марок бензинов по их октановому числу с помощью искусственной нейронной сети. При получении экспериментальных частотных характеристик (амплитудно-частотной, фазо-частотной) любого автомобильного бензина и вводе их на вход искусственной нейронной сети, с предварительным обучением последней, возможна идентификация этого бензина по отношению к другим маркам бензинов. К недостаткам данного способа следует отнести определение ОЧ бензина по зависимости ОЧ от однократно определяемых информационных параметров (диэлектрической проницаемости, плотности бензина и температуры), что снижает точность определения ОЧ бензинов с различными химическими примесями. Кроме того, сложность устройства не позволяет использовать его для экспресс-анализа автомобильного топлива.
Интересны электронно-акустические методы исследования качества топлив.
Известно, что такие параметры, как скорость распространения и коэффициент затухания звука в среде сильно зависит от ее плотности. Поэтому один из самых распространенных параметров топлива - плотность может определяться по скорости распространения, либо по коэффициенту затухания акустического сигнала в топливе. Здесь применяются частотные и импульсные методы. Частотные методы связанны с зондированием пробы топлива гармоническим сигналом с последующим измерением и вычислением коэффициента затухания сигнала на определенном расстоянии от источника. Импульсные методы основаны на измерении скорости распространения одиночного акустического импульса в контролируемой пробе. Недостатком импульсного метода является то, что он не учитывает нелинейность скорости звука в жидких смесях по отношению к их плотности и изначально имеет потенциально высокую погрешность.
1
2
2
1
1
2
2
Известен способ определения ОЧ автомобильных бензинов (патент РФ №2189039), по которому предварительно определяют зависимости информационного параметра бензина от ОЧ эталонных бензинов. В качестве информационного параметра используют значения скоростей распространения ультразвуковой волны в бензинах при двух различных фиксированных температурах. ОЧ определяют из зависимости ОЧ(АИ)=40[(V-V)/100+2000/V], где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом; V - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t=20°C, м/с; V - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t=40°C, м/с. Частоты ультразвуковых волн выбирают в диапазоне 100-200 кГц.
Устройство, реализующее предлагаемый способ является наиболее близким к заявляемой полезной модели и выбрано за прототип.
Устройство включает в себя генератор прямоугольных импульсов, сигнал с которого поступает на пьезоизлучатель, установленный в торце рабочей цилиндрической камеры. С противоположного торца камеры устанавливается приемный пьезоэлемент, сигнал с которого поступает на двухлучевой осциллограф, где фиксируется время прохождения сигнала через рабочую камеру, заполненную бензином. Посредством водяного термостата в камере поддерживается необходимая температура, которая меняется от 20°C до 60°C. Недостатком вышеописанного устройства является необходимость измерения времени прохождения сигнала через рабочую камеру несколько раз при различных температурах, что затрудняет его использование для экспресс-анализа автомобильного топлива. Кроме того, скорость распространения ультразвука в жидкостях может быть рассчитана на основании их физико-химического строения, однако анализ литературных данных обнаруживает непостоянство углеводородного состава нефти и нефтепродуктов. Поэтому, не смотря на все преимущества, теоретический расчет скорости распространения ультразвука в нефти и нефтепродуктах затруднен (Шамов А.В. Применение ультразвука для определения октанового числа бензина. - Тольятти некий государственный университет. Электронный ресурс. URL: http://www.mami.ru/science/autotr2009/scientific/article/s03/s03_28.pdf).
Техническим результатом заявляемой полезной модели является устранение вышеперечисленных недостатков - увеличение точности определения октанового числа с помощью учета влияния нескольких физических параметров и создание устройства, пригодного для экспресс-анализа автомобильного топлива за счет принципиально высоких скоростных характеристик измерения.
Этот технический результат достигается тем, что устройство для определения октанового числа автомобильного бензина включает датчик выполненный на основе фононного кристалла, электроакустический преобразователь, выход которого подключен ко входу упомянутого датчика, акустоэлектрический преобразователь, вход которого подключен к выходу датчика, микроконтроллер, синтезатор электрического сигнала и усилитель, при этом первый цифровой порт ввода-вывода микроконтроллера подсоединен к управляющему входу синтезатора электрических сигналов выход которого подключен ко входу электроакустического преобразователя, а выход акустоэлектрического преобразователя через усилитель подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, при этом ко второму цифровому порту ввода-вывода микроконтроллера подключен цифровой сегментный индикатор.
При этом оптимальным представляется датчик, который выполнен в виде бруска из химически стойкого к бензину материала, и имеющего периодически расположенные сквозные отверстия, оси которых параллельны, при этом расстояние между отверстиями выдерживается равным половине длины продольной акустической волны в материале, из которого выполнен брусок, а диаметр отверстий равен 1/3 вышеупомянутой длины волны, в середине бруска параллельно осям отверстий выполнена щель, представляющая собой резонансный объем, при этом ширина щели равна диаметру сквозных отверстий.
Упомянутый электроакустический преобразователь может быть выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя.
Упомянутый акустоэлектрический преобразователь может быть выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что датчик в устройстве выполнен на основе фононного кристалла.
Фононные кристаллы это композитные материалы, в которых имеется периодическая система акустических неоднородностей. Под акустической неоднородностью понимается среда, обладающая акустическими свойствами (такими как скорость распространения звука, плотность, жесткость и т.д.) отличными от среды по которой распространяется акустическая волна. Типичная структура фононного кристалла состоит из периодически расположенных неоднородностей со свойствами отличными от гомогенной матрицы (основной среды распространения ультразвука) окружающей данные неоднородности.
Особенностью датчиков на основе фононных кристаллов является то, что фононные кристаллы обладают возможностью поглощать акустические волны в определенной полосе частот, что является результатом деструктивной интерференции волн при распространении через данную структуру. Внесение в регулярную структуру дефектов, которые нарушают симметрию кристалла, дают узкие области пропускания (резкие резонансные пики) в собственной полосе частот поглощения. С другой стороны жидкость, заключенная в фононный кристалл, сама по себе может вызывать появление резонансов на определенных частотах в полосе поглощения кристалла за счет собственных объемных резонансов в определенном объеме, которые ассоциируются только наличием и свойствами данной жидкости и не возникают в ее отсутствии. Частоты максимумов пропускания в полосе поглощения кристалла в данном случае зависят только от свойств жидкости заполняющей фононный кристалл и варьируются в зависимости от ее физических параметров. Наиболее оптимальным вариантом исполнения датчиков на основе фононных структур является фононная структура с дефектом симметрии, которая обладает областью поглощения и высокодобротным резонансом внутри этой области, частота максимума которого определяется свойствами жидкости заключенной в данный дефект. Жидкость заключенная в структуру фононного кристалла так же влияет на параметры рассеивания акустических волн в структуре и при выборе правильной конфигурации фононного кристалла движение резонансного пика на частотной оси сопровождается соответствующим движением зоны поглощения акустических волн.
Анализ изменения резонансных частот внутри полосы поглощения фононного кристалла при заполнении последнего исследуемым топливом является основным источником информации определяющем свойства анализируемой жидкости.
По сравнению с вышеуказанным прототипом, заявляемое устройство с датчиком на основе фононного кристалла обладает более высокой точностью измерений и принципиально имеет высокое быстродействие. Высокая точность измерений достигается за счет одновременного контроля скорости звука и плотности анализируемого топлива с помощью датчика на основе фононного кристалла, показания которого определяются вышеуказанными параметрами с учетом нелинейности их соотношения. Высокие скоростные характеристики устройства определяются принципом проведения измерений, который заключается в анализе амплитудно-частотных характеристик датчика при заданной температуре.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого устройства,
на фиг. 2 показан вид сверху на датчик на основе фононного кристалла и разрез его по линии А-А.
Заявляемое устройство включает (фиг. 1) датчик 1 выполненный на основе фононного кристалла, электроакустический преобразователь 2, выход которого подключен ко входу упомянутого датчика 1, акустоэлектрический преобразователь 3, вход которого подключен к выходу датчика 1, микроконтроллер 4, синтезатор электрического сигнала 5 и усилитель 6, при этом первый цифровой порт ввода-вывода L микроконтроллера 4 подсоединен к управляющему входу синтезатора электрических сигналов 5, выход которого подключен ко входу электроакустического преобразователя 2, а выход акустоэлектрического преобразователя 1 через усилитель 6 подключен ко входу АЦП микроконтроллера 4. При этом ко второму цифровому порту ввода-вывода микроконтроллера К подключен цифровой сегментный индикатор 7.
Расчет фононных структур был выполнен с помощью FDTD - метода и симуляция была проведена с помощью метода конечных элементов (FEM). Основой для расчетов явились следующие публикации: электронный ресурс. URL: http://www.u.arizona.edu/~deymier/deymier_group/refs/phonon11_review.pdf
http://iopscience.iop.org/0957-0233/20/1/012002/
На данный момент имеется число уже рассчитанных моделей фононных кристаллов, которые могут быть применены в качестве датчиков для анализа топлива, имеется разработанный и подтвержденный экспериментом алгоритм расчета двумерных фононных структур с помощью метода конечных разностей во временной области.
При этом оптимальным представляется датчик 1 на основе фононного кристалла, который выполнен (фиг. 2) в виде бруска 8 из химически стойкого к бензину материала, и имеющего периодически расположенные сквозные отверстия 9, оси которых параллельны, при этом расстояние между отверстиями 8 выдерживается равным половине длины продольной акустической волны в материале, из которого выполнен брусок 8, а диаметр отверстий 8 равен 1/3 вышеупомянутой длины волны, в середине бруска 8 параллельно осям отверстий 9 выполнена щель 10, представляющая собой резонансный объем, при этом ширина щели 10 равна диаметру сквозных отверстий 9.
Устройство работает следующим образом.
Микроконтроллеры, применяемые в приборе для анализа октанового числа автомобильного топлива, программируются на изначальном этапе и данные о программе и результатах эталонных измерений хранятся во флэш-памяти микроконтроллера. Программирование микроконтроллера осуществляется с помощью программного обеспечения MPLab, работающего под операционной системой Windows. Для программирования микроконтроллер подключается к компьютеру с помощью программатора для PIC микроконтроллеров.
Эталонные измерения, записанные в память микроконтроллера, представляют собой таблицы, в которых для каждого вида топлива имеется свой набор данных состоящих из значений амплитуды для соответствующей частоты. Диапазон анализируемых частот определяется геометрическими расстояниями фононной структуры и скоростью звука в анализируемой жидкости. Конечные размеры структуры в нашем случае определяются конструкцией прибора. Диапазон анализируемых частот определяется путем проведения расчетов с помощью метода конечных элементов.
Эталонные измерения были получены путем проведения анализа амплитудно-частотных характеристик датчика, при заполнении последнего автомобильными бензинами с заведомо известными значениями октанового числа.
Измерительный цикл:
1 - микроконтроллер 4 выставляет на первом цифровом порте ввода-вывода L последовательность сигналов соответствующих определенной частоте, амплитуде и фазе сигнала для синтезатора электрического сигнала 5.
2 - синтезатор электрического сигнала 5 частот считывает сигналы микроконтроллера 4 и генерирует аналоговый сигнал заданной частоты, амплитуды и фазы.
3 - сигнал с синтезатора электрического сигнала 5 поступает на электроакустический преобразователь 2, который в свою очередь преобразует входной электрический сигнал в продольную акустическую волну, которая в дальнейшем распространяется по датчику 1.
4 - прошедшая по датчику 1 акустическая волна детектируется акустоэлектрическим преобразователем 3 и преобразуется в электрический сигнал.
5 - полученный электрический сигнал, соответствующий конкретному значению частоты в дальнейшем усиливается усилителем 6 и преобразуется в постоянный сигнал уровня пропорционального амплитуде входного сигнала.
6 - усиленный и преобразованный электрический сигнал в дальнейшем подается на вход АЦП микроконтроллера 4, где она считывается в цифровом виде и записывается в память микроконтроллера 4.
7 - шаги 1-6 повторяются для всего набора частот в заданном диапазоне, после чего полученные данные сопоставляются с заранее исследованными зависимостями для различных марок автомобильных бензинов записанными в память микроконтроллера 4. На основании сопоставления данных определяется значение октанового числа анализируемого топлива. Основную информацию дает значение частоты резонансного пика внутри зоны поглощения фононного кристалла, которая напрямую сопоставляется с октановым числом анализируемого топлива.
8 - Определенное значение октанового числа в цифровом виде выводится на второй цифровой порт ввода-вывода К микроконтроллера 4 и отображается на на цифровом сегментном индикаторе 7.
Работа устройства прекращается после отключения питания. Программное обеспечение и данные анализов автомобильных топлив сохраняются в флеш-памяти микроконтроллера 4.
При реализации заявляемого устройства в качестве микроконтроллера 4 может быть использован любой микроконтроллер из линейки PIC микроконтроллеров или на основе любого другого «ядра» обладающий цифровыми выводами в количестве не менее 24, встроенным АЦП с разрядностью не менее 10 бит с входом предназначенным для анализа сигналов по напряжению и скоростью от 32 Кбит в секунду и выше, с объемом внутренней памяти от 24 Кбайт и выше.
В качестве синтезатора электрического сигнала 5 может быть использован любой синтезатор электрического сигнала прямого цифрового синтеза в частотном диапазоне от 0 до 10 МГц и выше, обладающий временем перестройки по частоте от 1 мсек и меньше, имеющий параллельный или последовательный порт обмена данными со скоростью обработки от 32 Кбайт и выше.
В качестве предварительного усилителя 6 может быть использован любой операционный усилитель с линейной или логарифмической шкалой способный производить усиление сигналов с частотой от 10 МГц и выше.
Остальные компоненты выполняют второстепенную роль, обеспечивая оптимальную работу основных составляющих, и могут меняться в зависимости от конкретного исполнения принципиальной схемы.
Таким образом, основными преимуществами заявляемого устройства по сравнению с аналогами являются:
1. Анализ топлива проводится на основе влияния нескольких характерных физических параметров, что уменьшает погрешность показаний октанового числа и дает возможность анализировать качество измеряемого топлива.
2. Стабильность показаний прибора за счет анализа резонансных частот фононного кристалла, которые определяются свойствами анализируемой жидкости.
3. Высокая степень помехозащищенности за счет полосы поглощения ультразвука фононным кристаллом. Возникающие резонансы внутри полосы поглощения являются производной неоднородностей кристалла и заполняющей их жидкости.
4. Высокая скорость проведения измерений за счет анализа амплитудно-частотных характеристик датчика на основе фононного кристалла призаданной температуре.
5. Изолированность анализируемого топлива от передатчиков и измерительной схемы за счет конструкции фононного кристалла с внешним возбуждением продольной акустической волны
6. Расширенный температурный диапазон использования приборов
7. Экономически доступное решение