Багато сучасні автомобілі оснащені електронною системою запалювання з комп'ютерним блоком керування подачею і уприскуванням палива. Один з важливих для правильної роботи блоку управління параметрів — октанове число бензину. При його невідповідності стандартного двигун не зможе працювати в оптимальному режимі, порушиться процес управління уприскуванням палива аж до аварійної втрати потужності. Тому наявність простого і доступного для всіх автолюбителів пристрою контролю октанового числа бензину, що заливається в паливний бак, сьогодні дуже актуально.
Известно множество различных способов измерения октанового числа бензина [1], на основе которых освоен выпуск октаномеров. Например, широко применяемый в России прибор ZX101С фирмы Zeltex использует метод измерения октанового числа, основанный на поглощении бензином инфракрасного излучения в диапазоне 800…1100 нм. Запатентованная оптическая схема прибора содержит 14 светофильтров, в результате чего образуются 14 отсчётов спектра поглощения в указанном диапазоне. Далее на основе калибровочной модели вычисляется октановое число.
Випускається також лабораторний аналізатор ХХ-440, призначений для експрес-аналізу октанового числа бензину. Він простий у використанні і має високу надійність завдяки складним сучасним технологіям і запатентованим технічним рішенням, застосованим при його створенні. Після кожного включення прилад самотестуеться для досягнення максимальної точності. Результати вимірювань відображаються на дисплеї і можуть бути роздруковані на власному принтері з зазначенням номера проби, дати та часу проведення випробувань. Але вартість такого приладу вимірюється десятками тисяч доларів США. Створити аналогічні октаномеры в домашніх умовах досить важко навіть дуже досвідченому радіоаматорові.
Для створення малогабаритного і дешевого приладу оперативного контролю якості палива можна скористатися ультразвуковим методом визначення октанового числа бензину [2], в основі якого лежить вимірювання швидкості поширення ультразвуку в бензині. На основі цього методу вітчизняною промисловістю вже випускаються октаномеры АС-98, ЅНАТОХ ЅХ-150, ОКТАН-ЇМ і ін.
Розглянутий нижче октаномер не претендує на високу точність визначення октанового числа бензину порівняно з заявленою точністю промислових приладів, але тим не менш дозволяє відрізнити хороший бензин від поганого. Це важливо для автолюбителя, тому що якість бензину на багатьох АЗС, на жаль, не відповідає нормам. До того ж такий октано-заходів простий у виготовленні, вимагає мінімального налагодження, у ньому використана дешева елементна база.
Блок-схема ультразвукового октаномера показана на рис. 1. На виході генератора одиночного імпульсу формується імпульс (1), який передавач переносить на резонансну частоту випромінювача ультразвуку (2). У найбільш поширених нині випускаються ультразвукових випромінювачів ця частота дорівнює 40, 200 або 400 кГц [3]. Імпульс випромінюється в бензобак автомобіля.
Рис. 1.
На протилежній стороні бензобака ультразвукової приймач приймає цей імпульс (3), а селективний детектор перетворює його в імпульс постійного струму (4), затриманий щодо імпульсу (1) на час поширення ультразвуку в бензині. Це час дорівнює:
Dt = L/V
де L — відстань між випромінювачем і приймачем ультразвуку; V — швидкість поширення ультразвуку в аналізованому бензині. По фронтах випроміненого і прийнятого імпульсів формується імпульс (5), тривалість якого дорівнює Δt.
Вимірявши її і знаючи відстань між випромінювачем і приймачем, можна обчислити швидкість V і по ній оцінити октанове число бензину.
Для вимірювання тривалості імпульсу заповнюють наступними з відомим періодом лічильними імпульсами і підраховують їх кількість. Потім це число порівнюють з еталонними константами для різних марок бензину, і за результатами порівняння, виведеним на світлодіодний індикатор, роблять висновок про марку і якості бензину.
Значення швидкості поширення ультразвуку при різній температурі в бензинах, що використовуються в даний час в автомобільних двигунах і в повітрі, наведені в табл. 1.
Таблиця 1
Так як швидкість поширення ультразвуку в бензині істотно залежить від температури, вимірювальну установку оснащують термостатом, вмонтувавши у бак з бензином датчик температури і нагрівач. Це істотно підвищує точність вимірювання, особливо в зимовий час.
Принципова схема октаномера, що працює за описаним принципом, представлена на рис. 2.
Рис. 2.
Передавач і селективний детектор ультразвукового сигналу побудовані на базі мікросхеми тонального декодера LМ567 (DА2). Ця мікросхема уявляє собою синхронний детектор, опорний генератор якого охоплений петлею ФАПЧ. Генератор можна налаштувати на будь-яку частоту F від 100 Гц до 500 кГц, вибравши відповідні параметри елементів С6, R9 і R10:
Оскільки в приладі використовуються ультразвукові перетворювачі MA40S4R (ВМ1) і MA40S4S (ВА1) з резонансною частотою 40 кГц [3], то і частота генератора повинна бути такою ж. За рахунок використання одного і того ж генератора для формування випромінюваного імпульсу і детектування прийнятого забезпечується стійка настройка приймача на сигнал передавача.
Кварцовий генератор на логічному елементі DD8.4 формує лічильні імпульси частотою 1 МГц, заповнюють за допомогою елемента DD8.3 імпульс різниці випроміненого і прийнятого сигналів, що утворюється на виході елемента DD8.1. Таким чином, число імпульсів, які пройшли через елемент DD8.3, дорівнює тривалості проходження ультразвуком мірного відрізка у бензині, вираженої в мікросекундах. Для бензину різних марок при температурі 20 °С і довжини мірного відрізка 1 м це число (N) зазначено в табл. 2.
Таблиця 2
Підраховує імпульси лічильник DD1. Оскільки використовуються тільки сім його розрядів, в яких може міститися не більше 127, в процесі рахунку вони багаторазово переповнюються і по його завершенні у них знаходиться залишок відділення числа підрахованих імпульсів на 128 (mod N 128). Ці залишки також вказані в табл. 2. Оскільки різниця між максимально і мінімально можливими значеннями залишків числа імпульсів не перевищує 127, неоднозначності відліку при аналізі стану семи розрядів лічильника не виникає.
Число з виходів лічильника надходить на один з входів цифрового компаратора на мікросхемах DD3 і DD5. На другий вхід компаратора з допомогою перемикача SA1 по черзі подають числа, відповідні еталонної тривалості затримки для чотирьох марок бензину. Ці числа встановлюються на входах буферних елементів DD2, DD4, DD6 і DD9 в інверсному двійковому коді, оскільки ці елементи — інвертують. Оскільки виходи цих елементів мають три стани, їх можна об'єднати в загальну шину, що і зроблено в октанометре.
При іншої довжини мірного відрізка (довжині бензобака) зразкові числа N змінюються пропорційно, потім беруться залишки від їх ділення на 128.
Приступая к измерению октанового числа бензина, следует установить переключатель SА1 в положение “АИ-80”. Затем обнулить счётчик нажатием на кнопку SВ1 и, нажав на кнопку SВ2, произвести измерение. Если октановое число бензина меньше эталонного для бензина этой марки, то включится красный светодиод НL3. Если оно равно эталонному, включится жёлтый светодиод НL2. Если больше, то будет включён зелёный светодиод HL1. В последнем случае следует последовательно переводить переключатель SА1 в положения, соответствующие большим октановым числам, продолжая наблюдать за светодиодами.
Налагодження пристрою зводиться до встановлення частоти 40 кГц на вивід 5 мікросхеми DАЗ з допомогою підлаштування резистора R9. Якщо використовувати більш високочастотні ультразвукові перетворювачі на 100 або 200 кГц, то частоту генератора необхідно відповідно збільшити. Однак слід мати на увазі, що з підвищенням частоти ультразвуку його загасання в бензині зростає. Тому розміри бака, в якому проводяться вимірювання, доведеться зменшити, а це збільшить похибка приладу.
Цифрові мікросхеми, використовувані в октаномере, можна замінити їх імпортними аналогами серій 4000 і 74НС. Замість стабілізатора напруги LТ3013ЕFЕ підійде будь-який лінійний стабілізатор з регульованим або фіксованою вихідною напругою 5 В і максимальним струмом навантаження не менше 100 мА. Оскільки на стабілізаторі розсіюється потужність близько 0,7 Вт, його потрібно забезпечити тепло-відведенням.
Схема показана на термостата рис. 3. Він побудований на спеціалізованій мікросхемі термостата LМ56ВIМ (DА1), яка має вбудований датчик температури і джерело зразкового напруги 1,25 (висновок 1).
Рис. 3.
Температуру включення і вимикання нагрівача задають значеннями напруги відповідно на входах UTL (висновок 3) і UTH (висновок 2), які повинні бути рівні [4]:
де ТL і ТН — задані значення температури відповідно включення і вимикання нагрівача, °С.
Ці напруги отримують з зразкового напруги Uref (висновок 1) з допомогою резистивного дільника напруги R1-RЗ. Задавшись значенням RΣ=R1+R2+R3, опори цих резисторів можна розрахувати за формулами:
Зазначені на схемі номінали резисторів R1-R3 забезпечують температуру включення нагрівача близько 18 °С, а температуру його вимикання близько 26°с. Якщо температура бензину менше 18°С, то світиться світлодіод HL2 і включається нагрівальний елемент ЕК1. Якщо температура вище 26°С, то нагрівач вимикається, але включається світлодіод HL1. Отже, коли включений будь-який з світлодіодів, проводити вимірювання октанового числа бензину не варто.
Для правильного вимірювання температури бензину корпус мікросхеми LM56BIM повинен мати хороший тепловий контакт з бензобаком. Для підігріву бензобака використані самоклеючі нагрівальні фолії [5].
ЛІТЕРАТУРА
- Способи вимірювання октанового числа в паливі. — URL: http://www.oktis.ru/press/ sposoby-izmereniya-oktanovogo-chisla-v-toplive/ (02.11.14).
- Пащенко В. М., Чуклов В. С., Ван-цов В. И., Колосов А. А. Способ определения окта+ювого числа автомобильных бензинов. Патент RU 2189039 С2. – URL: http:// bd.patent.su/2189000-2189999/pat/ servl/servletf315.html (23.10.14).
- Ultrasonic Sensor. Application Manual. — URL: http://www.symmetron.ru/suppliers/ murata/files/pdf/murata/ultrasonic-sensors.pdf (23.10.14)
- LM56 Dual Output Low Power Thermostat. — URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ Im56.pdf (23.10.14).
- Самоклеючі нагрівальні фолії 12 VDC. — URL: http://dip8.ru/files/pdf/ fg12v.pdf (23.10.14).
Автор: А. КОРНЄВ р. Одеса, Україна
Джерело: РАДІО №2, 2015
