Способ и устройство для определения октановых чисел автомобильных бензинов
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING OCTANIC NUMBERS OF AUTOMOTIVE GASOLINE

Изобретение относится к измерительной технике в приложении к способам и устройствам оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов с помощью электрических средств и может быть использовано в областях промышленности, где необходим взрыво-пожаробезопасный и оперативный контроль качества автобензинов.
На практике детонационную стойкость топлив оценивают октановыми числами (ОЧ). Разработан и стандартизирован ряд методов определения ОЧ [1].
Известен способ определения ОЧ [2], включающий определение значений информативного параметра для различных эталонных бензинов, построение калибровочной зависимости информативного параметра от ОЧ этих бензинов, определение значения информативного параметра пробы анализируемого бензина и определение по калибровочной зависимости ОЧ анализируемого бензина, а также измерение плотности и температуры пробы, где в качестве информативного параметра используется температура перегонки 50%-ной фракции пробы анализируемого бензина, при этом ОЧ вычисляют по формульной зависимости.
Недостатком известного способа является его принадлежность к лабораторным способам, требующим взятия пробы для определения ОЧ, измерения плотности и температуры перегонки 50%-ной фракции пробы анализируемого бензина, т.е. этот способ может быть реализован только на стационарной установке и в специальных условиях.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения ОЧ автомобильных бензинов [3], включающий определение значения информационного параметра для различных эталонных бензинов, построение калибровочной зависимости информационного параметра от ОЧ этих бензинов, определение значения информационного параметра пробы анализируемого бензина и определение по калибровочной зависимости ОЧ анализируемого бензина, а также измерение температуры и плотности пробы этого бензина.
При этом в качестве информационного параметра используют диэлектрическую проницаемость анализируемых бензинов.
Недостатком этого способа является необходимость в процессе определения использовать сложные электрические устройства, приводимые в соприкосновение с анализируемым бензином, что требует специальных противопожарных мер, а также влияние на результат измерения воды, растворенной в бензине, обладающей большой диэлектрической проницаемостью.
Целью изобретения является обеспечение взрыво-пожаробезопасного оперативного упрощенного измерения ОЧ бензинов с одновременным сохранением точности, достаточной для поддержания оптимальной (экономичной и экологичной) скорости движения.
Технический результат - создание способа определения ОЧ бензинов, реализующего измерение без контакта электрических устройств с анализируемым бензином, обеспечивающего оперативный контроль ОЧ бензинов, простоту анализа результатов измерения с достаточно высокой точностью.
20
2
х
рез
1
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе определения ОЧ автомобильных бензинов, включающем построение калибровочной зависимости информационного параметра: диэлектрической проницаемости от ОЧ эталонных бензинов с учетом их температуры, измерение диэлектрической проницаемости и текущего значения температуры анализируемого бензина и с учетом температуры определение по калибровочной зависимости его ОЧ, при этом диэлектрическую проницаемость бензинов определяют (с учетом температуры) по резонансной частоте колебаний входного колебательного контура генератора устройства для определения ОЧ бензинов, а для повышения взрыво-пожаробезопасности и оперативного измерения ОЧ бензина, и повышения точности измерения, электроды емкостного датчика изолируют от прямого гальванического контакта с бензином, путем их герметичного закрепления в диэлектрике, а электрические выводы изолируют и заключают в экранную оплетку, т.е. используют коаксиальный кабель; кроме того, генераторы и предварительные усилители устройства для определения ОЧ бензинов располагают в непосредственной близости от электродов и питают их пониженным напряжением (2-3 В), и также заключают их герметично в диэлектрический корпус устройства для определения ОЧ бензинов, который экранируют от внешних электромагнитных и других помех с помощью металлического экрана, а остальные элементы электрической схемы устройства для определения ОЧ бензинов выводят с помощью коаксиальных кабелей и размещают на передней панели в кабине водителя, при этом электроды и терморезистор емкостного датчика устанавливают в непосредственной близи от выходной бензосистемы нефтеперерабатывающего завода (НПЗ), бензоцистерн, автозаправочной станции (АЗС) или карбюратора работающего двигателя; кроме того, калибровочную зависимость информационного параметра от ОЧ и ОЧ анализируемого бензина определяют с учетом также электрической проводимости бензина, измеряемой при заливании в топливный бак автомобиля, либо по результатам предварительного измерения на АЗС. Кроме того, электрическую схему входной цепи устройства для определения ОЧ бензина с генератором и предварительным усилителем реализуют из двух идентичных каналов, формируя дифференциальную схему измерения ε, причем постоянную входную емкость С второго канала (генератора Г) выбирают так, чтобы рабочая резонансная частота его предварительного усилителя соответствовала диэлектрической проницаемости вакуума (ε=1), а площадь поверхности измерительных электродов С емкостного датчика подбирают так, чтобы обеспечивалась рабочая резонансная частота ƒ генератора Г в наиболее чувствительном диапазоне измерения ε(ƒ), т.е.в диапазоне нескольких единиц ГГц.
Кроме того, для повышения экологического и экономического эффектов на табло водителю выводится значение рекомендуемой оптимальной скорости движения автомобиля, определяемой с учетом фактического ОЧ бензина и момента на валу двигателя (по характеру трассы).
По сравнению с прототипом заявляемый способ имеет отличительную особенность в совокупности действий и параметров, обеспечивающих эти действия. Теоретической основой предлагаемого способа определения ОЧ автомобильных бензинов послужила известная взаимосвязь электрофизического параметра нефтепродуктов (ε) со структурными и фазовыми превращениями в смесях [4].
Известно использование для контроля ОЧ и изменения эксплуатационных свойств топлива в качестве информационного параметра совокупности двух различных физических величин: ε и электропроводности g [5], температуры Т и плотности Р. В [3] приведена зависимость ε от Т, Р и установлена стандартная зависимость между ОЧ и ε, сформирована база данных калибровочных зависимостей, которые могут использоваться при разработки алгоритма и программы для ввода в вычислительное устройство. Таким образом, накоплен достаточный опыт по определению ОЧ на основании результатов испытаний образцов автобензинов, что дает уверенность в том, что вполне реален правильный выбор характера взаимосвязи между параметрами ε, Т, g и в определении оптимального, т.е. практически достаточно точного, значения ОЧ автобензина.
Известно устройство для измерения ОЧ бензина в бензопроводе автомобиля, содержащее цилиндрический емкостной датчик, датчик температуры, встроенный в цилиндрический корпус датчика, RC-фильтр, генератор, блок клавиатуры, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок и блок индикации [6].
Недостатком этого октанометра является зависимость результатов измерений от электрической проводимости контролируемого бензина g, которая шунтирует емкость датчика. Это приводит к увеличению погрешности измерений ОЧ и даже к срыву колебаний генератора. Наличие даже небольшого количества воды или других примесей в бензине приводит к уменьшению активного сопротивления между обкладками емкостного датчика до десятков-сотен кОм, что значительно уменьшает точность измерения ОЧ. Измерение процентного содержания воды непременно приводит к необходимости гальванического контакта электродов с измеряемым топливом, что взрыво- и пожароопасно.
Другим аналогом предлагаемому устройству является октанометр, содержащий емкостной датчик со встроенным датчиком температуры, блоком обработки данных и индикации, в котором емкостной датчик с коаксиально расположенными цилиндрическими обкладками подключен к входу первого генератора, а резистивный датчик температуры соединен с входом второго генератора, причем емкостной 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 [7].
Недостатком данного устройства является то, что на частоту колебаний первого генератора также оказывает существенное влияние электрическая проводимость бензина, и наличие даже относительно небольшого содержания воды приводит к погрешностям измерений при определении ОЧ и, как следствие, к уменьшению достоверности результатов контроля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является октанометр, содержащий 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 (АЦП), выход которого соединен с третьим входом блока обработки данных, один из выходов которого подключен к управляющему входу АЦП. При этом сигнальный вход АЦП соединен с дополнительным выходом первого генератора, выполненного по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе, исток которого через 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 [8].
Недостатком данного устройства является взрыво-пожароопастность, связанная с непосредственным контактом электродов работающей электрической схемы емкостного датчика с автомобильным бензином, возможностью накопления заряда при продолжительном движении автомобиля и работе датчика, а также снижение точности определения ОЧ, вследствие нелинейной характеристики колебаний "трехточки" на полевом транзисторе и влияние внешних электропомех на измерительную схему цепи формирования сигнала.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности в работе и взрыво-пожаробезопасности, особенно при длительной, напряженной эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, за счет полной электрической изоляции элементов электрической схемы датчика от непосредственного контакта с автомобильным бензином, а также повышение точности за счет использования дифференциальной схемы включения двух идентичных генераторов и размещения датчиков диэлектрической проницаемости ε и температуры Т вблизи двигателя перед подачей топлива в работающий двигатель, а также снижение потребляемой мощности устройства.
1
1
2
Для достижения этого технического результата устройство для определения ОЧ бензинов, содержит встроенный в общий корпус емкостной датчик, соединенный с входом генератора Г, и датчик температуры, выполненный в виде терморезистора и встроенный в корпус емкостного датчика, два генератора Г и Г, связанные с входами предварительных усилителей, и выполненные в виде индуктивной трехточки на полевых транзисторах, блок стабилизации напряжения генераторов на кремниевом диоде и блоки обработки данных, сопряжения и индикации; емкостной датчик выполнен в виде цилиндрического или плоского проточного конденсатора, электроды и терморезистор которого герметично заключены внутри диэлектрика и полностью изолированы от проточного бензина; диэлектрический корпус датчика помещен в металлический экран, электрически связанный с корпусом двигателя и установлен вблизи карбюратора двигателя.
2
20
На вход второго генератора Г подключена постоянная емкость С, эквивалентная емкости датчика с диэлектрической проницаемостью вакуума, генераторы включены по дифференциальной схеме к входам смесителя в блоке обработки данных; выход блока обработки данных через блок сопряжения соединен с микропроцессором; в микропроцессор вводится значение электропроводности бензина; на другой вход блока сопряжения поступает сигнал с датчика температуры; все блоки электроники, кроме генераторов и стабилизатора напряжения соединены коаксиальными кабелями, закрепленными на корпусе, и установлены на панели управления в кабине водителя.
Для удобства работы водителя на экране дополнительно отражаются расчетная оптимальная рекомендуемая скорость движения, угол опережения зажигания и процентное содержание воды в бензине или его электропроводность вместе с текущим значением ОЧ и температуры бензина.
Проведенный патентный анализ уровня техники позволил установить в просмотренных аналогах отсутствие совокупности признаков, тождественной заявляемому техническому решению.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 показана схема проточного емкостного датчика, а на фиг. 3 - схема генератора с подключенным к нему емкостным датчиком.
x
20
20
В состав устройства входит емкостной датчик 1 (фиг. 1) цилиндрической (или прямоугольной) формы, оба электрода 1.1 которого герметично закреплены внутри корпуса из диэлектрика, защищенным снаружи экраном 1.2. Выводы емкостных электродов соединены коаксиальными проводами с генератором 3. Внутри корпуса датчика также установлен малогабаритный датчик температуры 7 (термосопротивление R). Внутри генератора 4 установлена постоянная емкость С, соответствующая значению ε=1. Оба генератора подключены к стабилизатору напряжения 5 (2-3 В), а их выходы подсоединены к смесителю 6. Выход смесителя 6 через формирователь 8 подключен к усилителю 9. Элементы 6, 8, 9 блок-схемы формируют единый общий блок обработки данных 10.
2
x
1
1
Емкостной датчик 1 (фиг. 2) содержит металлические (медная фольга) электроды с электрическими выводами для подключения к генератору 3. Электроды 1.1 закреплены внутри диэлектрика (корпуса датчика) с диэлектрической проницаемостью ε, который представляет собой цилиндрический (или плоский) бензопровод. Датчик температуры R устанавливается вне электродов 1.1 на расстоянии ≈ 0,5 мм от границы сред «бензин-диэлектрик». Толщина слоя проточного бензина - l, его диэлектрическая проницаемость - ε. Датчик герметично встраивается в систему бензопровода автомобиля.
Принципиальная схема генератора (фиг. 3) не является оригинальной. Она давно описана в справочниках по электронике и радиотехнике. Тем не менее, она обладает высокой чувствительностью, широким диапазоном и хорошей линейностью характеристики. Схема генератора 3 содержит на входе и выходе полевые транзисторы 3.1 и 3.2, а также стабилизаторы напряжений на кремниевых диодах 3.3 и 3.4. Затвор полевого транзистора 3.1 через диод 3.3 подключен к корпусу устройства, а исток 3.1 через емкость 3.5 соединен с затвором второго полевого транзистора 3.2, исток которого является выходом генератора 3. Питающее напряжение генераторов 3, 4 ограничивается кремниевым диодом 3.4, стабилитрона КС.
Устройство для измерения ОЧ бензинов работает следующим образом (на примере контроля ОЧ в бензопроводе автомобиля).
До начала измерений емкостным датчиком 1 для определения ОЧ с учетом возможного наличия в бензине воды измеряется электропроводность g пробы бензина (в лаборатории) и эта информация вручную заносится в память процессора 12.
1
1
х
1
2
20
1
2
х
1
Затем при заполнении топливом бензопровода и его поступлении в карбюратор двигателя выполняется измерение относительной диэлектрической проницаемости ε и температуры бензина протекающего между обкладками конденсатора датчика 1. Измеряемая резонансная частота ƒ датчика, соответствующая емкости С и диэлектрической проницаемости измеряемого бензина ε, поступает на первый вход смесителя 6 в блоке обработки данных. На второй вход смесителя поступает резонансная частота ƒ второго генератора 4, идентичного генератору 3, и соответствующая диэлектрической проницаемости вакуума, т.е. ε=1. На выходе смесителя формируется разностная частота Δƒ=ƒ-ƒ, которая позволяет более точно измерить изменения емкости С датчика 1 и диэлектрической проницаемости ε бензина, поскольку при этом происходит автоматическая компенсация влияния постоянных и синхронно изменяющихся помех на измерительный тракт генераторов и электрической цепи связи.
x
Через блок сопряжения 11 в процессор 12 от терморезистора R поступает информация о текущем значении температуры бензина. Для получения значений ОЧ бензина в микропроцессорном устройстве 12 происходит сравнение входной измерительной информации о проводимости, температуре и диэлектрической проницаемости бензина с цифровыми данными калибровочных характеристик эталонных бензинов с учетом поправок на влияние электропроводности и температуры бензина. После совместной обработки кодов, реализуемой в микропроцессорном блоке 12, результат преобразования, соответствующий реальному октановому числу бензина, находящегося в бензопроводе, выводится на блок индикации 13 компьютера автомобиля. Кроме того, на блок индикации по характеристике проводимости может быть выведено число, соответствующее процентному содержанию воды в контролируемом бензине.
Наличие информации об ОЧ и процентном содержании воды в бензине позволяет водителю судить о его реальном качестве. При установке дополнительного датчика в бензобак появляется возможность исключить заправку автомобиля низкокачественным бензином.
1
1
Дополнительное повышение точности измерения ОЧ в предлагаемом устройстве по отношению к прототипу обеспечивается за счет автоматической компенсации большинства помех, оказывающих влияние на измерительный тракт, таких, как нестабильность питающего напряжения, изменения температуры, электронаводки, нелинейные эффекты характеристик измерительного тракта. Кроме того, повышение точности измерений температуры бензина и диэлектрической проницаемости ε происходит за счет размещения генераторов в непосредственной близости от электродов датчика, использования коаксиальных проводов, расширения диапазона линейности измерительной характеристики, ибо в тех случаях, когда измеренное значение ε не совпадает с дискретными калибровочными значениями ОЧ эталонов, используется вычисление дополнительных значений методами интерполяции и экстраполяции.
Амплитуда выходного сигнала генераторов ограничивается на оптимальном уровне значением U=2 В за счет включения кремниевого диода (КД) 3.3 в цепи затвора полевого транзистора 3.1.
1
2
экв
Зная диэлектрическую проницаемость автомобильного бензина ε и диэлектрика корпуса датчика ε, можно рассчитать его эквивалентную емкость С и конструктивные параметры. Так, например, емкость плоского конденсатора рассчитывается по формуле:
2
где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора;
0
-12
ε=8,85⋅10 Ф/м - диэлектрическая постоянная;
S - площадь электродов конденсатора;
l - толщина слоя диэлектрика между обкладками конденсатора.
1
2
Электрическая емкость цилиндрического конденсатора, длиной L и радиусами R и R:
1
1
2
2
Предлагаемый емкостной датчик можно рассматривать (см. фиг. 2) как слоистый конденсатор, в котором l - толщина слоя проточного бензина диэлектрической проницаемостью ε, a l и ε - толщина слоя и диэлектрическая проницаемость диэлектрика корпуса датчика.
Тогда формула для расчета емкости такого конденсатора будет:
или
где
Например, для диэлектриков корпуса датчика 1 характерны значения:
2стекло
2фарфор
ε=7,0 и ε=5,0;
1
1кероси
для автомобильных бензинов ε≈1,2-2,2(εн=2,0).
Тогда для параметров датчика, равных, к примеру:
2
2
-3
-4
2
ε=5,0; l=1,5⋅10 м; S=4⋅1,5⋅10 м
1
1
-2
и параметров бензина ε=1,25; l=1⋅10 м
на основании выражений (3-5) расчетная емкость датчика будет:
c
экв
2
Рассчитав энергию заряженного конденсатора по формуле W=0,5⋅С⋅U, где U [В] - напряжение на обкладках конденсатора, получим:
c
-12
2
-12
-9
W=0,5⋅0,67⋅10[Ф]⋅2[В]=2,68⋅10[Дж]≈9⋅10[Вт⋅ч]<10[нВт⋅ч]
Эта ничтожная энергия не способна создать какие-либо нарушения в работе устройства.
Заметим, что большинство емкостных датчиков в известных октанометрах работают в диапазоне радиочастот. Однако радиочастотные способы и устройства имеют ограничения по точности, связанные с малой чувствительностью диэлектрической проницаемости бензина к изменению ОЧ в используемом метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах. Наиболее чувствительный диапазон - гигагерцовый [ГГц]. В нашем случае, генератор 3 как раз работает в этом диапазоне.
Таким образом, изобретение обеспечивает взрыво- и пожаробезопасный и оперативный контроль ОЧ бензинов, простоту анализа результатов измерений с достаточно высокой точностью, компактность и минимальное потребление энергии, т.е. удобство в использовании.
Изобретение может быть использовано при производстве топлива на станциях смешения, в исследовательских лабораториях, при контроле качества в выпускных бензосистемах НПЗ, БЦ и АЗС, а также для оперативной оптимизации условий бездетонационной работы двигателей внутреннего сгорания в процессе их эксплуатации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Белянин Б.В. Технический анализ нефтепродуктов и газа. Л. Химия, 1970, с. 164-168.
2. Патент РФ №2310832, МПК G01N 25/14, 2006.
3. Патент РФ №2100803, МПК G01N 27/22, 33/22, 1997 (прототип способа).
4. Ф. Эме. Диэлектрические измерения. М. Химия, 1967, с. 223.
5. Авт. свид. СССР №1673945, кл.G01N 27/02, 1989.
6. Патент РФ №2380695, МПК G01N 27/02, 2008.
7. Патент РФ №2206085, МПК G01N 27/22, 2001.
8. Патент РФ №2460065, МПК G01N 27/22, 2006. (прототип устройства).
9. Справочник радиолюбителя. М. Связь, 1995, с. 18.