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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ultraschall-Oktanmessgerät für Benzin. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Viele moderne Autos sind mit einem elektronischen Zündsystem mit einer Computersteuereinheit für Kraftstoffzufuhr und Einspritzung ausgestattet. Einer der für den korrekten Betrieb des Steuergeräts wichtigen Parameter ist die Oktanzahl des Benzins. Wenn es nicht der Norm entspricht, kann der Motor nicht im optimalen Modus arbeiten, die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung wird gestört, bis hin zu einem Notstromausfall. Daher ist das Vorhandensein eines einfachen und für alle Autofahrer zugänglichen Geräts zur Überwachung der Oktanzahl des in den Kraftstofftank eingefüllten Benzins heute sehr wichtig. Es gibt viele verschiedene Methoden zur Messung der Oktanzahl von Benzin [1], auf deren Grundlage die Herstellung von Oktanomeren entwickelt wurde. Beispielsweise verwendet das in Russland weit verbreitete Gerät Zeltex ZX101C eine Methode zur Messung der Oktanzahl, die auf der Absorption von Infrarotstrahlung durch Benzin im Bereich von 800 bis 1100 nm basiert. Das patentierte optische Design des Geräts enthält 14 Lichtfilter, was zur Bildung von 14 Absorptionsspektrumwerten im angegebenen Bereich führt. Anschließend wird die Oktanzahl anhand des Kalibrierungsmodells berechnet. Außerdem wird ein Laboranalysator XX-440 hergestellt, der für die Expressanalyse der Oktanzahl von Benzin ausgelegt ist. Dank modernster Technologien und patentierter technischer Lösungen ist es einfach zu bedienen und äußerst zuverlässig. Nach jedem Einschalten führt das Gerät einen Selbsttest durch, um maximale Genauigkeit zu erreichen. Die Messergebnisse werden auf dem Display angezeigt und können auf dem eingebauten Drucker unter Angabe der Probennummer, des Datums und der Uhrzeit der Prüfung ausgedruckt werden. Doch die Kosten für ein solches Gerät belaufen sich auf Zehntausende US-Dollar. Selbst für einen sehr erfahrenen Funkamateur ist es sehr schwierig, ähnliche Oktanometer zu Hause herzustellen. Um ein kleines und kostengünstiges Gerät zur Betriebsüberwachung der Kraftstoffqualität zu erstellen, können Sie die Ultraschallmethode zur Bestimmung der Oktanzahl von Benzin [2] verwenden, die auf der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in Benzin basiert. Basierend auf dieser Methode hat die heimische Industrie bereits die Oktanomere AS-98, SHATOX SX-150, OKTAN-IM usw. hergestellt. Das im Folgenden besprochene Oktanmessgerät erhebt keinen Anspruch auf eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Oktanzahl von Benzin im Vergleich zur angegebenen Genauigkeit von Industrieinstrumenten, ermöglicht aber dennoch die Unterscheidung zwischen gutem und schlechtem Benzin. Dies ist für einen Autoliebhaber wichtig, da die Benzinqualität an vielen Tankstellen leider nicht den Standards entspricht. Darüber hinaus ist ein solches Oktanomer einfach herzustellen, erfordert nur minimale Anpassungen und verwendet eine kostengünstige Elementbasis.
Das Blockschaltbild eines Ultraschalloktanometers ist in Abb. dargestellt. 1. Am Ausgang des Einzelimpulsgenerators wird ein Impuls (1) erzeugt, den der Sender auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsenders (2) überträgt. Bei den derzeit gängigsten Ultraschallsendern beträgt diese Frequenz 40, 200 oder 400 kHz [3]. Der Impuls wird in den Benzintank des Autos abgegeben. Auf der gegenüberliegenden Seite des Benzintanks empfängt ein Ultraschallempfänger diesen Impuls (3) und ein selektiver Detektor wandelt ihn in einen Gleichstromimpuls (4) um, der gegenüber dem Impuls (1) verzögert ist, während sich der Ultraschall im Benzin ausbreitet. Diese Zeit ist gleich Δt = L/V, wobei L der Abstand zwischen Ultraschallsender und -empfänger ist; V ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls im analysierten Benzin. Entlang der Flanken der ausgesendeten und empfangenen Impulse entsteht ein Impuls (5), dessen Dauer gleich Δt ist. Indem Sie sie messen und den Abstand zwischen Sender und Empfänger kennen, können Sie die Geschwindigkeit V berechnen und daraus die Oktanzahl von Benzin abschätzen. Zur Messung der Dauer wird der Impuls mit den folgenden Zählimpulsen bekannter Periode aufgefüllt und deren Anzahl gezählt. Diese Zahl wird dann mit Referenzkonstanten für verschiedene Benzinmarken verglichen und anhand der auf der LED-Anzeige angezeigten Vergleichsergebnisse wird eine Schlussfolgerung über die Marke und Qualität des Benzins gezogen. Die Werte der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall bei verschiedenen Temperaturen in Benzin, das derzeit in Automotoren verwendet wird, und in Luft sind in der Tabelle angegeben. 1. Tabelle 1
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in Benzin maßgeblich von der Temperatur abhängt, wird die Messanlage mit einem Thermostat ausgestattet, indem ein Temperatursensor und eine Heizung in den Benzintank integriert werden. Dies erhöht insbesondere im Winter die Messgenauigkeit deutlich. Ein schematisches Diagramm eines Oktanomers, das nach dem beschriebenen Prinzip arbeitet, ist in Abb. dargestellt. 2. Der Sender und der selektive Detektor des Ultraschallsignals basieren auf dem Tondecoderchip LM567 (DA2). Bei diesem Chip handelt es sich um einen Synchrondetektor, dessen Referenzoszillator von einer PLL-Schleife abgedeckt wird. Der Generator kann auf jede beliebige Frequenz F von 100 Hz bis 500 kHz konfiguriert werden, indem die entsprechenden Parameter der Elemente C6, R9 und R10 ausgewählt werden: F = 1/(1,1·C6·(R9+R10)). Da das Gerät die Ultraschallwandler MA40S4R (BM1) und MA40S4S (BA1) mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz [3] verwendet, sollte die Generatorfrequenz gleich sein. Durch die Verwendung desselben Generators zur Bildung des ausgesendeten Impulses und zur Erkennung des empfangenen Impulses wird eine stabile Abstimmung des Empfängers auf das Sendersignal gewährleistet.
Ein Quarzoszillator auf Basis des DD8.4-Logikelements erzeugt Zählimpulse mit einer Frequenz von 1 MHz, die mit dem DD8.3-Element den am Ausgang des dD8-Elements erzeugten Differenzimpuls zwischen den ausgesendeten und empfangenen Signalen auffüllen . 1. Somit ist die Anzahl der Impulse, die das DD8.3-Element durchlaufen, gleich der Dauer des Ultraschalldurchgangs eines Messsegments in Benzin, ausgedrückt in Mikrosekunden. Für Benzin verschiedener Marken bei einer Temperatur von 20 оBei einer Länge des gemessenen Segments von 1 m ist diese Zahl (N) in der Tabelle angegeben. 2. Tabelle 2
Die Impulse werden vom Zähler DD1 gezählt. Da nur sieben seiner Ziffern verwendet werden, die eine Zahl von maximal 127 enthalten können, werden sie während des Zählvorgangs viele Male überlaufen und enthalten nach Abschluss den Rest der Division der Anzahl der gezählten Impulse durch 128 (N mod 128). . Diese Rückstände sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt. 2. Da die Differenz zwischen den maximal und minimal möglichen Werten der restlichen Impulszahl 127 nicht überschreitet, besteht bei der Analyse des Zustands von nur sieben Bits des Zählers keine Mehrdeutigkeit in der Zählung. Die Zahl von den Zählerausgängen geht an einen der Eingänge des digitalen Komparators auf den Chips DD3 und DD5. Mit dem Schalter SA1 werden dem zweiten Eingang des Komparators abwechselnd Zahlen zugeführt, die der Referenzverzögerungsdauer für vier Benzinmarken entsprechen. Diese Zahlen werden an den Eingängen der Pufferelemente DD2, DD4, DD6 und DD9 im inversen Binärcode eingestellt, da diese Elemente invertierend sind. Da die Ausgänge dieser Elemente drei Zustände haben, können sie zu einem gemeinsamen Bus zusammengefasst werden, was beim Oktanzähler der Fall ist. Bei einer anderen Länge der Messstrecke (der Länge des Gastanks) ändern sich die Standardzahlen N proportional, dann werden die Reste aus ihrer Division durch 128 genommen. Wenn Sie mit der Messung der Oktanzahl von Benzin beginnen, sollten Sie den Schalter SA1 auf die Position „AI-80“ stellen. Setzen Sie dann den Zähler zurück, indem Sie die Taste SB1 drücken und die Taste SB2 drücken, um die Messung durchzuführen. Wenn die Oktanzahl des Benzins unter der Referenzzahl für Benzin dieser Marke liegt, leuchtet die rote HL3-LED auf. Wenn es mit dem Referenzwert übereinstimmt, leuchtet die gelbe HL2-LED auf. Bei mehr wird die grüne LED HL1 eingeschaltet. Im letzteren Fall sollte der Schalter SA1 nacheinander in Positionen bewegt werden, die höheren Oktanzahlen entsprechen, während die LEDs weiterhin überwacht werden. Beim Einrichten des Geräts wird die Frequenz an Pin 40 des DA5-Chips mithilfe des Trimmwiderstands R3 auf 9 kHz eingestellt. Werden höherfrequente Ultraschallwandler von 100 oder 200 kHz verwendet, muss die Generatorfrequenz entsprechend erhöht werden. Es ist jedoch zu bedenken, dass mit zunehmender Ultraschallfrequenz auch deren Dämpfung im Benzin zunimmt. Daher müssen die Abmessungen des Tanks, in dem Messungen durchgeführt werden, verringert werden, was den Fehler des Geräts erhöht. Die im Oktanometer verwendeten digitalen Mikroschaltungen können durch importierte Analoga der Serien 4000 und 74HC ersetzt werden. Anstelle des Spannungsstabilisators LT3013EFE eignet sich jeder Linearstabilisator mit einer einstellbaren oder festen Ausgangsspannung von 5 V und einem maximalen Laststrom von mindestens 100 mA. Da der Stabilisator etwa 0,7 W an Leistung verbraucht, muss er mit einem Kühlkörper ausgestattet sein. Das Thermostatdiagramm ist in Abb. dargestellt. 3. Es basiert auf einem speziellen Thermostatchip LM56BIM (DA1), der über einen eingebauten Temperatursensor und eine Referenzspannungsquelle von 1,25 V (Pin 1) verfügt. Die Temperatur, bei der die Heizung ein- und ausgeschaltet wird, wird durch die Spannungswerte an den Eingängen UTL (Pin 3) bzw. UTH (Pin 2) eingestellt, die gleich [4] sein müssen: UTL = 0,0062 TL + 0,395 UTH = 0,0062 TH +0,395, wo TL und TH - Temperaturwerte zum Ein- und Ausschalten der Heizung einstellen, °C.
Diese Spannungen ergeben sich aus der Referenzspannung Uref (Pin 1) mit einem Widerstandsspannungsteiler R1-R3. Angesichts des Wertes von RΣ=R1+R2+R3, der Widerstand dieser Widerstände kann mit den Formeln berechnet werden: R2=UTL· R.Σ / 1,25 R1 = (UTH· R.Σ / 1,25) - R2 R3=RΣ - R1 - R2 Die im Diagramm angegebenen Werte der Widerstände R1-R3 sorgen dafür, dass die Einschalttemperatur des Heizgeräts etwa 18 °C beträgt оC, und seine Abschalttemperatur beträgt etwa 26 оC. Wenn die Temperatur des Benzins weniger als 18 beträgt оC, dann leuchtet die LED HL2 und das Heizelement EK1 schaltet ein. Wenn die Temperatur über 26 liegt оC, dann schaltet sich die Heizung aus, aber die HL1-LED leuchtet. Wenn eine der LEDs leuchtet, lohnt es sich daher nicht, die Oktanzahl von Benzin zu messen. Um die Temperatur von Benzin korrekt messen zu können, muss das Gehäuse des LM56BIM-Chips einen guten thermischen Kontakt zum Benzintank haben. Zur Beheizung des Gastanks werden selbstklebende Heizfolien verwendet [5]. Literatur
Autor: A. Kornew
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