ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ОКТАНОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения октанового числа бензинов.
1
2
Известно оптико-акустическое устройство для измерения октанового числа бензинов, по заявке №2005115822/22, положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 28 марта 2006 г., содержащее узкополосный лазер с перестраиваемой длиной волны, конденсор, измерительную ячейку с запорными кранами, микрофон, встроенный в стенку измерительной ячейки, фотоприемник, усилитель-U и усилитель-U, генератор частоты модуляции лазера, блок нормирования выходного сигнала, блок обработки информации и индикации, блок настройки длины волны.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности, при измерении поглощения излучения в бензиновой среде, учитывать величину рассеивания излучения, при прохождении излучения лазера через среду измерительной ячейки, что в свою очередь снижает точность измерения октанового числа не заявленных бензинов, т.е. для которых не проведена калибровка. Также имеется нестабильность работы лазерного излучателя в импульсном режиме с частотой 133 Гц, частота необходимая для надежной работы устройства. Предлагаемое устройство лишено этого недостатка.
В основу полезной модели положена техническая задача создать, устройство с повышенной точностью и с расширенными функциями.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее узкополосный лазер с перестраиваемой длиной волны, измерительную ячейку со встроенными впускным и выпускным электромагнитными клапанами, микрофон, встроенный в стенку
1
2
3
1
2
3
1
2
3
измерительной ячейки, фотоприемник, усилитель-U и усилитель-U, дополнительно введены усилитель-U, блок считывания, преобразования сигналов и управления, обтюратор, блок стабилизации частоты модуляции и синхронизации, светоделительная пластина, пироприемник, оптопара и микропроцессорный контроллер, выход микрофона соединен с входом усилителя U, выход фотоприемника соединен с входом усилителя U, выход пироприемника соединен с усилителем U, выходы усилителей U, U, U соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока считывания, преобразования сигналов и управления, выход которого соединен с управляющим входом перестраиваемого лазера, светоделительная пластина, закрепленная под определенным углом на оси светового луча лазера, вход блока стабилизации частоты модуляции и синхронизации соединен с выходом оптопары, первый выход блока стабилизации частоты модуляции и синхронизации соединен с обтюратором, а второй выход с четвертым входом блока преобразования сигналов и управления, двунаправленный вход/выход блока преобразования сигналов и управления соединен с двунаправленным входом/выходом микропроцессорного контроллера.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства.
1
2
3
Лазерный оптико-акустический октанометр предназначенный для измерения октанового числа бензинов содержит узкополосный лазер 1 с перестраиваемой длиной волны, измерительная ячейка 2, к торцам которой прикреплены оптически прозрачные (в спектральном диапазоне измерения) окна, впускной электромагнитный клапан 3, выпускной электромагнитный клапан 4, встроенные в измерительную ячейку 2, микрофон 5, встроенный в стенку измерительной ячейки 2, фотоприемник 6, усилитель-U 7, усилитель-U 8, усилитель-U 9, блок считывания, преобразования сигналов и управления 10, обтюратор 11, блок стабилизации частоты модуляции и синхронизации 12, светоделительная пластина 13, пироприемник 14, оптопара 15 и микропроцессорный контроллер 16, перестраиваемый лазер 1
1
2
3
и измерительная ячейка 2 закреплены на одной оси станины (не указана), выход микрофона 5 соединен с входом усилителя U 7, выход фотоприемника 6 соединен с входом усилителя U 8, выход пироприемника 14 соединен с усилителем U 9, выходы усилителей 7, 8, 9 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока считывания, преобразования сигналов и управления 10, выход которого соединен с управляющим входом перестраиваемого лазера 1, светоделительная пластина 13, закрепленная под определенным углом на оси светового луча лазера, вход блока стабилизации частоты модуляции и синхронизации 12 соединен с выходом оптопары 15, первый выход блока стабилизации частоты модуляции и синхронизации 12 соединен с обтюратором 11, а второй выход с четвертым входом блока преобразования сигналов и управления 10, двунаправленный вход/выход блока преобразования сигналов и управления 10 соединен с двунаправленным входом/выходом микропроцессорного контроллера 16.
Работа предлагаемого лазерного оптико-акустического октанометра осуществляется следующим образом.
В принципе работы октанометра лежит лазерный оптико-акустический метод спектроскопии.
Уникальные свойства лазерного излучения (высокая спектральная плотность энергии, монохроматичность, возможность плавной перестройки длины волны излучения) позволило разработать оптико-акустический октанометр для измерения октанового числа бензинов, обладающий высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением.
Частотно-модулированное, с помощью обтюратора 11, излучение лазера 1, через светоделительную пластину 13, поступает на вход пироприемника 14, где формирует опорный сигнал и в измерительную ячейку 2, в которую через электромагнитные впускной 3 и выпускной 4 клапаны заливают исследуемое топливо. Модулированное излучение лазера пропускается через заполненную анализируемым топливом ячейку. При
3
3
1
3
1
3
2
3
1
2
совпадении линии излучения лазера с полосой поглощения детектируемых молекул топливо (бензин) поглощает часть мощности лазерного излучения, нагревается и создает повышение давления, которое и представляет собой оптико-акустический сигнал (ОА-сигнал), несущий информацию о концентрации молекул компонентов бензина. Затем ОА-сигнал преобразуется в электрический сигнал U1 с помощью микрофона 5, помещенного в измерительную ОА-ячейку 2. С выхода микрофона 5 сигнал поступает в усилитель 7. В линейном режиме поглощения амплитуда ОА-сигнала пропорциональна мощности лазерного излучения. Поэтому для исключения влияния флуктуаций излучения на точность измерения необходимо или стабилизировать параметры лазера, или, что проще, использовать опорный канал для регистрации мощности излучения U, величина которой генерируется пироприемником 14 и усиливается усилителем-U 9. Сигнал U нормируют делением на опорный сигнал-U (U/U). Фотоприемник 6 вырабатывает сигнал U, учитывающий как поглощение, так и рассеяние лазерного излучения проходящего через измерительную ячейку 2, который усиливается усилителем-U 9. Разность сигналов ΔU=U-U характеризует величину рассеивания сигнала. Величина рассеивания характеризует тип бензина, анализ которого проводится. Так как оптико-акустический эффект проявляется только от величины поглощения, (от рассеивания эффект равен нулю), то фотоприемник 6 регистрирует снижение сигнала как от рассеивания так и от поглощения средой излучения. Усиленные сигналы поступают в блок считывания, преобразования сигналов и управления 10, который передает усиленные данные в микропроцессорный контроллер 16, получает управляющие сигналы из контроллера 16 и управляет перестройкой длины волны лазерного излучения. Блок стабилизации частоты модуляции и синхронизации 12 задает режим работы лазера и синхронизирует работу блока считывания, преобразования сигналов и управления 10. Оптопара 15 выполняет роль датчика скорости вращения диска обтюратора 11 и является
обратной связью в системе управления модуляцией лазера. Микропроцессорный контроллер 16 по алгоритму, заложенному в программе хранящейся в памяти производит: в режиме «калибровка» калибровку октанометра и автоматическое измерение октанового числа бензина в режиме «измерение».
Для калибровки ЛОА-ячейка заполняется бензином с известным октановым числом и информативным спектром поглощения, такой бензин будем называть калибровочным образцовым топливом. По спектру поглощения определим оптимальный набор спектральных каналов (линий) измерения.
1
3
1
3
После заполнения ЛОА-ячейки калибровочным бензином, настраивают длину волны лазера на первую опорную линию поглощения, при прохождении излучения через бензин, последний будет нагреваться, и в микрофоне будет генерироваться сигнал с частотой равной частоте модуляции лазерного излучения. Производится измерение амплитуд акустического U и опорного U сигналов. Для устранения влияния флуктуации излучения сигнал U нормируем делением на U. Полученную величину принимаем за величину поглощения на данной длине волны излучения. Таким образом, изменяя длину волны излучения лазера, получим эталонный спектр поглощения на информативных полосах поглощения, который записывается в память микроконтроллера. Так как коэффициент поглощения зависит от температуры среды, то естественно необходимо вводить коррекцию измеренной величины на температуру.
1
p
k
Таким образом, снимается несколько спектральных характеристик исследуемого топлива с известными значениями показателя качества Q...Q. Очевидно, имея р информативных полос поглощения, то есть дискретных отсчетов в выбранной спектрометрической характеристике, то при построении калибровочной модели можно подобрать такие нормирующие коэффициенты b, что будут выполняться равенства:
k
Решая эту систему, определим совокупность коэффициентов b, которые в средневзвешенной форме определяют контролируемый показатель качества, а именно, октановое число, в исследуемом топливе:
x
где Q - искомое значение октанового числа контролируемого бензина,
X
X
k
α(λ) - коэффициент поглощения k-й компоненты бензиновой смеси для р-го спектрального канала измерения; b - коэффициенты регрессии (константы, определяемые при калибровке), отражающие степень влияния компоненты на октановое число бензина;
k
При этом коэффициенты b определяются по формуле (1), в которой
После калибровки и вычисления коэффициентов регрессии становится возможным определение октанового числа анализируемого бензина по его спектру поглощения.
При анализе показателей качества по спектрометрическим характеристикам значение имеет выбор информативных полос спектра поглощения, на которых целесообразно проводить измерения.