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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Contatore del numero di ottano ad ultrasuoni per benzina. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Molte auto moderne sono dotate di un sistema di accensione elettronica con un'unità di controllo computerizzata per l'alimentazione e l'iniezione del carburante. Uno dei parametri importanti per il corretto funzionamento della centralina è il numero di ottano della benzina. Se non è conforme allo standard, il motore non sarà in grado di funzionare in modalità ottimale, il processo di controllo dell'iniezione di carburante verrà interrotto, fino a una perdita di potenza di emergenza. Pertanto, oggi è molto importante la presenza di un dispositivo semplice e accessibile a tutti gli automobilisti per monitorare il numero di ottano della benzina versata nel serbatoio del carburante. Esistono molti metodi diversi per misurare il numero di ottano della benzina [1], sulla base dei quali è stata sviluppata la produzione di ottanomeri. Ad esempio, il dispositivo Zeltex ZX101C, ampiamente utilizzato in Russia, utilizza un metodo per misurare il numero di ottano basato sull'assorbimento della radiazione infrarossa da parte della benzina nell'intervallo 800...1100 nm. Il design ottico brevettato del dispositivo contiene 14 filtri luminosi, che danno luogo alla formazione di 14 letture dello spettro di assorbimento nell'intervallo specificato. Successivamente, il numero di ottano viene calcolato in base al modello di calibrazione. Viene prodotto anche un analizzatore da laboratorio XX-440, progettato per l'analisi espressa del numero di ottano della benzina. È facile da usare e altamente affidabile grazie alle più sofisticate tecnologie moderne e alle soluzioni tecniche brevettate utilizzate nella sua realizzazione. Dopo ogni accensione, il dispositivo effettua un autotest per ottenere la massima precisione. I risultati della misurazione vengono visualizzati sul display e possono essere stampati sulla stampante integrata indicando il numero del campione, la data e l'ora del test. Ma il costo di un dispositivo del genere è misurato in decine di migliaia di dollari USA. È molto difficile anche per un radioamatore molto esperto creare ottanometri simili a casa. Per creare un dispositivo di piccole dimensioni ed economico per il monitoraggio operativo della qualità del carburante, è possibile utilizzare il metodo ad ultrasuoni per determinare il numero di ottano della benzina [2], che si basa sulla misurazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni nella benzina. Sulla base di questo metodo, l'industria nazionale ha già prodotto ottanomeri AS-98, SHATOX SX-150, OKTAN-IM, ecc. Il misuratore di ottano discusso di seguito non pretende di essere estremamente preciso nel determinare il numero di ottano della benzina rispetto alla precisione dichiarata degli strumenti industriali, ma consente comunque di distinguere la benzina buona da quella cattiva. Questo è importante per un appassionato di auto, poiché la qualità della benzina in molte stazioni di servizio, sfortunatamente, non soddisfa gli standard. Inoltre, un tale ottanomero è facile da produrre, richiede una regolazione minima e utilizza una base elementare economica.
Lo schema a blocchi di un ottanometro ad ultrasuoni è mostrato in Fig. 1. All'uscita del singolo generatore di impulsi viene generato un impulso (1), che il trasmettitore trasferisce alla frequenza di risonanza dell'emettitore di ultrasuoni (2). Per gli emettitori a ultrasuoni più comuni attualmente prodotti, questa frequenza è 40, 200 o 400 kHz [3]. L'impulso viene emesso nel serbatoio del gas dell'auto. Sul lato opposto del serbatoio del gas, un ricevitore ad ultrasuoni riceve questo impulso (3) e un rilevatore selettivo lo trasforma in un impulso di corrente continua (4), ritardato rispetto all'impulso (1) mentre gli ultrasuoni si propagano nella benzina. Questa volta è uguale Δt = L/V, dove L è la distanza tra l'emettitore e il ricevitore degli ultrasuoni; V è la velocità di propagazione degli ultrasuoni nella benzina analizzata. Lungo i bordi degli impulsi emessi e ricevuti si forma un impulso (5), la cui durata è pari a Δt. Misurandola e conoscendo la distanza tra emettitore e ricevitore, è possibile calcolare la velocità V e utilizzarla per stimare il numero di ottano della benzina. Per misurare la durata, l'impulso viene riempito con i successivi impulsi di conteggio con un periodo noto e viene contato il loro numero. Questo numero viene poi confrontato con le costanti di riferimento delle diverse marche di benzina e, in base ai risultati del confronto visualizzati sull'indicatore LED, si giunge ad una conclusione sulla marca e sulla qualità della benzina. I valori della velocità di propagazione degli ultrasuoni a diverse temperature nella benzina attualmente utilizzata nei motori delle automobili e nell'aria sono riportati nella tabella. 1. Tabella 1
Poiché la velocità di propagazione degli ultrasuoni nella benzina dipende in modo significativo dalla temperatura, l'impianto di misurazione è dotato di un termostato che integra un sensore di temperatura e un riscaldatore nel serbatoio della benzina. Ciò aumenta notevolmente la precisione della misurazione, soprattutto in inverno. Un diagramma schematico di un ottanomero che funziona secondo il principio descritto è mostrato in Fig. 2. Il trasmettitore e il rilevatore selettivo del segnale ultrasonico sono costruiti sulla base del chip decodificatore di toni LM567 (DA2). Questo chip è un rilevatore sincrono, il cui oscillatore di riferimento è coperto da un loop PLL. Il generatore può essere configurato su qualsiasi frequenza F da 100 Hz a 500 kHz selezionando i parametri appropriati degli elementi C6, R9 e R10: F = 1/(1,1·C6·(R9+R10)). Poiché il dispositivo utilizza trasduttori ad ultrasuoni MA40S4R (BM1) e MA40S4S (BA1) con una frequenza di risonanza di 40 kHz [3], la frequenza del generatore dovrebbe essere la stessa. Utilizzando lo stesso generatore per formare l'impulso emesso e rilevare l'impulso ricevuto, è garantita una sintonizzazione stabile del ricevitore sul segnale del trasmettitore.
Un oscillatore al quarzo basato sull'elemento logico DD8.4 genera impulsi di conteggio con una frequenza di 1 MHz che, utilizzando l'elemento DD8.3, riempie l'impulso della differenza tra i segnali emessi e ricevuti generati all'uscita dell'elemento dD8 . 1. Pertanto, il numero di impulsi che attraversano l'elemento DD8.3 è pari alla durata del passaggio degli ultrasuoni di un segmento di misurazione nella benzina, espressa in microsecondi. Per benzina di diverse marche ad una temperatura di 20 оCon e la lunghezza del segmento misurato è 1 m, questo numero (N) è indicato nella tabella. 2. Tabella 2
Gli impulsi vengono contati dal contatore DD1. Poiché vengono utilizzate solo sette delle sue cifre, che possono contenere un numero non superiore a 127, durante il processo di conteggio vengono superate molte volte e al termine contengono il resto della divisione del numero di impulsi contati per 128 (N mod 128) . Questi residui sono elencati anche nella tabella. 2. Poiché la differenza tra i valori massimo e minimo possibili del resto del numero di impulsi non supera 127, non vi è alcuna ambiguità nel conteggio quando si analizza lo stato di soli sette bit del contatore. Il numero dalle uscite del contatore va a uno degli ingressi del comparatore digitale sui chip DD3 e DD5. Utilizzando l'interruttore SA1, i numeri corrispondenti alla durata del ritardo di riferimento per quattro marche di benzina vengono forniti alternativamente al secondo ingresso del comparatore. Questi numeri sono impostati agli ingressi degli elementi buffer DD2, DD4, DD6 e DD9 in codice binario inverso, poiché questi elementi sono invertiti. Poiché le uscite di questi elementi hanno tre stati, possono essere combinate in un bus comune, come avviene nel misuratore di ottano. Con una diversa lunghezza del segmento di misurazione (la lunghezza del serbatoio del gas), i numeri standard N cambiano proporzionalmente, quindi vengono presi i resti della loro divisione per 128. Quando si inizia a misurare il numero di ottano della benzina, è necessario impostare l'interruttore SA1 sulla posizione "AI-80". Quindi azzerare il contatore premendo il pulsante SB1 e premendo il pulsante SB2 per effettuare la misurazione. Se il numero di ottano della benzina è inferiore al numero di riferimento della benzina di questa marca, si accenderà il LED rosso HL3. Se è uguale a quello di riferimento si accenderà il led giallo HL2. Se di più si accenderà il LED verde HL1. In quest'ultimo caso, l'interruttore SA1 dovrebbe essere spostato in sequenza nelle posizioni corrispondenti ai numeri di ottano più alti, continuando a monitorare i LED. La configurazione del dispositivo si riduce all'impostazione della frequenza su 40 kHz sul pin 5 del chip DA3 utilizzando il resistore di regolazione R9. Se si utilizzano trasduttori a ultrasuoni con frequenza più elevata di 100 o 200 kHz, la frequenza del generatore deve essere aumentata di conseguenza. Tuttavia, va tenuto presente che all'aumentare della frequenza ultrasonica aumenta la sua attenuazione nella benzina. Pertanto le dimensioni del serbatoio in cui verranno effettuate le misurazioni dovranno essere ridotte e ciò aumenterà l'errore del dispositivo. I microcircuiti digitali utilizzati nell'ottanometro possono essere sostituiti con analoghi importati delle serie 4000 e 74HC. Al posto dello stabilizzatore di tensione LT3013EFE, è adatto qualsiasi stabilizzatore lineare con una tensione di uscita regolabile o fissa di 5 V e una corrente di carico massima di almeno 100 mA. Poiché lo stabilizzatore dissipa circa 0,7 W di potenza, deve essere dotato di dissipatore di calore. Lo schema del termostato è mostrato in Fig. 3. È costruito su un chip termostato specializzato LM56BIM (DA1), che ha un sensore di temperatura integrato e una sorgente di tensione di riferimento di 1,25 V (pin 1). La temperatura alla quale il riscaldatore viene acceso e spento è impostata dai valori di tensione rispettivamente sugli ingressi UTL (pin 3) e UTH (pin 2), che devono essere uguali a [4]: UTL = 0,0062 TL + 0,395 UTH = 0,0062 TH +0,395, doveL e TH - impostare i valori di temperatura per l'accensione e lo spegnimento del riscaldatore, °C.
Queste tensioni sono ricavate dalla tensione di riferimento Uref (pin 1) utilizzando un partitore di tensione resistivo R1-R3. Dato il valore di RΣ=R1+R2+R3, la resistenza di questi resistori può essere calcolata utilizzando le formule: R2=UTLRΣ / 1,25 R1 = (uTHRΣ / 1,25) - R2 R3=RΣ -R1-R2 I valori delle resistenze R1-R3 indicati nello schema garantiscono che la temperatura di accensione del riscaldatore sia di circa 18 оC e la sua temperatura di spegnimento è di circa 26 оC. Se la temperatura della benzina è inferiore a 18 оC, poi si accende il LED HL2 e si accende l'elemento riscaldante EK1. Se la temperatura è superiore a 26 оC, il riscaldatore si spegne, ma il LED HL1 si accende. Pertanto, quando uno qualsiasi dei LED è acceso, non vale la pena misurare il numero di ottano della benzina. Per misurare correttamente la temperatura della benzina, l'alloggiamento del chip LM56BIM deve avere un buon contatto termico con il serbatoio del gas. Per riscaldare il serbatoio del gas vengono utilizzate pellicole riscaldanti autoadesive [5]. Letteratura
Autore: A. Kornev
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