ПРИБОР ДЛЯ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА АВТОМОБИЛЬНОГО БЕНЗИНА Российский патент 2006 года по МПК G01N27/22 

Предлагаемое изобретение относится к области контроля качества автомобильных бензинов.

Одним из основных параметров бензина является октановое число (о.ч.). Стандартные методы измерения о.ч. определены ГОСТ 8826-82 (исследовательский метод) и ГОСТ 511-82 (моторный метод). Однако эти методы требуют применения громоздкого оборудования и являются весьма дорогостоящими.

В последнее время разработан ряд приборов, позволяющих измерять о.ч. экспресс-методом. Принцип их основан на зависимости о.ч. бензина от его диэлектрической проницаемости ε (диэлькометрический метод). Приборы, использующие указанный метод, получили название октанометров [1-6]. Эти приборы компактны и требуют очень мало времени для измерения (до нескольких секунд).

Зависимость о.ч. от ε имеет сложный, нелинейный характер и определяется эмпирически. В некоторых октанометрах эта зависимость выражается в числовой форме и заносится в блок памяти прибора [3], в некоторых приборах она схемотехнически моделируется в виде сложной функциональной зависимости. В приборе, принятом в качестве прототипа [5], зависимость о.ч. от ε описана полиномом третьей степени:

где a₁, а₂, а₃, b, с - постоянные коэффициенты, определяемые из реальной зависимости о.ч. от ε, ρ - плотность бензина, Т - температура бензина. Реализация этой нелинейной зависимости в приборе требует применения сложной электрической схемы с использованием цифровой техники, что приводит к высокой стоимости устройства.

Описанный в [5] прибор содержит емкостный датчик диэлектрической проницаемости бензина, который включен в частотно-зависимую цепь автогенератора. Автогенератор подключен к вычислительному блоку, который в свою очередь соединен с блоком ввода данных и блоком цифровой индикации. Указанные блоки представляют собой довольно сложные цифровые устройства.

С целью упрощения схемы прибора представляется целесообразным формировать зависимость о.ч. от ε не с помощью кубического полинома, а посредством кусочно-линейной аппроксимации реальной зависимости, что позволит описать эту зависимость с любой необходимой точностью и при схемотехнической реализации позволит обойтись только линейными элементами, то есть упростить схему.

Следует отметить также следующее обстоятельство. Определение о.ч. по величине ε не является абсолютным методом измерения о.ч. Дело в том, что введение небольшого количества некоторых добавок (например, ацетона) в низкооктановый бензин увеличивает ε, но не увеличивает о.ч. Это может приводить к существенным погрешностям при измерении октанового числа приборами, использующими диэлькометрический метод. Наличие посторонних составляющих приводит и к другим отклонениям, снижающим качество бензина: ухудшению состава выхлопных газов, перебоям в работе двигателя и т.п. В сомнительных случаях для точного выяснения состава бензина его необходимо подвергать полному физико-химическому анализу, который может быть проведен только в лабораторных условиях и является весьма длительным, трудоемким и дорогостоящим процессом.

Сказанное позволяет сделать вывод, что при экспресс-анализе качества бензина необходимо ввести контроль некоторых дополнительных параметров, которые позволили бы сделать вывод о вероятности наличия в бензине посторонних добавок. Наиболее информативным параметром, с этой точки зрения, является электропроводность, поскольку чистый бензин имеет очень низкую электропроводность, а введение добавок, как правило, существенно повышает ее.

Предлагаемый прибор кроме измерения о.ч. позволяет измерять электропроводность бензина. Он содержит источник питания, автогенератор, емкостный датчик, детектор информационного сигнала, блок цифровой индикации. Отличие предлагаемого прибора в том, что в него введен переключатель, усилители с порогом усиления по входному сигналу, сумматор и резистор с масштабирующим усилителем. В первом положении переключателя емкостный датчик включен между автогенератором и детектором, соединенным со входами n масштабирующих усилителей, n-1 из которых имеют порог усиления по входному сигналу, выходы усилителей подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с блоком цифровой индикации. Во втором положении переключателя емкостный датчик включен между источником питания и резистором, соединенным со входом масштабирующего усилителя, выход которого подключен к блоку цифровой индикации.

На фиг.1 приведена блок-схема прибора, на которой 1 - автогенератор, 2 - емкостный датчик, 3 - детектор информационного сигнала, 4, 5, 6 - линейные операционные усилители, 7 - сумматор, 8 - блок цифровой индикации, 9 - источник питания, 10 - резистор с известной величиной сопротивления, 11 - масштабирующий усилитель, S1 - трехсекционный переключатель вида измерений. В положении переключателя «1» производится измерение о.ч. бензина, а в положении «2» - его электропроводности.

При измерении о.ч., как и в прототипе, используется диэлькометрический метод. Напряжение E(ε), пропорциональное диэлектрической проницаемости бензина, вырабатывается с помощью автогенератора 1, емкостного датчика 2 и детектора сигнала 3. Величина Е(ε) определяется выражением:

где E_г - выходное напряжение генератора 1, ω - частота генератора, R - сопротивление нагрузки детектора 3, С_д(ε) - электрическая емкость датчика 2. Емкостный датчик 2 представляет собой два коаксиальных металлических цилиндра, пространство между которыми при измерениях заполняется бензином с диэлектрической проницаемостью ε. Электрическая емкость заполненного датчика определяется выражением:

где С₀ - полная емкость пустого датчика, ΔC - конструктивная емкость датчика, которая не связана с наличием в датчике бензина (ΔC≪С₀). Однако, в отличие от прототипа формирование зависимости о.ч. от ε бензина производится посредством кусочно-линейной аппроксимации реальной зависимости. На фиг.2 показана зависимость напряжения U, отображающего октановое число, от информационного напряжения Е(ε), вырабатываемого емкостным датчиком. Штриховой линией показана реальная зависимость, а сплошной линией ее аппроксимация тремя линейными отрезками. Число таких отрезков может быть любым. Напряжения E₁, E₂, ..., соответствующие заданным значениям ε, рассчитываются по формулам (2), (3). Напряжения U₁, U₂, ... должны отражать о.ч. бензина, то есть должны быть кратны этому числу. Так, например, для бензина с о.ч. 80 напряжение U должно быть равно 800 мВ, для бензина с о.ч. 92 напряжение U должно составлять 920 мВ и т.д. Каждый линейный участок характеризуется своим коэффициентом наклона к горизонтальной оси. Эти коэффициенты вычисляются по формулам:

Первый линейный участок продолжается и левее точки (E₁, U₁) с тем же наклоном вплоть до значения напряжения Е, соответствующего пустому датчику (ε=1). Математически ломаная линия на фиг.2 описывается уравнениями:

где U₀ - напряжение смещения, определяющее необходимое положение всей ломаной линии относительно оси U. Значение U₀ определяется по любой конкретной точке ломаной линии, например, по точке (E₁, U₁):

При измерении о.ч. сигнал с генератора 1 подается на емкостный датчик 2. С датчика информационный сигнал Е(ε) через детектор 3 подается на входы линейных операционных усилителей 4, 5, 6 с коэффициентами усиления k₁, k₂-k₁, k₃-k₂, соответственно. При этом усилитель 5 имеет порог усиления Е₂, а усилитель 6 - порог усиления Е₃. Если напряжение Е ниже порогового значения, то на выходе данного усилителя напряжение равно нулю. После достижения порогового значения появляется выходное напряжение. Поэтому при Е<Е₂ работает только усилитель 4, при Е₂<Е<Е₃ работают усилители 4, 5, а при Е₃<Е<E₄ работают все усилители. Реализация усилителя с порогом усиления по входному сигналу достаточно проста. Она требует дополнительного подключения к операционному усилителю только двух диодов. Сигналы с выходов усилителей 4, 5, 6 поступают на сумматор 7. На него поступает также напряжение смещения U₀. Таким образом, выходное напряжение сумматора соответствует формулам (5), (6), (7). С выхода сумматора сигнал поступает на блок цифровой индикации 8, который содержит стандартный аналого-цифровой преобразователь и жидкокристаллический индикатор.

При измерении электропроводности бензина датчик 2 (фиг.1) включается между источником питания 9 и резистором 10 с известной величиной сопротивления, напряжение с которого подается на вход масштабирующего усилителя 11. С выхода этого усилителя сигнал поступает на блок цифровой индикации 8. При измерении электропроводности реализуется принципиальная схема, показанная на фиг.3. Датчик Д (блок 2 на фиг.1), заполненный бензином, сопротивление которого обозначено через R_x, соединен последовательно с резистором (блок 10 на фиг.1), сопротивление R которого известно. Эта цепь подключена к источнику питания (блок 9 на фиг.1) с напряжением Е₀. Напряжение u, возникающее на сопротивлении R, подано на вход масштабирующего усилителя У (блок 11 на фиг.1) с коэффициентом усиления m. Напряжение с выхода усилителя u_вых=mu поступает на блок цифровой индикации (блок 8 на фиг.1). Сопротивление R_x очень велико (сотни МОм), поэтому выполняется условие R≪R_x. При этом:

Следовательно, проводимость бензина в датчике равна:

Удельная проводимость бензина выражается формулой:

где S - площадь электродов датчика, L - расстояние между электродами датчика. Удельная проводимость (электропроводность) через выходное напряжение u_вых определяется соотношением:

Коэффициент усиления m усилителя У подбирается таким образом, чтобы между напряжением u_вых, отображаемым на блоке цифровой индикации в вольтах, и удельной электропроводностью, измеряемой в наносименсах/метр (нСм/м), было определенное кратное соотношение. Иначе говоря, коэффициент m создает масштаб для измерения удельной электропроводности.

Для проверки работы предлагаемого устройства был выполнен экспериментальный прибор, моделирующий зависимость о.ч. от ε в виде ломаной линии из двух линейных участков и позволяющий измерять электропроводность по предлагаемой схеме. Автогенератор был реализован на микросхеме К561ЛА7, детектор сигнала на диодах КД522Б, все усилители и сумматор на операционных усилителях типа К1401УД2. В качестве блока цифровой индикации были применены аналого-цифровой преобразователь типа КР572ПВ5 и жидкокристаллический индикатор ИЖЦ14-4/7. В качестве источника питания была использована батарея типа «Крона» с напряжением 9 В. Макет прибора позволял измерять о.ч. бензина в диапазоне от 72 до 95 единиц. Граница между двумя линейными участками ломаной линии была установлена в точке, соответствующей 92 единицам октанового числа. При этом разрешающая способность составляла 0,1 единицы о.ч., а погрешность измерения не превышала 1,0 единицы о.ч. Диапазон измерения электропроводности составлял от 0 до 20 нСм/м с разрешающей способностью 0,01 нСм/м.

Преимущество предлагаемого прибора по сравнению с прототипом заключается в упрощении схемы и удешевлении прибора за счет применения только линейных элементов схемы, а также в существенном расширении возможностей контроля качества бензина за счет измерения не только о.ч. бензина, но и его электропроводности, что повышает информативность контроля.

Источники информации:

1. Астапов В.Н., Скворцов Б.В. Электронный октанометр. Журнал «Измерительная техника», 1999, №10, с.63-65.

2. Октанометр СВП 1.00.000; ООО НПИКЦ, г.Санкт-Петербург.

3. Октанометр. Инстьитут химии нефти СО РАН, г.Томск.

4. Октанометр АС-98. ООО «Протон», г.Самара.

5. Шатохин В.Н. и др. Способ и устройство для определения октановых чисел автомобильных бензинов. - Патент №2100803, Россия. Бюллетень изобретений №36, 1997 г.

6. Октанометр АК-3Б. Инженерная академия, Сибирский филиал, г.Новосибирск.

Предлагаемое изобретение относится к области контроля качества бензина. Технический результат изобретения заключается в повышении качества и информативности контроля за счет обеспечения возможности измерения октанового числа и электропроводности бензина. Сущность: прибор содержит источник питания, автогенератор, емкостный датчик, детектор информационного сигнала, блок цифровой индикации, переключатель, усилители с порогом усиления по входному сигналу, сумматор и резистор с масштабирующим усилителем. В первом положении переключателя емкостный датчик включен между автогенератором и детектором, соединенным со входами n масштабирующих усилителей, n-1 из которых имеют порог усиления по входному сигналу, выходы усилителей подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с блоком цифровой индикации. Во втором положении переключателя емкостный датчик включен между источником питания и резистором, соединенным со входом масштабирующего усилителя, выход которого подключен к блоку цифровой индикации. В положении переключателя "1" производится измерение о.ч. бензина, а в положении "2" - его электропроводности. 3 ил.

Прибор для экспресс-контроля качества автомобильного бензина, содержащий источник питания, автогенератор, емкостный датчик, детектор информационного сигнала, блок цифровой индикации, отличающийся тем, что в прибор введены переключатель, усилители с порогом усиления по входному сигналу, сумматор и резистор с масштабирующим усилителем, при этом в первом положении переключателя емкостный датчик включен между автогенератором и детектором, который соединен со входами n масштабирующих усилителей, n-1 из которых имеют порог усиления по входному сигналу, выходы всех усилителей подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с блоком цифровой индикации, во втором положении переключателя емкостный датчик включен между источником питания и резистором, соединенным со входом масштабирующего усилителя, выход которого подключен к блоку цифровой индикации.